MÔ HÌnh đỊnh vị thích nghi dựa trên rssi cho hệ thống mimo vlc thS. Nguyễn Thị Khánh Hà



tải về 0.57 Mb.
trang1/2
Chuyển đổi dữ liệu19.10.2017
Kích0.57 Mb.
  1   2
MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC

ThS. Nguyễn Thị Khánh Hà

Trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt - Hàn

Điện thoại: 0905.551517 - Email: khanhha055@gmail.com

ThS. Nguyễn Ngọc Huyền Trân

Trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt – Hàn

Điện thoại: 0905.330487- Email: nguyenngochuyentran84@gmail.com


Tóm tắt

Bài báo này giới thiệu một 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 tam giác Triangulation dựa trên kỹ thuật định vị RSS (Receive Signal Strength).
Từ khóa: MIMO VLC; Kỹ thuật Triangulation; Định vị linh hoạt; Định vị

  1. GIỚI THIỆU

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 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 Triangulation trong điều kiện các thiết bị đầu cuối di chuyển trong môi trường VLC.

Bài báo được tổ chức như sau. Section II mô phỏng lại một hệ thống MIMO VLC kích thước 4x4. Mô hình định vị thích nghi của chúng tôi được trình bày ở Section III áp dụng kỹ thuật triangulation và khai thác thông tin các nút. Mô phỏng hệ thống và đánh giá được trình bày ở Section IV. Cuối cùng, Section V kết luận bài báo.


  1. MÔ HÌNH MIMO VLC

  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 2 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

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 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:



(2)

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]:



(3)

trong đó ij 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:

(4)

Trong đó 1/2 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



  1. 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 triangulation đã được áp dụng ở [3] và giới thiệu mô hình định vị thích nghi mới.



  1. MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC

  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 triangulation 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.

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



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:

(6)

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).



  1. 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



  1. 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

LED bandwidth

(Luxeon Rebel cool white SR-01-WC310)



3 MHz

Data rate RB

2 Mbps

Optical receiver

Photodetector (PD) type

OSD-15T

PD active area

15 mm2

PD responsivity

0.3

Receiver sensitivity (used with AD8015 transimpedance amplifier)

-30 dBm

Receiver field of view (FOV) (full)

1800

Receiver pitch

10 cm

SNR (right under each Tx)

70 dB

LPF cut-off frequency

0.7*RB MHz



  1   2


Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2019
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương