CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

15



Ý tưởng hình thành và phát triển của công nghệ VLC.



1.2



Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thông tin không hề mới mẻ. Vào

ngày 19 tháng 02 năm 1880 nhà khoa học Scotland là Alexander Graham Bell, đã phát

minh ra thiết bị photophone tại phòng thí nghiệm ở Washington DC cùng với cộng sự

của ông là Charles Tainer. Thiết bị này cho phép truyền thông tin nhờ vào việc sử

dụng ánh sáng mặt trời. Nguyện lý hoạt động của thiết bị này như sau:

•



•



phía phát:

Ánh sáng sẽ được hội tụ qua thấu kính, đến phía ống nói, tại phần ống này sẽ

được gắn một chiếc gương mảnh, có thể thay đổi cường độ ánh sáng chiếu đến

theo âm thanh phát vào ống nói. Nhờ đó mà thông tin được điều chế vào ánh

sáng nhìn thấy và được truyền đi đến phía thu. Hình 1.2:



Hình 1.2: Phía phát của photophone.

phía thu:

Phía thu gồm một nguồn điện nối với một Pin Selenium đặt ở tâm của một

gương Parabol. Pin Selenium sử dụng một vật liệu có tên Selenium, là chất bán

dẫn có điện trở khoảng 100 Ω đến 300 Ω và điện trở của vật liệu này sẽ giảm

dần theo cường độ ánh sáng chiếu vào nó.

Ánh sáng sẽ được tập trung vào chiếc Pin này và cường độ sáng thay đổi sẽ

khiến điện trở của Pin cũng thay đổi theo, tạo ra dòng điện thay đổi làm rung

màng rung của ống nghe và phát ra âm thanh đến tai của người nghe. Với thiết

bị này có thể truyền đi khoảng 200m với ánh sáng mặt trời và ngắn hơn với

ánh sáng của bóng đèn.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



16



Hình 1.3: Phía thu của photophone.

Hiện nay, việc phát minh ra bóng đèn LED để chiếu sáng đã mang lại cơ hội rất

lớn để kết hợp chiếu sáng và truyền dẫn thông tin với công nghệ VLC, trong đó sử

dụng đèn LED là nguồn phát. Nguyên lý là khi thay đổi dòng điện cấp cho LED thì

cường độ sáng của LED cũng thay đổi theo và sự thay đổi này diễn ra rất nhanh mà

mắt thường không thể nhận biết được. Từ đó thông tin có thể được điều chế vào ánh

sáng của bóng đèn và truyền đến phía thu.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



17



Chu trình phát triển của cộng nghệ VLC được đưa ra trong bảng 1.1 sau:

Thời

gian

2004

2005

2007

2007



2008

2009

2010

2010

2010

2010

2011

8/2013

4/2014



Sự kiện

Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trên thiết bị di

động tại Nhật Bản.

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

với tốc độ 10 kb/s và vài Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tại

Nhật Bản.

Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED tời

thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji Nhật Bản.

Hiệp hội VLC(VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho

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 nhận

các tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 và JAITA

CP-1222.

Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng

và tia 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.

VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong đó xác

định phổ tần số sử dụng VLC.

Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện như TV, PC, điện thoại

di động ở đại học Califinia, USA.

Công bố hệ thống địn vị toàn cầu GPS với môi trường trong nhà ở

Nhật Bản.

Thuyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500Mb/s với khoảng cách

5m, thực hiện bởi Siemen và viện Heinrich Het, 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.

Giáo sư Harald Haas đã thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1.6

Gbit/s thông qua đèn LED đơn sắc.

Một công ty của Nga là Stins Coman đã thực hiện một mạng nội bộ

không dây có tốc độ truyền dữ liệu lên tới 1.25 Gbyte/s.

Bảng 1.1. Chu trình phát triển công nghệ VLC.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



18



Hình 1.4: Truyền thông tin sử dụng bóng đèn LED.

Công nghệ này cho phép truyền tải thông tin với tốc độ rất cao, trong khi ta vẫn

sử dụng được bóng đèn LED vào việc chiếu sáng. Tuy nhiên, công nghệ VLC sinh ra

không phải để thay thế cho công nghệ WIFI, mà hai công nghệ này sẽ hỗ trợ nhau

trong việc cung cấp băng thông cho mạng không dây.

Ưu điểm của công nghệ VLC



1.3



Hiện nay, phổ tần của sóng vô tuyến (Radio Frequency-RF) đang ngày càng cạn

kiệt và việc mở rộng băng thông rất hạn chế. Thêm vào đó, việc sử dụng sóng vô tuyến

lại gây nhiễu với các hệ thống điện tử xung quang đặc biệt là các thiết bị trong bệnh

viện và gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Công nghệ VLC có rất nhiều ưu điểm

vượt trội so với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến RF hiện tại.

1.3.1 Dung lượng



Hình 1.5: Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy.

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 WIFI bởi 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 ngoài dẫn

tới suy hao và gây 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.

•



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



19



1.3.2 Hiệu quả cao

• Chi phí thấp: Công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sử

dụng sóng vô tuyến nên chi phí cho một hệ thống sẽ thấp hơn.

• Sử dụng đèn LED vừa để chiếu sáng, vừa để truyền thông tin có hiệu quả rất

cao: tiêu thụ năng lượng thấp, hiệu quả chiếu sáng cao, giá thành tương đối rẻ

và độ bền cao.

• Truyền thông dưới nước: việc truyền thông tin dưới nước đối với sóng vô tuyến

là rất khó khăn, nhưng đôi với công nghệ VLC thì có thể thực hiện việc đó dễ

dàng hơn.

1.3.3 An toàn

• An toàn đối với sức khỏe con người.

• Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng không gây nhiễu đối với máy bay, không

gây nhiễu với các máy móc sử dụng trong bệnh viện.

1.3.4 Bảo mật

• Vì truyền thông bằng sóng ánh sáng chỉ tập trung ở một khu vực nhất định,

không thể đâm xuyên qua các vật thể nên sẽ rất khó để thu thập hay do thám

các tín hiệu thông tin.

• Không cần các phương pháp bảo mật phức tạp, do là ánh sáng nhìn thấy nên

việc quản lý truyền dẫn thông tin vô cùng dễ dàng.

Công nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng yêu vầu đường xuống tốc độ cao,

trong khi chỉ cần đường lên với tốc độ thấp như: download video, audio, duyệt Web…

Qua đó, ta có thể giải quyết được vấn đề quá tải trong mạng truyền thông tin không

dây.

1.4



Các thành phần trong hệ thống VLC.



Một hệ thống VLC bao gồm 3 thành phần chính: Hệ thống phát, kênh truyền và

hệ thống thu.

Một thiết bị đầu cuối để truyền được thông tin cần phải được tích hợp cả hai

thành phần phát và thu là đèn LED và cảm biến ảnh.

Hệ thống phát sử dụng các đèn LED để truyền tải thông tin với tốc độ lên tới

hàng Gb/s. Có rất nhiều loại LED được sử dụng để phát ra ánh sáng trắng bao gồm

LED đơn màu phủ phosphor (Phosphor based-LED) hoặc LED RGB (Red-GreenBlue). Với LED RGB, mỗi một màu ta có thể sử dụng để truyền một kênh dữ liệu

riêng biệt. Với mục đích sử dụng cả cho chiếu sáng nên LED đơn màu được ưu tiên

lựa chọn bởi giá thành rẻ và hiệu quả chiếu sáng cao.

Do chúng ta sử dụng các bóng đèn LED để truyền thông tin, nên cần phải có các

cách khác nhau để kết nối các bóng đèn LED với các mạng dữ liệu hiện tại. Có hai

cách để nối LED với mạng dữ liệu hiện tại:

GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



20

•



Sử dụng kết hợp với công nghệ truyền thông tin bằng đường điện lực (power

line communicaton- PLC). Công nghệ này cho phép truyền thông tin qua mạng

điện sẵn có. Bằng cách kết hợp này, chúng ta sẽ có thể tận dụng đường cáp điện

lực để cấp nguồn điện và truyền tải thông tin tới các đèn LED.



Hình 1.6: Truyền thông bằng công nghệ PLC.

•



Truyền thông qua Ethernet (Power over Ethernet-PoE). Việc cấp nguồn và

truyền thông tin tới bóng đèn sẽ được thực hiện thông qua một cáo nối Ethernet.

Mặc dù công suất cung cấp giới hạn chỉ vào khoảng 50w đối với cáp Cat5

nhưng công suất này vẫn hoàn toàn đủ đáp ứng đối với các bóng đèn LED hiện

tại.



Hình 1.7: Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet.

Cả hai phương pháp trên nổi bật hơn cả bởi vì chúng ta không phải chia đường

nguồn và đường dữ liệu riêng tới các đèn LED.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



21



Công nghệ truyền thông bằng đường dây điện lực có ưu điểm là không yêu cầu

thêm một kết nối nào khác vào mạng đèn chiếu sáng có sẵn. Còn đối với công nghệ sử

dụng cáp Ethernet (PoE) sẽ rất hiệu quả trong việc triển khai lắp đặt mới.

Đối với phía thu, các thiết bị điện tử như Laptop, smartphone... ngày nay đều

được tích hợp camera. Dó đó chúng ta có thể tận dụng nó làm bộ phận thu. Hay có thể

tích hợp thêm diode tách quang (Photodetector) trên các thiết bị, phần tử này sẽ thu tín

hiệu quang và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện.

Để có thể đưa thông tin cần truyền vào ánh sáng chúng ta cần phải có các kỹ

thuật điều chế. Có rất nhiều kỹ thuật điều chế như điều chế khóa bật tắt (ON/OFF

keying-OOK), điều chế độ rộng xung (Pulse Width modulation-PWM), điều chế vị trí

xung (pulse Position Modulation-PPM), điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude

Modulation-PAM), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency

Division Multiplexing-OFDM) hay điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying-CSK)

và một số phương pháp điều chế khác.

1.5



Kết luận chương.



Trên đây là tất cả các thông tin cơ bản về công nghệ truyền thông tin bằng ánh

sáng nhìn thấy-Visible Light Communication. Như chúng ta đã thấy, công nghệ này có

rất nhiều ưu thế so với công nghệ truyền thông tin bằng sóng vô tuyến hiện tại. Tuy

nhiên hiện tại công nghệ này vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn công nghệ truyền thông

tin sử dụng sóng vô tuyến, mà chúng sẽ hỗ trợ nhau trong việc cung cấp dữ liệu và

giảm quá tải cho hệ thống RF hiện tại. Chương tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết

về cấu tạo , các phương pháp điều chế và phương pháp truyền thông tin trong hệ thống

VLC.

1



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



22



CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH

SÁNG NHÌN THẤY

Trong chương này sẽ trình bày một cách chi tiết về từng thành phần cụ thể để tạo

nên một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy, cũng như các phương

pháp điều chế và mã hóa được sử dụng trong hệ thống. Một hệ thống truyền thông tin

bằng ánh sáng nhìn thấy bao gồm ba thành phần chính:

•

•

•

2.1



Thành phần phát (sử dụng các dèn LED).

Thành phần thu (sử dụng Photodiode hoặc cảm biến ảnh CMOS).

Mô hình kênh, các phương pháp điều chế và mã hóa.

Thành phần phát trong hệ thống VLC.



Thành phần phát trong một hệ thống VLC là thành phần có chức năng đưa thông

tin cần truyền vào trong ánh sáng được phát ra từ các đèn LED, sau đó phát ánh sáng

ra môi trương không gian. Mô hình của thành phần phát như sau:



Hình 2.1: Mô hình thành phần phát trong một hệ thống VLC.

Với công nghệ ngày càng phát triển, đèn LED được nghiên cứu và cải tiến đang

nổi lên như là một phương tiện chiếu sáng thay thế cho đèn huỳnh quang và đèn sợi

đốt với các ưu điểm vượt trội như: Hiệu quả chiếu sáng cao, tiêu thụ ít điện năng, giá

thành rẻ và đặc biệt là độ bền rất cao. Chính vì lý do này, mà đèn LED được sử dụng

vừa để làm nguồn phát sáng, vừa dùng làm phương tiện để truyền thông tin trong hệ

thống VLC.

Nguyên lý hoạt động của đèn LED:

•



Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện tích

đang ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Đây là hiện tượng đảo mật độ do ở điều

kiện bình bình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng độ

điện tử ở vùng dẫn nhưng khi được kích thích, các điện tử nhảy mức năng

lượng làm cho điện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ ở vùng hóa trị. Đồng

thời, dưới tác dụng của điện trường phân cực thuận, các điện tử từ lớp N sẽ

được khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống từ lớp P cũng được khuếch

tán sang lớp tích cực. Tại đây, các cặp điện tử và lỗ trống sẽ tái hợp (recombine) và phát xạ ra photon ánh sáng. Hiện tượng phát xạ ở đây chủ yếu là

hiện tượng phát xạ tự phát.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



23



Hiện tượng này được mô tat như hình 2.2 dưới đây:



Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của LED.

Với mục đích kết hợp để chiếu sáng, loại LED được sử dụng trong VLC thường

là LED đơn sắc (một trong ba màu RGB) và LED phát ánh sáng trắng (White LED).

Có hai cách thông dụng để tạo ra ánh sáng trắng tương ứng với hai loại LED khác

nhau:

Loại thứ nhất sử dụng một chíp bán dẫn xanh (Blue) và sau đó được phủ thêm

một lớp Phosphor bên ngoài hay còn được gọi lên là “LED xanh trắng đơn

chip”. Khi dòng điện được cung cấp cho chip LED màu xanh, chip này sẽ phát

ra ánh sáng xanh, phosphor sau đó được kích thích bởi ánh sáng màu xanh thì

sẽ phát ra huỳnh quang màu vàng. Sự kết hợp giữa hai ánh sáng này sẽ tạo ra

ánh sáng trắng.

• Loại LED thứ hai cấu tạo với ba chíp màu riêng biệt: Red bước sóng 625 nm,

Green bước sóng 525 nm, Blue bước sóng 470 nm. Sau đó ba màu này sẽ được

trộn lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng.

•



Hình 2.3: Hai loại LED phát ánh sáng trắng.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản