Truyền thông quang không dây sử dụng Led (phần 2)

HỆ THỐNG OWC-LED CHO MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ

Ngoài mục đích chiếu sáng, LED còn có thể được sử dụng làm nguồn phát quang trong công nghệ OWC. Chức năng làm nguồn phát của LED dựa trên thời gian đáp ứng nhanh và khả năng điều chế của ánh sáng nhìn thấy đối với công nghệ OWC. Mô hình hệ thống truyền thông quang không dây sử dụng LED phát ánh sáng trắng được mô tả như trong Hình 4.

Hình 4: Mô hình hệ thống OWC sử dụng LED trắng [5]

Dữ liệu thông tin tới một văn phòng hay một tòa nhà đi vào trong mạng và được lấy ra từ các điểm truy nhập quang trong mỗi phòng, trong đó các điểm truy nhập quang là các LED trắng và đồng thời có chức năng chiếu sáng. Các LED trắng tại các điểm truy nhập không chỉ chiếu sáng trong phòng mà còn điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu sóng ánh sáng, và những tín hiệu này được phát vào trong không gian. Tốc độ điều chế tín hiệu đủ nhanh để mắt người không thể phát hiện ra được. Hiệu ứng chắn sáng có thể được giải quyết bằng cách sử dụng nguồn sáng được phân bố khắp trong phòng. Các xung tín hiệu quang phát đi từ LED được thu lại tại thiết bị đầu cuối của người sử dụng, thiết bị này gồm có đi-ốt tách quang có khả năng chuyển các xung quang thành các tín hiệu điện. Bộ thu quang tại thiết bị đầu cuối sử dụng một bộ lọc thông dải để lọc các ánh sáng nền xung quanh và chỉ có bước sóng mang thông tin qua được bộ lọc.

Việc sử dụng LED trắng cho công nghệ OWC với các ứng dụng trong nhà có những ưu điểm nổi bật so với việc sử dụng công nghệ Wi-Fi và ánh sáng hồng ngoại (IR) như sau:

- Dễ dàng lắp đặt hơn các hệ thống vô tuyến khác.

- Không cần cấp phép tần số và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ như các công nghệ sử dụng tần số vô tuyến.

- Những người sử dụng khác nhau trong các phòng hoặc các tòa nhà khác nhau không bị ảnh hưởng lẫn nhau do tín hiệu ánh sáng LED không phát xuyên qua tường, do đó một dải rộng các bước sóng có thể được tái sử dụng nhiều lần chỉ trong một khu vực nhỏ. Ngược lại, trong các hệ thống WiFi, rất có thể xảy ra xuyên nhiễu giữa các tín hiệu phát đi tại các điểm truy cập khác nhau gây ra suy giảm hiệu năng toàn hệ thống.

- Hiệu ứng chắn sáng được giảm thiểu nhờ ánh sáng LED được phát đi theo nhiều hướng phân bố khắp trong phòng.

- Nguồn quang LED giúp tiết kiệm chi phí hơn so với nguồn laser sử dụng trong công nghệ ánh sáng hồng ngoại.

- Thiết bị thu có thể thu được ít nhất một tín hiệu mạnh phát theo tầm nhìn thẳng (LOS – Line of Sight) do máy phát được đặt ở trần nhà.

Hệ thống VLC sử dụng LED

Ứng dụng chủ yếu hiện nay của OWC-LED là các kênh truyền thông không dây ở cự li ngắn, tốc độ cao trong nhà với giá thành rẻ và đảm bảo độ tin cậy, bảo mật thông tin, cũng như an toàn cho mắt người sử dụng. Ví dụ điển hình là hệ thống truyền thông ánh sáng nhìn thấy VLC (Visible Light Communication) sử dụng LED được thiết kế cho các hệ thống chiếu sáng đồng bộ trong nhà hay văn phòng song song với mục đích truyền dữ liệu. Tuy nhiên chúng mới chỉ cung cấp khả năng truyền tải âm thanh, hình ảnh một chiều vì nhìn chung các hệ thống đèn LED không tích hợp máy thu quang.

Ngoài ra, các hệ thống VLC sử dụng LED còn được sử dụng để định vị vị trí trong khu vực tòa nhà, văn phòng. Mỗi LED sẽ có số hiệu xác nhận khác nhau, giúp chỉ ra vị trí chính xác. Hệ thống định vị này có thể sử dụng cả dưới ga tàu điện ngầm, trong khu mua sắm, v.v.., nơi mà hệ thống GPS không thể hoạt động chính xác. Hệ thống này cũng rất tiện ích trong trường hợp ứng cứu khẩn cấp các vị trí cụ thể trong tòa nhà.

GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OWC-LED

Giải pháp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu

Để đạt được tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao hơn, có thể sử dụng phương pháp truyền dẫn dữ liệu song song từ nhiều LED. Phương pháp này còn được gọi là hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO). Trong hầu hết các ứng dụng chiếu sáng hiện nay, rất nhiều LED được sử dụng để cung cấp cường độ chiếu sáng cần thiết. Điều này đem lại cơ hội truyền dẫn các dữ liệu thông qua một nhóm các nguồn phát quang khác nhau. Một dãy các bộ thu quang được sử dụng ở phía thu để thu nhận dữ liệu, từ đó hình thành nên hệ thống OWC-MIMO. Các kỹ thuật MIMO trong vô tuyến có thể được áp dụng vào các hệ thống truyền dẫn quang để giải phóng yêu cầu về sự thẳng hàng giữa các dãy máy thu và máy phát.

Hình 5: Hệ thống VLC-MIMO [6]

Hình 5 mô tả một hệ thống VLC MIMO đặc trưng. Bốn đèn LED được sử dụng cho việc chiếu sáng trong phòng cũng như truyền dẫn đồng thời bốn luồng dữ liệu độc lập. Máy thu bao gồm bốn phần tử tách sóng quang. Ở phía phát, luồng dữ liệu đầu vào được sắp xếp để điều chế dãy các LED. Ánh sáng phát ra từ mỗi LED được tập hợp bởi tất cả các phần tử tách sóng quang trong máy thu, nhưng với các cường độ khác nhau. Tín hiệu thu được từ tất cả bốn kênh được xử lý bằng cách sử dụng ma trận kênh để phục hồi luồng số liệu đã được phát. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ truyền số liệu của hệ thống VLC-MIMO sử dụng điều chế khóa đóng mở (OOK) có thể lên tới 1 Gb/s [6].

Giải pháp kết nối đường lên

Công nghệ VLC rất phù hợp với các ứng dụng quảng bá, tuy nhiên cung cấp một đường lên từ thiết bị đầu cuối là một thách thức không nhỏ. Một vài phương pháp đã được nghiên cứu, trong đó có giải pháp sử dụng đường truyền hồng ngoại kết hợp với VLC. Ngoài ra, có thể sử dụng một bộ thu phát phản xạ để phản xạ một phần ánh sáng tới quay ngược lại phía nguồn phát. Ánh sáng phản xạ này được điều chế với số liệu để cung cấp một tuyến truyền số liệu từ thiết bị đầu cuối quay về phía phát, tạo ra một kết nối dữ liệu đường lên. Công nghệ này rất có tiềm năng phát triển, mặc dù tốc độ dữ liệu có thể đạt được là khá thấp. Hình 6 chỉ ra một ví dụ về việc sử dụng bộ thu phát phản xạ để tạo ra kết nối đường lên cho ứng dụng xác nhận thẻ nhận dạng.

Ngoài ra, sự phối hợp giữa công nghệ VLC và các chuẩn tần số vô tuyến (RF) cũng cho phép thiết lập một kết nối hai chiều tới thiết bị đầu cuối. Một đường xuống VLC có thể được kết hợp với một đường lên RF giúp giảm lượng tải trên kênh vô tuyến chia sẻ và cải thiện hiệu năng toàn mạng.

Hình 6: Minh họa bộ thu phát phản xạ [4]

KẾT LUẬN

OWC-LED cung cấp tuyến truyền thông không dây tốc độ cao, an toàn cho người sử dụng, bảo mật thông tin với giá thành rẻ, đáp ứng yêu cầu ngày càng lớn của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân. Các hệ thống OWC-LED có thể ứng dụng cho chiếu sáng kết hợp với truyền thông tốc độ cao trong nhà cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội, có thể dần thay thế cho các công nghệ vô tuyến như WiFi, Bluetooth, có tốc độ truyền dẫn thấp hơn và sắp cạn kiệt về quỹ tần số như hiện nay. Khắc phục được các hạn chế về băng thông và kết nối đường lên có thể đẩy mạnh sự phát triển các hệ thống OWC-LED trong tương lai, hứa hẹn có nhiều ứng dụng hơn nữa đối với cả truyền thông quang không dây tốc độ cao, giá rẻ trong nhà và ngoài trời cự ly ngắn.

Tài liệu tham khảo

[1]. D. KEDAR AND S. ARNON, “Urban optical wireless communication networks: the main challenges and possible solutions” , IEEE Commun. Mag., vol. 42, no. 5, May 2004.

[2]. DEVA K BORAH, ANTHONY C BOUCOUVALAS, CHRISTOPHER C DAVIS, STEVE HRANILOVIC, KONSTANTINOS YIANNOPOULOS, “A review of communication-oriented optical wireless systems”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2012 , doi:10.1186/1687-1499-2012-91, March 2012.

[3]. R. R. INIGUEZ, S. M. IDRUS, AND Z. SUN, Optical Wireless Communications: IR for wireless connectivity, CRC Press, 2008.

[4]. EUN TAE WON, DONGJAE SHIN, D. K. JUNG, Y. J. OH, TAEHAN BAE, HYUK-CHOON KWON, CHIHONG CHO, JAESEUNG SON, DOMINIC O’BRIEN, TAE-GYU KANG, TOM MATSUMURA, “Visible Light Communication: Tutorial” , Project: IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs), 9 March 2008.

[5]. YUICHI TANAKA, TOSHIHIKO KOMINE, SHINICHIRO HARUYAMA, MASAO NAKAGAWA, “Indoor Visible Light Data Transmission System Utilizing White LED Lights”, IEICE Trans. Commun., vol. E86-B, No.8 August 2003.

[6]. HOA LE MINH, ZABIH GHASSEMLOOY, DOMINIC O’BRIEN, GRAHAME FAULKNER, Indoor Gigabit Optical Wireless Communications: Challenges and Possibilities, ICTON 2010.

[7]. www.electronicsbus.com/visible-light-communicationsystem/

[8]. www.mondoarc.com/technology/LED/922357/visual_ light_communication.html