Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy VLC cho mạng 6G

Hơn nữa, mạng 6G sẽ cung cấp phạm vi phủ sóng vượt trội bằng cách tích hợp mạng không gian/không trung/dưới nước với mạng trên mặt đất, do truyền thông không dây truyền thống không thể cung cấp tốc độ dữ liệu tốc độ cao cho các mạng không phải trên mặt đất. Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC) - một kỹ thuật truyền thông tốc độ cao với dải tần số 400–800 THz không cần cấp phép có thể là phương pháp giải quyết những vấn đề trên. Bài báo sẽ trình bày những ưu điểm của công nghệ VLC cũng như những ứng dụng tiềm năng của công nghệ này cho mạng 6G sắp tới.

Tổng quan

Sau khi mạng 5G được triển khai thương mại vào cuối năm 2019, các quốc gia và các tổ chức hiện đang nỗ lực nghiên cứu về mạng 6G. Mạng 6G được cho là cung cấp hiệu suất tốt hơn 5G và đáp ứng các dịch vụ mới nổi cho Công nghiệp 4.0, chăm sóc sức khỏe, thực tại ảo và các ứng dụng khác. Do đó, mạng 6G dự kiến sẽ hỗ trợ tốc độ truyền cao hơn 100–1.000 lần so với mạng 5G. Các mạng 2G, 3G và 4G sử dụng băng tần lên đến 6 GHz trong khi mạng 5G sử dụng kết hợp dải tần dưới 6 GHz và băng tần 24–100 GHz. Tuy nhiên, các dải tần hiện tại này có thể cũng không đáp ứng đủ nhu cầu ngày càng tăng. Theo đó, mạng 6G cần phải vượt qua băng tần 100 GHz và khám phá các dải tần khác để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần.

VLC sử dụng dải tần 400–800 THz không cần cấp phép và cho tốc độ truyền tải cao. Đây là một kỹ thuật đầy hứa hẹn nhằm thay thế các mạng nội bộ không dây thông thường cho liên lạc trong nhà, vì mọi người dành hơn 80% thời gian ở trong nhà. So với các công nghệ truyền thông không dây quang khác, chẳng hạn như truyền thông hồng ngoại, VLC được ưa chuộng hơn vì nó sử dụng các hệ thống chiếu sáng hiện có, có khả năng giảm chi phí và hỗ trợ truyền tốc độ cao với phạm vi phủ sóng tốt, xuất phát từ nhu cầu chiếu sáng trong cuộc sống hàng ngày. Hơn nữa, VLC an toàn cho mắt người. VLC cũng có thể đóng một vai trò quan trọng trong các ứng dụng mặt đất ngoài trời như giao tiếp giữa xe cộ với xe cộ.

Mạng 6G sẽ cung cấp vùng phủ sóng vượt trội bằng cách tích hợp mạng không gian/không trung/dưới nước với mạng trên mặt đất. Tuy nhiên, môi trường của ba mạng này khác với môi trường trên mặt đất, cho thấy rằng truyền thông không dây truyền thống không có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu tốc độ cao cho chúng. VLC sử dụng băng thông cực cao trong dải tần 400–800 THz, cao hơn nhiều so với băng thông tần số vô tuyến (RF), và là một kỹ thuật phù hợp cho nhiều tình huống trong mạng 6G như ở Hình 2.

Ưu điểm lớn nhất của VLC là có thể cung cấp tốc độ truyền dẫn cao hơn nhiều so với các hệ thống truyền thông không dây truyền thống. Năm 2000, Tanaka và cộng sự tại Đại học Keio đã sử dụng VLC dựa trên LED trắng cho các ứng dụng trong nhà. Năm 2003, Visible Light Communication Consortium, một tổ chức của Nhật Bản được thành lập với mục đích phổ biến và tiêu chuẩn hóa công nghệ VLC. Năm 2011, tiêu chuẩn đầu tiên (802.15.7- 2011 cho VLC dải ngắn) được IEEE công bố và thuật ngữ LiFi (Light Fidelity) được đề xuất cho các mạng không dây sử dụng VLC. Năm 2016, một nhóm chủ đề VLC được tạo ra cho IEEE 802.11 và vào năm 2017, dự án Truyền thông Terabit vô tuyến/quang không dây H2020 của Liên minh châu Âu đã được phê duyệt với mục tiêu đưa ngành công nghiệp và học viện lại với nhau để phát triển các kỹ thuật mới cho VLC. Kể từ đó, VLC ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới. 

Hiện tại, nhiều công ty đang tập trung vào việc đưa VLC tốc độ cao ra thị trường thương mại. PureLiFi đã phát triển Front End quang hoạt động với các giải pháp băng tần cơ sở 802.11 để tích hợp LiFi vào các thiết bị thông minh. Nó đã đạt tốc độ đường xuống hơn 1Gb/s và tốc độ đường lên dưới 600Mb/s. Viện Fraunhofer Heinrich Hertz đã tạo ra một phòng hội thảo sử dụng mạng LiFi dựa trên VLC trên đảo Mainau với tốc độ dữ liệu hơn 1Gb/s. ByteLight đã phát triển một hệ thống định vị trong nhà dựa trên VLC sử dụng camera trên điện thoại thông minh để kiểm soát vị trí của người dùng. Oledcomm đã trình diễn LiFi với tốc độ tối đa 100Mb/s trên mỗi ghế trên chuyến bay thương mại của Air France và cho biết với các sản phẩm thế hệ tiếp theo có thể đạt được tốc độ 1Gb/s.

Về kỹ thuật, hệ thống VLC sử dụng hai loại nguồn sáng là LED (điốt phát sáng) và LD (điốt laze). Các hệ thống VLC dựa trên LD có thể dễ dàng đạt được tốc độ dữ liệu cao và truyền đường dài do LD có băng thông lớn. 

Tuy nhiên, LED có sự phân kỳ rộng hơn nhiều so với LD. Do đó, chúng có thể được áp dụng trong các liên kết khoảng cách ngắn hơn cho cả ứng dụng điểm-điểm và điểm-đa điểm. Hơn nữa, giá của LED thấp hơn nhiều so với LD. Theo đó, LED có thể được tích hợp thành các mảng quy mô lớn để đạt được công suất chiếu sáng hàng trăm watt. Có hai cách cơ bản để tạo ra ánh sáng trắng dựa trên LED. 

Cách thứ nhất dựa trên việc sử dụng các bộ phát màu xanh lam có lớp phốt pho, trong khi phương pháp thứ hai dựa trên việc sử dụng các bộ phát tích hợp chip nhiều màu, chẳng hạn như bộ phát đỏ-lục-lam (RGB) và RGB-vàng (RGBY).

Phương pháp tích hợp chip nhiều màu thích hợp hơn đèn LED dựa trên phốt pho, do băng thông cao hơn và khả năng cung cấp truyền dẫn ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) để cải thiện tốc độ dữ liệu. Một số loại LED khác như μLED (Gali nitride microLED), Si-LED (silicon-based LED), SP-LED (surface plasmon-coupled LED).

Ngoài ra, trong VLC còn sử dụng Điốt siêu phát quang (SLD) để kết hợp đặc tính hướng búp sóng của LD với các đặc tính phân kỳ rộng của LED. SLD có những ưu điểm khác bao gồm băng thông lớn, tăng độ sáng và đặc điểm không có đốm. Ngoài vật liệu và thiết bị, các phương pháp điều chế cấp cao cũng rất quan trọng để đạt được hệ thống VLC tốc độ cao với hiệu suất sử dụng quang phổ lớn. 

Bốn thông số có thể được sử dụng để điều chế trong hệ thống VLC bao gồm biên độ, tần số, pha và phân cực. Việc áp dụng điều chế đa mức là một cách khác để đạt được hiệu quả phổ cao như sử dụng điều chế 64 QAM hoặc 128 QAM.

Ứng dụng của VLC hướng tới 6G

Mạng không dây lai ghép quang - vô tuyến

Hầu hết các nghiên cứu về VLC đều tập trung vào việc chứng minh các khả năng của truyền thông quang không dây nhưng tách khỏi thực tế rằng truyền thông vô tuyến mới là phương pháp chủ đạo để truyền thông tin không dây. 

Cộng đồng truyền thông vô tuyến coi VLC là một công nghệ cạnh tranh, trong khi thực tế, truyền thông quang không dây và vô tuyến có tính bổ sung cao. Tính linh hoạt, khả năng mở rộng và tính tương đối đơn giản của vô tuyến có thể được kết hợp với tính bảo mật, an toàn, riêng tư vốn có của VLC để tạo ra một hệ thống liên lạc lai ghép có hiệu suất cao và mạnh mẽ. Các thiết bị hoặc nút không dây được trang bị cả giao diện không gian vô tuyến và quang cho phép khai thác sức mạnh tổng hợp của các hệ thống này mà không ảnh hưởng lớn đến chi phí hoặc kích thước. 

Một hệ thống truyền thông không dây hiệu suất cao là một hệ thống có khả năng cấu hình lại để lựa chọn linh hoạt chế độ hoạt động tốt nhất nhằm thích ứng với môi trường vô tuyến/quang trong các trường hợp sử dụng và tình huống hoạt động như ở Hình 3. Các chế độ hoạt động khác nhau được chọn một cách linh động bởi một thuật toán dựa vào thông tin trạng thái kênh (vô tuyến/quang), kịch bản (ví dụ: chính sách sử dụng nội bộ), quyết định của người dùng/nhà điều hành, v.v.. 

Hình 3 minh họa các chế độ hoạt động khả thi tùy theo cách thức truyền thông quang hay vô tuyến được sử dụng ở đường lên (UL) và đường xuống (DL). Các chế độ cơ bản nhất bao gồm chế độ toàn quang, chế độ toàn vô tuyến và hai chế độ lai. Trong chế độ phân tập, cả liên kết quang và vô tuyến đều được sử dụng cho UL và/hoặc DL, trong khi chế độ siêu bảo mật ghép tín hiệu vào các miền vô tuyến và quang.

Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy tương tác iVLC

Ưu điểm chính của đèn LED là tính linh hoạt và khả năng điều khiển. Tốc độ điều khiển LED xác định các vùng ứng dụng khác nhau như ở Hình 4, với giả định ở đây sử dụng LED RGB trắng. Trên Hình 4, ở bên trái, tốc độ điều khiển chậm với sự thay đổi cường độ/màu sắc của LED diễn ra theo thang thời gian từ phút đến giờ, xác định các ứng dụng chiếu sáng thông minh. Ở bên phải, tốc độ điều khiển rất cao xác định các ứng dụng VLC với tốc độ điều chế dữ liệu lên đến hàng trăm Mbps và cao hơn. Ở giữa là chế độ hoạt động trung gian, khi các LED được điều khiển theo giây, có thể khai thác tương tác thị giác có ý nghĩa với người dùng bằng cách tạo báo hiệu thị giác nhằm thông tin, tăng cường tương tác xã hội, điều phối các tình huống, hướng dẫn và các hoạt động khác.

Ánh sáng có tính trực quan cao và truyền tải thông tin trực tiếp và nhanh chóng đến người dùng. Ba chế độ hoạt động này có thể được kết hợp để tạo ra truyền thông ánh sáng nhìn thấy tương tác, iVLC. iVLC là một ma trận N x M, trong đó mỗi phần tử là một LED RGB hoặc một nhóm của chúng. Ví dụ, ma trận có thể được đặt trên trần, tường, sàn hoặc trong không gian 3D. Mọi phần tử của ma trận có thể được kiểm soát độc lập trên các miền: cường độ, màu sắc, dữ liệu cũng như không gian và thời gian.

Khái niệm iVLC là sự khái quát của VLC, không chỉ cung cấp khả năng liên lạc mà còn cung cấp khả năng chiếu sáng cũng như tương tác trực quan, tất cả đều khai thác trên cùng một cơ sở hạ tầng. iVLC có nhiều ứng dụng. Như trong trường học tương lai, nơi các lớp học có thể được trang bị iVLC, một hệ thống chiếu sáng thông minh vừa kết nối học sinh và giáo viên đồng thời cũng là một phương tiện trực quan để tương tác giữa học sinh và giáo viên. Nó bao gồm phản hồi trực quan (ở cấp độ cá nhân, nhóm hoặc lớp học), phân bổ công việc động và làm việc nhóm, tự động điều phối các nhiệm vụ trong lớp (dừng hoạt động, hướng dẫn, thông báo cảnh báo, v.v..). Ngoài các ứng dụng giáo dục, iVLC có thể được sử dụng tại nhà, môi trường văn phòng, công nghiệp, chăm sóc sức khỏe và các môi trường khác mà yêu cầu một số hình thức tương tác trực quan.

Internet kết nối vạn vật dựa trên ánh sáng LIoT

Internet kết nối vạn vật – IoT (Internet of Things) nhằm mục đích kết nối hầu như mọi thứ. Trong tương lai, hàng nghìn tỷ đối tượng có thể được nhận dạng, điều khiển và khoanh vùng từ xa. Một trong những thách thức của IoT là các nút cần năng lượng để hoạt động và mặc dù đây không phải là vấn đề lớn trong nhiều trường hợp (xe cộ, thiết bị gia đình/văn phòng,v.v..), nhưng vẫn là hạn chế chính ở nhiều đối tượng sử dụng pin. Khái niệm IoT dựa trên ánh sáng (LIoT) khai thác ánh sáng theo nhiều cách, cụ thể là để thu năng lượng cần thiết để hoạt động và truyền, nhận thông tin không dây. Theo cách này, nút là tự túc về năng lượng. Cách tiếp cận này còn được gọi là Expose and Connect, vì các nút được kết nối với Internet bất cứ khi nào chúng tiếp xúc với ánh sáng (Hình 5).

Khái niệm LIoT có thể được mở rộng để xem xét không chỉ trên các bề mặt nhỏ mà còn cả trên các khu vực lớn, chẳng hạn như trần, sàn, tường, đồ nội thất và các bề mặt khác. Điều này dẫn đến khái niệm Bề mặt sống (LS - Living Surfaces). Bề mặt là nơi để thu thập năng lượng trực tiếp từ môi trường và tích hợp các chức năng trên bảng mạch như kết nối, xử lý tín hiệu, cảm biến, màn hình, thiết bị truyền động và các thiết bị khác, tất cả đều sử dụng công nghệ PE (Printed Electronics). Trong trường hợp bề mặt lớn, năng lượng thu hoạch có thể là đáng kể, mặc dù hiệu suất năng lượng của pin mặt trời theo công nghệ PE thấp hơn đáng kể so với hiệu suất của pin mặt trời thông thường. 

LS có thể tích hợp các chức năng để đáp ứng các yêu cầu nhất định liên quan đến một ứng dụng và kịch bản, hoặc các chức năng chung và cấu hình lại khi cần. Tính đa dạng hoặc chức năng dự phòng, cùng với các kiến trúc có thể cấu hình lại/có thể mở rộng sẽ làm cho LS thực sự mạnh mẽ và phổ biến giải pháp trong tương lai. Bất kỳ bề mặt nào cũng có thể trở thành màn hình hiển thị, trung tâm xử lý dữ liệu, khu vực cảm biến, nền tảng kết nối không dây, v.v..

Hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy dưới nước UVLC

Công nghệ truyền thông dưới nước đóng một vai trò quan trọng trong việc tích hợp mạng 6G. Như được trình bày trong Hình 6, sự kết nối giữa các cảm biến quan sát đại dương, truyền thông dữ liệu không tiếp xúc tốc độ cực cao giữa các thiết bị hàng hải và việc triển khai các chức năng như kết nối không dây của mạng cáp quang biển và truyền thông quang học không dây dưới nước, tất cả đều yêu cầu các công nghệ liên lạc dưới nước. 

So với truyền thông có dây dưới nước, công nghệ truyền thông không dây dưới nước được ưa chuộng hơn vì nó không yêu cầu phương tiện truyền dẫn và hiện chủ yếu được thực hiện bằng sóng âm và RF. Sóng âm có thể được sử dụng để truyền tín hiệu dưới nước với tốc độ thấp và đường dài do độ suy hao của chúng trong nước biển là nhỏ nhưng chúng có một số nhược điểm là băng thông hẹp, tần số sóng mang thấp, độ trễ lan truyền lớn và bảo mật kém. 

Truyền sóng RF thích hợp cho truyền thông dưới nước ở cự ly ngắn và tốc độ cao. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những hạn chế, như yêu cầu công suất truyền tải cao. Do đó, việc phát triển các công nghệ thông tin liên lạc dưới nước mới đã trở thành một nhu cầu cấp thiết.

Năm 1963, người ta nhận thấy rằng sự suy giảm của ánh sáng xanh lam-lục trong khoảng 450–550 nm nhỏ hơn nhiều so với sự suy giảm của các dải ánh sáng khác. Việc phát hiện ra hiện tượng vật lý này đã đặt nền tảng lý thuyết cho sự phát triển của UVLC. So với truyền thông âm thanh và sóng RF dưới nước, UVLC có lợi thế về chi phí thấp, tốc độ truyền cao, khả năng chống nhiễu mạnh và bảo mật cao. 

Hiện tại, UVLC chủ yếu sử dụng LD và LED, trong đó sử dụng LD, UVLC có thể truyền ở cự ly dài hơn và tốc đốc dữ liệu lớn hơn so với sử dụng LED. Năm 2018, UVLC đạt 14,8 Gb/s trên 1,7m với OFDM và băng thông điều chế 3,7 GHz. Đồng thời, hệ thống UVLC dựa trên LED và WDM với tốc độ dữ liệu cao hơn cũng đã được thực hiện thành công với tốc độ lên đến 20,09 Gb/s.

Dựa trên những nỗ lực không ngừng của các nhà nghiên cứu, UVLC đã đạt được tốc độ truyền cao hơn trên khoảng cách truyền lớn hơn. Tuy nhiên, các điều kiện bất lợi của môi trường dưới nước, chẳng hạn như sự suy giảm và tán xạ của ánh sáng nhìn thấy, sự thay đổi nhiệt độ nước, bong bóng dưới nước và sự chuyển động không đều của nước, có thể gây ảnh hưởng tới trạng thái và hiệu suất của kênh UVLC.

Hiện nay, các nghiên cứu về VLC đã được cập nhật trong tiêu chuẩn IEEE 802.15.7 và phần mở rộng của IEEE 802.11 cho truyền thông quang (IEEE 802.11bb). Trong những năm qua, nghiên cứu về các khái niệm thu phát mới, vật liệu mới và cấu trúc bán dẫn đã giúp tạo ra LED có thể chuyển mạch ở tốc độ cao và thông lượng dữ liệu lên đến Gbps đã được chứng minh tại các phòng thí nghiệm. 

Tuy nhiên, cần triển khai rộng rãi hơn các hệ thống VLC, không chỉ nhằm đạt đến các kỷ lục tốc độ mới mà còn để chứng minh hệ thống hoạt động tốt trên thực tế với các thành phần phổ biến và không đắt tiền. Ngoài ra, việc phát triển và triển khai thêm hệ thống lai ghép quang - vô tuyến sẽ khiến VLC trở thành một trong những công nghệ không dây quan trọng của 6G. 

Bài báo đã trình bày một số khái niệm và ứng dụng mới cho VLC. Lưu ý rằng chúng có thể được sử dụng trong các ngành dọc quan trọng trong chương trình 6G Flagship như các nhà máy tự động, chăm sóc sức khỏe thông minh, phương tiện tự động cũng như các trải nghiệm cá nhân. Các mục tiêu của 6G như tăng cường băng thông rộng di động, truyền thông tốc độ lớn, độ trễ thấp và độ tin cậy cao phù hợp với đặc điểm của công nghệ tương lai này./.

Tài liệu tham khảo:

1. Nan Chi, Yingjun Zhou, Yiran Wei, Fangchen Hu, Visible light communication in 6G: Advances, Challenges, and Prospects, IEEE Vehicular technology magazine, 2020.

2. Marcos Katz, Iqrar Ahmed, Opportunities and Challenges for Visible Light Communications in 6G, 6G SUMMIT, 2020.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 8 tháng 8/2022)