Xem mẫu

MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO
HỆ THỐNG MIMO VLC
Nguyễn Thị Khánh Hà1
Nguyễn Ngọc Huyền Trân2
Nguyễn Văn Khương3
Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu một mô hình cho một hệ thống ánh sáng nhìn thấy
đa nhập đa xuất MIMO (Multiple Input Multiple Output) kích thước 12x4 dựa trên kỹ
thuật tam giác (Triangulation). Mô hình được đưa ra trong điều kiện các thiết bị đầu
cuối nhận tín hiệu ánh sáng được truyền từ các LED trên trần nhà khi di chuyển mọi nơi
trong căn phòng. Trong mô hình VLC (Visible Light Communication) này, chúng tôi đưa
ra 12 thiết bị phát là các đèn LED và 4 thiết bị nhận là các photodiod. Bài báo đưa ra
một hình định vị linh hoạt nhằm tối ưu kỹ thuật định vị tam giác dựa trên kỹ thuật định
vị RSS (Receive Signal Strength).
Từ khóa: MIMO VLC, Kỹ thuật Triangulation, Định vị linh hoạt, Định vị
1. Mở đầu
Giao tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy, hoạt động ở dãi nhìn thấy của phổ điện từ có
bước sóng từ 370 nm tới 780 nm, là một kỹ thuật mới sử dụng đèn LED (light emitting
diodes) cho mục đích giao tiếp dữ liệu, phát sáng, cảm biến và định vị trong nhà [1],
[2]. Trong các hệ thống VLC, mô hình đa nhập xuất (MIMO: Multiple Input Multiple
Output) được sử dụng nhằm tăng thông lượng (throughput) và khả năng tải (capacity),
đồng thời tiết kiệm năng lượng tiêu thụ [3], [4], [5].
Có 2 mô hình MIMO VLC: (i) MIMO sử dụng camera [5], và (ii) MIMO sử dụng
photodiod [4]. MIMO sử dụng camera thì tương tự như kỹ thuật sử dụng camera, chúng
cần một hệ thống quang con, mặc dù MIMO sử dụng photodiod thì đơn giản và linh hoạt.
Hệ thống VLC MIMO sử dụng photodiod áp dụng nhiều thiết bị nhập và xuất cho việc
truyền dữ liệu song song. Trong các hệ thống MIMO không dùng camera, dữ liệu gốc
có thể phục hồi tại thiết bị nhận nếu nó biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh truyền (CSI:
Channel State Information) từ việc truyền pilot signals (PS). Việc thiếu CSI tại đầu thu,
Một hệ thống VLC MIMO không thể phân tách luồng dữ liệu đầu cuối do việc có quá
nhiều lỗi trong tiến trình khôi phục [3]. Điều này đã được kiểm nghiệm trong môi trường
indoor nơi mà người dùng đầu cuối liên tục di chuyển.
Trong điều kiện thông tin CSI không đầy đủ, để khôi phục dữ liệu từ các kênh
truyền, MIMO VLC có thể triển khai một kênh feedback để nhận dạng các kênh bị block
 ThS, trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt-Hàn
ThS, trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt-Hàn
3. 
ThS, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Quảng Nam

1.

2. 

57

MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC
và không cho phép dữ liệu được truyền trên các kênh bị block đó. Trong những trường
hợp đó, hệ thống phải được cấu hình lại hệ thống MIMO đến cấp bậc thấp hơn để đảm
bảo cho việc giao tiếp và đó là một thách thức [5].
Bài báo này giới thiệu một mô hình định vị linh hoạt dựa trên kỹ thuật RSSI
(Receive Signal Strength Intensitive) cho hệ thống MIMO VLC bằng việc sử dụng kỹ
thuật định vị tam giác trong điều kiện các thiết bị đầu cuối di chuyển trong môi trường
VLC.
Bài báo được tổ chức như sau. Phần II mô phỏng lại một hệ thống MIMO VLC cơ
bản với kích thước 4x4. Mô hình định vị thích nghi của chúng tôi được trình bày ở phần
III áp dụng kỹ thuật định vị tam giác và khai thác thông tin các nút. Mô phỏng hệ thống
và đánh giá được trình bày ở phần IV. Cuối cùng, phần V là kết luận của bài báo.
2. Mô hình MIMO VLC
2.1. MIMO
Một mô hình MIMO VLC kích thước 4x4 được mô tả trên Hình 1. Hệ thống bao
gồm 4 thiết bị truyền (Txs) độc lập với nhau (4 đèn LED) đồng thời truyền nhiều luồng
dữ liệu tới 4 thiết bị nhận (Rxs). Số lượng Txs thay đổi khác nhau tùy thuộc vào kích
thước căn phòng và nhu cầu về độ sáng trong phòng; tuy nhiên nó không ảnh hưởng tới
nguyên tắc làm việc của hệ thống MIMO VLC và khái niệm ước lượng kênh khi làm
việc. Các Rxs có thể di chuyển tự do trên sàn nhà trong căn phòng.
Hình 1 cho thấy một hệ thống MIMO VLC kích thước 4x4 làm việc như thế nào.
Nó dùng kỹ thuật intensity modulation and direct detection (IM/DD) mà ở đó luồng dữ
liệu đầu vào Sd ∈ {1,0} được đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu serial/parallel (S/P) để đầu
ra là các mức điện áp DC và áp dụng cho các bộ phát Tx­j. Tín hiệu truyền là Xj trong đó
j=1, 2, … M. Tại đầu nhận, mỗi Rx nhận các tín hiệu từ tất cả các Txj.

Hình 1. Mô hình MIMO VLC 4x4
58

Để khôi phục dữ liệu, hệ
thống MIMO yêu cầu các CSIs
cho tất cả các cặp truyền – nhận
Txj và Ri để xây dựng ma trận
thông tin kênh truyền H = {hij}.
Để thu thập thông tin trạng thái
kênh truyền giữa một Tx và một
Rx, PSs được định kỳ chèn vào
luồng dữ liệu để cho phép Rx
ước tính hij, trong quá trình đó
chỉ duy nhật một Tx được kích
hoạt, trong khi tất cả các trạm
truyền còn lại phải tắt để tránh

Nguyễn Thị Khánh Hà - Nguyễn Ngọc Huyền Trân - Nguyễn Văn Khương
nhiễu [6]. Tiến trình này kết thúc khi tất cả pilot signals được gửi bởi tất cả Txs và khôi
phục bởi Rx và khi đó ma trận thông tin trạng thái kênh truyền H được thiết lập. Sau quá
trình này, tất cả Txs đồng loạt truyền dữ liệu. Tín hiệu nhận được tại mỗi Tx có thể được
tính toán dựa vào công thức:
y = Hx + n (1)
Trong đó x biểu diễn tín hiệu đã được truyền đi và n biểu diễn loại nhiễu additive
white Gaussian noise (AWGN). Công thức. (1) có thể được viết lại như sau:

Hệ số kênh truyền hij mô tả tín hiệu được truyền từ trạm phát Tx thứ jth đến trạm thu
Rx thứ ith (1 ≤ i, j ≤ M). Giả sử rằng, các liên kết giữa Txs và Rxs là loại tín hiệu truyền
thẳng the line-of-sight (LOS) vì thế hij được định như một kênh truyền DC và được biểu
diễn bởi công thức sau [7]:

Trong đó θij là góc bức xạ,
là góc tới, m là hệ số Lambertain của chùm sáng
được xác định bởi một nửa góc bức xạ đèn LED và nó được cho bởi công thức:
− ln(2)
m=
(4)
ln(cos(f 1/2 ))
Trong đó φ1/2 là nửa góc bức xạ đèn LED.
Một trong những phương pháp đã được sử dụng thông dụng để khôi phục lại tín
hiệu gốc ban đầu y là nhân ma trận nghịch đảo của H (i.e., H-1) bởi dữ liệu nhận được y
được cho như công thức sau [3]: xrec = H-1y (5)

Hình 2. Sơ đồ khối của mô hình MIMO VLC 4x4
59

MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC
2.2. Thảo luận về sự di chuyển người dùng và định vị
Trong thực tế, chúng ta luôn sử dụng 3 Txs cố định để định vị Rx vì thế chúng
ta không thể định vị chính xác Rx hoặc khoảng cách từ vị trí thực và vị trí ước tính là
cao. Cho đến nay, nhiều mô hình định vị thích ứng đã được đưa ra cho mạng không dây
nhưng chưa có cho các hệ thống VLC. Vì thế trong bài báo này, chúng tôi sẽ đưa ra mô
hình định vị thích ứng sử dụng RSSI cho việc định vị Rx.
Trong phần tiếp theo, chúng tôi giới thiệu một mô hình MIMO VLC 12 Txs và 4
Rxs để thích ứng việc định dựa trên RSSI. Khi Rx di chuyển đến một số nơi trong căn
phòng, chúng ta phải chọn ra 3 Tx với mức năng lượng truyền cao nhất tới Rx để thực
hiện việc định vị. Chúng ta sẽ bàn về phương pháp định vị tam giác đã được áp dụng ở
[3] và giới thiệu mô hình định vị thích nghi mới.
3. Mô hình định vị thích nghi dựa trên RSSI cho hệ thống MIMO VLC
3.1. Phương pháp Triangulation
Mặc dù hệ thống định toàn cầu global positioning system (GPS) được quan tâm là
phương pháp định vị chính xác nhất [9], nó vẫn không làm việc tốt ở môi trường trong
nhà (indoor) do tín hiệu bị ngăn cản bởi cơ sở hạ tầng. Vì thế, phương pháp định vị tam
giác đã được dùng để cho độ chính xác định cao hơn trong môi trường indoor [9]. Kỹ
thuật này dựa trên vị trí của 3 Txs để xác định vị trí của Rx, nó rất quan trọng đối với
nhiều ứng dụng như chỉ đường, làm bản đồ, và định tuyến.
Như đã thấy trên Hình 3, vị trí
của user Rx(x, y) được tìm thấy dựa
trên Tx1(xTx1, yTx1), Tx2(xTx2, yTx2) và
Tx3(xTx3, yTx3) bởi việc giải quyết hệ
phương trình sau:

( x − xTx1 ) 2 + ( y − yTx1 ) 2 = d12

( x − xTx 2 ) 2 + ( y − yTx 2 ) 2 = d 22 (6)
( x − xTx 3 ) 2 + ( y − yTx 3 ) 2 = d32

Hình 3. Phương pháp triangulation để dự
đoán vị trí Rx

60

Trong đó d1, d2 và d3 được suy
ra từ nguồn năng lượng nhận được
từ các Txs tương ứng, nó còn được
biết đến là Received Signal Strength
(RSS).

Nguyễn Thị Khánh Hà - Nguyễn Ngọc Huyền Trân - Nguyễn Văn Khương
3.2. Mô hình định vị thích nghi dựa trên RSSI
Trong phần này, chúng tôi giới thiệu mô hình định vị thích nghi với 12 Txs và 4
Rxs. Bởi việc di chuyển Rx trong căn phòng kích thước 15m x 5m, tại mỗi vị trí sau khi
di chuyển chúng ta chọn ra 3 Tx có mức năng lượng truyền cao nhất tới Rx để tiến hành
định vị. Mô hình được cho trong Hình 4.

Hình 4. Mô hình MIMO VLC 12x4
4. Kết quả và thảo luận
Mô hình được đề xuất và mô phỏng trên Matlab. Một hệ thống MIMO VLC như được
mô tả trong Hình 4 được cấu hình và mô phỏng lại với các thông số cho trong Bảng 1.
Bảng 1. Các thông số hệ thống MIMO VLC
Thông số

Giá trị
Room

Length x Width x Height

5m x 15m x 2.5m
Bộ phát LED

No. of transmitters (LEDs)

12

Các vị trí bộ phát

(1.25, 1.25), (1.25, 3.75), (3.75, 3.75), (3.75,
1.25), (6.25, 1.25), (6.25, 3.75),
(8.75, 3.75), (8.75, 1.25), (11.25, 1.25),
(11.25, 3.75), (13.75, 3.75), và (13.75, 1.25).

Transmitter pitch

2.5m

Optical transmitting power per transmitter

10W

61

nguon tai.lieu . vn