Tóm tắt Luận văn - Cải thiện hiệu suất mạng vlc bằng phương pháp lập lịch tối ưu Tài Nguyên

ẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 09 giờ 00 phút ngày 09 tháng 01 Năm 2021 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viên của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông LỜI MỞ ĐẦU Sự thiếu hụt tài nguyên cho dịch vụ mạng không dây ngày nay đưa đến xu hướng di chuyển dải tần số để truyền không dây đến tần số cao hơn trong phổ tần số vô tuyến (Radio Frequency). Băng thông phổ ánh sáng khả kiến (Visual Light) rộng hơn 1000 lần so với toàn bộ phổ tần 300 GHz RF đã và đang chứng tỏ là một phương án khả thi trong truyền thông băng rộng. Truyền thông ánh sáng nhìn thấy (VLC: Visual light Communication) cho phép cơ sở hạ tầng chiếu sáng hiện tại cung cấp không chỉ chiếu sáng mà còn cả giao tiếp không dây. Yêu cầu cơ bản của hệ thống VLC là cung cấp truyền dẫn tốc độ cao và độ phủ sóng liền mạch. Để đáp ứng yêu cầu này, kiến trúc hệ thống VLC sử dụng trạm phát đa chùm sáng đã được đề xuất gần đây. Tuy nhiên, nâng cao hiệu năng hệ thống này vẫn đang là vấn để mở đối với các nhà nghiên cứu và triển khai khi số lượng các điều kiện ràng buộc tăng lên. Trong đó, vấn đề về nhiễu đồng kênh phụ thuộc rất lớn vào ràng buộc không gian cũng như thuật toán phân bổ tài nguyên cho người dùng. Vì vậy, đây là một vấn để mở cần nghiên cứu để cải thiện hiệu năng hệ thống VLC. Các giải pháp giảm nhiễu đồng kênh để nâng cao hiệu suất mạng VLC được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và thể hiện qua nhiều phương án kỹ thuật như: Tái sử dụng tần số, điều khiển công suất, hiệu chỉnh góc phát chùm sáng hoặc kỹ thuật lập lịch phân bổ tài nguyên. Trong luận văn này sẽ tiếp cận phương pháp lập lịch tài nguyên trên cơ sở thông tin người dùng được thu thập và thống kê để nâng cao hiệu suất mạng VLC như tăng thông lượng và giảm trễ truyền thông. Phần còn lại của luận án này được tổ chức như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy Chương 2: Các vấn đề liên quan tới hiệu năng hệ thống Chương 3: Nâng cao hiệu năng VLC thông qua kỹ thuật lập lịch Cuối cùng, Luận án này tóm tắt công việc của mình với một số nhận xét và một số định hướng làm trong tương lai. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 1.1 Quá trình phát triển của công nghệ VLC Trong những năm 1990, đã chứng kiến sự ra đời của đèn LED với độ chiếu sáng cao giúp mục đích chiếu sáng thông thường [2]. Chỉ trong vòng vài năm, hiệu quả của ánh sáng đèn LED đã được cải thiện nhanh chóng, từ ít hơn 0.1 lm/W cho đến lên trên 230 lm/W và đồng thời tuổi thọ đèn có thể lên đến 100.000 giờ Vào năm 2000, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Keio, Nhật Bản đã đề xuất sử dụng đèn LED trắng để xây dựng một mạng truy cập không dây trong nhà. Điều này đã thúc đẩy việc nghiên cứu (đặc biệt là ở Nhật Bản) để xây dựnghệ thống truyền thông dữ liệu tốc độ cao thông qua việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy. Điều này đã dẫn tới việc thành lập hiệp hội truyền thông ánh sáng nhìn thấy (VLCC) tại Nhật Bản vào tháng 11 năm 2003 [3]. Năm 2004, tại Nhật Bản đã trình diễn một hệ thống sử dụng đèn LED để truyền dữ liệu tốc độ cao đến các thiết bị máy tính cầm tay và phương tiện xe. Năm 2007, hiệp hội VLCC của Nhật Bản đã đề xuất hai tiêu chuẩn: tiêu chuẩn hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy và tiêu chuẩn hệ thống ID ánh sáng nhìn thấy, và JEITA đã chấp nhận các tiêu chuẩn này như JEITA CP-1221 và JEITA CP-1222. Năm 2008, trình diễn hệ thống VLC sử dụng đèn LED trắng có thể đạt tốc độ dữ liệu lớn hớn 100 Mbps trên các khoảng cách dài hơn vài mét và sử dụng đường truyền thẳng (LOS). Hiệp hội VLCC cũng kết hợp và điều chỉnh lớp vật lý với truyền thông sử dụng hồng ngoại do Hiệp hội Dữ liệu hồng ngoại Quốc tế (IrDA) đề xuất trong năm 2009. Song song với đó, dự án GIS Gigabit (OMEGA) do Liên minh Châu Âu tài trợ cũng phát triển truyền thông quang học như một cách để gia tăng mạng lưới truyền thông RF. Vào năm 2014, hiệp hội VLCA (Hiệp hội Truyền thông ánh sáng nhìn thấy) được thành lập như một kế nhiệm của hiệp hội VLCC tại Nhật Bản, để chuẩn hóa công nghệ VLC. 1.2 Các đặc trưng kỹ thuật của công nghệ VLC 1.2.2 Các đặc trưng của công nghệ VLC Ánh sáng nhìn thấy Đỏ Da cam Vàng Xanh lá Lam Xanh da Tím cây trời Hình 1.1: Phổ tần số ánh sáng nhìn thấy của VLC Ánh sáng nhìn thấy là dạng sóng với bước sóng nằm trong khoảng từ 380nm đến 750nm tương ứng với giải tần số từ 430THz đến 790THz như thể hiện ở hình 1.4. Do đó công nghệ VLC sử dụng ánh sáng nhìn thấy có băng thông không bị hạn chế, băng tần có thể đạt 400 THz. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ LED, VLC có thể đạt được truyền dẫn tốc độ cao lên tới hàng gigabit. Dưới đây là một số đặc trưng tiêu biểu của công nghệ VLC [3][5][6]: Công nghệ VLC có rất nhiều ưu điểm so với công nghệ truyền thông vô tuyến truyền thống, công nghệ VLC vừa có khả năng chiếu sáng, vừa có khả năng truyền thông với băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêu thụ thấp. Các thành phần của VLC Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện bằng cách điều chỉnh cường độ ánh sáng của đèn LED tại khối phát dữ liệu để đưa tín hiệu điện thành tín hiệu chiếu sáng, trong khi đó ở phía thu sử dụng một photodiode (PD) để chuyển đổi từ tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện. Việc điều chỉnh chính xác của cường độ sáng tối (chiếu sáng) với bóng đèn truyền thống là rất khó thực hiện bởi sự phản ứng chậm về cường độ sáng. Trong khi đèn LED lại rất dễ dàng thực hiện vì sự phản ứng nhanh về cường độ sáng của nó. Vì vậy bằng việc điều chế dòng điện qua đèn LED ở tần số khá cao, chúng ta có thể thay đổi trạng thái On-Off của đèn LED mà không làm thay đổi độ sáng của ánh sáng (mắt người không cảm nhận được). Hình 1.5 dưới đây thể hiện sơ đồ khối của công nghệ truyền thống quang. Khối phát: Trạm phát VLC sử dụng mảng LED làm nguồn phát để truyền tải dữ liệu với tốc độ cao có thể đạt đến hàng Gbps. Với mục đích vừa đáp ứng chiếu sáng và truyền dữ liệu, LED trắng (LED RGB hoặc LED đơn phủ phốt pho) được sử dụng làm nguồn phát ánh sáng cho hệ thống VLC. Làm mờ hay điều chỉnh độ sáng tối là thách thức đối với bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang, trong khi đó LED thì khá thuận tiện để kiểm soát chính xác độ mờ. Độ rọi yêu cầu trong một mô hình VLC đặc trưng phải thuộc trong khoảng 200-1000 lx. Hai khối điều khiển độ sáng và module truyền thông phải tách rời nhau không ảnh hưởng đến nhau. Khối thu: Thiết bị thu bao gồm một số thành phần: Bộ tập trung quang (Optical concentrator), bộ lọc quang (Optical filter), bộ chuyển đổi quang điện (Photodiode), bộ khuếch đại (Amplifier). Ánh sáng được tập trung và sau đó được thu ở bộ chuyển đổi quang điện, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu điện. Bộ tập trung quang có chức năng bù lại sự suy hao trong đường truyền. Với bộ lọc quang có chức năng lọc những tín hiệu không cần thiết và tín hiệu có đáp ứng chậm. Bộ khuếch đại thực hiện khuếch đại tín hiệu để bù đắp lại sự suy hao đường truyền. Khối phát Khối thu Dữ liệu Dữ liệu đầu vào đầu ra Module Bộ khuếch truyền thống đại Bộ chuyển Mạch điều Điều khiển đổi quang khiển độ sáng điện LED kiểu Bộ lọc mảng quang Bộ tập trung quang Kênh truyền quang h(t) Hình 1.5: Sơ đồ khối của Công nghệ truyền thông quang Dữ liệu đầu vào Bộ điều khiển trung tâm LED LED LED LED driver driver driver driver Bộ quang nhận Bộ nhận Dữ liệu đầu ra Hình 1.6: Sơ đồ khối việc điều chỉnh cường độ sáng Trong thực tế không thể sử dụng một bộ điều khiển cho từng đèn LED riêng lẻ, vì các hệ thống chiếu sáng thông thường có một số lượng đèn LED rất lớn. Vì vậy, trong hệ thống VLC phải sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển tất cả các đèn LED và bộ điều khiển này vẫn có thể điều khiển độ sáng tại bất kỳ vị trí nào mong muốn như thể hiện trên hình 1.6. Với các đèn LED sử dụng trong hai mục đích chiếu sáng và truyền thông thì các tín hiệu điều khiển độ sáng (tín hiệu từ khối điều khiển độ sáng) và tín hiệu truyền thông (tín hiệu từ module truyền thống) phải độc lập, không gây nhiễu lên nhau, đã có rất nhiều phương pháp được đưa ra. Tuy nhiên phương pháp điều chỉnh độ rộng xung là tối ưu nhất cho việc điều chỉnh độ sáng và truyền thông, phương pháp này đã được sử dụng trong tiêu chuẩn IEEE 802.15.7. 1.5 Kết luận chương Chương 1 đã trình bày cái nhìn tổng quan về công nghệ VLC như quá trình phát triển, đặc trưng, các thành phần và thách thức của nó. Đồng thời cũng đưa ra khả năng phát triển của công nghệ này đối với các ứng dụng thực tế. Công nghệ VLC cung cấp dịch vụ truyền thông không dây tốc độ cao với sự an toàn cho người sử dụng, bảo mật thông tin, đáp ứng yêu cầu ngày càng lớn của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân. Các hệ thống VLC đã và đang được ứng dụng cho chiếu sáng kết hợp với truyền thông dữ liệu tốc độ cao trong nhà cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội, có thể dần bổ sung hoặc thay thế cho các công nghệ vô tuyến hiện nay. Tuy nhiên, một số vấn đề thách thức như tầm nhìn thẳng (LoS), chất lượng tín hiệu, thiết bị đầu cuối, vấn đề chuẩn hóa... đang là những thách thức không nhỏ trong việc ứng dụng công nghệ VLC vào đời sống. Khắc phục được các hạn chế này có thể đẩy mạnh sự phát triển các hệ thống VLC trong tương lai, hứa hẹn có nhiều ứng dụng hơn nữa đối với cả truyền thông quang không dây tốc độ cao, giá rẻ trong nhà và ngoài trời cự ly ngắn. CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG HỆ THỐNG VLC 2.1 Giới thiệu chung hệ thống VLC Một hệ thống VLC điển hình được chỉ ra trên hình 2.1 dưới đây. Trong đó, hiệu năng hệ thống này tập trung vào kênh truyền dữ liệu đường xuống của một hệ thống mạng VLC đa cell (multi-cell) với đa người dùng được triển khai trong một không gian trong nhà rộng lớn với kích thước L W H (chiều dài, chiều rộng, chiều cao). Đường lên của hệ thống mạng VLC có thể sử dụng sóng vô tuyến điện RF hoặc hồng ngoại. Internet AP AP Coordinator UE UE Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC Hệ thống VLC xem xét được thể hiện như trên hình 2.1, ở đây các thành phần chính bao gồm: Một điều phối viên VLC (Coordinator), các trạm phát hay điểm truy cập (AP) và thiết bị người dùng (UE). Trong đó, ứng với mỗi cell là một trạm phát AP được thiết kế với nhiều chùm sáng định hướng. Các AP kết nối với internet thông qua một Coordinator. AP truyền dữ liệu cho thiết bị người dùng UE thông qua đường truyền bằng ánh sáng nhìn thấy. 2.2 Hiệu năng đường xuống của hệ thống VLC Như thể hiện ở hình 2.3, có 6 loại cấu hình đường truyền của hệ thống VLC trong nhà. Dựa theo mối quan hệ về hướng và góc mở của bộ phát với bộ nhận, chúng có thể được phần thành ba loại chính đó là: Hình 2.3 Phân loại kênh truyền trong hệ thống VLC Trong mô hình hệ thống nghiên cứu, các trạm phát được thiết kế đa chùm sáng, nếu xét trên tổng thể thì cấu hình đường truyền của mô hình này là truyền thẳng và phân tán. Tuy nhiên, khi xem xét trên mỗi chùm sáng, cấu hình đường truyền là đường truyền thẳng, lai ghép giúp nâng cao được công suất nhận. Từ đó mô hình hệ thống đem lại hiệu quả cao về chất lượng tín hiệu nhận đồng thời đảm bảo được tính di chuyển của thiết bị người dùng. 2.3 Các vấn đề về nhiễu ảnh hưởng tới hiệu năng 2.3.1 Khái quát về OFDM quang học Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được sử dụng rộng rãi trong truyền thông vô tuyến RF giúp cung cấp khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao cũng như hiệu quả băng thông cao và chống lại được nhiễu ISI do hiệu ứng đa đường và đã được các nhà nghiên cứu đề xuất trong truyền thông không dây quang. Trong OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành N chuỗi con song song (1,2,, N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời. Dải băng tần lớn được chia thành một số lượng lớn các sóng mang con trực giao có khoảng cách gần nhau, mỗi sóng mang con này được điều chế ở tốc độ ký hiệu (symbol) thấp. Do thời gian của mỗi ký hiệu dài hơn nhiều so với thời gian đa kênh, do đó bằng cách chèn một khe bảo vệ giữa các ký hiệu, nhiễu ISI đã được loại bỏ. Mô hình cơ bản của một hệ thống OFDM quang học được mô tả như trên hình 2.5. Đầu tiên, luồng bit dữ liệu đầu vào b[i] được đi vào khối S/P (serial-to- parallel) để tạo thành các nhóm bit và chuyển thành các luồng bit song song trước khi đi vào khối điều chế, tại đây b[i] chuyển thành b’[i]. Tại khối điều chế, các nhóm bit tại các luồng song song được chuyển đổi thành một chuỗi số phức tương ứng (các sơ đồ điều chế được lựa chọn BPSK, QPSK, M-QAM), b’[i] chuyển thành một tập số phức Xd = {X0, X1,,XNd - 1}. Tiếp theo, tín hiệu hoa tiêu (pilot signal) được chèn đồng đều vào trong tất cả các chuỗi giúp bên nhận có thể đánh giá và ước lượng kênh truyền tại vị trị hoa tiêu ấy, Xd chuyển thành X(k). Sau đó, tập X(k) được đi vào khối IFFT (khối biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo) để biến đổi thành các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian, X(k) chuyển thành x(n) = IFFTN{X(k)}(n), ở đây n và k = 0,1,2,.,N-1. Hình 2.5 Mô hình hệ thống OFDM quang 2.3.2 Giải pháp SDMA/OFDMA trong hệ thống VLC Hệ thống SDMA/OFDMA cho đường xuống đã được nghiên cứu trong hệ thống truyền thông RF. Đa truy cập phân chia theo không gian - SDMA đã được tích hợp vào các tiêu chuẩn truyền thông 4G như LTE và IEEE 802.11ac. Coordinator AP 1 AP 2 OFDMA 1 OFDMA 2 OFDMA Nb OFDMA 1 OFDMA 2 OFDMA Nb CS 1 CS 2 CS Nb CS 1 CS 2 CS Nb CCI nội cell CCI liên cell UE 1 UE 2 UE 3 UE 4 Hình 2.6: Hệ thống VLC SDMA/OFDMA Hệ thống VLC này sử dụng SDMA/OFDMA để thực hiện hỗ trợ đa truy cập như thể hiện trên hình 2.6. 2.3.3 Các tham số nhiễu cụ thể ảnh hưởng tới hiệu năng VLC Hầu hết các LED thương mại hiện tại có băng tần điều chế trong khoảng 2- 20 MHz mà có đáp ứng tần số có thể được coi là bằng phẳng. Do vậy, các AP trong hệ thống VLC sử dụng chung một tài nguyên băng tần để tái sử dụng hiệu quả quang phổ. Như thể hiện trên hình 2.6, trong hệ thống VLC này xảy ra hai loại nhiễu đồng kênh (CCI) đó là nhiễu nội cell (intra-cell interference) và nhiễu liên cell (inter-cell interference - ICI): Nhiễu nội cell: Là nhiễu đồng kênh khi thiết bị người dùng nằm trong vùng chồng lấn giữa các chùm sáng trong cùng một điểm truy cập. Ví dụ như UE 1 trên hình 2.6, UE 1 bị nhiễu đồng kênh bởi CS 2 do UE 1 cũng nằm trong vùng phủ sóng của CS 2. Nhiễu liên cell: Là nhiễu đồng kênh khi thiết bị người dùng nằm trong vùng chồng lấn giữa các chùm sáng tại các AP khác nhau. Ví dụ như UE 2 trên hình 2.6. ) 2.4 Kết luận chương Chương 2 trình bày các đặc trưng cơ bản của một hệ thống VLC điển hình từ các nội dung cơ bản về cấu hình, thành phần và cấu trúc kết nối mạng. Trong đó, các vấn đề điều chế và hiệu năng đường xuống đã được chỉ ra. Các phương pháp điều chế cho ánh sáng nhìn thấy được tóm tắt về nguyên tắc cùng với các đặc trưng điều chế cụ thể. Các thách thức lớn nhất về hiệu năng hệ thống VLC liên quan tới nhiễu đã chỉ rõ gồm nhiễu nội cell và nhiễu liên cell. Các hiện tượng nhiễu này cần được loại bỏ và chúng sẽ được trình bày trong chương tiếp theo của luận văn. CHƯƠNG 3: NÂNG CAO HIỆU NĂNG VLC THÔNG QUA KỸ THUẬT LẬP LỊCH 3.1 Giới thiệu mô hình mạng VLC Trong một không gian rộng lớn trong nhà, các điểm truy cập AP được lắp đặt ở trần nhà với sự sắp xếp cẩn thận. Với hế thống VLC sử dụng điểm truy cập với đa chùm sáng, để duy trì và bảo đảm được kết nối liền mạch giữa người dùng và điểm truy cập, đồng thời đảm bảo được yêu cầu chiếu sáng đồng đều trong cả phòng thì có hai vấn đề cần đặt ra trong việc thiết kế, đó là: Đã có một số nghiên cứu gần đây về việc thiết kế cấu hình đa chùm sáng cho điểm truy cập [15, 19, 25]. Trong các nghiên cứu này, hệ thống VLC sẽ sử dụng cấu hình AP 9 và 25 chùm sáng trong nghiên cứu [15] bởi hai cấu hình này đã được chứng minh đảm bảo được hai điều kiện trên và đồng thời giảm đáng kể được diện tích chồng lấn vùng phủ giữa các chùm sáng. Hình 3.1 thể hiện hai cấu hình AP 9 và 25 chùm sáng. a. 9 chùm sáng b. 25 chùm sáng Hình 3.1: Mặt cắt đứng của cấu hình AP với 9 và 25 chùm sáng Cấu hình AP với 9 chùm sáng: Là cấu hình chiếu sáng gồm có một chùm sáng ở trung tâm và 8 chùm sáng tạo thành một vòng tròn ở xung quang chùm sáng trung tâm. Cấu hình AP với 25 chùm sáng: Là cấu hình chiếu sáng gồm có một chùm sáng ở trung tâm, 8 chùm sáng xung quanh ở vòng tròn thứ nhất và 16 chùm sáng xung quang ở vòng tròn thứ hai. 3.2 Cấu trúc hệ thống VLC đa điểm truy cập Trong hệ thống VLC, để đảm bảo tính kết nối liền mạch giữa người dùng và điểm truy cập, việc lắp đặt cẩn thận các AP sao cho đảm bảo điều kiện không có vùng mù trong hệ thống là rất quan trọng. Trong [8] đã đưa ra bốn loại mô hình mạng trong nhà: PPP, HCPP, Hexagonal, Square (lưới) như thể hiện ở hình 3.2. a. Mô hình mạng PPP b. Mô hình mạng HCP c. Mô hình mạng Hexagonal d. Mô hình mạng Square Hình 3.2: Các mô hình triển khai mạng VLC trong nhà. Do vậy, trong luận văn này, hệ thống VLC sẽ triển khai lắp đặt theo dạng lưới (square cells). Triển khai lưới đã được sử dụng rộng rãi với kịch bản trong nhà bởi tính đồng đều và sự đơn giản về thiết kế chiếu sáng. Các AP quang được triển khai sao cho khu vực cung cấp dịch vụ của mỗi AP có thể được chia thành các ô theo dạng lưới. L/a W/b l UE H W L Hình 3.3: Triển khai lắp đặt các điểm truy cập theo dạng lưới Hệ thống mạng VLC được triển khai trong một không gian trong nhà rộng lớn với kích thước L W H (dài, rộng, cao) như hình 3.3. 3.3 Cơ chế lập lịch trong hợp tác đa điểm phối hợp 3.3.1 Cơ chế hợp tác truyền dẫn đa điểm phối hợp CoMP Kỹ thuật truyền dẫn đa điểm phối hợp (CoMP) được đề xuất đầu tiên cho mạng LTE-A, cho phép người dùng có thể được phục vụ bởi nhiều hơn một trạm thu phát và người dùng cũng có thể truyền dữ liệu cho nhiều hơn một trạm thu phát cùng lúc. CoMP nhằm mục đích nâng cao thông lượng UE ở rìa vùng phủ của trạm di động, cải thiện tốc độ dữ liệu, giảm thiểu nhiễu liên cell bằng cách cho phép không chỉ một cell phục vụ người dùng mà người dùng còn được phục vụ bởi các cell khác, thông qua việc phối hợp với nhau. 3.3.2 Cơ chế lập lịch kết hợp CoMP CoMP – CB: cấp phát nguồn tài nguyên không gian (mẫu Beam) khác nhau tới những người dùng ở rìa cell bằng cách sử dụng công nghệ ăng ten thông minh. Nếu không có CoMP-CS, người dùng A1, B1 có thể sẽ được phân bổ cùng một nguồn tài nguyên tần số. 3.3.3 Cơ chế CoMP truyền dẫn đồng thời Với CoMP-JT, nhiều cell có thể truyền đồng thời tới một người dùng cùng dữ liệu bằng cách sử dụng cùng một nguồn tài nguyên vô tuyến (tần số và thời gian). Bởi vì, cùng một dữ liệu được gửi, tốc độ sẽ không gấp đôi, nhưng hiệu quả nhận được sẽ cải thiện. CSI/thông tin lập lịch và dữ liệu người dùng được chia sẻ giữa các TPs phối hợp. 3.3.4 Cơ chế CoMP lựa chọn điểm truyền động Đây là trường hợp đặc biệt của JT, nơi mà dữ liệu người dùng được truyền từ chỉ một TP và TP phục vụ được thay đổi động trong mỗi subframe dựa vào nguồn tài nguyên có sẵn, trạng thái tải của các cell và điều kiện kênh truyền. 3.4 Giải pháp lập lịch nâng cao hiệu năng VLC Giải pháp SDMA đã được đề xuất trong hệ thống VLC sử dụng trạm phát đa chùm sáng trong. Tận dụng các đặc trưng chiếu sáng hạn chế của LED, các chùm ánh sáng định hướng với các vùng phủ sóng tách biệt có thể đồng thời phục vụ nhiều người sử dụng ở các vị trí khác nhau với cùng tài nguyên băng tần. Một cụm truyền dẫn TC (Transmission Cluster) được định nghĩa là một nhóm chùm sáng vật lý trong AP có thể truyền cùng một tín hiệu. Các người dùng được phục vụ bởi một TC sẽ được cấp phát kênh con bởi một khối phần tử OFDMA trong AP. 3.4.1 Cập nhật ma trận quản lý nhiễu của các chùm sáng Luận án này đề xuất sử dụng ma trận nhiễu của các chùm sáng ( ) để hỗ trợ việc quản lý nhiễu. Ma trận này được thực hiện tại Coordinator, trong đó Coordinator cập nhật thông tin về cường độ tín hiệu thu RSS (Received Signal Strength) của toàn bộ người dùng. 3.3.2 Thuật toán lựa chọn chùm sáng truyền dẫn Thuật toán này thực hiện việc lựa chọn các chùm sáng vào các TC của tất cả các AP trong hệ thống. Khi thực hiện thuật toán, Coordinator định nghĩa một active- beam là chùm sáng có dữ liệu để truyền. Coordinator sẽ duy trì một danh sách tất cả các active-beam trong hệ thống (list_of_activeBeams). Coordinator thực hiện lựa chọn chùm sáng có trọng số độ ưu tiên cao vào các TC. Các quá trình thực hiện thuật toán như sau: Thủ tục 1: Thủ tục này thực hiện tạo và sắp xếp danh sách của tất cả active- beam trong toàn hệ thống (list_of_activeBeams). Thủ tục 2: Thủ tục này thực hiện lựa chọn các active-beam vào trong các TC của các AP, đồng thời loại bỏ nhiễu CCI trong hệ thống. Các active-beam được lựa chọn vào các TC sẽ trở thành các transmission-beam (transmission-beam là các chùm sáng được truyền dữ liệu ở khung thời gian tiếp theo). Bước 1: Lựa chọn một active-beam có trọng số độ ưu tiên cao nhất vào một TC và đồng thời đảm bảo beam đang xét không gây nhiễu nội ô. Bước 2: Bước này thực hiện xem xét loại bỏ nhiễu liên ô ICI trong hệ thống. 3.3.3 Thuật toán phân bổ tài nguyên kênh con Khi AP nhận được thông tin về các chùm sáng trong các TC của nó, quá trình phân bổ các RU tới các UE được thực hiện. AP có Nt thành phần-OFDMA và tại mỗi thành phần có K RU (ở đây 1 RU là 1 kênh con). Thuật toán được mô tả như sau: Thủ tục 1: Thủ tục này thực hiện tạo danh sách các UE đang được phục vụ bởi các chùm sáng trong TC (set_UE). Thủ tục 2: Thủ tục này thực hiện cấp phát RU cho các UE. Bước 1: Sắp xếp set_UE theo trọng số độ ưu tiên của UE. Bước 2: Xem xét UE đầu tiên (giả sử là ) trong set_UE. UE đầu tiên trong danh sách là UE có độ ưu tiên cao nhất, điều này giúp hệ thống luôn lựa chọn được nhưng UE có độ ưu tiên cao để được truyền dữ liệu. Bước 3: Nếu set_UE rỗng hoặc đã cấp phát hết RU của thành phần thì kết thúc chương trình. Ngược lại, quay về bước 1. Giải pháp SDMA đã được đề xuất trong hệ thống VLC sử dụng trạm phát đa chùm sáng trong. Tận dụng các đặc trưng chiếu sáng hạn chế của LED, các chùm ánh sáng định hướng với các vùng phủ sóng tách biệt có thể đồng thời phục vụ nhiều người sử dụng ở các vị trí khác nhau với cùng tài nguyên băng tần. Với cơ chế OFDMA, băng tần của mỗi phần tử OFDMA được chia thành các sóng mang con Nsc. Các sóng mang con cạnh nhau được nhóm lại thành các khối được gọi là các đơn vị tài nguyên kênh con RU (Resource Unit). Để giảm thiểu nhiễu, một cơ chế lập lịch tài nguyên sử dụng thông tin về CCI và các thông tin có sẵn (độ dài hàng đợi và thông lượng trung bình) được đề xuất. 3.4.1 Cập nhật ma trận quản lý nhiễu của các chùm sáng Tập hợp các AP trong phòng được mô tả như sau: = , i , j (3.4) Mỗi có chùm sáng với một chùm sáng trung tâm và các chùm sáng ở các vòng ngoài được mô tả như sau: Beams = x (3.5) Luận án này đề xuất sử dụng ma trận nhiễu của các chùm sáng ( ) để hỗ trợ việc quản lý nhiễu. Ma trận này được thực hiện tại Coordinator, trong đó Coordinator cập nhật thông tin về cường độ tín hiệu thu RSS (Received Signal Strength) của toàn bộ người dùng. 3.4.2 Thuật toán lựa chọn chùm sáng truyền dẫn Thuật toán này thực hiện việc lựa chọn các chùm sáng vào các TC của tất cả các AP trong hệ thống. Khi thực hiện thuật toán, Coordinator định nghĩa một active- beam là chùm sáng có dữ liệu để truyền. Coordinator sẽ duy trì một danh sách tất cả các active-beam trong hệ thống (list_of_activeBeams). Các quá trình thực hiện thuật toán như sau: Thủ tục 1: Thủ tục này thực hiện tạo và sắp xếp danh sách của tất cả active- beam trong toàn hệ thống (list_of_activeBeams). Thủ tục 2: Thủ tục này thực hiện lựa chọn các active-beam vào trong các TC của các AP, đồng thời loại bỏ nhiễu CCI trong hệ thống Bước 1: Lựa chọn một active-beam có trọng số độ ưu tiên cao nhất vào một TC và đồng thời đảm bảo beam đang xét không gây nhiễu nội ô. Bước 2: Bước này thực hiện xem xét loại bỏ nhiễu liên ô ICI trong hệ thống. 3.4.3 Thuật toán phân bổ tài nguyên kênh con Khi AP nhận được thông tin về các chùm sáng trong các TC của nó, quá trình phân bổ các RU tới các UE được thực hiện. AP có Nt thành phần-OFDMA và tại mỗi thành phần có K RU (ở đây 1 RU là 1 kênh con). Thuật toán được mô tả như sau: Thủ tục 1: Thủ tục này thực hiện tạo danh sách các UE đang được phục vụ bởi các chùm sáng trong TC (set_UE). Thủ tục 2: Thủ tục này thực hiện cấp phát RU cho các UE. Bước 1: Sắp xếp set_UE theo trọng số độ ưu tiên của UE. Bước 2: Xem xét UE đầu tiên (giả sử là ) trong set_UE. UE đầu tiên trong danh sách là UE có độ ưu tiên cao nhất, điều này giúp hệ thống luôn lựa chọn được nhưng UE có độ ưu tiên cao để được truyền dữ liệu. Bước 3: Nếu set_UE rỗng hoặc đã cấp phát hết RU của thành phần thì kết thúc chương trình. Ngược lại, quay về bước 1. 3.5 Kết quả đánh giá hiệu năng của giải pháp nâng cao hiệu năng VLC Nhằm kiểm chứng đề xuất, các tham số đầu vào mô phỏng được xác định như sau. Hệ thống VLC phục vụ cho một không gian (16 m 16 m 3 m). Chiều cao của thiết bị người dùng UE so với sàn nhà là = 1 m. Góc FOV của UE hướng lên trần nhà và vuông góc với mặt phẳng sàn. Các UE được phân bố đều trong điện tích mô phỏng. Kết nối mới được tạo ra thông qua quá trình Poisson với tốc độ đến trung bình 4 kết nối/ phút với thời gian kết nối theo phân phối mũ trung bình là 180 giây. Hệ thống VLC đa chùm sáng được mô phỏng trên hai cấu hình 9 chùm sáng (S1) và 25 chùm sáng (S2). Để đảm bảo không có khu vực mù trong hệ thống, dựa vào công thức (3.2) và (3.3), xác định được cần ít nhất 4 × 4 AP được lắp đặt trong căn phòng. Các thông số mô phỏng được trình bày trong Bảng 3.2. Bảng 3. 1: Thông số mô phỏng Các thông số mô phỏng Ký hiệu Giá trị Thời gian mô phỏng T 3600 (giây) Thời gian của một khe Ts 0,001 (giây) Thời gian khung truyền TF 4 (khe thời gian) Công suất quang của AP PAP 34 (W) Diện tích vật lý của bộ nhận PD A 1,5 (cm2) 0 Góc nhìn của bộ nhận PD  C 70 Dòng điện do ánh sáng nền Ibg 5100 (µA) Điện trở phản kháng của TIA RF 6 (k ) Hệ số chuyển đổi quang thành điện FOE 1/9 Băng thông của một thành phần OFDMA B 20 (MHz) SINR yêu cầu tối thiểu của điều chế 64-  16,6 (dB) QAM OFDM Số RUs trong mỗi thành phần OFDMA NRU 10 (RUs) Kích thước gói P 10,8 (Kb) Trong nghiên cứu này, cơ chế đề xuất được đánh giá và so sánh với cơ chế tuần tự (Roundrobin-RR). Cơ chế RR cũng được thực hiện thông qua hai quy trình: Lựa chọn chùm sáng truyền dẫn và phân bổ kênh con cho các UE. Tuy nhiên, cơ chế thông thường này được thực hiện mà không xem xét đến tác động về CCI, độ trễ gói tin và thông lượng đường xuống. Hình 3.12 SINR trung bình với từ 1 đến 5 Hình 3.12 biểu diễn SINR trung bình tại bộ nhận của các UE. Trong tất cả các trường hợp về số lượng thành phần OFDMA ( từ 1 đến 5 và M =2), cơ chế đề xuất luôn đạt được SINR lớn hơn 30 dB. Trong khi đó, với cơ chế RR, SINR bị giảm sâu do tác động của CCI cao: chỉ đạt 17 dB tại = 5 của cấu hình , 22,4 dB tại = 5 của cấu hình . Do đã loại bỏ hoàn toàn nhiễu nội ô và nhiễu liên ô trong hệ thống, kết quả trong hình 3.12 đã thể hiện sự cải thiện rất nhiều về SINR của cơ chế đề xuất so với cơ chế RR trước đó. Số lượng chùm sáng ở cấu hình lớn hơn nhiều so với và vùng phủ sóng của mỗi chùm sáng tại cũng nhỏ hơn . Điều này làm giảm tác động CCI khi sử dụng cấu hình so với khi sử dụng cơ chế RR, dẫn đến SINR ở cao hơn so với khi cùng sử dụng cơ chế RR. Thông lượng hệ thống đạt được ở các hệ thống VLC sử dụng các cơ chế khác nhau được đưa ra trong hình 3.13. Kết quả cho thấy sự cải thiện lên đến 14,4% ở và 14,2% ở của cơ chế đề xuất khi được so sánh với cơ chế RR. Với = 1 và 2, thông lượng đạt được ở hai thiết kế cấu hình là sấp xỉ nhau, do đó với trường hợp này hệ thống VLC nên được triển khai với cấu hình để giảm chi phí và độ phức tạp tính toán. Tuy nhiên, khi > 2, hệ thống VLC sử dụng cấu hình đạt thông lượng hệ thống vượt trội so với hệ thống sử dụng . Tại = 5, thông lượng hệ thống với cơ chế đề xuất đạt được 408,61Mbps ở , trong khi đó hệ thống khi sử dụng chỉ đạt được 285,55 Mbps. Cho thấy sự cải thiện lên đến 43% ở = 5 của hệ thống sử dụng so với . Hình 3.13 Thông lượng hệ thống với từ 1 đến 5 Hình 3.14 Thông lượng người dùng với từ 1 đến 5 Hình 3.14 cho thấy sự cải thiện lên đến 14,8% ở và 14,1% ở của cơ chế đề xuất so với cơ chế RR khi xem xét về thông lượng người dùng. Với hệ thống sử dụng và cơ chế đề xuất, thông lượng người dùng ở = 5 đạt 33,2Mbps gấp 4,66 lần so với = 1 là 7,1 Mbps. 3.6 Kết luận chương Trong chương 3 đã trình bày các vấn đề liên quan tới giải pháp nâng cao hiệu năng hệ thống VLC. Với các kiến trúc đa điểm AP, việc xây dựng cơ chế lập lịch phụ thuộc vào các giải pháp truyền dẫn hợp tác. Giải pháp đa điểm phối hợp là một giải pháp được nhiều nghiên cứu hiện nay tập trung nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống VLC. Trong chương này đã trình bày giải pháp lập lịch nâng cao hiệu năng VLC dựa trên các thuật toán lựa chọn chùm sáng và phân bổ tài nguyên kênh con. Các giải pháp lập lịch này đã đem lại kết quả tốt hơn nhiều so với các giải pháp trước đây về mặt hiệu năng. KẾT LUẬN CHUNG Công nghệ VLC đã được phát triển trong một số năm gần đây đã cho thấy tiềm năng và hiệu quả trong truyền thông tốc độ cao. Tuy nhiên, các ứng dụng thực tiễn đã đặt ra các vấn đề cần giải quyết mớ