Luận văn Cải thiện hiệu suất mạng vlc bằng phương pháp lập lịch tối ưu tài nguyên

2.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VŨ TUẤN LÂM HÀ NỘI – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Tuấn Lâm. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. TÁC GIẢ Hoàng Văn Hà ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài “Cải thiện hiệu suất mạng VLC bằng phương pháp lập lịch tối ưu tài nguyên”, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của lãnh đạo Khoa Đào tạo sau Đại học, thầy cô giáo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cùng các bạn và các anh chị trong khoa. Xin chân thành cảm ơn lãnh đạo cùng các cán bộ Khoa Đào tạo sau Đại học Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã quản lý và tổ chức hiệu quả và chất lượng giúp tôi yên tâm trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo TS. Vũ Tuấn Lâm người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi nghiên cứu đề tài. Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp và các anh chị trong khoa đã hỗ trợ và góp ý để tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tuy rằng luận văn còn nhiều thiếu sót và hạn chế nhưng rất mong nhận được sự góp ý và nhận xét từ các thầy cô. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... v DANH MỤC HÌNH VẼ ...........................................................................................vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... vii LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY ........................................................................................ 2 1.1 Quá trình phát triển của công nghệ VLC ..................................................... 2 1.2 Các đặc trưng kỹ thuật của công nghệ VLC ................................................ 3 1.2.1 Đèn LED trắng ......................................................................................... 3 1.2.2 Các đặc trưng của công nghệ VLC ......................................................... 7 1.2.3 Các thành phần của VLC ....................................................................... 9 1.3 Ứng dụng của công nghệ VLC ..................................................................... 11 1.4 Thách thức của công nghệ VLC .................................................................. 15 1.5 Kết luận chương ............................................................................................ 16 CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG HỆ THỐNG VLC .......................................................................................................................... 17 2.1 Giới thiệu chung hệ thống VLC ................................................................... 17 2.2 Hiệu năng đường xuống của hệ thống VLC ............................................... 19 2.3 Các vấn đề về nhiễu ảnh hưởng tới hiệu năng ........................................... 23 2.3.1 Khái quát về OFDM quang học ............................................................ 23 2.3.2 Giải pháp SDMA/OFDMA trong hệ thống VLC ................................ 24 2.3.3 Các tham số nhiễu cụ thể ảnh hưởng tới hiệu năng VLC .................. 26 2.4 Kết luận chương ............................................................................................ 28 iv CHƯƠNG 3: NÂNG CAO HIỆU NĂNG VLC THÔNG QUA KỸ THUẬT LẬP LỊCH ................................................................................................................ 29 3.1 Giới thiệu mô hình mạng VLC .................................................................... 29 3.2 Cấu trúc hệ thống VLC đa điểm truy cập .................................................. 31 3.3 Cơ chế lập lịch trong hợp tác đa điểm phối hợp ........................................ 33 3.3.1 Cơ chế hợp tác truyền dẫn đa điểm phối hợp CoMP ......................... 33 3.3.2 Cơ chế lập lịch kết hợp CoMP ............................................................. 34 3.3.3 Cơ chế CoMP truyền dẫn đồng thời..................................................... 36 3.3.4 Cơ chế CoMP lựa chọn điểm truyền động .......................................... 38 3.4 Giải pháp lập lịch nâng cao hiệu năng VLC ............................................... 39 3.4.1 Cập nhật ma trận quản lý nhiễu của các chùm sáng .......................... 40 3.4.2 Thuật toán lựa chọn chùm sáng truyền dẫn ........................................ 41 3.4.3 Thuật toán phân bổ tài nguyên kênh con ............................................ 44 3.5 Kết quả đánh giá hiệu năng của giải pháp nâng cao hiệu năng VLC ...... 46 3.6 Kết luận chương ............................................................................................ 49 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 51 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 52 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh đặc tính của VLC và công nghệ RF .............................................. 8 Bảng 3. 1: Các thông số thiết kế của cấu hình chiếu sáng ........................................ 30 Bảng 3. 2: Thông số mô phỏng ................................................................................. 46 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo của RGB LEDs .............................................................................. 5 Hình 1.2: Cấu tạo của LED đơn phủ phốt pho ............................................................ 6 Hình 1.3: Quang phổ của LED đơn phủ phốt pho ...................................................... 6 Hình 1.4: Phổ tần số ánh sáng nhìn thấy của VLC ..................................................... 7 Hình 1.5 Sơ đồ khối của Công nghệ truyền thông quang ......................................... 10 Hình 1.6: Sơ đồ khối việc điều chỉnh cường độ sáng ............................................... 10 Hình 1.7: Giao thông thông minh ............................................................................. 11 Hình 1.8: Truyền thông trong bệnh viện và máy bay ............................................... 12 Hình 1.9: Truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ VLC ................................... 13 Hình 1.10: Công nghệ Li-Fi ...................................................................................... 13 Hình 1.11: Ứng dụng công nghệ VLC trong nhà thông minh .................................. 14 Hình 1.12: Công nghệ VLC ứng dụng trong định vị và dẫn đường ......................... 14 Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC ............................................................................. 17 Hình 2.2: Cấu hình chiếu sáng của điểm truy cập đa chùm sáng ............................. 18 Hình 2.3 Phân loại kênh truyền trong hệ thống VLC ............................................... 19 Hình 2.4: Kênh đường xuống trong hệ thống VLC .................................................. 21 Hình 2.5 Mô hình hệ thống OFDM quang ................................................................ 24 Hình 2.6: Hệ thống VLC SDMA/OFDMA ............................................................... 25 Hình 3.1: Mặt cắt đứng của cấu hình AP với 9 và 25 chùm sáng ............................. 29 Hình 3.2: Các mô hình triển khai mạng VLC trong nhà. .......................................... 32 Hình 3.3: Triển khai lắp đắt các điểm truy cập theo dạng lưới ................................. 32 Hình 3.4: Phân loại cơ chế CoMP ............................................................................ 34 Hình 3.5. Cơ chế CoMP-CB ..................................................................................... 35 Hình 3.7. Cơ chế CoMP Intra-eNB JT ...................................................................... 37 Hình 3.8: Cơ chế CoMP Inter-eNB JT trong kiến trúc phân tán ............................. 37 Hình 3.9: Cơ chế CoMP Inter-eNB JT trong kiến trúc tập trung ............................. 37 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AP (Access Point) Điểm truy cập CCI (Co-channel Interference) Nhiễu đồng kênh FIFO (First in First Out) Vào trước ra trước FOV (Field of View) Góc nhìn HCPP (Hard-core Point Process) Quá trình điểm Hard-core ICI (Inter-Cell Interference) Nhiễu liên cell IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) Biển đổi ngược Fourier rời rạc IM/DD (Intensity Modulation / Direct Điều chế cường độ, tách sóng trực tiếp Detection) ISI (Inter-symbol Interference) Nhiễu xuyên ký tự LED (Light Emitting Diode) Diode phát quang LOS (Line of Sight) Ánh sáng trực tiếp NLOS (Non-Line of Sight) Ánh sáng phản xạ OFDM (Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực Multiplexing) giao OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao Multiple Access) PD (Photo Detector) Bộ chuyển đổi tín hiệu quang điện PPP (Poisson Point Process) Quá trình điểm Poisson QoS (Quality of Service) Chất lượng dịch vụ RF (Radio Frequency) Tần số vô tuyến viii RSS (Received Signal Strength) Độ mạnh tín hiệu nhận được RU (Resource Unit) Đơn vị tài nguyên SDMA (Space Division Multiple Access) Đa truy cập phân chia theo không gian SINR (Signal to Interference Plus Noise Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu Ratio) TC (Transmission Cluster) Cụm truyền dẫn UE (User Equipment) Thiết bị người dùng VLC (Visible Light Communication) Mạng truyền thông ánh sáng nhìn thấy 1 LỜI MỞ ĐẦU Sự thiếu hụt tài nguyên cho dịch vụ mạng không dây ngày nay đưa đến xu hướng di chuyển dải tần số để truyền không dây đến tần số cao hơn trong phổ tần số vô tuyến (Radio Frequency). Băng thông phổ ánh sáng khả kiến (Visual Light) rộng hơn 1000 lần so với toàn bộ phổ tần 300 GHz RF đã và đang chứng tỏ là một phương án khả thi trong truyền thông băng rộng. Truyền thông ánh sáng nhìn thấy (VLC: Visual light Communication) cho phép cơ sở hạ tầng chiếu sáng hiện tại cung cấp không chỉ chiếu sáng mà còn cả giao tiếp không dây. Yêu cầu cơ bản của hệ thống VLC là cung cấp truyền dẫn tốc độ cao và độ phủ sóng liền mạch. Để đáp ứng yêu cầu này, kiến trúc hệ thống VLC sử dụng trạm phát đa chùm sáng đã được đề xuất gần đây. Tuy nhiên, nâng cao hiệu năng hệ thống này vẫn đang là vấn để mở đối với các nhà nghiên cứu và triển khai khi số lượng các điều kiện ràng buộc tăng lên. Trong đó, vấn đề về nhiễu đồng kênh phụ thuộc rất lớn vào ràng buộc không gian cũng như thuật toán phân bổ tài nguyên cho người dùng. Vì vậy, đây là một vấn để mở cần nghiên cứu để cải thiện hiệu năng hệ thống VLC. Các giải pháp giảm nhiễu đồng kênh để nâng cao hiệu suất mạng VLC được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và thể hiện qua nhiều phương án kỹ thuật như: Tái sử dụng tần số, điều khiển công suất, hiệu chỉnh góc phát chùm sáng hoặc kỹ thuật lập lịch phân bổ tài nguyên. Trong luận văn này sẽ tiếp cận phương pháp lập lịch tài nguyên trên cơ sở thông tin người dùng được thu thập và thống kê để nâng cao hiệu suất mạng VLC như tăng thông lượng và giảm trễ truyền thông. Phần còn lại của luận án này được tổ chức như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy Chương 2: Các vấn đề liên quan tới hiệu năng hệ thống Chương 3: Nâng cao hiệu năng VLC thông qua kỹ thuật lập lịch Cuối cùng, Luận án này tóm tắt công việc của mình với một số nhận xét và một số định hướng làm trong tương lai. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 1.1 Quá trình phát triển của công nghệ VLC Ánh sáng nhìn thấy được xem như một phương tiện truyền thông bắt đầu từ năm 1870, khi Alexander Graham Bell đã chứng minh thành công việc truyền tín hiệu âm thanh bằng cách sử dụng một chiếc gương bị rung bởi giọng nói của người. Buổi trình diễn thực tế đầu tiên về truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy vào tháng 6 năm 1880, khi Alexander Graham Bell và trợ lý của ông - Tainter đã thành công trong việc truyền tín hiệu qua khoảng cách 213m trong thử nghiệm với photophone và nguồn sáng tự nhiên là ánh sáng mặt trời [1]. Tuy nhiên, thí nghiệm của Alexander Graham Bell đã không suôn sẻ vì sự thô ráp của các thiết bị sử dụng và ánh sáng mặt trời là không liên tục bởi sự thay đổi của môi trường. Trong những năm 1990, đã chứng kiến sự ra đời của đèn LED với độ chiếu sáng cao giúp mục đích chiếu sáng thông thường [2]. Chỉ trong vòng vài năm, hiệu quả của ánh sáng đèn LED đã được cải thiện nhanh chóng, từ ít hơn 0.1 lm/W cho đến lên trên 230 lm/W và đồng thời tuổi thọ đèn có thể lên đến 100.000 giờ. Một số ưu điểm chính của đèn LED như: Tuổi thọ dài hơn đáng kể, khả năng chịu ẩm cao hơn, không có thủy ngân, kích thước nhỏ hơn và nhỏ gọn, hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao hơn nhiều (hiện đã có đèn LED trắng với độ sáng cao hơn 200 lm/W), giảm đáng kể sự phát nhiệt so với tất cả các nguồn chiếu sáng khác, tiêu thụ điện năng thấp hơn, quan trọng nhất là chuyển đổi nhanh. Với những ưu điểm này, đèn LED trắng là nguồn sáng lý tưởng cho các ứng dụng trong tương lai (trong nhà và ngoài trời) cho mục đích kép đó là chiếu sáng và truyền thông dữ liệu. Vào năm 2000, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Keio, Nhật Bản đã đề xuất sử dụng đèn LED trắng để xây dựng một mạng truy cập không dây trong nhà. Điều này đã thúc đẩy việc nghiên cứu (đặc biệt là ở Nhật Bản) để xây dựng hệ thống truyền thông dữ liệu tốc độ cao thông qua việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy. Điều này đã dẫn tới việc thành lập hiệp hội truyền thông ánh sáng nhìn thấy (VLCC) tại Nhật Bản vào tháng 11 năm 2003 [3]. Năm 2004, tại Nhật Bản đã trình 3 diễn một hệ thống sử dụng đèn LED để truyền dữ liệu tốc độ cao đến các thiết bị máy tính cầm tay và phương tiện xe. Năm 2007, hiệp hội VLCC của Nhật Bản đã đề xuất hai tiêu chuẩn: tiêu chuẩn hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy và tiêu chuẩn hệ thống ID ánh sáng nhìn thấy, và JEITA đã chấp nhận các tiêu chuẩn này như JEITA CP-1221 và JEITA CP-1222. Năm 2008, trình diễn hệ thống VLC sử dụng đèn LED trắng có thể đạt tốc độ dữ liệu lớn hớn 100 Mbps trên các khoảng cách dài hơn vài mét và sử dụng đường truyền thẳng (LOS). Hiệp hội VLCC cũng kết hợp và điều chỉnh lớp vật lý với truyền thông sử dụng hồng ngoại do Hiệp hội Dữ liệu hồng ngoại Quốc tế (IrDA) đề xuất trong năm 2009. Song song với đó, dự án GIS Gigabit (OMEGA) do Liên minh Châu Âu tài trợ cũng phát triển truyền thông quang học như một cách để gia tăng mạng lưới truyền thông RF. Vào năm 2014, hiệp hội VLCA (Hiệp hội Truyền thông ánh sáng nhìn thấy) được thành lập như một kế nhiệm của hiệp hội VLCC tại Nhật Bản, để chuẩn hóa công nghệ VLC. Trong năm 2011, tiêu chuẩn IEEE về truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy đã được đề xuất dưới dạng IEEE 802.15.7 bao gồm lớp liên kết dữ liệu và các đặc điểm thiết kế của lớp vật lý [3-4]. Năm 2013, giáo sư Harald Haas đã thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1.6 Gbps thông qua đèn LED đơn sắc [5]. Trong vài năm gần đây, dung lượng kết nối VLC đạt được đã vượt qua 1 Gbps, và các nỗ lực nghiên cứu đang ngày càng tăng lên và đang hướng tới việc nhận ra tiềm năng đầy đủ của công nghệ VLC này. 1.2 Các đặc trưng kỹ thuật của công nghệ VLC 1.2.1 Đèn LED trắng Trong một hệ thống truyền thông quang, nguồn sáng được sử dụng phải đạt được sự ổn định về bước sóng, độ rộng vạch phủ và tuổi thọ, trong nhưng năm gần đây đèn LED phát triển rất mạnh mẽ đã đáp ứng được nhu cầu phát sáng và đáp ứng được các điều kiện kể trên. LED (Light Emitting Diode – diode phát quang) là linh kiện bán dẫn chuyển đổi tín hiệu điện thành ánh sáng hoặc tia hồng ngoại. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ LED, cơ sở hạ tầng sử dụng nguồn sáng LED 4 càng trở nên phổ biến. LED trắng được sử dụng làm nguồn phát tín hiệu quang để truyền dữ liệu trong công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy. Một số ưu điểm của đèn LED trắng như sau [2][3][4]:  Hiệu suất phát sáng cao: Theo lý thuyết, hiệu quả của đèn LED trắng có thể đạt tới 425 lm/W. Tuy nhiên, sử dụng thực tế cho thấy hiệu quả của chúng đạt đỉnh ở 260 lm/W, cao hơn so với đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang truyền thống, tương ứng là 52 lm/W và 90 lm/W.  Tuổi thọ cao: Đèn LED trắng dự kiến sẽ có tuổi thọ sử dụng trong khoảng 60.000 giờ so với 1.200 và 10.000 giờ của bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang tương ứng.  Tiêu thụ ít điện năng: Điểm cộng lớn của đèn LED trắng là chúng tiêu thụ một lượng năng lượng thấp hơn nhiều so với các loại đèn hiện có. Công suất tiêu thụ của đèn LED trắng là khoảng 6W, chỉ bằng 10% và 40% của bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang.  Kích thước nhỏ gọn: Kích thước của đèn LED trắng đạt đến ngay cả dưới 2 .  Chuyển đổi nhanh: Một trong những đặc tính đặc biệt của đèn LED là khả năng chuyển đổi ở tốc độ siêu cao, có thể là hàng nghìn lần mỗi giây.  An toàn với cơ thể con người và thân thiên với môi trường: Đèn LED không phát tia cực tím và bao gồm thủy ngân, vì vậy chúng có thể an toàn cho mắt người.  Dễ dàng điều chỉnh độ sáng của đèn LED: Có thể dễ dàng điều chỉnh độ chiếu sáng của đèn LED bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung hoặc cường độ dòng điện qua đèn LED. Một số nhược điểm của đèn LED trắng như sau:  Giá thành còn tương đối cao: Giá thành hiện tại của đèn LED vẫn còn cao hơn hầu hết các công nghệ chiếu sáng thông thường (sợi đốt và đèn huỳnh quang) khi xem xét trên cùng chi phí về cường độ chiếu sáng. 5  Phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường: Một điểm yếu lớn khác của đèn LED là chúng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh.  Góc bức xạ: Đèn LED hiện tại không thể cung cấp được chùm sáng hẹp khoảng một vài độ. Trong khi đó, laser có thể phát ra các chùm tia với góc bức xạ 0.2 độ.  Độ nhạy điện áp: Để hoạt động ở hiệu suất cao, đèn LED cần phải được cung cấp điện áp phù hợp và luôn có một mức ngưỡng đáp ứng nhất định.  Giảm hiệu quả: Hiệu quả phát sáng của đèn LED sẽ giảm khi dòng điện tăng trên 10 mA. Các chủng loại LED trắng: Có hai loại đèn LED có sẵn trên thị trường: Đèn LED màu đơn (ví dụ: đèn đỏ, xanh lá cây và xanh lam) và đèn LED trắng. Bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau, có hai cách để tạo ra ánh sáng trắng bằng cách sử dụng đèn LED. RGB LEDs: Ánh sáng trắng được tạo ra một cách đơn giản khi trộn ba màu cơ bản (đỏ, xanh lá cây, xanh nước biển) như thể hiện trên hình 1.1. Các đèn LED được thiết kế theo cách này thường được gọi là RGB LEDs. Đèn LED RGB có các đặc tính nổi bật như tính linh hoạt của việc trộn các màu khác nhau, bên cạnh đó nó có hiệu suất phát sáng cao hơn 90 lm/W khi so sánh với đèn LED đơn phủ màu phốt phát. Công nghệ VLC khi sử dụng RGB LEDs có thể cung cấp khả năng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (ở đây là bước sóng ánh sáng). Ánh sáng trắng LED xanh LED xanh LED đỏ da trời lá cây Hình 1.1: Cấu tạo của RGB LEDs 6 LED đơn phủ phốt pho (phosphor based LED): Ánh sáng trắng được tạo ra bằng cách sử dụng LED màu xanh có phủ lớp phốt pho phát ra màu vàng như thể hiện trên hình 1.2. Ánh sáng trắng LED xanh Phốt pho da trời vàng Hình 1.2: Cấu tạo của LED đơn phủ phốt pho Loại đèn LED trắng này ít tốn kém hơn so với đèn LED RGB vì tính đơn giản ở thiết kế khi chỉ cần một nguồn màu duy nhất. Do đó, phần lớn các đèn LED trắng trên thị trường sản xuất bằng phương pháp này. Tuy nhiên, đèn LED đơn phủ phốt pho có nhược điểm là hiệu quả phát sáng thấp khi nó được so sánh với đèn LED RGB (∼ 80 lm/W) do các vấn đề suy hao liên quan đến lớp phủ phốt pho. Do tính chất của thời gian phân rã dài của phosphor, băng thông điều chế của phát xạ trắng giới hạn đến ∼ 2 MHz. Tuy nhiên, thành phần màu xanh có băng thông điều chế lớn hơn ∼ 20MHz. Do đó, để tăng tốc độ truyền dữ liệu, băng thông điều chế cao, một giải pháp đó là sử dụng bộ lọc màu xanh ở phía bộ thu để chỉ giải điều chế ở dải màu xanh trong quang phổ. Hình 1.3 thể hiện quang phổ ánh sáng khi sử dụng đèn LED phủ phốt pho. 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 Công suất quang chuẩn hóa 400 450 500 550 600 650 700 Bước sóng (nm) Hình 1.3: Quang phổ của LED đơn phủ phốt pho 7 1.2.2 Các đặc trưng của công nghệ VLC Ánh sáng nhìn thấy Đỏ Da cam Vàng Xanh lá Lam Xanh da Tím cây trời Hình 1.4: Phổ tần số ánh sáng nhìn thấy của VLC Ánh sáng nhìn thấy là dạng sóng với bước sóng nằm trong khoảng từ 380nm đến 750nm tương ứng với giải tần số từ 430THz đến 790THz như thể hiện ở hình 1.4. Do đó công nghệ VLC sử dụng ánh sáng nhìn thấy có băng thông không bị hạn chế, băng tần có thể đạt 400 THz. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ LED, VLC có thể đạt được truyền dẫn tốc độ cao lên tới hàng gigabit. Dưới đây là một số đặc trưng tiêu biểu của công nghệ VLC [3][5][6]:  Băng thông: Phổ tần số dùng trong công nghệ truyền thông vô tuyến điện RF có giới hạn, nhu cầu sử dụng thì ngày càng tăng do nhu cầu về lượng truy cập không dây tăng nhanh chóng theo cấp số nhân. Trong khi đó phổ tần số ánh sáng nhìn thấy lớn cấp 10.000 lần so với RF. Công nghê VLC sẽ là giải pháp truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao với mục tiêu giải quyết sự tắc nghẽn của công nghệ RF hiện tại.  Tính bảo mật: Do sự hạn chế của ánh sáng là không thể đi xuyên qua vật cản và chỉ phủ trong một diện tích nhất định, hệ thống VLC có tính bảo mật cao khi vùng phủ sóng đã được xác định và bên ngoài khó có thể xâm nhập vào mạng.  Hiệu quả quang phổ cao: Với đặc tính vùng phủ hạn chế của LED, với một diện tích trong nhà, hệ thống có thể chia thành nhiều các khu vực nhỏ tách biệt và sử dụng lại tài nguyên băng tần. Do đó, hiệu quả sử dụng quang phổ của VLC cao gấp nhiều lần so với RF. 8  Tính năng kép: Công nghệ VLC vừa đáp ứng nhu cầu chiếu sáng vừa truyền dữ liệu tốc độ cao. Công nghệ LED phát triển nhanh chóng, hiệu quả sử dụng điện năng của LED cao, từ đó tiết kiệm năng lượng. Các cơ sở hạ tầng chiếu sáng LED ngày càng phổ biến, nó là cơ hội cho công nghệ VLC phát triển.  Không gây nhiễu điện từ: Ánh sáng không ảnh hưởng nhiễu đến sóng điện từ và các thiết bị điện tử nhạy cảm, điều này giúp VLC có thể được sử dụng ở các môi trường đặc biệt như bệnh viện, máy bay, trạm xăng....  An toàn với con người và thân thiện với môi trường: Như đã trình bày ở ưu điểm của LED, công nghệ VLC sử dụng LED là nguồn sáng do vậy nó an toàn với cơ thể con người và thân thiện với môi trường. Như vậy, công nghệ VLC có rất nhiều ưu điểm so với công nghệ truyền thông vô tuyến truyền thống, công nghệ VLC vừa có khả năng chiếu sáng, vừa có khả năng truyền thông với băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêu thụ thấp. Bảng 1.1 thể hiện so sánh đặc tính của công nghệ VLC và công nghệ RF. Bảng 1.1: So sánh đặc tính của VLC và công nghệ RF [3] Đặc tính VLC RF Băng thông Không giới hạn (400–700 mm) Giới hạn Truyền thẳng Có Không Khoảng cách Ngắn Ngắn đến dài (ngoài trời) Bảo mật Cao Thấp Đang hoàn thiện tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Hoàn thiện IEEE 802.15.7 Dịch vụ Chiếu sáng + Truyền thông Truyền thông Ánh sáng mặt trời và các Nguồn nhiễu Tất cả các thiết bị điện từ. nguồn sáng xung quanh Tiêu hao năng lượng Khá thấp Trung bình Khả năng di động Giới hạn Tốt Vùng phủ Hẹp và rộng Chủ yếu rộng 9 1.2.3 Các thành phần của VLC Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện bằng cách điều chỉnh cường độ ánh sáng của đèn LED tại khối phát dữ liệu để đưa tín hiệu điện thành tín hiệu chiếu sáng, trong khi đó ở phía thu sử dụng một photodiode (PD) để chuyển đổi từ tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện. Việc điều chỉnh chính xác của cường độ sáng tối (chiếu sáng) với bóng đèn truyền thống là rất khó thực hiện bởi sự phản ứng chậm về cường độ sáng. Trong khi đèn LED lại rất dễ dàng thực hiện vì sự phản ứng nhanh về cường độ sáng của nó. Vì vậy bằng việc điều chế dòng điện qua đèn LED ở tần số khá cao, chúng ta có thể thay đổi trạng thái On-Off của đèn LED mà không làm thay đổi độ sáng của ánh sáng (mắt người không cảm nhận được). Hình 1.5 dưới đây thể hiện sơ đồ khối của công nghệ truyền thống quang. Khối phát: Trạm phát VLC sử dụng mảng LED làm nguồn phát để truyền tải dữ liệu với tốc độ cao có thể đạt đến hàng Gbps. Với mục đích vừa đáp ứng chiếu sáng và truyền dữ liệu, LED trắng (LED RGB hoặc LED đơn phủ phốt pho) được sử dụng làm nguồn phát ánh sáng cho hệ thống VLC. Làm mờ hay điều chỉnh độ sáng tối là thách thức đối với bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang, trong khi đó LED thì khá thuận tiện để kiểm soát chính xác độ mờ. Điều này là do thời gian đáp ứng chuyển mạch On-off rất nhỏ (vài chục nano trên giây). Do vậy, trạm phát VLC có sử dụng khối điều khiển độ sáng để có thể thay đổi độ sáng tối trong hệ thống tùy thuộc vào yêu cầu của người sử dụng. Độ rọi yêu cầu trong một mô hình VLC đặc trưng phải thuộc trong khoảng 200-1000 lx. Hai khối điều khiển độ sáng và module truyền thông phải tách rời nhau không ảnh hưởng đến nhau. Khối thu: Thiết bị thu bao gồm một số thành phần: Bộ tập trung quang (Optical concentrator), bộ lọc quang (Optical filter), bộ chuyển đổi quang điện (Photodiode), bộ khuếch đại (Amplifier). Ánh sáng được tập trung và sau đó được thu ở bộ chuyển đổi quang điện, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu điện. Bộ tập trung quang có chức năng bù lại sự suy hao trong đường truyền. Với bộ lọc quang có chức năng lọc những tín hiệu không cần thiết và tín hiệu có đáp ứng chậm. Bộ khuếch đại thực hiện khuếch đại tín hiệu để bù đắp lại sự suy hao đường truyền. 10 Khối phát Khối thu Dữ liệu Dữ liệu đầu vào đầu ra Module Bộ khuếch truyền thống đại Bộ chuyển Mạch điều Điều khiển đổi quang khiển độ sáng điện LED kiểu Bộ lọc mảng quang Bộ tập trung quang Kênh truyền quang h(t) Hình 1.5: Sơ đồ khối của Công nghệ truyền thông quang Dữ liệu đầu vào Bộ điều khiển trung tâm LED LED LED LED driver driver driver driver Bộ quang nhận Bộ nhận Dữ liệu đầu ra Hình 1.6: Sơ đồ khối việc điều chỉnh cường độ sáng 11 Trong thực tế không thể sử dụng một bộ điều khiển cho từng đèn LED riêng lẻ, vì các hệ thống chiếu sáng thông thường có một số lượng đèn LED rất lớn. Vì vậy, trong hệ thống VLC phải sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển tất cả các đèn LED và bộ điều khiển này vẫn có thể điều khiển độ sáng tại bất kỳ vị trí nào mong muốn như thể hiện trên hình 1.6. Với các đèn LED sử dụng trong hai mục đích chiếu sáng và truyền thông thì các tín hiệu điều khiển độ sáng (tín hiệu từ khối điều khiển độ sáng) và tín hiệu truyền thông (tín hiệu từ module truyền thống) phải độc lập, không gây nhiễu lên nhau, đã có rất nhiều phương pháp được đưa ra. Tuy nhiên phương pháp điều chỉnh độ rộng xung là tối ưu nhất cho việc điều chỉnh độ sáng và truyền thông, phương pháp này đã được sử dụng trong tiêu chuẩn IEEE 802.15.7. 1.3 Ứng dụng của công nghệ VLC Ứng dụng trong hệ thống giao thông thông minh VLC không chỉ được sử dụng trong môi trường trong nhà mà nó còn được sử dụng ở môi trường ngoài trời. VLC có thể được sử dụng cho giao tiếp giữa các phương tiện giao thông hay giữa phương tiện giao thông với đèn giao thông và biển báo hiệuCác thông tin được gửi đi và nhận lại thông qua bộ thu phát VLC. Hệ thống được xây dựng dựa trên mục đích như: Giúp giảm thiểu tai nạn giao thông không đáng có, truy cập internet, định vị, lập lịch ưu tiên giữa các phương tiện Hình 1.7 thể hiện công nghệ VLC áp dụng trong ứng dụng này. Hình 1.7: Giao thông thông minh 12 Ứng dụng truyền thông trong các môi trường đặc biệt Một số môi trường đặc biệt như ở bệnh viện, phòng thí nghiệm, máy bay các thiết bị sử dụng sóng vô tuyến điện thường bị hạn chế hoặc cấm vì sóng vô tuyến gây ảnh hưởng nhiễu đến các thiết bị điện tử nhạy cảm ở bệnh viện hay ở máy bay, gây nhiễu lên mạng lưới truyền thông dưới đất. Công nghệ truyền thông VLC như là một giải pháp tối ưu để không gây ảnh hưởng nhiễu và cung cấp phương thức truyền thông tốc độ cao chi phí thấp. Hình 1.8 thể hiện công nghệ VLC ứng dụng trong bệnh viện và máy bay. Hình 1.8: Truyền thông trong bệnh viện và máy bay Ứng dụng truyền tin trong môi trường dưới nước Việc truyền thông trong môi trường nước là cần thiết trong quận sự, giữa các thiết bị do thám dưới biển, hay giữa các thợ nặn với nhau. Truyền dữ liệu bằng sóng vô tuyến trong môi trường nước gặp rất nhiều khó khăn bởi độ trễ lớn và suy hao cao. Do đó, sử dụng ánh sáng để truyền tin dưới nước là rất tiềm năng. Công nghệ VLC này có thể truyền tín hiệu trong môi trường nước với sự suy hao tín hiệu thấp, cấu tạo bộ thu phát đơn giản với chi phí thấp. Hình 1.9 thể hiện công nghệ VLC áp dụng cho truyền tin dưới nước. 13 Hình 1.9: Truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ VLC Li-Fi Năm 2011, giáo sư Harald Haas tại đại học Edinburgh đã đề xuất ra thuật ngữ “Light Fidelity” hay Li-Fi, trong một