MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO<br />
HỆ THỐNG MIMO VLC<br />
Nguyễn Thị Khánh Hà1<br />
Nguyễn Ngọc Huyền Trân2<br />
Nguyễn Văn Khương3<br />
Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu một mô hình cho một hệ thống ánh sáng nhìn thấy<br />
đa nhập đa xuất MIMO (Multiple Input Multiple Output) kích thước 12x4 dựa trên kỹ<br />
thuật tam giác (Triangulation). Mô hình được đưa ra trong điều kiện các thiết bị đầu<br />
cuối nhận tín hiệu ánh sáng được truyền từ các LED trên trần nhà khi di chuyển mọi nơi<br />
trong căn phòng. Trong mô hình VLC (Visible Light Communication) này, chúng tôi đưa<br />
ra 12 thiết bị phát là các đèn LED và 4 thiết bị nhận là các photodiod. Bài báo đưa ra<br />
một hình định vị linh hoạt nhằm tối ưu kỹ thuật định vị tam giác dựa trên kỹ thuật định<br />
vị RSS (Receive Signal Strength).<br />
Từ khóa: MIMO VLC, Kỹ thuật Triangulation, Định vị linh hoạt, Định vị<br />
1. Mở đầu<br />
Giao tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy, hoạt động ở dãi nhìn thấy của phổ điện từ có<br />
bước sóng từ 370 nm tới 780 nm, là một kỹ thuật mới sử dụng đèn LED (light emitting<br />
diodes) cho mục đích giao tiếp dữ liệu, phát sáng, cảm biến và định vị trong nhà [1],<br />
[2]. Trong các hệ thống VLC, mô hình đa nhập xuất (MIMO: Multiple Input Multiple<br />
Output) được sử dụng nhằm tăng thông lượng (throughput) và khả năng tải (capacity),<br />
đồng thời tiết kiệm năng lượng tiêu thụ [3], [4], [5].<br />
Có 2 mô hình MIMO VLC: (i) MIMO sử dụng camera [5], và (ii) MIMO sử dụng<br />
photodiod [4]. MIMO sử dụng camera thì tương tự như kỹ thuật sử dụng camera, chúng<br />
cần một hệ thống quang con, mặc dù MIMO sử dụng photodiod thì đơn giản và linh hoạt.<br />
Hệ thống VLC MIMO sử dụng photodiod áp dụng nhiều thiết bị nhập và xuất cho việc<br />
truyền dữ liệu song song. Trong các hệ thống MIMO không dùng camera, dữ liệu gốc<br />
có thể phục hồi tại thiết bị nhận nếu nó biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh truyền (CSI:<br />
Channel State Information) từ việc truyền pilot signals (PS). Việc thiếu CSI tại đầu thu,<br />
Một hệ thống VLC MIMO không thể phân tách luồng dữ liệu đầu cuối do việc có quá<br />
nhiều lỗi trong tiến trình khôi phục [3]. Điều này đã được kiểm nghiệm trong môi trường<br />
indoor nơi mà người dùng đầu cuối liên tục di chuyển.<br />
Trong điều kiện thông tin CSI không đầy đủ, để khôi phục dữ liệu từ các kênh<br />
truyền, MIMO VLC có thể triển khai một kênh feedback để nhận dạng các kênh bị block<br />
ThS, trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt-Hàn<br />
ThS, trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt-Hàn<br />
3. <br />
ThS, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Quảng Nam<br />
<br />
1.<br />
<br />
2. <br />
<br />
57<br />
<br />
MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC<br />
và không cho phép dữ liệu được truyền trên các kênh bị block đó. Trong những trường<br />
hợp đó, hệ thống phải được cấu hình lại hệ thống MIMO đến cấp bậc thấp hơn để đảm<br />
bảo cho việc giao tiếp và đó là một thách thức [5].<br />
Bài báo này giới thiệu một mô hình định vị linh hoạt dựa trên kỹ thuật RSSI<br />
(Receive Signal Strength Intensitive) cho hệ thống MIMO VLC bằng việc sử dụng kỹ<br />
thuật định vị tam giác trong điều kiện các thiết bị đầu cuối di chuyển trong môi trường<br />
VLC.<br />
Bài báo được tổ chức như sau. Phần II mô phỏng lại một hệ thống MIMO VLC cơ<br />
bản với kích thước 4x4. Mô hình định vị thích nghi của chúng tôi được trình bày ở phần<br />
III áp dụng kỹ thuật định vị tam giác và khai thác thông tin các nút. Mô phỏng hệ thống<br />
và đánh giá được trình bày ở phần IV. Cuối cùng, phần V là kết luận của bài báo.<br />
2. Mô hình MIMO VLC<br />
2.1. MIMO<br />
Một mô hình MIMO VLC kích thước 4x4 được mô tả trên Hình 1. Hệ thống bao<br />
gồm 4 thiết bị truyền (Txs) độc lập với nhau (4 đèn LED) đồng thời truyền nhiều luồng<br />
dữ liệu tới 4 thiết bị nhận (Rxs). Số lượng Txs thay đổi khác nhau tùy thuộc vào kích<br />
thước căn phòng và nhu cầu về độ sáng trong phòng; tuy nhiên nó không ảnh hưởng tới<br />
nguyên tắc làm việc của hệ thống MIMO VLC và khái niệm ước lượng kênh khi làm<br />
việc. Các Rxs có thể di chuyển tự do trên sàn nhà trong căn phòng.<br />
Hình 1 cho thấy một hệ thống MIMO VLC kích thước 4x4 làm việc như thế nào.<br />
Nó dùng kỹ thuật intensity modulation and direct detection (IM/DD) mà ở đó luồng dữ<br />
liệu đầu vào Sd ∈ {1,0} được đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu serial/parallel (S/P) để đầu<br />
ra là các mức điện áp DC và áp dụng cho các bộ phát Txj. Tín hiệu truyền là Xj trong đó<br />
j=1, 2, … M. Tại đầu nhận, mỗi Rx nhận các tín hiệu từ tất cả các Txj.<br />
<br />
Hình 1. Mô hình MIMO VLC 4x4<br />
58<br />
<br />
Để khôi phục dữ liệu, hệ<br />
thống MIMO yêu cầu các CSIs<br />
cho tất cả các cặp truyền – nhận<br />
Txj và Ri để xây dựng ma trận<br />
thông tin kênh truyền H = {hij}.<br />
Để thu thập thông tin trạng thái<br />
kênh truyền giữa một Tx và một<br />
Rx, PSs được định kỳ chèn vào<br />
luồng dữ liệu để cho phép Rx<br />
ước tính hij, trong quá trình đó<br />
chỉ duy nhật một Tx được kích<br />
hoạt, trong khi tất cả các trạm<br />
truyền còn lại phải tắt để tránh<br />
<br />
Nguyễn Thị Khánh Hà - Nguyễn Ngọc Huyền Trân - Nguyễn Văn Khương<br />
nhiễu [6]. Tiến trình này kết thúc khi tất cả pilot signals được gửi bởi tất cả Txs và khôi<br />
phục bởi Rx và khi đó ma trận thông tin trạng thái kênh truyền H được thiết lập. Sau quá<br />
trình này, tất cả Txs đồng loạt truyền dữ liệu. Tín hiệu nhận được tại mỗi Tx có thể được<br />
tính toán dựa vào công thức:<br />
y = Hx + n (1)<br />
Trong đó x biểu diễn tín hiệu đã được truyền đi và n biểu diễn loại nhiễu additive<br />
white Gaussian noise (AWGN). Công thức. (1) có thể được viết lại như sau:<br />
<br />
Hệ số kênh truyền hij mô tả tín hiệu được truyền từ trạm phát Tx thứ jth đến trạm thu<br />
Rx thứ ith (1 ≤ i, j ≤ M). Giả sử rằng, các liên kết giữa Txs và Rxs là loại tín hiệu truyền<br />
thẳng the line-of-sight (LOS) vì thế hij được định như một kênh truyền DC và được biểu<br />
diễn bởi công thức sau [7]:<br />
<br />
Trong đó θij là góc bức xạ,<br />
là góc tới, m là hệ số Lambertain của chùm sáng<br />
được xác định bởi một nửa góc bức xạ đèn LED và nó được cho bởi công thức:<br />
− ln(2)<br />
m=<br />
(4)<br />
ln(cos(f 1/2 ))<br />
Trong đó φ1/2 là nửa góc bức xạ đèn LED.<br />
Một trong những phương pháp đã được sử dụng thông dụng để khôi phục lại tín<br />
hiệu gốc ban đầu y là nhân ma trận nghịch đảo của H (i.e., H-1) bởi dữ liệu nhận được y<br />
được cho như công thức sau [3]: xrec = H-1y (5)<br />
<br />
Hình 2. Sơ đồ khối của mô hình MIMO VLC 4x4<br />
59<br />
<br />
MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC<br />
2.2. Thảo luận về sự di chuyển người dùng và định vị<br />
Trong thực tế, chúng ta luôn sử dụng 3 Txs cố định để định vị Rx vì thế chúng<br />
ta không thể định vị chính xác Rx hoặc khoảng cách từ vị trí thực và vị trí ước tính là<br />
cao. Cho đến nay, nhiều mô hình định vị thích ứng đã được đưa ra cho mạng không dây<br />
nhưng chưa có cho các hệ thống VLC. Vì thế trong bài báo này, chúng tôi sẽ đưa ra mô<br />
hình định vị thích ứng sử dụng RSSI cho việc định vị Rx.<br />
Trong phần tiếp theo, chúng tôi giới thiệu một mô hình MIMO VLC 12 Txs và 4<br />
Rxs để thích ứng việc định dựa trên RSSI. Khi Rx di chuyển đến một số nơi trong căn<br />
phòng, chúng ta phải chọn ra 3 Tx với mức năng lượng truyền cao nhất tới Rx để thực<br />
hiện việc định vị. Chúng ta sẽ bàn về phương pháp định vị tam giác đã được áp dụng ở<br />
[3] và giới thiệu mô hình định vị thích nghi mới.<br />
3. Mô hình định vị thích nghi dựa trên RSSI cho hệ thống MIMO VLC<br />
3.1. Phương pháp Triangulation<br />
Mặc dù hệ thống định toàn cầu global positioning system (GPS) được quan tâm là<br />
phương pháp định vị chính xác nhất [9], nó vẫn không làm việc tốt ở môi trường trong<br />
nhà (indoor) do tín hiệu bị ngăn cản bởi cơ sở hạ tầng. Vì thế, phương pháp định vị tam<br />
giác đã được dùng để cho độ chính xác định cao hơn trong môi trường indoor [9]. Kỹ<br />
thuật này dựa trên vị trí của 3 Txs để xác định vị trí của Rx, nó rất quan trọng đối với<br />
nhiều ứng dụng như chỉ đường, làm bản đồ, và định tuyến.<br />
Như đã thấy trên Hình 3, vị trí<br />
của user Rx(x, y) được tìm thấy dựa<br />
trên Tx1(xTx1, yTx1), Tx2(xTx2, yTx2) và<br />
Tx3(xTx3, yTx3) bởi việc giải quyết hệ<br />
phương trình sau:<br />
<br />
( x − xTx1 ) 2 + ( y − yTx1 ) 2 = d12<br />
<br />
( x − xTx 2 ) 2 + ( y − yTx 2 ) 2 = d 22 (6)<br />
( x − xTx 3 ) 2 + ( y − yTx 3 ) 2 = d32<br />
<br />
Hình 3. Phương pháp triangulation để dự<br />
đoán vị trí Rx<br />
<br />
60<br />
<br />
Trong đó d1, d2 và d3 được suy<br />
ra từ nguồn năng lượng nhận được<br />
từ các Txs tương ứng, nó còn được<br />
biết đến là Received Signal Strength<br />
(RSS).<br />
<br />
Nguyễn Thị Khánh Hà - Nguyễn Ngọc Huyền Trân - Nguyễn Văn Khương<br />
3.2. Mô hình định vị thích nghi dựa trên RSSI<br />
Trong phần này, chúng tôi giới thiệu mô hình định vị thích nghi với 12 Txs và 4<br />
Rxs. Bởi việc di chuyển Rx trong căn phòng kích thước 15m x 5m, tại mỗi vị trí sau khi<br />
di chuyển chúng ta chọn ra 3 Tx có mức năng lượng truyền cao nhất tới Rx để tiến hành<br />
định vị. Mô hình được cho trong Hình 4.<br />
<br />
Hình 4. Mô hình MIMO VLC 12x4<br />
4. Kết quả và thảo luận<br />
Mô hình được đề xuất và mô phỏng trên Matlab. Một hệ thống MIMO VLC như được<br />
mô tả trong Hình 4 được cấu hình và mô phỏng lại với các thông số cho trong Bảng 1.<br />
Bảng 1. Các thông số hệ thống MIMO VLC<br />
Thông số<br />
<br />
Giá trị<br />
Room<br />
<br />
Length x Width x Height<br />
<br />
5m x 15m x 2.5m<br />
Bộ phát LED<br />
<br />
No. of transmitters (LEDs)<br />
<br />
12<br />
<br />
Các vị trí bộ phát<br />
<br />
(1.25, 1.25), (1.25, 3.75), (3.75, 3.75), (3.75,<br />
1.25), (6.25, 1.25), (6.25, 3.75),<br />
(8.75, 3.75), (8.75, 1.25), (11.25, 1.25),<br />
(11.25, 3.75), (13.75, 3.75), và (13.75, 1.25).<br />
<br />
Transmitter pitch<br />
<br />
2.5m<br />
<br />
Optical transmitting power per transmitter<br />
<br />
10W<br />
<br />
61<br />
<br />