Visible light communication viết tắt là VLC hay giao tiếp ánh sáng nhìn thấy là một phương pháp không dây cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao bằng ánh sáng nhìn thấy. Dữ liệu này được truyền bằng cách điều chỉnh cường độ ánh sáng do nguồn sáng phát ra. Tín hiệu được nhận bởi một thiết bị diode quang giúp chuyển đổi dữ liệu thành các dạng mà người dùng có thể đọc được và dễ dàng sử dụng.

Sử dụng ánh sáng nhìn thấy ​​trong truyền dữ liệu

Khi nói về ánh sáng có nghĩa là toàn bộ quang phổ điện từ, bao gồm mọi thứ từ tia gamma đến sóng vô tuyến. Mắt người chỉ có thể nhìn thấy một phần nhỏ của toàn bộ quang phổ điện từ, được gọi là ánh sáng nhìn thấy hay ánh sáng khả kiến.

Việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy trong việc truyền dữ liệu có nhiều lợi thế hơn so với các công nghệ sử dụng tần số vô tuyến. Ưu điểm lớn nhất của nó là kích thước của toàn bộ quang phổ ánh sáng nhìn thấy, lớn hơn 10.000 lần so với toàn bộ quang phổ vô tuyến, vốn quá tắc nghẽn do sử dụng quá mức. Với lưu lượng truy cập di động dự kiến ​​sẽ tăng gấp bảy lần vào năm 2021, kích thước rộng lớn của quang phổ ánh sáng nhìn thấy, mang 300 THz băng thông không có giấy phép được thực hiện trên các bước sóng khả kiến, chắc chắn làm cho VLC trở thành một lựa chọn khả thi.

Ngoài kích thước của quang phổ ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng truyền đi 186.000 dặm mỗi giây, nhanh hơn so với 344 mét mỗi giây khi sóng vô tuyến đi trong không khí. Điều này có nghĩa là giao tiếp bằng ánh sáng gần như tức thời, điều này cũng làm cho visible light communication trở thành phương tiện giao tiếp nhanh nhất trong số các phương tiện thương mại hiện có trên thị trường.

Dữ liệu được truyền trong hệ thống VLC bằng cách điều biến ánh sáng. Ở tốc độ chậm ánh sáng sẽ nhấp nháy liên tục, chia nhỏ dữ liệu thành một hệ thống các số một và số không sẽ được chuyển đổi thành dữ liệu tiêu thụ thông qua một bộ thu phát. Tuy nhiên, tốc độ truyền dữ liệu phụ thuộc nhiều vào tốc độ chập chờn. Vì lý do này, diode phát quang (LED) được sử dụng làm nguồn sáng chính trong hệ thống visible light communication. LED là chất bán dẫn do đó có khả năng xử lý điều biến ánh sáng cực nhanh xảy ra với tốc độ mắt người không thể phát hiện được.

Đặc điểm của visible light communication

Có một số đặc điểm chỉ có ở VLC. Những đặc điểm này bao gồm:

Hạn chế tín hiệu

Bản chất của ánh sáng là nó không thể đi qua các bức tường mờ đục. Điều này giúp dễ dàng giới hạn tín hiệu trong một phòng duy nhất, giúp tăng mức độ bảo mật của mạng.

Không phụ thuộc đường ngắm

Nhiều người tin rằng bởi vì hệ thống VLC sử dụng ánh sáng, bất kỳ sự tắc nghẽn nào cũng có thể cản trở khả năng truyền dữ liệu của nó. Nhưng thực tế thì nó không phụ thuộc vào đường ngắm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vẫn có thể thực hiện được trong những căn phòng bị cản trở nghiêm trọng.

An toàn trong môi trường nguy hiểm

VLC có thể được sử dụng như một giải pháp thay thế thiết thực cho các khu vực mà tín hiệu RF được coi là mối nguy hiểm. Ngoài việc sử dụng công nghệ không phải RF để cung cấp dữ liệu, nguồn sáng được sử dụng trong các hệ thống này phát ra năng lượng thấp, đảm bảo sử dụng an toàn. Những môi trường nguy hiểm này bao gồm bệnh viện, máy bay hoặc hầm mỏ.

Kiến trúc của Hệ thống VLC

Hệ thống VLC có hai phần không thể thiếu: máy phát và máy thu. Các phần này bao gồm ba lớp chung: lớp vật lý, lớp MAC và lớp ứng dụng. Trong bài này để đơn giản IoT Tương Lai sẽ chỉ chia sẻ về 2 lớp.

Máy phát

Máy phát VLC về cơ bản là nguồn sáng. Sự phát triển của đèn LED làm cho công nghệ này trở nên khả thi và đã tạo ra ánh sáng ở trạng thái rắn - chiếu sáng không sử dụng dây tóc điện, plasma hoặc khí. Đó là bởi vì đèn LED vượt xa các nguồn sáng sợi đốt và đèn huỳnh quang về độ tin cậy, yêu cầu điện năng và hiệu suất phát sáng. Hiệu quả của đèn LED, cũng như ánh sáng trắng mà nó phát ra và bộ chuyển đổi bước sóng, làm cho đèn LED trở thành lựa chọn tốt nhất cho nguồn sáng VLC.

Có nhiều quang phổ khác nhau, trong đó ánh sáng trắng do đèn LED tạo ra. Phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để tạo ra ánh sáng trắng là ba màu (đỏ, lục và lam), thường được gọi là RGB. Phương pháp này có ưu điểm là có thể tạo ra băng thông cao, cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn. Tuy nhiên, nó rất phức tạp và khó điều chỉnh. Các phương pháp khác để tạo ra ánh sáng trắng là lưỡng sắc (xanh lam và vàng) và tứ sắc (lam, lục lam, lục và đỏ).

Máy thu

Máy thu cho hệ thống VLC thường bao gồm bộ lọc quang học, bộ tập trung quang học và mạch khuếch đại. Ánh sáng được phát ra từ máy phát VCL để truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ánh sáng này yếu do phân kỳ chùm tia vì đèn LED thường chiếu sáng không gian rộng. Tín hiệu yếu hơn này được bộ tập trung quang thu nhận và khuếch đại tín hiệu. Sau đó, tín hiệu được phát hiện và thu nhận bởi một diode quang, được chuyển đổi thành một dòng quang. Diode quang silicon, diode PIN và diode quang avalanche được sử dụng cho hệ thống VLC.

Hệ thống VLC dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu như ánh sáng mặt trời và các hình thức chiếu sáng khác. Vì lý do này, các bộ lọc quang học được thêm vào để loại bỏ nhiễu từ tín hiệu nhận được. Và trong trường hợp máy thu tĩnh, diode quang được sử dụng. Cảm biến hình ảnh được sử dụng cho các trường hợp cần tính di động (ví dụ: hệ thống VLC trên xe) vì trường nhìn lớn hơn. Tuy nhiên, nó chậm và tốn nhiều năng lượng. Đó là lý do tại sao cần phải đánh đổi giữa chi phí, tốc độ và độ phức tạp khi xem xét sử dụng một diode quang hoặc cảm biến hình ảnh.

Lớp vật lý

Lớp vật lý cung cấp các thông số kỹ thuật vật lý của thiết bị VLC cũng như mối quan hệ giữa thiết bị và phương tiện được sử dụng để truyền dữ liệu. Tóm tắt các tương tác xảy ra bên trong lớp vật lý diễn ra như sau: các bit đầu vào của luồng dữ liệu đi qua một loạt các quá trình trước khi đến nguồn sáng. Nguồn sáng này sau đó phát ra các photon thông qua một kênh quang học thông qua các tín hiệu ánh sáng. Các tín hiệu này được nhận bởi thiết bị photodiode, được giải điều chế và phiên mã thành dữ liệu đầu ra.

Lớp MAC

Lớp điều khiển truy cập phương tiện (MAC) chịu trách nhiệm truyền các gói dữ liệu nhận được đến và đi từ mạng. Chức năng cơ bản của nó là cung cấp một cách để mỗi nút trong mạng giao tiếp với các nút có sẵn khác. Nói cách khác, lớp MAC hướng các gói dữ liệu về các hướng mà chúng cần phải đi. Trong các hệ thống VLC, Lớp MAC phụ trách các nhiệm vụ sau:

Hỗ trợ di động

Hỗ trợ làm mờ

Hỗ trợ bảo mật

Hỗ trợ hiển thị

Các phương án giảm thiểu nhấp nháy

Hỗ trợ chức năng màu

Tạo báo hiệu mạng nếu thiết bị là bộ điều phối

Hỗ trợ tách rời và liên kết VPAN

Cung cấp một liên kết đáng tin cậy giữa các thực thể MAC ngang hàng