BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

NGUYỄN NGỌC NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ MIMO TRONG
HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. HÀ DUYÊN TRUNG

HÀ NỘI - 2016


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của chính bản thân. Các nghiên
cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu biết thực tế của
mình, không sao chép từ bất kỳ một luận văn nào khác. Mọi thông tin trích dẫn đều
được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này.

1
Học viên
Nguyễn Ngọc Nam

HV: Nguyễn Ngọc Nam

i


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... vii
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................................... x
CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SỬ DỤNG ÁNH SÁNG
NHÌN THẤY ....................................................................................................................... 1

1.1. Giới thiệu về truyền thông quang không dây .................................................. 1
1.2. Truyền thông quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy .......................... 3
1.2.1. Lịch sử phát triển của VLC ....................................................................... 4
1.2.2. Tính chất của VLC .................................................................................... 6
1.2.3. Ứng dụng của công nghệ VLC .................................................................. 7
1.3. So sánh VLC với một số công nghệ truyền thông khác hiện nay ................... 9
1.3.1. Dung lượng .............................................................................................. 10
1.3.2. Hiệu năng ................................................................................................ 10
1.3.3. An toàn .................................................................................................... 10
1.3.4. Bảo mật.................................................................................................... 10
1.5. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 11
CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG VLC SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG LED ............................ 13


2.1. Mô hình hệ thống VLC .................................................................................. 13
2.2. Phía phát của hệ thống VLC .......................................................................... 14
2.2.1. Nguồn phát quang LED ........................................................................... 14
2.2.2. Thành phần điều chế và điều chỉnh độ sáng của LED ............................ 17
2.3. Mô hình kếnh VLC ........................................................................................ 30
2.3.1. Mô hình kênh truyền IM/DD .................................................................. 30
2.3.2. Các tham số hiệu năng kênh .................................................................... 31
2.4. Mô hình kết nối VLC ..................................................................................... 33
2.4.1. Mô hình kết nối điểm – điểm .................................................................. 34
HV: Nguyễn Ngọc Nam

ii


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

2.4.2. Mô hình kết nối phân tán......................................................................... 35
2.4.3. Mô hình kết hợp (Quas – Diffuse Link) .................................................. 35
2.4.4. So sánh các mô hình ................................................................................ 37
2.5. Phía thu của hệ thống VLC ............................................................................ 37
2.5.1. Bộ tập trung quang .................................................................................. 37
2.5.2. Bộ lọc quang ............................................................................................ 38
2.5.3. Diode tách quang ..................................................................................... 38
2.6. Các vấn đề gặp phải của công nghệ VLC ...................................................... 41
2.6.1. Vấn đề Line of Sight ............................................................................... 41
2.6.2. Vấn đề về chất lượng tín hiệu.................................................................. 41
2.6.3. Vấn đè về thiết bị đàu cuối ...................................................................... 43

2.6.4. Vấn đề chuẩn hóa .................................................................................... 43
2.6.5. Một số vấn đề khác.................................................................................. 43
2.7. Giải pháp cải thiện hiệu năng ....................................................................... 43
2.7.1. Giải pháp kết nối đường lên .................................................................... 43
2.7.2. Giải pháp đa truy nhập đa chặng ............................................................. 44
2.7.3. Giải pháp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu ................................................ 45
2.8. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 45
CHƢƠNG 3 - CÔNG NGHỆ MIMO TRONG HỆ THỐNG VLC TRONG NHÀ. ... 47

3.1. Mô hình hệ thống VLC trong nhà ................................................................ 48
3.1.1. Kết cấu hình học của phòng .................................................................... 48
3.1.2. Mô hình kênh truyền ............................................................................... 49
3.2. Sử dụng MIMO trong hệ thống VLC trong nhà ............................................ 51
3.3. Đánh giá hoạt động của MIMO-VLC............................................................ 56
3.3.1. Phân bố mức ánh sáng trong phòng ........................................................ 56
3.3.2. Phân bố công suất trong phòng ............................................................... 58
3.3.3. Đánh giá về trễ RMS tại mặt phẳng thu .................................................. 60
3.3.4. Đánh giá tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR và tỉ lệ bit lỗi BER .................. 61
3.4 Kết luận chương 3 ........................................................................................... 63
HV: Nguyễn Ngọc Nam

iii


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 66

PHỤ LỤC........................................................................................................................... 68

2
3
4
5
6

HV: Nguyễn Ngọc Nam

iv


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

7 DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các ứng dụng phổ biến của truyền thông quang không dây OWC ............ 2
Hình 1.2: Cấu trúc một hệ thóng VLC cơ bản ................................................................ 4
Hình 1.3: Phổ ánh sáng nhìn thấy..................................................................................... 7
Hình 1.4: Ứng dụng VLC trong ITS ................................................................................ 8
Hình 1.5: Các ứng dụng của hệ thống VLC trong nhà .................................................. 8
Hình 1.6: Ứng dụng VLC trong khoang máy bay .......................................................... 9
Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC cơ bản ...................................................................... 13
Hình 2.2: Các hình dạng và kích thước khác nhau của LED ...................................... 14
Hình 2.3: Cấu tạo của LED trắng; (a)-LED đơn chip, (b)-LED đa chip ................... 15
Hình 2.4: Phổ công suất của LED .................................................................................. 16
Hình 2.5: Mã Manchester cho OOK .............................................................................. 18
Hình 2.6: Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa CS ................................. 19

Hình 2.7: Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50% (a) và PWM để điều
chỉnh độ sáng (b) .............................................................................................................. 20
Hình 2.8: Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung 75% .............................. 20
Hình 2.9: Không gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110) ........... 22
Hình 2.10: Điều chế DMT............................................................................................... 23
Hình 2.11: So sánh BER .................................................................................................. 25
Hình 2.12: Dung lượng kênh cho bốn trường hợp ....................................................... 29
Hình 2.13: Mô hình kênh truyền VLC IM/DD ............................................................. 30
Hình 2.14: Đường truyền LoS khuếch tán trong kênh suy hao tín hiệu .................... 31
Hình 2.15: Một số mô hình kết nối VLC ...................................................................... 33
Hình 2.16: Mô hình kênh truyền điểm - điểm .............................................................. 34
Hình 2.17: Mô hình kết nối phân tán ............................................................................. 36
Hình 2.18: Mô hình kênh kết hợp .................................................................................. 36
Hình 2.19: Bộ tập trung quang CPC .............................................................................. 38
Hình 2.20: Cấu trúc Diode PIN ...................................................................................... 39
Hình 2.21: Cấu trúc Diode thác APD ............................................................................ 40
HV: Nguyễn Ngọc Nam

v


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

Hình 2.22: Méo do truyền đa đường .............................................................................. 42
Hình 2.23: Ví dụ sử dụng bộ thu phát phản xạ tạo kết nối đường lên ....................... 44
Hình 2.24: Giải pháp đa truy nhập đa chặng ................................................................ 45
Hình 3.1: Mô hình truyền dẫn VLC trong nhà ............................................................. 47
Hình 3.2: Mô hình hệ thống VLC trong nhà điển hình ............................................... 48

Hình 3.3: Môi trường VLC trong nhà ............................................................................ 50
Hình 3.4: Mô hình đa LED ............................................................................................. 51
Hình 3.5: Mô hình một hệ thống MIMO ....................................................................... 52
Hình 3.6: Hệ thống VLC MIMO .................................................................................... 54
Hình 3.7: Phân bố cường độ ánh sáng ........................................................................... 58
Hình 3.8: Phân bố công suất ánh sáng ........................................................................... 59
Hình 3.9: Phân bố trễ RMS tại mặt phẳng thu .............................................................. 60
Hình 3.10: Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR .................................................................... 62
Hình 3.11: Tỉ lệ bit lỗi BER ............................................................................................ 63

HV: Nguyễn Ngọc Nam

vi


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

8 DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số công nghệ truyền thông quang không dây hiện tại [3] ................... 3
Bảng 1.2: Quá trình phát triển của VLC.......................................................................... 6
Bảng 1.3: So sánh VLC và RF........................................................................................ 11
Bảng 2.1: Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y) ...... 21
Bảng 2.2: So sánh các mô hình kết nối.......................................................................... 37
Bảng 2.3: Một số loại Diode tách quang ....................................................................... 41
Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trường trong nhà ..................................................... 48
Bảng 3.2: Các tham số cơ bản mô phỏng ...................................................................... 56

HV: Nguyễn Ngọc Nam


vii


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

9
Từ viết tắt

GVHD. TS Hà Duyên Trung

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ đầy đủ

Nghĩa Tiếng Việt
A

AoA

Angle of Arrival

Góc tới

AB

Average Brightness

Mức sáng trung bình

APD


Avalanche Photodiode

Diode quang thác

AWGN

Additive White Gaussian
Noise

Tạp âm Gaussian trắng cộng
B

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit
C

CS

Compensation Symbol

Ký hiệu dư thừa

CSK

Color Shift Keying


Khóa dịch màu
D

DC

Direct Current

Dòng một chiều

DMT

Discrete Multi-tone

Đa âm rời rạc
F

FIR

Finitie Impulse Respond

Đáp ứng xung hữu hạn

FoV

Field of View

Tầm nhìn

RF


Radio Frequency

Sóng vô tuyến
I

Intensity
IM/DD

Điều chế cường độ/tách sóng trực

Modulation/Direct

tiếp

Detection
IR

Infrared

Hồng ngoại
L

LD

Laser Diode

Laze Đi ốt

LED


Light Emit Dioide

Đi ốt phát quang

LoS

Light of Sight

Tầm nhìn thẳng

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

HV: Nguyễn Ngọc Nam

viii


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

M
MIMO
MFTP
MLL


Đa đầu vào, đa đầu ra

Multi Input Multi Output
Maximum Flickering Time
Period

Thời gian nhấp nháy tối đa
Mức ánh sáng đo được

Mesuared Level of Light
N

NLoS

Non Light of Sight

Ngoài tầm nhìn thẳng
O

OOK

On-Off Keying

Khóa bật tắt

OWC

Optical Wireless
Communication


Truyền thông quang không dây
P

PPM

Pluse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

PDF

Power Density Function

Hàm mật độ công suất
R

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến
S

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
V


VLC
VPPM

Visible Light
Communication
Variable Pulse Position
Modulation

HV: Nguyễn Ngọc Nam

Truyền thông quang dùng ánh
sáng nhìn thấy
Điều chế vị trí xung biến đổi

ix


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

LỜI MỞ ĐẦU
Mạng thông tin quang không dây là xu thế phát triển hiện nay và hứa hẹn
thay thế nhiều ứng dụng đang sử dụng mạng có dây. Hệ thống thông tin quang
không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC) ra đời
dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật của công nghệ chế tạo
thiết bị chiếu sáng cụ thể là LED và công nghệ thông tin. VLC được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực đời sống với đặc điểm chung nổi bật là hoạt động trong những môi
trường cấm sóng vô tuyến.
Trong thời gian gần đây đã có rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc

cải thiện khả năng hoạt động của hệ thống VLC. Vì vậy, trong quá trình tìm hiểu và
nghiên cứu về hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy, em đã lựa chọn
đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng của công nghệ MIMO trong hệ thống thông tin
quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy”.
Luận văn gồm có những nội dung chính như sau:
Chương 1: “Giới thiệu về công nghệ thông tin sử dụng ánh sáng nhìn thấy”
sẽ đưa ra những định nghĩa cơ bản, cấu trúc, ứng dụng của hệ thống quang không
dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy và những ưu điểm của nó so với hệ thống thông tin
vô tuyến hiện nay.
Chương 2: “Hệ thống VLC sử dụng nguồn sáng LED” sẽ trình bày những
vấn đề liên quan đến hệ thống VLC dùng nguồn sáng LED; đồng thời đưa ra một số
tham số đánh giá hiệu năng và những vấn đề gặp phải của hệ thống VLC sử dụng
nguồn sáng LED.
Chương 3: “Công nghệ MIMO trong hệ thống VLC trong nhà” sẽ giới thiệu
về mô hình VLC cho các ứng dụng trong nhà, mô hình hóa một hệ thống cơ bản và
đánh giá hoạt động bằng phần mềm Matlab
Phần cuối cùng - “Kết luận chung” sẽ đánh giá lại toàn bộ luận văn, khái
quát những nội dung chính, những ưu điểm và hạn chế của luận văn đồng thời đưa
ra các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập tai trường. Đặc biệt em xin chân
HV: Nguyễn Ngọc Nam

x


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung


thành cảm ơn Thầy giáo TS. Hà Duyên Trung – Viện Điện tử Viễn thông đã trực
tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cám ơn!

HV: Nguyễn Ngọc Nam

xi


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
Ngày nay, truyền thông quang không dây (Optical Wireless Communication OWC) đang nổi lên như là một công nghệ có thể phát triển cho các ứng dụng vô
tuyến băng rộng trong nhà và ngoài trời thế hệ kế tiếp. Hệ thống OWC có thể lắp đặt
nhanh chóng, cung cấp đường truyền tốc độ cao với khả năng bảo mật tốt hơn nhiều
so với các kĩ thuật truyền thông vô tuyến hiện nay (như Bluetooth, WiFi, WiMax…)
và cũng không cần cấp phép dải tần số. Đặc biệt, đối với các hệ thống OWC trong
nhà, việc sử dụng LED (Light Emitting Diode) làm nguồn quang thay thế cho LD
(Laser Diode) giúp tận dụng các ưu điểm của LED về độ bền, tính ổn định, và đảm
bảo an toàn cho người sử dụng. Đây cũng là nền tảng cho công nghệ thông tin sử
dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC)

1.1. Giới thiệu về truyền thông quang không dây
Truyền thông quang không dây OWC là công nghệ viễn thông sử dụng sự lan
truyền của ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu [1]. Đây là công nghệ
truyền thông băng rộng, trong đó tín hiệu được phát đi trong một búp sóng quang
qua không gian với bước sóng từ vùng hồng ngoại đến vùng cực tím bao gồm phổ

ánh sáng nhìn thấy. Phía phát chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và phía
thu chuyển đổi công suất quang thu được thành tín hiệu điện. LED và LD có thể
được sử dụng làm nguồn quang và đi-ốt tách quang được sử dụng làm bộ tách sóng
quang. Các thấu kính thường được sử dụng ở cả phía phát và phía thu để tăng độ hội
tụ của chùm sáng, nâng cao hiệu suất phát và thu tín hiệu.
Công nghệ OWC có thể được sử dụng làm đường truyền kết nối số liệu trong
các tòa nhà (kết nối giữa các mạng LAN) hay làm đường truyền dẫn tốc độ cao cho
người dùng Internet với nhà cung cấp hoặc các mạng khác. Ngoài ra, OWC cũng
được sử dụng trong hệ thống mạng vòng đô thị để cung cấp các kết nối tốc độ cao
cho các doanh nghiệp, cũng như mang lưu lượng của mạng di động từ ăngten tới các
thiết bị khác của mạng (Hình 1.1). Hơn nữa, OWC còn được sử dụng để truyền số
liệu giữa một tàu vũ trụ ở xa và một trạm ở gần trái đất. Với các ưu điểm nổi bật
HV: Nguyễn Ngọc Nam

1


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

như: không yêu cầu cấp phép dải tần vô tuyến, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện
từ, dễ dàng triển khai lắp đặt, cung cấp tuyến truyền thông tốc độ cao với khả năng
an toàn bảo mật lớn, công nghệ OWC hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi trong rất
nhiều lĩnh vực của đời sống[2].

Hình 1.1: Các ứng dụng phổ biến của truyền thông quang không dây OWC
Có thể phân chia các ứng dụng của hệ thống OWC thành 2 nhóm: OWC
ngoài trời và hệ thống OWC trong nhà.
-


-

Các hệ thống OWC ngoài trời thường yêu cầu khoảng cách truyền dẫn tương
đối lớn (từ vài trăm m đến vài km), do đó chịu tác động mạnh từ các yếu tố
của môi trường xung quanh như: sương mù, mưa, tuyết, sự ô nhiễm, sự hấp
thụ, sự tán xạ, sự nhiễu loạn, vật cản vật lý hay sự lệch hướng phát-thu khi
tòa nhà dao động [3]… Vì vậy, ánh sáng truyền đi phải có năng lượng cao và
tính hướng tốt để đảm bảo chất lượng tín hiệu thu được ở máy thu. Với các
hệ thống OWC ngoài trời, nguồn quang thường dùng là các LD phát ra ánh
sáng cường độ cao tại vùng bước sóng lớn (1550 nm) để giảm thiểu suy hao
truyền dẫn.
Các hệ thống OWC trong nhà thường được dùng cho các mục đích truyền
thông cự li ngắn tốc độ cao và có khả năng di chuyển được. Thách thức lớn
nhất của các hệ thống này là sự suy giảm tín hiệu do hiệu ứng tán sắc và
nhiễu từ ánh sáng mặt trời hay các nguồn sáng nhân tạo khác. Nguồn phát
quang thường dùng là LED phát ánh sáng trong vùng khả kiến hoặc gần hồng
ngoại để đảm bảo an toàn cho mắt cũng như cung cấp nguồn quang giá rẻ
giúp giảm chi phí cả hệ thống. So với LD thì ánh sáng do LED phát ra có

HV: Nguyễn Ngọc Nam

2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

cường độ yếu hơn. Tuy nhiên việc sử dụng LD không chỉ yêu cầu thiết bị với

giá thành cao mà còn tiêu tốn nhiều năng lượng. Do đó, ở cự li ngắn thì việc
sử dụng LED làm nguồn phát quang được xem là giải pháp cho truyền thông
quang không dây tốc độ cao với chi phí thấp, năng lượng hoạt động nhỏ.
Nguồn năng lượng này có thể được cung cấp bởi pin nên các thiết bị này có
khả năng di chuyển được, kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng.

Công nghệ

Khoảng cách

Visible Light
Communication

Không xác định

System Standard

Tốc độ

Cỡ vài b/s Mb/s

Khu vực sử

Ứng dụng

dụng

Các hệ thống Point
Nhật Bản


– to – Point tốc độ
thấp
Các hệ thống tốc độ

Visible Light ID
System Standard

Không xác định

4.8kb/s

Nhật Bản

thấp dành cho việc
nhận dạng và đánh
dấu

ICSA

Khoảng vài m

IrDA

Lớn hơn3m

VLC

Không xác định

IEEE 802.15.7


Khoảng vài m

10Mb/s
576kb/s –
4Mb/s
Lớn hơn
4Mb/s
10kb/s 10Mb/s

Nhật Bản

Quốc Tế

Nhật Bản

Quốc Tế

Mạng LAN trong
nhà
Đường truyền tốc
độ cao
Mở rộng của CPI221, I222
Các đường truyền
trong nhà

Bảng 1.1: Một số công nghệ truyền thông quang không dây hiện tại [3]

1.2. Truyền thông quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy
Truyền thông quang ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication –

VLC) là một công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng trong dải nhìn thấy có tần
số từ 384THz đến 780THz . Việc sử dụng ánh sáng ở tần số nhìn thấy giúp VLC
vừa có thể chiếu sáng đồng thời với việc truyền dữ liệu. Bên cạnh đó, ánh sáng trắng
vô hại với con người nên VLC sẽ thích hợp hơn cho các ứng dụng năng lượng cao.
HV: Nguyễn Ngọc Nam

3


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

VLC sử dụng các LEDs để phục vụ cho việc chiếu sáng và trao đổi dữ liệu giữa các
đầu cuối.
Có thể nói, VLC chính là một nhánh trong công nghệ truyền thông không dây
quang (Optical Wireless Communications – OWC). OWC sử dụng cả tia hồng ngoại
(infra-red) và tia cực tím (ultra-violet) để truyền thông tin tương tự như ánh sáng
nhìn thấy. Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng để chiếu sáng vừa để
truyền thông tin đã khiến cho công nghệ VLC trở nên ưu việt hơn cả.
Trong [4] đưa ra cấu trúc cơ bản của một hệ thống VLC như ở hình 1.2

Hình 1.2: Cấu trúc một hệ thóng VLC cơ bản
1.2.1. Lịch sử phát triển của VLC
Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tải thông tin thực ra không hề
mới. Trong suốt quá trình lịch sử, loài người đã ứng dụng ánh sáng nhìn thấy vào

HV: Nguyễn Ngọc Nam

4



Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

việc truyền tin qua rất nhiều những phát kiến vĩ đại như những dùng lửa, ngọn hải
đăng hay “Photophone” .
Hiện nay, việc phát minh và sử dụng bóng đèn LED (Light Emitting Diode)
để chiếu sáng đã mang lại cơ hội để kết hợp với công nghệ VLC trong đó sử dụng
LED làm nguồn phát. Khi chúng ta đưa dòng điện không đổi vào bóng đèn LED, nó
sẽ phát ra các dòng photon ánh sáng mà chúng ta có thể quan sát được (ánh sáng
nhìn thấy). Nếu chúng ta thay đổi dòng điện, cường độ sáng của bóng đèn tương tự
cũng thay đổi theo và sự thay đổi này diễn ra ở tốc độ rất cao mà mắt thường không
nhận biết được. Từ đó, thông tin có thể được điều chế vào trong ánh sáng của bóng
đèn và truyền đi đến máy thu.
Sử dụng kỹ thuật này chúng ta có thể có được tốc độ truyền dữ liệu rất lớn
trong khi vẫn giữ được công dụng chiếu sáng của bóng đèn. Công nghệ sử dụng ánh
sáng để truyền thông tin còn được gọi với cái tên “Li-Fi” (Light Fidelity). Công
nghệ VLC được mong đợi như là một giải pháp giải quyết vấn đề quá tải trong các
mạng Wi-Fi hiện nay, nhưng trong tương lai, công nghệ này có thể sẽ không cung
cấp nhiều băng thông cho đường lên và do đó mạng Wi-Fi hiện tại sẽ bổ sung cho
vấn đề này.
Quá trình phát triển của công nghệ VLC được [4] thống kê như trong bảng 1.2.
Thời gian
2004

Sự kiện
Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao đến thiết bị di
động cầm tay tại Nhật Bản.

Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di động

2005

với tốc độ 10kb/s và ~Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tại Nhật
Bản.

2007

Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED tới
thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji, Nhật Bản.
Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho

2007

hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn cho hệ thống VLC.
Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản – JEITA đã chấp

HV: Nguyễn Ngọc Nam

5


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

nhận các tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 và
ITA CP-1222.
Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng

2008

và hồng ngoại để truyền dẫn thông qua dự án OMEGA của EU.
Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ ~100Mb/s.

2009

2010

2010

2010
2010
2011

2014

2015

VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong đó xác
định phổ tần sử dụng trong VLC.
Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện tử như TV, PC, điện
thoại di động ở đại học California, USA.
Công bố hệ thống định vị toàn cầu GPS với môi trường trong nhà tại
Nhật Bản.
Truyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500 Mb/s với khoảng cách
5m, thực hiện bởi Siemen và Viện Heinrich Hertz, Đức.
Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE.
Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử
dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh.

Smartphone có cảm ứng VLC xuất hiện lần đầu ở CES có tốc độ
truyền dữ liệu là 10Mb/s
Tháng 11/2015 một công ty công nghệ là Velmenni, Estonia đã thử
nghiệm VLC đạt tốc độ lên tới 224Gb/s
Bảng 1.2: Quá trình phát triển của VLC

1.2.2. Tính chất của VLC
VLC là công nghệ truyền dữ liệu sử dụng ánh sáng nhìn thấy với bước sóng
từ 380 nm đến 780 nm. Những bước sóng này nằm trong dải tần từ 384 THz đến
789 THz. Phổ của ánh sáng nhìn thấy được mô tả ở hình 1.3.
Các tính chất đặc trưng của công nghệ VLC gồm có: Về mặt băng thông, ta
thấy băng thông của công nghệ này không bị hạn chế, băng tần có thể đạt tới xấp xỉ
400Thz. Với sự phát triển của công nghệ chiếu sáng, VLC cho phép truyền tải dữ
liệu với tốc độ cao lên tới hàng trăm Mbps; do đó, VLC thích hợp cho các hệ thống
HV: Nguyễn Ngọc Nam

6


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

thông tin không dây tốc độ cao. Cùng với ưu điểm về tốc độ, VLC còn không bị ảnh
hương bởi nhiễu điện từ EMI. Vì thế, VLC là một công nghệ hấp dẫn ở những môi
trường hạn chế sóng điện từ như máy bay hoặc bệnh viện. Cuối cùng, do sử dụng
ánh sáng nhìn thấy làm phương tiện truyền dữ liệu nên VLC có chi phí thấp hơn so
với các công nghệ truyền thông phổ biến hiện nay.

Hình 1.3: Phổ ánh sáng nhìn thấy

Tuy nhiên, VLC cũng tồn tại một vài nhược điểm: Thứ nhất, VLC dễ bị
nhiễu từ các nguốn sáng khác như mặt trời, đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang,… Thứ
hai, tầm hoạt động của VLC khá ngắn, chỉ vào khoảng vài đến vài chục mét. Thứ
ba, ta chỉ có thể truyền dữ liệu bằng VLC ở nơi nào có ánh sáng.
1.2.3. Ứng dụng của công nghệ VLC
Với những ưu điểm nổi bật, VLC được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh
vực [5]:
-

-

Giảm tải cho mạng WIFI: Tại những khi vực mà mạng WIFI bị giới hạn về
băng thông, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, thì công nghệ VLC sẽ là một
biện pháp thay thế hữu hiệu
Ứng dụng trong giao thông thông minh (Intelligent Transportation Systems –
ITS): Với việc ứng dụng công nghệ VLC, các biển báo giờ đây không chỉ
dùng để đưa ra chỉ dẫn mà còn là một nguồn cung cấp thông tin cho người
tham gia giao thông như: vị trí, tình trạng giao thông,.. Không chỉ vậy, các
phương tiện tham gia giao thông có thể trao đổi thông tin với nhau khi tham
gia giao thong

HV: Nguyễn Ngọc Nam

7


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung


Hình 1.4: Ứng dụng VLC trong ITS
-

Nhà thông minh: Với việc tích hợp VLC vào các thiết bị chiếu sáng, không
chỉ tạo nên mạng chiếu sáng thông minh mà còn tạo nên các điểm truy cập
không dây giúp người dùng truy cập các dịch vụ giải trí hay internet

Hình 1.5: Các ứng dụng của hệ thống VLC trong nhà

HV: Nguyễn Ngọc Nam

8


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

-

GVHD. TS Hà Duyên Trung

Hàng không: Như ta đã biết, sử dụng các thiết bị vô tuyến là không được
phép khi lên máy bay – nơi mà các thiết bị chiếu sáng LEDs vẫn được phép
hoạt động bình thường. Do đó, VLC là công nghệ tiềm năng cung cấp cả ánh
sáng lẫn các dịch vụ thông tin cho hành khách. Thêm nữa, no còn giúp làm
giảm giá thành và trọng lượng của máy bay

Hình 1.6: Ứng dụng VLC trong khoang máy bay
-

-


Bệnh viện và chăm sóc sức khỏe: VLC có thể cung cấp kênh thông tin liên
lạc trong bệnh viện, nơi các thiết bị vô tuyến không được sử dụng do vấn đề
ảnh hưởng sức khỏe bệnh nhân. Bên cạnh đó, công nghệ này có thể sử dụng
để xây dựng các hệ thống định vị quản lý bệnh nhân.
Truyền thông dưới nước: VLC có thể hộ trỡ truyền dẫn tốc độ cao dưới nước,
nơi mà các công nghệ không dây vô tuyến không thể hoạt động được.

1.3. So sánh VLC với một số công nghệ truyền thông khác hiện nay
Hiện nay, phần lớn các hệ thống truyền dữ liệu không dây sử dụng tần số vô
tuyến (300MHz – 3GHz) cho các dịch vụ thông tin. Các ưu điểm của việc truyền
thông sử dụng dải tần vô tuyến là không thể phủ nhận như: chi phí khá thấp, không
dây, cơ sở hạ tầng đơn giản. Tuy nhiên, phổ tần của sóng vô tuyến đang ngày càng
cạn kiệt và cơ hội mở rộng rất hạn chế. Thêm vào đó, có rất nhiều yếu tố về an toàn
và sức khỏe cần phải xem xét khi sử dụng sóng vô tuyến. Do đó, VLC với những
điểm mạnh nhất dịnh khiến nó dần trở thành một công nghệ thu hút được sự quan
tâm và hứa hẹn trở thành công nghệ truyền thông không dây của tương lai; thậm chí,
thay thế thông tin vô tuyến với các kênh truyền cự ly thấp. Ta có thể so sánh VLC
với RF trên một số phương diện sau [4]:

HV: Nguyễn Ngọc Nam

9


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

1.3.1. Dung lƣợng

-

-

Băng thông lớn: Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000
lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng.
Mật độ dữ liệu: Công nghệ VLC có thể đạt được mật độ dữ liệu gấp 1000 lần
so với Wi-Fi bởi vì ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chỉ tập
trung trong một không gian trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát ra và
gây xuyên nhiễu.
Tốc độ cao: Công nghệ VLC có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp,
băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra.
Quản lý: Việc quản lý trở nên khá dễ dàng do không gian chiếu sáng chọn
lựa để truyền thông và tín hiệu ánh sáng có thể quan sát được trong khi sóng
vô tuyến không thể quan sát khiến cho việc quản lý trở nên phức tạp hơn
nhiều.

1.3.2. Hiệu năng
-

-

Chi phí thấp: Công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sử
dụng sóng điện từ.
Sử dụng đèn LED để chiếu sáng thực sự rất hiệu quả (bóng đèn LED hiện
nay tiết kiệm hơn 50% điện năng so với bóng thông thường) và năng lượng
dùng cho truyền dẫn dữ liệu là không đáng kể.
Truyền thông dưới nước: Việc truyền thông dưới nước với sóng vô tuyến rất
khó khăn nhưng VLC có thể hoạt động tốt ở môi trường này.


1.3.3. An toàn
-

An toàn: Không cần phải xem xét bất cứ vấn đề nào về an toàn hay sức khỏe
khi sử dụng công nghệ này.
Không gây ảnh hưởng nguy hiểm: Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng nhìn
thấy sẽ tránh được các nguy cơ gây nguy hiểm đến một số môi trường khác
(bệnh viện, máy bay …) hay tia lửa điện bắt nguồn từ hệ thống antenna thu
phát sóng điện từ.

1.3.4. Bảo mật
-

-

Ngăn chặn: Đối với môi trường trong nhà (indoor), sẽ rất khó để có thể thu
thập hay do thám các tín hiệu VLC do sóng ánh sáng không xuyên qua vật
cản và chỉ tập trung trong khu vực cần thiết.
Điều khiển: Dữ liệu sẽ được chuyển trực tiếp từ một thiết bị sang thiết bị
khác và người sử dụng hoàn toàn có thể nhìn thấy và biết được dữ liệu của

HV: Nguyễn Ngọc Nam

10


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung


mình đang được chuyển đi đâu, do vậy không cần thiết phải có các phương
án bảo mật liên kết nào khác như khi truyền thông với sóng điện từ.
Một vài so sánh giữa VLC với công nghệ truyền thông vô tuyến hiện nay
được thể hiện ở bảng sau:
Tính chất
Bảo mật

RF

VLC

Sóng vô tuyến có thể xuyên Sóng ánh sáng không đi xuyên
qua các vật cản, dễ bị thu qua các vật cản không trong
trộm

suốt, khả năng bị thu trộm thấp
hơn

Băng tần

Bị giới hạn và quản lý

Nhiễu

Nhiều loại nhiễu từ môi Ánh sáng mặt trời và các

Không bị giới hạn

trường và từ các nguồn vô nguồn sáng khác
tuyến khác

Tầm hoạt động

Rộng, dùng cho cả các ứng Hẹp, thích hợp cho các ứng
dụng trong nhà và ngoài trời

dụng trong nhà

Tính di động

Tốt

Hạn chế

Tốc độ

Đã đạt đến 150Mb/s

Đã đạt đến 100Mbps trong môi
trường thí nghiệm

Dịch vụ cung cấp

Truyền thông

Truyền thông + Chiếu sáng

Giá thành hệ thống

Cao hơn


Thấp hơn

Bảng 1.3: So sánh VLC và RF

1.5. Kết luận chƣơng 1
Chương 1 đã trình bày cái nhìn tổng quan về công nghệ OWC, khả năng ứng
dụng của công nghệ này đối với các ứng dụng trong nhà, nền tảng của việc áp dụng
công nghệ VLC vào thực tế.
Công nghệ VLC 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 VLC đã và đang được
HV: Nguyễn Ngọc Nam

11


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

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 hiện nay.
Khắc phục được các hạn chế có thể đẩy mạnh sự phát triển các hệ thống VLC 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.

HV: Nguyễn Ngọc Nam

12



Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật

GVHD. TS Hà Duyên Trung

CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG VLC SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG
LED
Hiện nay, nhờ những tính chất phù hợp, công nghệ VLC được ứng dụng chủ
yếu để cung cấp khả năng chiếu sáng và truyền dữ liệu đồng thời ở cự ly ngắn. Cùng
với đó là sự phát trền nhanh chóng của ngành công nghiệp LED mà công nghệ VLC
sử dụng nguồn LED đã trở nên phổ biến. Chương này có nội dung chính là trình bày
về mô hình hệ thống VLC - LED trong nhà điển hình , với mục đích chính của các
thiết bị là chiếu sáng và truyền thông. Đồng thời, nội dung chương cũng đưa ra cái
nhìn tổng quát về các tham số hiệu năng của VLC và một số vấn đề gặp phải của hệ
thống VLC

2.1. Mô hình hệ thống VLC
Mô hình VLC được mô tả ở hình 2.1 với các thành phần chính là nguồn phát,
kênh truyền và thiết bị thu [6].

Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC cơ bản

HV: Nguyễn Ngọc Nam

13