Mô hình định vị thích nghi dựa trên rssi cho hệ thống mimo VLC

57 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 Mở đầu1. 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 1. ThS, trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt-Hàn 2. ThS, trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt-Hàn 3. ThS, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Quảng Nam 58 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. Mô hình MIMO VLC 2. MIMO2.1. 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 S d ∈ {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 Tx j. 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. 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 = {h ij }. 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 h ij , 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 Hình 1. Mô hình MIMO VLC 4x4 59 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 h ij 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 h ij được định như một kênh truyền DC và được biểu diễn bởi công thức sau [7]: Trong đó θ 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: 1/2 ln(2) ln(cos( )) m f −= (4) 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]: x rec = H-1y (5) Hình 2. Sơ đồ khối của mô hình MIMO VLC 4x4 60 Mô HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DựA TRÊN RSSI CHo Hệ THỐNG MIMo VLC Thảo luận về sự di chuyển người dùng và định vị2.2. 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. Mô hình định vị thích nghi dựa trên RSSI cho hệ thống MIMO VLC3. Phương pháp Triangulation 3.1. 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(x Tx1 , y Tx1 ), Tx2(x Tx2 , y Tx2 ) và Tx3(x Tx3 , y Tx3 ) bởi việc giải quyết hệ phương trình sau: 2 2 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Tx Tx Tx Tx Tx Tx x x y y d x x y y d x x y y d − + − = − + − = − + − = (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).Hình 3. Phương pháp triangulation để dự đoán vị trí Rx 61 NGUYễN THỊ KHáNH HÀ - NGUYễN NGỌC HUYềN TRÂN - NGUYễN VăN KHưƠNG Mô hình định vị thích nghi dựa trên RSSI3.2. 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. Kết quả và thảo luận4. 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 Hình 4. Mô hình MIMO VLC 12x4 62 Mô HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DựA TRÊN RSSI CHo Hệ THỐNG MIMo VLC LED bandwidth (Luxeon Rebel cool white SR-01-WC310) 3 MHz Data rate R B 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*R B MHz (a) (b) Hình 5. Thông tin BER khi sử dụng 3 Txs cố định (a) và khi lựa chọn 3 Txs có mức năng lượng truyền cao nhất (b) Kết quả trong Hình 5a và Hình 5b cho thấy rằng phương pháp định vị tam giác cho phép hệ thống MIMO VLC phục hồi lại dữ liệu gốc thậm chi khi chọn 3 Txs có mức năng lượng truyền cao nhất mà không phụ thuộc vào vị trí của Rx. 63 NGUYễN THỊ KHáNH HÀ - NGUYễN NGỌC HUYềN TRÂN - NGUYễN VăN KHưƠNG Hình 6. (a) và (b) Tính toán sai số vị trí tại Rx1, Rx2, Rx3, Rx4 trong trường hợp cố định Tx1, Tx2, Tx3 và trong trường hợp lựa chọn 3 Txs có mức năng lượng truyền cao nhất Hình 6a và Hình 6b so sánh lỗi vị trí thu thập được từ 2 trường hợp cụ thể: cố định 3 Txs (i.e., Tx1, Tx2 và Tx3) và khi lựa chọn 3 Txs mà tại đó Rx nhận được mức năng lượng truyền từ chúng cao nhất. Kết quả cũng chỉ một cách rõ ràng rằng khi cố định các Txs thì lỗi vị trí cao hơn khi ta lựa chọn các Txs có mức năng lượng phát cao nhất dựa trên vị trí hiện tại của Rx. Kết luận5. Bài báo đã đưa ra mô hình định vị thích nghi mới dựa trên RSSI cho một hệ thống MIMO VLC 12x4 bằng phương pháp định vị tam giác. Kết quả mô phỏng đã cho thấy lỗi vị trí của mô hình mới được cải thiện đáng kể so với hệ thống cũ. Từ hình 6 (a) cho thấy khi Rx ở vị trí càng xa 3 Tx đã cố định từ trước thì mức độ sai số vị trí tăng dần lên đáng kể trong khi ở hình 6 (b) cho thấy sai số vị trí giữ ở mức ổn định và rất thấp, gần như bằng không. Bài báo này không đề cập đến việc thay đổi tốc độ, hướng di chuyển của Rx và mức độ ảnh hưởng của nó tới tốc độ trao đổi dữ liệu thực sự và lỗi vị trí của Rx. Một trong những hướng nghiên cứu khác của hệ thống định vị sử dụng photodiod bên trong các tòa nhà là khả năng phát hiện và loại bỏ các loại nhiễu, đặc biệt là từ các nguồn sáng ngoài. TÀI LIỆU THAM KHẢO C-H. Chang, C-Y. Li H-H. Lu, C-Y. Lin, J-H. Chen, Z-W. Wan and C-J. Cheng, [1] “A 100-Gb/s Multiple-Input Multiple-Output visible Laser Light Communication System”, Journal of Lightwave Technology, vol. 32, no. 24, pp.4723-4729, 2014. P.C.S. Zvanovec, P.A. Haigh, Z Ghassembooy, “Visible Light Communications [2] Towards 5G,” Radioengineering, vol. 24, no. 1, pp. 1 – 9, 2015. H. Le-Minh, z. Ghassemlooy, A. Burton, F. Mousa, S. Biswas, A. Tuan Pham, T. Dat [3] Pham, and S-K. Liaw, “Self-Correcting Multiple Input Multiple Output Visible Light (a) (b) 64 Mô HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DựA TRÊN RSSI CHo Hệ THỐNG MIMo VLC Communications System Using Localization,” in IEEE International Conference on Communications, London, June 2015. Z. Lubin, D. O’Brien. H. Le-Minh, G. Faulkner, L. Kyungwoo, J. Daekwang [4] et al., “High data rate multiple input multiple output (MIMO) optical wireless communications using white LED lighting,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 27, pp. 1654 – 1662, 2009. A. Nuwanpriya, S-W. Ho and C. S. Chen, “Indoor MIMO Visible Light [5] Communications: Novel Angle Diversity Receivers for Mobile Users,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 33, no.9, pp. 1780-1792, 2015. H. Le-Minh, D. O’Brien, G. Faulkner et al., “100-Mb/s NRZ Visible Light [6] Communications Using a Postequalized White LED,”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 21, pp. 1063-1065, 2009. T.Komine and M. Nakagawa, “Fundamental Analysis for Visible Light Communication [7] system Using LED Lights,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 50, pp. 100-107, 2004 J. C. Juang, “On GPS positioning and integrity monitoring,”, [8] IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 36, no. 1, pp. 327-336, 2000. H. Liu, H. Darabi, P. Baneriee, and J. Liu, “Survey of Wireless Indoor Positioning [9] Techniques and Systems,” IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, part C: Applications and Reviews, vol. 37, no. 6, pp. 1067-1080, 2007 Title: ADAPTIVE RSSI-BASED POSITIONING MODEL FOR MIMO VLC NGUYEN THI KHANH HA Korea-Vietnam friendship information technology college NGUYEN NGoC HUYEN TRAN Korea-Vietnam friendship information technology college NGUYEN VAN KHUoNG Quang Nam University Abstract: This paper introduces a novel model for channel state information (CSI) 12x4 multiple input multiple output (MIMO) visible light communication based on the triangulation method. The proposed model can fully work under condition that Rxs move anywhere in an indoor environment. In this work we propose a VLC model with 12 Txs and 4 Rxs in the case of any Rx moving in the room. The paper uses a novel adaptive model that utilises the triangulation method based on RSS technique. Keywords: MIMO VLC, Triangulation Technique, Adaptive RSSI-based; Positioning