MỞ ĐẦU Ngày nay, truyền thông không dây đã trở thành vấn đề cơ bản trong cuộc sống của chúng ta và chúng ta truyền một lƣợng lớn dữ liệu mỗi ngày. Cách truyền dữ liệu không dây chủ yếu là bằng các sóng điện từ, đặc biệt là sóng vô tuyến. Tuy nhiên, các sóng vô tuyến chỉ có băng tần giới hạn do phổ tần bị hạn chế và giao thoa. Thêm vào đó, phổ tần vô tuyến đã chật chội và khó khăn cho việc tìm kiếm dung lƣợng vô tuyến để hỗ trợ các ứng dụng truyền thông.
Có một loại truyền thông không dây với tƣơng lai hứa hẹn có thể bổ sung cho các sóng vô tuyến đó là truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy-VLC. VLC là một công nghệ truyền thông dữ liệu mà sử dụng các nguồn ánh sáng nhƣ là một máy phát tín hiệu, không khí nhƣ là môi trƣờng truyền dẫn hay kênh truyền và một thiết bị nhận tín hiệu. Nói chung máy phát thƣờng là diode phát quang LED trong khi các thiết bị ở phía thu là bộ tách sóng quang, thƣờng là diode tách sóng. Bằng cách sử dụng VLC cho các ứng dụng khoảng cách ngắn, chúng ta có thể bổ sung cho các sóng vô tuyến để đạt đƣợc các tốc độ dữ liệu cao và một băng thông rộng.
Dựa trên sự nghiên cứu chi tiết về nghiên cứu VLC, chúng ta thấy rằng chƣa có nhiều nghiên cứu đƣợc thực hiện phát triển công nghệ này cho việc sử dụng thƣơng mại hóa. Nhƣng do nghiên cứu về VLC là tƣơng đối mới và còn nhiều khả năng mở rộng nghiên cứu, đề tài chọn lựa nghiên cứu về công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy. VLC đƣợc áp dụng cho các ứng dụng trong nhà và các ứng dụng ở ngoài trời. Hiện nay, giao thông thông minh đang là một hệ thống đƣợc xây dựng và phát triển nhằm giảm tắc nghẽn và đảm bảo an toàn giao thông.
Bởi vì mất an toàn giao thông một vấn đề đang đƣợc quan tâm trong xã hội vì nó gây ra nhiều hệ lụy nghiệm trọng. Giao thông thông minh (ITS) là hệ thống giao thông ứng dụng các công nghệ, trong đó có công nghệ VLC. Công nghệ VLC giúp cho các thành phần trong hệ thống ITS có thể trao đổi thông tin với nhau ví dụ thông tin giữa các phƣơng tiện với nhau, thông tin giữa phƣơng tiện tham gia giao thông và các thiết bị 10 download by : skknchat@gmail.com KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ hạ tầng giao thông nhƣ đèn tín hiệu giao thông. Từ đó, hệ thống ITS ứng dụng công nghệ VLC có thể đƣợc xem nhƣ là một hệ thống giao thông tiên tiến không những cung cấp hạ tầng phục vụ cho việc di chuyển của các phƣơng tiện mà còn trao đổi, dự báo và kiểm soát thông tin giữa các thành phần trong hệ thống.
Các thành phần trong hệ thống có thể hoạt động không bị xung đột với nhau tránh gây ra vấn đề về tắc nghẽn và vấn đề tai nạn giao thông. Đồng thời, ứng dụng công nghệ VLC cho hệ thống giao thông thông minh tận dụng dƣợc ƣu điểm của đèn LED cho cả hai việc chiếu sáng và truyền tin, giúp tận dụng hạ tầng và giảm giá thành cho các hệ thống. Vì lý do đó, luận văn chọn đề tài “Nghiên cứu về truyền dẫn thông tin trong dải ánh sáng nhìn thấy VLC và các ứng dụng trong giao thông thông minh”. Trong luận văn, mô hình hệ thống VLC ngoài trời ứng dụng cho hệ thống giao thông thông minh đƣợc đề xuất.
Bố cục của luận văn gồm 4 chƣơng: - Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy. - Chƣơng 2: Hệ thống giao thông thông minh ứng dụng công nghệ VLC. - Chƣơng 3: Mô hình nguồn phát và đặc tính kênh truyền của hệ thống VLC ứng dụng trong ITS. - Chƣơng 4: Mô hình mô phỏng và đánh giá kết quả.
Tiếp theo luận văn trình bày kết luận và hƣớng nghiên cứu phát triển tiếp theo. Do hiểu biết còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Điện tử-Viễn thông, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin cám ơn TS.Hà Duyên Trung đã hƣớng dẫn tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. 11 download by : skknchat@gmail.com KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 1.1 Giới thiệu Truyền thông bằng ánh sáng nhìn –VLC là cái tên đƣợc đƣa ra cho một hệ thống thông tin không dây mang thông tin bằng cách điều chế trong phổ ánh sáng nhìn thấy (400-700nm), dải phổ đƣợc sử dụng cho việc chiếu sáng. Các tín hiệu truyền thông tin đƣợc mã hóa bởi ánh sáng chiếu sáng.1 Dải phổ ánh sáng nhìn thấy VLC ngày càng đƣợc quan tâm với việc sử dụng ánh sáng chiếu sáng cho truyền tin để tiết kiệm năng lƣợng bằng cách sử dụng sự chiếu sáng để mang thông tin sử dụng hạ tầng chiếu sáng có sẵn. Hơn nữa, công nghệ VLC thân thiện với môi trƣờng so với công nghệ tần số vô tuyến.
Sự phát triển thêm một công nghệ vô tuyến VLC là kết quả của nhu cầu ngày một lớn của việc kết nối không dây tốc độ cao.2 Lịch sử phát triển của công nghệ VLC Nhiều năm trƣớc, chúng ta thấy có nghiên cứu về VLC và ý tƣởng sử dụng các LED cho cả việc chiếu sáng (illumination) và truyền tin (data communications). 12 download by : skknchat@gmail.com KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Động lực chính cho công nghệ này bao gồm việc chiếu sáng bằng chất bán dẫn (solid-state lighting) ngày càng phổ biến, tuổi đời dài hơn của LED có độ sáng cao so với các nguồn ánh sáng nhân tạo khác nhƣ đèn dây tóc, tốc độ băng thông/dữ liệu cao, bảo mật dự liệu, an toàn sức khỏe, và tiết kiệm năng lƣợng. Khái niệm VLC nhƣ là một phƣơng thức truyền thông tin đƣợc ra đời tƣ những năm 1870 khi Alexander Granham Bell mô tả thành công truyền dẫn của một tín hiệu âm thanh sử dụng một gƣơng đƣợc tạo ra để dao động bởi âm thanh của một ngƣời. Mô tả thực tế đầu tiên của VLC, đƣợc gọi là máy phát âm thanh bằng ánh sáng (photophone), diễn ra vào năm 1880 sử dụng ánh sáng mặt trời nhƣ là một nguồn sáng.
Bell và Tainer thành công trong việc truyền tin một cách rõ ràng qua khoảng cách khoảng 213 mét trong thí nghiệm máy phát âm thanh bằng ánh sáng. Tuy nhiên, hệ thống của Bell có một vài nhƣợc điểm nhƣ là nó phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, một loại ánh sáng bị gián đoạn. Sự phát triển về hiện tƣợng trong quang điện tử (optoelectronics), cụ thể là các nguồn sáng bán dẫn trong các thập kỉ qua dẫn đến sự nổi lên một lần nữa của truyền thông tin quang không dây. Ánh sáng bán dẫn là ánh sáng đƣợc tạo ra bởi sự phát quang điện.
Những năm 1990, các LED độ sáng cao với mục đích chiếu sáng nói chung đƣợc giới thiệu. Chỉ trong vài năm, hiệu quả chiếu sáng của LED đƣợc tăng lên nhanh chóng từ 0.1m/W tới hơn 230lm/W và với thời gian sống khá cao 100000 giờ. Bây giờ chúng ta có thể thấy có loại nguồn chiếu sáng mới khác nhƣ OLED (organic LED). OLED có hiệu quả chiếu sáng tƣơng đối thấp khoảng 100lm/W và thời gian sống khá ngắn so với LED, do đó hạn chế các ứng dụng cho hiển thị màu sắc khác nhau và chiếu sáng nói chung ở hiện tại.
Trái lại OLED lại là giải pháp thay thế cho chiếu sáng và truyền tin khu vực lớn. So với các đèn chiếu sáng cổ điển với hiệu quả chiếu sáng bị giới hạn 52lm/W và đèn huỳnh sáng đỉnh của LED trắng vƣợt quá 260 lm/W, thấp hơn rất nhiều so với hiệu quả chiếu sáng dự đoán trong lý thuyết đạt tới 425 lm/W. Trong những năm tới, có những bằng chứng rõ ràng về việc tăng mức độ của chất lƣợng chiếu 13 download by : skknchat@gmail.com KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ sáng của LED. Từ quan điểm nhìn môi trƣờng, ánh sáng bán dẫn (solid-state lighting -SSL) sẽ là một công nghệ cần thiết cho việc tiết kiệm năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng.
Công nghệ sử dụng ánh sáng bán dẫn có ƣu điểm nhƣ sau: - Tuổi đời thiết bị dài. - Chịu đƣợc độ ẩm cao. - Không có thủy ngân. - Kích thƣớc nhỏ và gọn hơn.
- Hiệu quả biến đổi năng lƣợng cao hơn ( với white LED hiệu quả chiếu sáng lớn hơn 200lm/W). - Tiêu thụ năng lƣợng thấp hơn. - Chuyển mạch nhanh hơn. Vì lý do này mà LED ánh sáng trắng là các nguồn lý tƣởng chó các ứng dụng trong tƣơng lai ở cả trong nhà và ngoài trời cho hai mục đích chiếu sáng và truyền dữ liệu, do đó dẫn đến tiết kiệm năng lƣợng đáng kể trên toàn cầu.
Với sự xuất hiện của LED ánh sáng trắng tạo bởi sự kết hợp của ba màu cơ bản đỏ, xanh lá cây và xanh da trời, hay bởi cách sử dụng máy phát ánh sáng xanh kết hợp với một huỳnh quang, các nghiên cứu và sự phát triển của hệ thống VLC trong nhà đƣợc thúc đẩy. Các nguồn của VLC có công suất đầu ra quang cao và các đặc tính phát lớn để thực hiện cho việc chiếu sáng. Hơn nữa, các thiết bị này có đáp ứng kênh không dây riêng biệt, khác so với với truyền tin không dây hồng ngoại. Đầu tiên, VLC đƣợc bắt đầu ở phòng thí nghiệm Nakagawa ở đại học Kio ở Nhật năm 2003.
Nghiên cứu này tiếp tục đƣợc theo đuổi và phát triển ở trên toàn thế giới. Bằng cách đóng mạch và ngắt mạch LED ánh sáng trắng phổ lân quang (phosphorescent white LEDs) nhanh chóng, tốc độ dữ liệu lên tới 40Mbps dễ dàng đƣợc thực hiện. Sử dụng cùng kỹ thuật khóa đóng mở, tốc độ dữ liệu cao hơn vƣợt 100Mbps có thể đạt đƣợc với LED ánh sáng trắng RGB. Các LED hốc cộng hƣởng có thể đạt đƣợc tốc độ dữ liệu vƣợt quá 500Mbps.
Các LED cộng hƣởng sử dụng các phản xạ Bragg, hoạt động nhƣ các gƣơng để tăng ánh sáng đƣợc phát. Thêm vào 14 download by : skknchat@gmail.com KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ đó, nó làm tăng độ trong suốt của phổ so với LED thƣờng, do đó nâng cao khả năng truyền tin. Khái niệm về VLC đƣợc mô tả ở bảng 1.1 dƣới đây: Thời Sự kiện gian Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trên thiết 2004 bị di động tại Nhật Bản.