Mô hình định vị thích nghi dựa trên RSSI cho hệ thống MIMO VLC

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 />