Tài liệu Tìm hiểu một thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (sor)

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH..................................................................................................4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT..............................................................................................5 Chương 1: TỔNG QUAN....................................................................................................7 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU.......................................................................7 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.....................................................................................7 1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI......................................................................................7 1.4. BỐ CỤC ĐỀ TÀI..........................................................................................8 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..........................................................................................9 2.1. ĐỊNH NGHĨA TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY (VLC).....9 2.2. CẤU TẠO....................................................................................................11 Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống VLC..............................................................11 2.3. ỨNG DỤNG................................................................................................12 Hình 2.4: Ứng dụng trong nhà của VLC..............................................................12 Hình 2.5: Một ứng dụng ngoài trời của VLC.......................................................14 2.4. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM..................................................................14  Ưu điểm.........................................................................................................14 Hệ thống đèn chiếu sáng buộc phải bật lên nếu muốn hệ thống VLC hoạt động. Do đó không thể yêu cầu hệ thống hoạt động mà không phát ra ánh sáng...........15 2.5. NHIỄU TRONG VLC................................................................................15 2.5.1. NHIỄU NHIỆT................................................................................15 2.5.2. NHIỄU NỔ......................................................................................15 Chương 3........................................................................................................................... 16 1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN TÍN HIỆU BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY ĐƯỢC............................................................................................................................... 16 3.1. YÊU CẦU CHI TIẾT HỆ THỐNG...........................................................16 3.2. SƠ ĐỒ KHỐI..............................................................................................16 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống VLC....................................................................16 3.3. THIẾT KẾ TỪNG KHỐI..........................................................................18 3.3.1. KHỐI NGUỒN....................................................................................18 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên ký mạch nguồn..............................................................18 3.3.2. MẠCH PHÁT......................................................................................18 Hình 3. 3: Sơ đồ nguyên lý khối cộng DC...........................................................18 Hình 3. 5: Sơ đồ nguyên lý khối Driver...............................................................20 3.3.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH PHÁT.................................................21 Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý mạch phát................................................................21 3.3.4. MẠCH THU.........................................................................................21 Hình 3. 7: Sơ đồ nguyên lý khối lọc thông thấp và khuếch đại............................21 3.3.5. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH THU...................................................22 Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý mạch thu..................................................................22 3.3.6. LAYOUT MẠCH PHÁT.....................................................................23 Hình 3. 9: Layout mạch phát...............................................................................23 3.3.7. LAYOUT MẠCH THU.......................................................................23 Hình 3. 10: Layout mạch thu...............................................................................23 3.4. SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA CODE LẬP TRÌNH CHO PIC 18F4550...24 3.5. CODE LẬP TRÌNH CHO PIC 18F4550...................................................24 Chương 4: KẾT QUẢ........................................................................................................26 4.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS.............................................26 2 Hình 4. 1: Mạch mô phỏng phần cứng.................................................................26 Hình 4. 2: Kết quả mô phỏng...............................................................................26 4.2. PHẦN CỨNG THỰC TẾ...........................................................................27 Hình 4. 3: Khối mạch phát...................................................................................27 Hình 4. 4: Khối mạch thu....................................................................................27 4.3. KẾT QUẢ THỰC TẾ.................................................................................27 Chương 5: KẾT LUẬN......................................................................................................28 4.1. KẾT LUẬN.................................................................................................28 4.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................................28 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................30 3 DANH MỤC HÌNH Ả Hình 2. 1: Vùng bước sóng của ánh sáng khả kiến....................................................9 Hình 2.2: Phổ ánh sáng khả kiến rộng hơn phổ sóng điện từ tới 10,000 lần............10 Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống VLC..................................................................11 Hình 2.4: Ứng dụng trong nhà của VLC..................................................................12 Hình 2.5: Một ứng dụng ngoài trời của VLC........................................................14Y Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống VLC........................................................................16 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên ký mạch nguồn..................................................................18 Hình 3. 3: Sơ đồ nguyên lý khối cộng DC...............................................................18 Hình 3. 4: Sơ đồ nguyên lý khối Pic 18F4550.........................................................19 Hình 3. 5: Sơ đồ nguyên lý khối Driver...................................................................20 Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý mạch phát....................................................................21 Hình 3. 7: Sơ đồ nguyên lý khối lọc thông thấp và khuếch đại................................21 Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý mạch thu......................................................................22 Hình 3. 9: Layout mạch phát...................................................................................23 Hình 3. 10: Layout mạch thu 2 Hình 4. 1: Mạch mô phỏng phần cứng....................................................................26 Hình 4. 2: Kết quả mô phỏng...................................................................................26 Hình 4. 3: Khối mạch phát.......................................................................................27 Hình 4. 4: Khối mạch thu........................................................................................27 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LED Light Emitting Diode Diode phát quang Li-Fi Light Fidelity Hệ thống thu phát tín hiệu trong nhà dùng ánh sáng khả kiến OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số trực giao PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung RGB R: Red; G: Green; B: Blue Ba màu cơ bản trong dãi màu mà mắt thường nhìn thấy được TIA Transimpedance Amplifier Bộ khuếch đại tín hiệu áp thu được từ Photodiode VLC Visible Light Communication Giao tiếp bằng ánh sáng khả kiến 5 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Minh Thành đã trực tiếp hướng dẫn cũng như tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án môn học 1. Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các quý thầy cô khoa Điện – Điện tử, những bài giảng của thầy cô đã trang bị kiến thức vững chắc để bây giờ em vận dụng thực hiện đồ án môn học 1. Chân thành cảm ơn Bộ môn Máy tính - Viễn Thông, Ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện tốt cho em về tài liệu học tập và trang thiết bị trong suốt thời gian học tập tại trường, nhất là trong quá trình em thực hiện đồ án. Ngoài ra, khi thực hiện đồ án này, em cũng nhận được nhiều sự giúp đỡ từ những sinh viên khoa Điện – Điện tử khác. Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn đã giúp đỡ mình trong quá trình làm đồ án. Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất, em xin gửi đến gia đình, đã luôn sát cánh và động viên trong những giai đoạn khó khăn nhất. TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019 Trương Hoài Lâm 6 Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1. GIỚI THIỆU Truyền thông quang không dây (OWC) là một ứng viên tiềm năng cho truyền dẫn không dây trong nhà. Kỹ thuật này sử dụng sóng ánh sáng để truyền dẫn thông tin thay cho sóng điện từ đã hạn chế về băng thông. Do sóng ánh sáng không thể xuyên qua các vật cản nên sẽ không gây can nhiễu với các hệ thống khác và bảo mật cao. Hệ thống OWC có các ưu điểm như thiết lập nhanh, tốc truyền cao so với các công nghệ truyền thông không dây hiện nay như Bluetooth, WiFi, nhưng lại hoạt động trong dải băng tần không cấp phép (Gfeller and Bapst, 1979). Hơn nữa, việc sử dụng những linh kiện đơn giản và rẻ tiền với LED ở phía phát và photodetector ở phía thu nên chúng có thể ứng dụng thực tế dễ dàng. Vì bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được là rất nhỏ (khoảng 400nm ∼ 700nm), và các ứng dụng trong nhà có thể cung cấp tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao (SNR), rất hứa hẹn sẽ áp dụng đa đầu ra đa đầu vào được thiết lập tốt (kỹ thuật MIMO) vào OWC trong nhà để đồng thời tăng hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng. Một trong những vấn đề thách thức còn lại để nhận ra hiệu suất phổ hấp dẫn của hệ thống MIMO quang là thuật toán phát hiện tín hiệu thực tế. Tương tự như hệ thống RF MIMO , bộ phát hiện tín hiệu tối ưu cho hệ thống MIMO quang sử dụng điều chế cường độ và phát hiện trực tiếp (IM / DD) là máy dò khả năng tối đa (ML), nhưng độ phức tạp của nó tăng theo cấp số nhân với số lượng mảng LED làm cho nó không thực tế đối với các hệ thống MIMO quang quy mô lớn. Để đạt được hiệu suất phát hiện ML tối ưu với giảm độ phức tạp, một số thuật toán phát hiện tín hiệu phi tuyến tính đã được đề xuất. Vì vậy đồ án 2 này sẽ tìm hiểu một thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR) để giảm độ phức tạp tính toán mà không làm giảm hiệu suất. 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 7 Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu mô hình hệ thống MIMO OWC quy mô lớn trong nhà. Đồng thời tìm hiểu về một thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR) và phân tích hiệu suất của nó. Xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng bằng Matlab nhằm nhận xét và đánh giá hiệu quả của thuật toán. Từ đồ án này có thể xây dựng thuật toán phát hiện tín hiệu với quy mô lớn, mô phỏng và đánh giá ưu, nhược điểm của thuật toán. Từ đó đưa ra những giải pháp khắc phục nhược điểm, phát triển ưu điểm và tối ưu của thuật toán. 1.3. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN 1.3.1. Nhiệm vụ - Tìm hiểu đặc điểm của mô hình hệ thống MIMO OWC quy mô lớn trong nhà. - Tìm hiểu thuật toán phát hiện tín hiệu có độ phức tạp thấp và phân tích hiệu suất của nó. - Mô phỏng và đưa ra kết quả mô phỏng của tỉ số lỗi bit (BER) và tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Đánh giá hiệu suất của thuật toán. 1.3.2. Giới hạn Đồ án này chỉ tiến hành nghiên cứu về thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên trên phương pháp successive overrelaxation (SOR) để giảm độ phức tạp tính toán mà không làm giảm hiệu suất. Trong đó chỉ mô phỏng, đánh giá theo tỉ số lỗi bit (BER) và tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của mô hình. 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau: - Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. - Tìm hiểu và phân tích hệ thống MIMO OWC. - Nghiên cứu thành phần, kỹ thuật của thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR) để giảm độ phức tạp tính toán mà không làm giảm hiệu suất. 8 - Sử dụng phần mềm chuyên dụng (Matlab) để thực hiện mô phỏng hệ thống MIMO OWC. - Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên mô phỏng. 1.5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan và sơ lược về truyền thông quang không dây (OWC). Sau đó nêu lên mục tiêu của đề tài và những giới hạn của đề tài. Chương 2: Lý thuyết tổng quan Trình bày lý thuyết tổng quan, đặc điểm và ứng dụng của hệ thống truyền thông quang không dây. Chương 3: Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy được VLC Trình bày yêu cầu chi tiết của hệ thống rồi đi đến thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ giải thuật của hệ thống sau đó tìm hiểu chi tiết, thiết kế từng khôi. Chương 4: Kết quả Kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài. Nêu ưu điểm, nhược điểm của đồ án. Chương 5: Kết luận Đưa ra kết luận về đề tài và hướng phát triển cũng như ứng dụng của đề tài trong đời sống. 9 Chương 2: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2.1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN QUANG Truyền thông vô tuyến quang là một hình thức truyền tín hiệu quang qua môi trường không gian tự do mà không cần đến cáp sợi quang. Có thể phân biệt ba loại hệ thống truyền thông quang vô tuyến tùy thuộc vào phổ điện từ của bức xạ quang hay còn gọi là băng tần sóng mang: ánh sáng nhìn thấy (VLC), tia hồng ngoại và tia tử ngoại (UVC). Các hệ thống truyền thông vô tuyến quang hoạt động ở băng tần ánh sáng nhìn thấy (dải tần 400–800 THz ứng với bước sóng 390– 750 nm) tận dụng các LED phát quang ở tốc độ cực cao mà không ảnh hưởng đáng kể đến mắt người. Các hệ thống truyền thông quang vô tuyến hoạt động ở dải tần hồng ngoại gần (bước sóng 750 – 1600 nm), sử dụng các bộ phát lazer để thiết lập các tuyến truyền điểm nối điểm trên mặt đất, còn gọi là hệ thống truyền thông quang trong không gian tự do (FSO). Các hệ thống truyền thông quang vô tuyến hoạt động ở dải tần tử ngoại (bước sóng 200 – 280 nm) cũng được nghiên cứu gần đây sau bước tiến khoa học về vật liệu thể rắn có thể dùng để chế tạo các bộ nguồn phát và thu quang. Hình 1: Phổ sóng điện từ Xét về cự ly truyền dẫn, có thể phân loại các ứng dụng truyền thông vô tuyến quang như sau: 10 - Cự ly cực ngắn: sử dụng giữa các chip mạch vi điện tử. - Cự ly ngắn: mạng vùng (LAN, PAN) lõi vô tuyến, các ứng dụng theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.7, truyền thông dưới nước. - Cự ly trung bình: mạng diện rộng (WAN), mạng truyền thông bên trong tòa nhà, mạng điều khiển giao thông giữa các xe và hạ tầng giao thông - Cự ly dài: truyền thông giữa các tòa nhà. - Cự ly cực dài: truyền thông giữa các vệ tinh. Như đã trình bày ở chương 1, công nghệ VLC ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực và có thể triển khai đối với môi trường trong nhà hoặc ngoài trời. Đối với mô hình trong nhà, mô hình truyền dẫn như sau : Hình 3.1: Mô hình truyền dẫn VLC trong nhà Với mỗi liên kết đầu cuối khác nhau, chúng ta có thể ứng dụng triển khai các dịch vụ khác nhau ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau như truyền dữ liệu, chia sẻ nội dung, truyền video, định vị, điều khiển. Cụ thể về một số loại dịch vụ tương ứng được đưa ra trong bảng sau: 11 Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trƣờng trong nhà 2.2. MIMO QUANG TRONG NHÀ 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 khả năng truyền dẫn các dữ liệu khác nhau trên mỗi thiết bị hoặc trên các nhóm nguồn phát khác nhau. Do đó, cần có một dãy máy thu được thiết kế ở phía thu để thu nhận dữ liệu, và thiết kế này hình thành nên hệ thống 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. 12 Hình mnmn: Mô hình một hệ thống MIMO. Kênh truyền giữa các anten máy phát (Tx) và anten máy thu (Rx) như mô tả trong hình vẽ trên được gọi là một kênh Nhiều đầu vào-Nhiều đầu ra (MIMO). Một hệ thống truyền dẫn trên kênh truyền MIMO được gọi là hệ thống truyền dẫn MIMO. Trong các trường hợp đặc biệt khi N = 1 và M = 1, tương ứng chúng ta có các hệ thống phân tập thu SIMO và phát MISO. Kỹ thuật MIMO nhìn chung có các ưu điểm như: (i) Tăng độ lợi mảng: làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát; (ii) Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống, (iii) Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian; (iv) Tăng dung lượng kênh (so với dùng chỉ 1 phát – 1 thu) mà không cần tăng công suất phát và băng thông. Việc áp dụng MIMO vào VLC chủ yếu ở đây chủ yếu nhằm lợi dụng tính phân tập không gian của việc thu-phát đa đường làm tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống VLC trong nhà về vùng phủ, công suất cũng như một số tham số hiệu năng như SNR và BER. Phân tập không gian là phương pháp đã được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến. Phương pháp này sử dụng nhiều anten ở máy thu, máy phát hoặc ở cả phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không gin khác nhau. Khoảng cách cần thiết giữa các anten tối thiểu là một nửa bước sóng /2 gian phát, và tương tự chúng ta có phân tập không gian thu nếu sử dụng nhiều anten thu. Trường hợp sử dụng nhiều anten tại cả máy phát và máy thu chúng ta có một tập hợp kênh truyền với nhiều đầu vào và nhiều đầu ra là MIMO. Mô hình MIMO sử dụng nhiều thiết bị phát (LED) và nhiều thiết bị thu nhằm cải thiện tốc độ cũng như đáp ứng các yêu cầu cơ bản của hệ thống. Công nghệ MIMO hỗ trợ nâng cao đáng kể tầm hoạt động và thông lượng mạng, cũng như sử 13 dụng phổ tần số hiệu quả hơn. Do đó, MIMO đóng vai trò quan trọng trong hệ thống mạng không dây. 2.3. MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN HỆ THỐNG MIMO QUANG Do đèn LED được sử dụng với mục đích chiếu sáng đồng thời với truyền thông, nên giá trị về cường độ sáng và công suất phát quang cần được xem xét đến. Cường độ sáng ở đây được sử dụng để thể hiện độ sáng của đèn LED; trong khi công suất phát quang được sử dụng để mô tả năng lượng bức xạ ra từ các LED [14]. Cường độ sáng có thể coi là quang thông trên mỗi đơn vị góc rắn và được tính bằng: I Với  d d là quang thông và  là góc không gian.  có thể tính được qua năng thông e như sau: 780   V ( )e ( ) d  380 Với V ( ) là tiêu chuẩn sáng và Km giá trị sáng tối đa ~ 6831 m/W ở bước sóng 55nm. Công suất quang truyền đi được cho bởi: Với lần lượt là độ nhạy tối đa và tối thiểu của photodiode. Hình 3.3 mô tả một môi trường VLC trong nhà điển hình. Giả sử rằng các đèn LED tuân theo mô hình bức xạ Lambertian, cường độ bức xạ tại một mặt bàn được tính bởi: 14 Với  là góc tạo bởi phương bức xạ so với trục thằng đứng, I(0) là mật độ sáng trung tâm và ml là hệ số Lambertian được xác định bằng Với  1/2 là góc một nửa độ sáng của LED Mật độ sáng và công suất thu được tại một điểm tại mặt phẳng thu được tính bởi: Hình …: Môi trƣờng VLC trong nhà Độ lợi của bộ tập trung quang tại phía thu được xác định bởi 15 Với n là hệ số phản xạ. Trên thực tế con thường khác 0 do con là FOV của bộ tập trung quang tại phía thu. Hiện nay, các nghiên cứu về hệ thống VLC trong nhà hướng tới mô hình đa đèn LED như ở hình 3.4. Ở đây, mỗi LED có thể được xem như là một điểm sáng và do đó mô hình bức xạ của mỗi LED có thể được mô tả thông qua hàm của góc rắn. Với tất cả các đèn LED đều bật, sự phân bố độ sáng trên mặt phẳng thu được tính thông qua góc rắn  là Hình 3.4: Mô hình đa LED Việc sử dụng hệ thống đa đèn LED cho các ứng dụng VLC trong nhà bắt nguồn từ 16 các lý do sau : (i) hầu hết các phòng sử dụng nhiều nguồn sáng để đảm bảo mức độ sáng đủ và (ii) đáp ứng phân tập không gian. Đây cũng là tiền đề cho áp dụng công nghệ MIMO vào VLC 2.4. NHIỄU TRONG VLC Các loại nhiễu trong VLC gồm hai loại: nhiễu nhiệt (Thermal Noise) và nhiễu nổ (Shot Noise). 2.4.1. Nhiễu nhiệt Là dòng điện không mong muốn gây ra dưới tác động của chuyển động nhiệt của các hạt mang điện. Nguồn gây ra nhiễu nhiệt trong hệ thống VLC chính là do các yếu tố trong bộ tiền khuếch đại ở phía thu gây ra. Nhiễu nhiệt được tạo ra độc lập với tín hiệu thu và được mô hình hóa theo phân bố Gaussian. 2.4.2. Nhiễu nổ Là loại nhiễu chính trong hệ thống VLC, nguồn gây ra nhiễu nổ gồm có nguồn nhiễu tự nhiên (mặt trời) và nhân tạo (đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt, …), các nguồn nhiễu này sẽ tạo ra một bức xạ nền. Bức xạ nền này sẽ gây ra một dòng liên tục trong diode tách quang và do tính chất ngẫu nhiên của quá trình tách quang sẽ hình thành nhiễu nổ. Một thành phần nữa gây ra nhiễu nổ đó chính là do dòng tối ngược chiều nhỏ đi qua tải khi không có ánh sáng tới bộ tách quang. Nguyên nhân gây ra là do nhiệt ở lớp tiếp giáp hoặc khiếm khuyết ở bề mặt. 17 Chương 3: VẤN ĐỀ CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI 3.1. YÊU CẦU CHI TIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tiến hành thực hiện mô hình hệ thống MIMO OWC, các công thức tính toán trong hệ thống MIMO OWC, mô phỏng và đánh giá thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR). 3.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG Hình 3.1: Mô hình hệ thống MIMO quang trong nhà với thấu kính hội tụ (lens) 18 Hệ thống MIMO quang trong nhà IM/DD điển hình trong một căn phòng có kích thước L × W × H, trong đó các mảng LED Nt được lắp đặt trên trần nhà như ăng ten phát và bộ phát quang Nr được sử dụng làm ăng ten thu. Để đảm bảo tính đa dạng không gian kênh, một thấu kính hội tụ được sử dụng để có thể chiếu hình ảnh của từng mảng LED lên số lượng bộ tách sóng quang lớn hơn (Nr thường lớn hơn Nt). Điều đáng chú ý là kích thước của MIMO quang trong nhà thường lớn để đạt được tốc độ dữ liệu hài lòng. Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống MIMO quang trong nhà. Các bit truyền nối tiếp trước tiên được chuyển thành các luồng Nt bằng bộ biến đổi nối tiếp song song (S / P), sau đó được truyền bởi các mảng LED. Đặt s = [s1, · · ·, sNt] T biểu thị vectơ tín hiệu truyền có chứa các bit được truyền từ tất cả các mảng LED Nt và H biểu thị ma trận kênh MIMO quang Nr × Nt, sau đó là vectơ tín hiệu nhận được y = [y1, · · ·, yNr] T tại máy thu có thể được biểu diễn dưới dạng: Trong đó n = [n1, · · ·, nNr] T là vectơ nhiễu có thành phần chính là nhiễu nhiệt so với nhiễu ánh sáng xung quanh, có các phần tử độc lập và được phân phối chính xác sau phân phối N ( 0, σ 2). Đối với giao tiếp ánh sáng nhìn thấy trong nhà, đã được báo cáo rộng rãi rằng công suất của thành phần khuếch tán gây ra bởi sự phản xạ từ các bề mặt của căn phòng thấp hơn nhiều so với thành phần tầm nhìn (LOS), ngay cả khi máy thu nằm gần các cạnh phòng [5], [19]. Do đó, thông thường thành phần LOS được xem xét trong tài liệu [4], [5], [19] Trong đó phần tử chiếm quyền điều khiển của ma trận kênh H ở hàng thứ i và cột thứ j có thể được trình bày dưới dạng [4], [18]. 19 hij=a ij (2) hi trong đó hi thể hiện công suất chuẩn hóa trong ảnh được chiếu từ dãy LED thứ i đến khẩu độ của ống kính hình ảnh khi máy thu hình ảnh được đặt tại một vị trí cụ thể và có thể được biểu thị bằng: hi = { ki ∑ k =1 ( m +1 ) A r 2π d 2 ik m cos ( ϕ ik ) cos ( ψ ik ) T s ( ψ ik ) G ( ψik ) , (3) if |ψ ik|<ψ c 0 ,if |ψik|>ψ c Trong đó Ki biểu thị số lượng đèn LED trong mảng thứ i ; m= −ln 2 trình ln ⁡(cos ⁡(Ф 1/ 2)) bày thứ tự phát xạ Lambertian, trong đó φ /1 / 2 là nửa góc phát xạ của đèn LED; AR trình bày khu vực vật lý của máy thu hình ảnh; dik là khoảng cách giữa đèn LED thứ k trong mảng thứ i và tâm của ống kính hình ảnh; φik và ψik lần lượt biểu thị góc phát xạ và tần suất; ψc trình bày chiều rộng của tầm nhìn (FOV) Ts (ψik) là hệ số khuếch đại bộ lọc quang học được đặt là một mà không mất tính tổng quát. Cuối cùng, G (ψik) biểu thị mức tăng của bộ tập trung quang học, có thể được trình bày dưới dạng: n2 ,|ψ |<ϕ 1/ 2 G ( ψ ik ) = sin 2 ϕ 1 /2 ik 0,|ψ ik|>ϕ 1 /2 { (4) Trong đó n là chỉ số khúc xạ của vật liệu tập trung quang. Thành phần khác aij của Hij trong (2) trình bày tỷ lệ công suất nhận được của máy thu hình ảnh rơi vào bộ tách sóng quang thứ j, có thể được trình bày dưới dạng: a A ij ij= l=N r Ail ∑ l=1 (5) Trong đó Aij biểu thị diện tích hình ảnh của mảng thứ i trên bộ tách sóng quang thứ j. Tại máy thu, sau khi thu được ma trận kênh H đã đạt được thông qua miền thời 20