Đặt vấn đề Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống thông tin liên lạc không dây ngày nay đã chứng tỏ sức mạnh, hiệu năng của nó. Ban đầu, các hệ thống này vẫn còn rất thô sơ, hiện nay chúng đã phát triển thành một hệ thống có thể truyền tải tốc độ rất cao, cho phép truy cập dữ liệu mạng với tốc độ của các kết nối cố định. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện thoại thông minh, lưu lượng dữ liệu không dây của thiết bị di động cũng tăng lên theo cấp số mũ. Do đó, đã có nhiều cảnh báo về "khủng hoảng phổ RF", nhưng nhu cầu dữ liệu di động vẫn tiếp tục tăng cao.
Vì phổ RF bị giới hạn và chi phí cao, một số kỹ thuật truyền nhận mới và khả thi đang được nghiên cứu nhằm giảm tình trạng khai thác phổ. Một trong những công nghệ đầy triển vọng và có thể tiếp cận được là OWC, công nghệ này đã thể hiện được những ưu điểm so với truyền nhận bằng sóng RF. VLC là một kịch bản riêng của OWC, đây là kịch bản mà ta sử dụng vùng ánh sáng khả kiến để có thể kết hợp giữa việc truyền nhận dữ liệu và công nghệ chiếu sáng, từ đó có thể vận dụng các cơ sở hạ tầng có sẵn. Mặt khác, các thiết bị vô tuyến quang lại tiêu tốn ít năng lượng giúp giảm thiểu vấn đề chi phí phát sinh.
Các thiết bị điện tử như máy tính để bàn (PC), máy tính xách tay (Laptop), điện thoại di động, máy nghe nhạc càng ngày càng trở nên nhỏ gọn và tích hợp được nhiều chức năng nên có thể tận dụng camera gắn ngoài của các thiết bị này để tích hợp thêm diode tách quang nhằm biến chúng thành một hệ thống thu VLC. Trong VLC, tín hiệu có thể lấy từ vùng bước sóng chưa được sử dụng của vùng ánh sáng khả kiến từ 380nm đến 750nm và vùng cận hồng ngoại từ 750nm đến 2500nm. Tổng tài nguyên băng thông lên đến 670THz, tức là gấp 10000 lần phổ RF, do đó đáp ứng được nhu cầu băng thông và tốc độ không ngừng tăng cao. Việc sử dụng băng tần cách biệt và chưa được sử dụng sẽ tránh gây can nhiễu với công nghệ RF, mặt khác bức xạ quang có bán kính tia và búp sóng cực hẹp nên công suất phát GIỚI THIỆU 2 chỉ tập trung trong không gian hẹp, cách ly không gian giữa các đường truyền để hạn chế nhiễu nên có thể tái sử dụng lại tần số [1].
Hệ thống tôi nghiên cứu và thực hiện trong môi trường thực nghiệm, đáp ứng tần số của hệ thống OLED là phi tuyến, nhưng không mô hình toán được hàm phi tuyến này, nên tôi dùng các phương pháp neural network để ước lượng và cân bằng phi tuyến, cụ thể dùng phương pháp time-delay neural network, general regression neural network, và deep belief networks. Câu hỏi nghiên cứu đặt ra của luận văn là: 1. Thực hiện ước lượng và cân bằng hệ thống phi tuyến sử dụng các phương pháp neural network có tốt hơn sử dụng phương pháp tuyến tính truyền thống hay không? 2. Cấu trúc và thông số nào của các phương pháp neural network chứng minh được cân bằng hàm phi tuyến tốt hơn so với phương pháp truyền thống? 3.
Khi sử dụng các phương pháp neural network để cân bằng miền thời gian và cân bằng miền tần số có áp dụng được không? Phương pháp cân bằng nào tốt hơn? Trong chương 2, cơ sở lý thyết về neural network sẽ được trình bày. Trong chương 3, các kết quả mô phỏng sẽ được so sánh và phân tích. Cuối cùng, chương 4 đưa ra kết luận chung.2 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu Thực hiện chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab với kỹ thuật điều chế OFDM, các phương pháp time-delay neural network, general regression neural network, deep belief networks, zero forcing, minimun mean square error trong môi trường truyền thông không dây dùng ánh sáng khả kiến. GIỚI THIỆU 3 Khảo sát hệ thống thực nghiệm: Một OLED phát của nguồn phát được đặt trên mặt bàn, sử dụng OLED (7KHz) kết hợp bộ pre-emphasis để tăng băng thông của hệ thống VLC từ 7KHz lên 325KHz.
Một photodiode thu (PDA36A) của bộ nhận được đặt trên mặt bàn, với các khoảng cách khảo sát đo đạc thực tế từ 5 cm đến 150 cm. Các tín hiệu thực tế thu được từ điều chế OFDM sẽ được đưa vào các mạng nơ ron bằng code Matlab để ước lượng và cân bằng phi tuyến. Hệ thống cân bằng miền thời gian được đề xuất như hình 1-1 và hệ thống cân bằng miền tần số được đề xuất như hình 1-2. Hình 1-1: Hệ thống cân bằng miền thời gian Hình 1-2: Hệ thống cân bằng miền tần số GIỚI THIỆU 4 1.3 Các đóng góp của luận văn Luận văn này có các đóng góp như sau: • Chứng minh được tín hiệu sau khi đi qua hệ thống VLC thực tế bị méo dạng phi tuyến.
• Hệ thống VLC thực tế thu được tín hiệu ở khoảng cách khảo sát từ 5 cm đến 150 cm khi tăng độ lợi bộ thu theo khoảng cách. Thu được tín hiệu từ 5 cm đến 90 cm khi giữ cố định độ lợi bộ thu. • Áp dụng được các mạng nơ ron thời gian trễ (TDNN), Mạng nơ ron hồi quy tổng quát (GRNN), Mạng niềm tin học sâu (DBN) để cân bằng phi tuyến trong hệ thống cân bằng miền thời gian và hệ thống cân bằng miền tần số. • Tính toán và so sánh các thông số tỷ lệ lỗi bit (bit error rate – BER), độ lớn của vector sai số (error vector magnitude - EVM), tỉ số tín hiệu trên nhiễu (signal to noise ratio – SNR) của các phương pháp cân bằng dùng mạng nơ ron với các phương pháp cân bằng tuyến tính truyền thống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 CHƯƠNG 2.1 Hệ Thống VLC 2.1 Khái niệm kênh truyền quang Kênh truyền quang học đã được chứng minh là một kênh truyền tuyến tính, biến đổi theo thời gian, không nhớ với đáp ứng xung là hữu hạn theo thời gian. Đặc điểm cơ bản của kênh truyền quang là phần suy hao quang học, việc mô hình hóa kênh truyền quang để thể hiện gồm 2 loại tia truyền: LOS (light of sight) và NLOS (Non light of sight). Việc truyền tốc độ cao sẽ khiến băng thông tín hiệu lớn, khi băng thông coherence lớn, kênh truyền quang được xem như là kênh truyền chọn lọc tần số. Trong đó loại tia truyền LOS cung cấp khả năng cường độ tốt hơn tại bộ phát và thu và băng thông coherence tốt hơn, nó thích hợp với các đường truyền có tốc độ cao, tuy nhiên không phù hợp với các ứng dụng di động cao, đường truyền dễ bị bẻ gãy hoặc bị gián đoạn.
Trong khi đó, truyền thông bằng NLOS cung cấp biên độ thấp hơn, băng thông coherence nhỏ hơn tuy nhiên độ di động cao hơn nhiều so với truyền thông LOS do NLOS khai thác các đặc tính phản xạ của các đối tượng, cường độ bức xạ tại máy thu, đồng thời truyền thông NLOS có thể được tăng cường bằng cách khuếch tán [2]. Hình 2-1: Mô hình truyền thông LOS và NLOS CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 Trong mô hình LOS, đường dẫn ánh sáng được truyền trực tiếp không qua bất kỳ việc cản trở nào, phần ánh sáng được truyền trực tiếp tới FOV (field of view) của máy thu. Trong khi đó, truyền thông NLOS gồm 2 loại: directed NLOS và non- directed NLOS được mô tả như hình 2-1, do việc bị chắn ở vật thể nào đó, giữa máy phát và máy thu phải nhận thông qua 1 phản xạ khác. Trong truyền thông NLOS, tín hiệu đến máy phát bị từ nhiều luồng phản xạ khác nhau, trong trường hợp direct NLOS, máy phát có đặc tính bức xạ rất hẹp qua đó luồng ánh sáng đi theo một đường duy nhất, điều này dẫn đến chỉ có 1 luồng phản xạ duy nhất, qua đó vật thể phát xạ xem như là một máy phát mới.
Trong khi đó, trường hợp non-direct NLOS, máy phát có đặc tính phát xạ rộng, qua đó phát xạ qua rất nhiều luồng ánh sáng khác nhau, tạo thành một vùng nhận dữ liệu lớn, giúp cho máy thu có thể di động mà vẫn cung cấp 1 đường truyền thông suốt. Trong luận văn sử dụng kênh truyền quang phi tuyến tính, mô hình LOS vì được thực hiện trong môi trường đo đạc thực nghiệm. Ngoài ra, kênh truyền VLC bị ảnh hưởng bởi các nguồn sáng bên ngoài. Các nhiễu do nguồn sáng bên ngoài này có thể gây ra bởi các nguồn sáng khác như các ánh sáng đèn, các đèn huỳnh quang và ánh sáng mặt trời.
Với các ứng dụng ngoài trời, kênh truyền VLC còn có thể chịu tác động của yếu tố thời tiết.2 Đáp ứng xung và hàm truyền của kênh truyền quang Độ trải trễ kênh và băng thông kênh truyền tỉ lệ nghịch với nhau, khi trong một môi trường có tính phản xạ cao, việc các đường truyền phản xạ khi đến máy phát không mất nhiều công suất, khiến cho có nhiều đường NLOS đến được máy thu, điều này làm cho thời gian trải trễ dài ra hay băng thông kênh truyền nhỏ lại. Trong chiều ngược lại, trong môi trường phản xạ ít, có ít đường NLOS đến được máy thu, điều này làm cho thời gian trải trễ nhỏ đi hay băng thông kênh truyền được rộng ra. Tổng quát, đáp ứng xung của kênh truyền có thể được mô hình hóa theo phương trình bên dưới cho cả truyền thông LOS và NLOS: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 6a6 h(t) = g h(opt) U(t) (1) (t + a )7 Trong đó: g là độ lợi của kênh truyền, U(t) là hàm bước, a là băng thông trải trễ của kênh truyền. Tuy nhiên trong truyền thông LOS, do khoảng cách giữa máy phát và máy thu là ngắn (khoảng 1m).
Ngoài ra, không giống như trong truyền thông vô tuyến, trong truyền thông LOS, băng thông coherence được định nghĩa là tốc độ chênh lệch của từng bước sóng trong nguồn phát Laser hay LED. Khi đó, nếu khoảng cách máy phát và máy thu đủ xa thì ta mới thấy sự chênh lệch của các bước sóng nội tại của nguồn, lúc đó ta xem như có nhiều tia sáng trong một luồng LOS, nhiễu ISI sẽ xuất hiện, trong trường hợp nhiễu ISI sẽ xuất hiện, khoảng guard interval sẽ được thêm vào để giảm lượng chồng lấn giữa các xung, qua đó làm giảm hiệu suất sử dụng phổ. Tổng quát, trong truyền thông LOS, ta xem như đáp ứng xung của kênh truyền là: h(t) = (t). Với kênh truyền là kênh truyền LOS, slow fading, hay nói cách khác là không có sự chọn lọc tần số, độ lợi của kênh truyền quang tổng hợp là [2], [3]: nTx + 1 A cos(θRx,d ) rect(θRx,d )SPD GTIA TOF GOC h= cosnTx (θTx,d ) 2 (2) 2π d √R load Trong đó: nTx là số lượng mode.
