Chuyên Mục Công Nghệ

Dùng ánh sáng thay cho sóng radio để truyền dữ liệu

By Tạ Minh Chiến / 06/05/2014 / Không dây, Viễn thông / Bình luận về bài viết này

Haas trình diễn công nghệ LiFi sử dụng ánh sáng để tạo một kênh liên lạc giữa hai điểm. (Hình: University of Edinburgh)

Theo như tất cả những lời ca ngợi dành cho mạng hỗn hợp (heterogeneous network) thì việc bổ sung thêm các cell nhỏ vào mạng điện thoại di động sẽ làm gia tăng đáng kể dung lượng của mạng và tốc độ dữ liệu của người dùng. Đáng tiếc là thực tế cho thấy biện pháp này khó mà thực hiện được do các giới hạn về băng thông, năng lượng, và can nhiễu. Tuy nhiên, một nền tảng mới đang được phát triển có thể là cột mốc quan trọng kế tiếp trên con đường xây dựng thế hệ thứ năm (5G) của công nghệ mạng thông tin không dây. Điều thú vị là việc sử dụng ánh sáng đóng vai trò cốt lõi trong cách truyền tin này.

Thiết kế của phiên bản thử nghiệm này sử dụng một kỹ thuật “massive MIMO” (multiple-input multiple-output) thế hệ mới còn được biết đến dưới tên gọi kỹ thuật điều chế không gian (spatial modulation). Được phát triển dưới sự hợp tác giữa National Instruments và University of Edinburgh nó có thể giúp tăng dung lượng của mạng mà vẫn đảm bảo hiệu suất năng lượng. Công nghệ này kết hợp phần cứng hoạt động trên nền tảng PXI Express của National Instruments và phần mềm thiết kế hệ thống LabVIEW cũng của National Instruments để thực hiện kỹ thuật điều chế không gian trên một kênh truyền không dây bằng sóng radio. Nghiên cứu này được dẫn dắt bởi Giáo sư Harald Hass, nhà nghiên cứu đầu đàn ở Edinburgh, và Giáo sư Cheng-Xiang Wang, người đứng đầu Phòng nghiên cứu Công nghệ Không dây Tiên tiến (Advanced Wireless Technologies Lab) ở Heriot-Watt University.

Mới đây nhóm nghiên cứu đã đạt được tốc độ 3.5 Gb/s bằng cách sử dụng một diode phát quang (LED) đơn sắc. Điều này cho phép xây dựng một nền tảng để thử nghiệm trong thực tế. Một micro-LED có băng thông 60 MHz đã được sử dụng với một phiên bản của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) và một cách phân bổ công suất và số bít tối ưu cho từng sóng mang con (subcarrier). Tín hiệu được tính toán bởi phần mềm MATLAB và đưa qua các máy tạo dạng sóng (arbitrary waveform generator, AWG) để tạo ra tín hiệu analog. Tín hiệu analog này sẽ được đưa qua một bộ tạo phân cực (bias-T) để thêm thành phần DC và một bộ khuếch đại để đạt đến mức công suất cần thiết. Sau đó, tín hiệu được đưa trực tiếp lên diode phát quang. Tín hiệu thu được từ bộ nhận ánh sáng (photo detector) được truyền thẳng vào một máy hiện sóng (oscilloscope) tốc độ cao để ghi lại.

Năm 2011, Haas đã giới thiệu LiFi—một ý tưởng để thông tin bằng ánh sáng truyền trên một kênh đơn giữa hai điểm. LiFi—kết hợp với các phần mềm và phần cứng được đề cập ở trên—có tiềm năng trong việc tạo ra các mạng quang học có mật độ cao (còn được biết dưới tên gọi optical attocell network). Những mạng này có thể khai thác kỹ thuật massive MIMO trên phổ tần số sóng radio hoặc phổ tần số ánh sáng để thực hiện việc thông tin bên trong nhà với hiệu suất năng lượng cao. Thiết bị LiFi đầu tiên, Li-1st, hiện đang được bán ở các thị trường Mĩ và Châu u. Li-1st là một thiết bị dạng cắm-và-chạy (plug-and-play) với khả năng truyền dữ liệu theo cả hai chiều sử dụng bất kỳ nguồn sáng LED nào và biến chúng thành các thiết bị truyền dữ liệu tốc độ cao nhờ dùng một kênh hồng ngoại làm kênh uplink.

Khi được hỏi rằng liệu có một lúc nào đó việc sử dụng sóng radio có thể bị thu hẹp do người ta thích sử dụng ánh sáng cho việc liên lạc hơn hay không, một đại diện từ National Instruments nói: “Sóng radio có khả năng cung cấp kết nối trong các trường hợp cần tính di động cao cũng như trong một số môi trường chẳng hạn như các vùng ngoài trời ở khu vực nông thôn. Thực tế là truyền tin bằng ánh sáng khả kiến (visible light communication, VLC) cung cấp rất nhiều phương pháp truyền không dây không tốn tiền và không bị quản lý. Bên trong căn nhà lại có rất nhiều nguồn sáng và hạ tầng hỗ trợ. Thật là lãng phí nếu không sử dụng những tài nguyên này, và ánh sáng sẽ là một phần trong tổ hợp các nguồn tài nguyên dùng trong truyền thông không dây của tương lai. Ta nên sử dụng chúng khi nào thích hợp nhất.”

Chẳng hạn như bên trong một căn phòng, tín hiệu từ trạm thu phát điện thoại di động truyền thống sẽ phải xuyên qua nhiều lớp tường để đến với người sử dụng bởi vì các trạm thu phát phần lớn được xây dựng trên đường phố. Trong khi đó, ánh sáng của bóng đèn bên trong căn phòng có thể cung cấp tín hiệu có chất lượng tốt hơn 5 đến 6 lần bởi vì nó ở ngay bên trong căn phòng. Chất lượng tín hiệu còn có thể cao hơn nếu bóng đèn được vặn mờ đến mức chúng có vẻ như tắt, chẳng hạn như vào ban ngày. Chất lượng tín hiệu cao hơn tất nhiên cũng có nghĩa là tốc độ dữ liệu cao hơn, theo lý thuyết Shannon-Hartley.

Để tăng tính linh động trong nghiên cứu, nhóm Edinburgh sử dụng kiến trúc vào/ra có khả năng tái cấu hình (reconfigurable I/O hay RIO) của LabVIEW để có thể nhanh chóng xây dựng các bản thử nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp bộ công cụ FlexRIO Software Defined Radio của National Instruments với các FPGAs và các mô-đun chuyển đổi vào/ra có thể hoán đổi cho nhau. Những bản thử nghiệm này có khả năng hoạt động cao hơn tốc độ của các hệ thống không dây thương mại dùng sóng radio hiện thời. Khi bàn về 5G, massive MIMO, cũng như việc thông tin liên lạc với hiệu suất năng lượng và hiệu suất băng thông cao, nhóm nghiên cứu cho biết họ không thấy hạn chế gì trong việc sử dụng kỹ thuật điều chế không gian—mặc dù chắc chắn là nó sẽ không thể xoá sổ hoàn toàn việc sử dụng sóng radio.

Một số video giới thiệu về LiFi [phần này không có trong bài viết tiếng Anh mà do người dịch thêm vào]