(LUẬN văn THẠC sĩ) phân tích dung lượng kênh UWB sử dụng kỹ thuật đảo ngược miền thời gian

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT• AWGN: Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gauss trắng cộng • BS: Base Station - Trạm cơ sở/Trạm phát • CIR: Channel Impulse Response - Đáp ứng xung kênh truyề

HỒ ĐỨC TÂM LINH

PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB

SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2013

HỒ ĐỨC TÂM LINH

PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB

SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG XUÂN VINH

HÀ NỘI – 2013

Lời cảm ơn

Tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến TS Đặng Xuân Vinh, một người thầy đángkính của tôi, thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất chotôi trong suốt thời gian tôi được cử đi học và cũng như trong thời gian hoàn thiệnluận văn này

Tôi cũng xin gởi lời cám ơn chân thành đến tất cả các thầy cô giáo hiện đang côngtác tại Khoa Điện Tử - Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học QuốcGia Hà Nội đã tận tình chỉ dạy, trang bị cho tôi những kiến thức chuyên ngànhtrong quá trình vào giảng dạy tại trường Đại học Khoa học

Và cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến những người đã đồng hành, độngviên tôi trong suốt 2 năm qua, đây là khoảng thời gian tôi nhận được nhiều sựquan tâm nhất của mọi người: đó là những người cùng tham gia đề tài này với tôi,

và những người thân trong gia đình của tôi, đặc biệt là vợ của tôi

Tác giả luận văn

HỒ ĐỨC TÂM LINH

Lời cam đoan

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu, kết quả nêu trongluận văn là trung thực Các số liệu trích dẫn trong quá trình nghiên cứu đều đượcghi rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

HỒ ĐỨC TÂM LINH

Mục lục

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG UWB 11

1.1 Định nghĩa và chuẩn hóa tín hiệu UWB [20] 11

1.2 Ưu điểm của UWB [11, 20] 12

1.2.1 Dung lượng kênh truyền lớn 12

1.2.2 Hoạt động với mức công suất thấp 13

1.2.3 Tính bảo mật cao 14

1.2.4 Chống lại hiện tượng đa đường 14

1.2.5 Cấu trúc bộ phát thu đơn giản 15

1.3 Những thách thức của UWB [10] 16

1.3.1 Méo dạng xung 16

1.3.2 Ước lượng kênh phức tạp 17

1.3.3 Yêu cầu đồng bộ kênh cao 17

1.4 So sánh UWB với một số chuẩn truyền thông khác [9] 17

1.4.1 Mức tiêu thụ công suất và năng lượng 17

1.4.2 Tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu 20

1.5 Ứng dụng của UWB [4, 11] 21

1.5.1 Mạng cảm biến 21

1.5.2 Mạng vô tuyến cá nhân 21

1.5.3 Ra đa [19] 22

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 24 2.1 Kỹ thuật phân tập tần số [21] 24

2.2 Kỹ thuật phân tập không gian [1, 21] 25

2.3 Kỹ thuật phân tập thời gian [21] 26

2.4 Kỹ thuật phân tập phân cực [22] 28

3.1 Lý thuyết đảo ngược thời gian [2, 7, 8, 11, 16] 30

3.2 Mô phỏng kỹ thuật đảo ngược thời gian 31

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MU-UWB 35 4.1 Mô hình hệ thống MU-SISO-UWB-TR[7] 35

4.2 Mô hình hệ thống MU-MISO-UWB-TR[7] 38

4.3 Mô hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] 41

CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH HỆ THỐNG

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN 29

5.1 Dung lượng kênh hệ thống MU-UWB 50

5.1.1 Dung lượng kênh hệ thống MU-SISO-UWB-TR [7] 50

5.1.2 Dung lượng kênh hệ thống MU-MISO-UWB-TR [7] 51

5.1.3 Dung lượng kênh hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] 52

5.2 Các kết quả mô phỏng 52

5.2.1 Kết quả mô phỏng hệ thống MU-SISO-UWB-TR 53

5.2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống MU-MISO-UWB-TR 55

5.2.3 Kết quả mô phỏng hệ thống MU-MIMO-UWB-TR 57

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 68

Danh sách bảng

1.2.1 Giới hạn dải tần hoạt động trong các ứng dụng của UWB 14

1.2.2 Ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB 15

1.4.3 So sánh dòng tiêu thụ chipset của các giao thức 18

5.2.4 Các thông số mô phỏng 53

Danh sách hình vẽ

1.1.1 Mật độ phổ của tín hiệu UWB 12

1.2.2 Tín hiệu UWB hoạt động ở mức công suất thấp 13

1.2.3 Hiện tượng đa đường 15

1.4.4 Tiêu thụ công suất của một số chuẩn truyền thông không dây 19

1.4.5 Tiêu thụ năng lượng của một số chuẩn truyền thông không dây 19 1.4.6 So sánh tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu của một số chuẩn truyền thông không dây 20

1.5.7 Ứng dụng UWB trong mạng WPAN 22

1.5.8 Ứng dụng của UWB trong ra đa quân sự 23

2.1.9 Phân tập tần số 24

2.2.10 Cấu hình anten trong hệ thống không dây 26

2.3.11 Phân tập thời gian 27

2.3.12 Kỹ thuật ghép xen kênh 27

2.4.13 Phân tập phân cực 28

2.4.14 Phân tập kết hợp 29

3.1.15 Mô hình hệ thống UWB sử dụng kỹ thuật đảo ngược thời gian TR 31 3.2.16 Hình ảnh đáp ứng xung h(t) và đảo ngược thời gian của h∗(−t) 32 3.2.17 Công suất tín hiệu được tập trung tại tap L - 1 hướng đến người dùng mong muốn 33

4.1.18 Mô hình hệ thống MU-SISO-UWB-TR 36

4.2.19 Mô hình hệ thống MU-MISO-UWB-TR 38

4.3.20 Mô hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR 42

5.2.21 SINR trung bình của hệ thống MU-SISO-UWB-TR 54

5.2.22 Dung lượng kênh của hệ thống MU-SISO-UWB-TR 55

5.2.23 SINR trung bình của hệ thống MU-MISO-UWB-TR 56

5.2.24 Dung lượng kênh của hệ thống MU-MISO-UWB-TR 57

5.2.25 SINR của kênh MIMO không tương quan 58

5.2.26 Dung lượng kênh MIMO không tương quan 59

5.2.27 SINR kênh MIMO tương quan phát = 0.3 và tương quan thu = 0.2 60 5.2.28 Dung lượng kênh MIMO tương quan phát = 0.3 và tương quan thu = 0.2 61

5.2.29 Ảnh hưởng tương quan phát lên dung lượng kênh hệ thống MU-UWB 62

5.2.30 Ảnh hưởng tương quan thu lên dung lượng kênh hệ thống MU-UWB 62 5.2.31 So sánh dung lượng kênh không có sự tương quan 63

5.2.32 Dung lượng kênh với tương quan phát lớn nhất 64

5.2.33 Dung lượng kênh với tương quan thu lớn nhất 65

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

• AWGN: Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gauss trắng cộng

• BS: Base Station - Trạm cơ sở/Trạm phát

• CIR: Channel Impulse Response - Đáp ứng xung kênh truyền

• FCC: Federal Communication Commission - Ủy ban truyền thông liên banMỹ

• IR: Impulse Radio - Vô tuyến xung hẹp

• LOS: Line of Sight - Tầm nhìn thẳng

• MIMO: Multi Input Multi Output - Đa đầu vào đa đầu ra

• MISO: Multi Input Single Output - Đa đầu vào một đầu ra

• MU-UWB: Multi User Ultra Wideband - Băng siêu rộng đa người dùng

• MU-SISO-UWB-TR: Multi User Single Input Single Output Ultra WidebandTime Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng một đầu vào mộtđầu ra đa người dùng

• MU-MISO-UWB-TR: Multi User Multi Input Single Output Ultra band Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đa đầu vàomột đầu ra đa người dùng

• MU-SIMO-UWB-TR: Multi User Single Input Multi Output Ultra band Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đơn đầu vào

Wide-đa đầu ra Wide-đa người dùng

• MU-MIMO-UWB-TR: Multi User Multi Input Multi Output Ultra band Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đa đầu vào

Wide-đa đầu ra Wide-đa người dùng

• NLOS: Non-Line of Sight - Tầm nhìn bị che khuất

• LOS: Line of Sight - Tầm nhìn thẳng

• PSD: Power Spectral Density - Mật độ phổ công suất

• SIMO: Single Input Multi Output - Một đầu vào đa đầu ra

• SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio - Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu vàliên nhiễu

• TR: Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian

• TRM: Time Reversal Mirror - Bộ đảo ngược miền thời gian

• UWB: Ultra Wideband - Băng siêu rộng

• IAI: Inter Antenna Interference - Nhiễu liên anten

• IUI: Inter User Interference - Nhiễu liên người dùng

• ISI: Inter-Symbol Interference - Nhiễu liên ký tự

• WPAN: Wireless Personal Area Network - Mạng vô tuyến cá nhân

MỞ ĐẦU

Băng siêu rộng (Ultra Wideband - UWB) là công nghệ truyền thông không dây,cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trên một phổ tần rộng lớn với công suất phátrất thấp Ngoài ra, UWB giải quyết một cách hoàn hảo các vấn đề về hạn chế băngthông trong môi trường không dây, có thể đáp ứng được sự mong mỏi của các nhàphát triển ứng dụng băng rộng và tốc độ cao [12, 13, 15] Bên cạnh đó, UWB đượcphát triển để có thể truyền tín hiệu ở cả hai môi trường không bị che chắn LOS

và bị che chắn NLOS (thậm chí có khả năng xuyên thấu các vật cản như tường ximăng, đất đá )

Tuy nhiên, các kênh truyền trong thực tế đều là các kênh pha đinh [3, 6, 14], vìthế các tác động của kênh pha đinh này sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượngtruyền dẫn trong hệ thống UWB phục vụ đa người dùng Hiện tại, đã có nhiều giảipháp được ứng dụng để khắc phục vấn đề này, nhưng đa số các kỹ thuật đó đềurất phức tạp, gây khó khăn cho việc thiết kế nhỏ gọn các thiết bị di động đầu cuối.Một giải pháp có thể khắc phục vấn đề này là sự kết hợp giữa hệ thống UWB vớihai kỹ thuật là đa anten đầu vào - đa anten đầu ra MIMO và đảo ngược thời gian

TR (Time Reversal) Hai kỹ thuật này kết hợp vào trong công nghệ UWB đượcđánh giá là hoàn hảo để cải thiện tốc độ truyền dẫn và giảm thiểu các ảnh hưởngxấu của kênh truyền tới chất lượng tín hiệu thu trong hệ thống đa người dùngUWB (MU-UWB)[2, 8, 16] Kỹ thuật MIMO nổi bật với khả năng chống hiệu ứngpha đinh cực kỳ tốt bằng cách sử dụng đa ăn-ten phát và đa ăn-ten thu để tăng

độ phân tập và đồng thời cũng giúp hệ thống cải thiện tốc độ truyền dẫn một cáchđáng kể [17, 18] Kỹ thuật đảo ngược thời gian (TR) được ứng dụng trong UWB

để tận dụng các ưu điểm vốn có của nó là đơn giản nhưng lại có khả năng cực kỳmạnh trong việc giảm các tác động xấu lên tín hiệu người dùng mong muốn: nhưnhiễu liên ký tự (Inter-Symbol Interference - ISI), nhiễu liên người dùng (Inter-UserInterference - IUI), nhiễu liên anten (Inter-anten Interference - IAI) Trong luậnvăn này, tôi sẽ tập trung xây dựng mô hình hệ thống UWB đa người dùng kết hợp

sử dụng hai kỹ thuật MIMO và TR, từ đó tôi xây dựng mô hình toán học và đưa

ra đánh giá dung lượng kênh truyền của các mô hình: SISO-UWB-TR, MISO-UWB-TR và MU-MIMO-UWB-TR Tương ứng nội dung được phát thảotrên đây, luận văn của tôi được trình bày trong 5 chương:

MU-• Chương 1: Giới thiệu về truyền thông UWB

• Chương 2: Các kỹ thuật phân tập

• Chương 4: Mô hình hệ thống MU-UWB

• Chương 3: Kỹ thuật đảo ngược miền thời gian TR

• Chương 5: Phân tích dung lượng kênh hệ thống MU-UWB

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG UWB

Công nghệ băng siêu rộng là công nghệ đầy hứa hẹn cho các ứng dụng mới trongcác lĩnh vực an ninh công cộng, kinh doanh và người tiêu dùng Các ứng dụng tiềmnăng này được triển khai nghiên cứu trong một loạt các ứng dụng rộng rãi nhưquét hình ảnh các vật thể bị chôn vùi dưới đất hoặc các vật bị che chắn sau cácbức tường, truyền thông trong phạm vi ngắn, tốc độ cao [Theo FCC, 2002] [5] Sựphân bố băng tần cho UWB tùy thuộc vào các ứng dụng đặc trưng được quy địnhtrong [FCC, 2002] Các nhà nghiên cứu quan tâm rất lớn về công nghệ mới này,đặc biệt là trong môi trường thông tin liên lạc, lý do lĩnh vực này được quan tâm,bởi lẽ nó là một ứng dụng tiềm năng cho truyền dữ liệu tốc độ cực kì cao, mứctiêu thụ điện năng thấp Công nghệ băng siêu rộng này thể hiện có nhiều ưu điểmvượt trội so với hệ thống băng hẹp Vì vậy, với sự chấp thuận của FCC, một số cáctrường đại học và rất nhiều công ty lớn trên thế giới đã tham gia vào lĩnh vực đầyhứa hẹn này [23]

Trong chương này sẽ trình bày định nghĩa và chuẩn hóa về tín hiệu UWB, những

ưu điểm và thách thức của UWB, ngoài ra chúng tôi cũng so sánh UWB với một

số chuẩn truyền thông đang sử dụng rộng rãi trên thị trường, để qua đó có mộtcái nhìn tổng thể về UWB trong xu thế phát triển hiện nay

1.1 Định nghĩa và chuẩn hóa tín hiệu UWB [20]

Tín hiệu đo lường và thông tin UWB được định nghĩa là tín hiệu có tỷ lệ băngthông lớn hơn 0.2 hoặc chiếm ít nhất 500 M Hz trong giới hạn phổ từ 3.1 GHz đến10.6 GHz Tỷ lệ băng thông được cho bởi công thức:

Hình 1.1.1: Mật độ phổ của tín hiệu UWB

1.2 Ưu điểm của UWB [11, 20]

1.2.1 Dung lượng kênh truyền lớn

Ưu điểm chính của UWB vượt trội so với các công nghệ vô tuyến hiện nay đó làbăng thông lớn của các xung UWB làm cải thiện đáng kể dung lượng kênh Dunglượng kênh được định nghĩa bằng tổng dữ liệu lớn nhất có thể được truyền mỗigiây qua kênh thông tin Biểu thức dung lượng kênh lớn nhất Hartley-Shannon mô

tả tốc độ dữ liệu lớn nhất mà một kênh có thể truyền

C = Blog2(1 + S

Trong đó:

C: Dung lượng kênh truyền (bps)

B: Băng thông của kênh truyền (Hz)

S/N : Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu

Công thức Shannon chỉ ra rằng “C” tăng tuyến tính với băng thông “B”, và tỉ sốtín hiệu trên nhiễu S/N Băng thông khả dụng của tín hiệu UWB tầm vài GHznên tốc độ dữ liệu đạt tới hàng Gbps là hoàn toàn có thể Bên cạnh đó, UWB nếuđược kết hợp với các kỹ thuật khác để nâng cao tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễuthì cũng có thể tăng dung lượng kênh lên đáng kể Tuy vậy, do giới hạn công suấthiện tại của FCC đối với truyền thông UWB nên tốc độ dữ liệu cao chỉ khả dụng

đối với khoảng cách ngắn (khoảng 10m) Điều này khiến cho hệ thống UWB trởthành sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng vô tuyến hoạt động trong khoảngcách ngắn với tốc độ cao.

1.2.2 Hoạt động với mức công suất thấp

FCC đưa ra quy định công suất giới hạn cho hệ thống UWB là −41.3 dBm/M Hz,

do đó công suất hạn chế này hoạt động dưới nền nhiễu của bộ nhận băng hẹp và vìvậy mà tín hiệu UWB có thể cùng tồn tại với các tín hiệu vô tuyến khác mà khônggây nhiễu tới chúng Bên cạnh đó, hệ thống truyền thông UWB cũng có khả làmviệc với tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp mà vẫn cho dung lượng kênh truyền rất lớn

Hình 1.2.2: Tín hiệu UWB hoạt động ở mức công suất thấp

Bảng liệt kê giới hạn mức công suất và phổ tần của các ứng dụng trong mạngUWB

Bảng 1.2.1: Giới hạn dải tần hoạt động trong các ứng dụng của UWB

Ứng dụng Dải tần hoạt động ở Part.15 Giới hạn người dùng

Đo lường và thông tin 3.1 đến 10.6 GHz Không giới hạn

Ra đa dò xuyên đất, y học 960 MHz hoặc 3.1 đến 10.6 GHz Có giới hạnHình ảnh xuyên tường 960 MHz hoặc 1.99 đến 10.6 GHz Có giới hạnGiám sát hình ảnh 1.99 đến 10.6 GHz Có giới hạnPhương tiện giao thông 22 đến 29 GHz Không giới hạn

1.2.3 Tính bảo mật cao

Chính vì công suất truyền trung bình thấp nên hệ thống truyền thông UWB cókhả năng ngăn chặn và tránh bị phát hiện bởi những hệ thống xâm nhập trái phép.Với một công suất truyền thấp như thế thì người lấy trộm thông tin phải ở khoảngcách rất gần với bộ phát để có thể dò ra thông tin được truyền đi Hơn nữa, xungUWB được điều chế theo thời gian với mã đơn lẻ tới mỗi cặp thu và phát, điềunày khiến cho việc truyền UWB được an toàn hơn bởi vì việc dò các xung cỡ picogiây mà không biết khi nào chúng sẽ tới Thật sự đây là một vấn đề khó để lấycắp được thông tin

1.2.4 Chống lại hiện tượng đa đường

Hiện tượng đa đường là hiện tượng mà tín hiệu phía thu thu được nhiều phiên bảnkhác nhau của cùng một tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khácnhau Nguyên nhân của hiệu ứng này là do phản xạ, hấp thụ, tán xạ và nhiễu xạnăng lượng điện từ bởi các vật thể ở giữa cũng như xung quanh bộ phát và bộ thu

Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu với thời gian trễkhác nhau, tỉ lệ với độ dài đường đi

Hình 1.2.3: Hiện tượng đa đường

Hiện tượng đa đường không thể tránh khỏi trong truyền thông vô tuyến Đườngthẳng nối giữa bộ truyền và bộ nhận gọi là tầm nhìn thẳng (LOS), tín hiệu phản

xạ từ bề mặt là tầm nhìn bị che khuất (NLOS) UWB hoạt động được trong cả 2môi trường LOS và NLOS Chu kỳ xung tín hiệu UWB rất ngắn, thời gian truyềncủa xung UWB nhỏ hơn một nano giây do đó chúng ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng

đa đường Ngoài ra, khả năng kết hợp công nghệ UWB với một số công nghệ đãđược phát triển rực rỡ trước đó như: MIMO, RAKE thì khả năng này lại đượctăng lên rất tốt

1.2.5 Cấu trúc bộ phát thu đơn giản

Ngoài những ưu điểm được liệt kê trên thì UWB còn có một ưu điểm rất đángphải bàn tới, đó là cấu trúc thiết bị phát và nhận đơn giản hơn, có được điều này

là vì UWB truyền trong phạm vi ngắn, không cần dùng đến các bộ điều chế sóngmang phức tạp như trong hệ thống tín hiệu băng hẹp, điều này cũng đồng nghĩa

là giá thành của thiết bị sẽ rẻ hơn rất nhiều

Sau đây là bảng tóm tắt các ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB:

Bảng 1.2.2: Ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB

Cùng tồn tại với các dịch vụ Không phải tốn phí đăng kí sử dụng băng tần

vô tuyến băng rộng và băng hẹp

Tốc độ dữ liệu rất lớn Băng thông rộng hỗ trợ tốt dịch vụ video

chất lượng cao thời gian thựcCông suất phát thấp Khó phát hiện và đánh chặn

Hạn chế sự tắt nghẽn Đáng tin cậy trong các

mội trường dễ xảy ra xung độtHiệu suất cao trong kênh đa đường Truyền thông tin tốt hơn trong

môi trường đa đườngCấu trúc bộ phát thu đơn giản Giảm giá thành sản phẩm

1.3.1 Méo dạng xung

Theo Friis, phương trình truyền sóng có dạng như sau:

Pr = PtGtGr

c4πdf

2

(1.3)

Trong đó:

Pt, Pr : lần lượt là công suất phát và công suất nhận (dBm)

Gt, Gr : lần lượt là độ lợi anten phát và nhận (dB)

1.3.2 Ước lượng kênh phức tạp

Ước lượng kênh là vấn đề cốt lõi trong việc thiết kế bộ nhận cho một hệ thốngtruyền thông vô tuyến Vì người ta không thể tính toán được mọi kênh vô tuyếnnên việc ước lượng các tham số kênh truyền như suy hao và trễ của các đườngtruyền là rất quan trọng Mặt khác, do băng thông rộng và sự suy giảm nănglượng tín hiệu nên các xung UWB phải chịu sự méo xung Do đó, việc ước lượngkênh truyền ở trong hệ thống truyền thông UWB càng trở nên phức tạp

1.3.3 Yêu cầu đồng bộ kênh cao

Việc lấy mẫu và đồng bộ các xung cỡ nano giây là một hạn chế lớn trong thiết

kế hệ thống UWB Để lấy mẫu những xung hẹp thì cần phải có bộ chuyển đổi tínhiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) rất nhanh và chính xác Hơn thế nữa, sựhạn chế công suất nghiêm ngặt và chu kỳ xung ngắn khiến cho hoạt động của hệ

thống UWB rất dễ bị lỗi nếu đồng bộ thời gian không tốt.

1.4 So sánh UWB với một số chuẩn truyền thông khác [9]

Công nghệ UWB ra đời tại thời điểm phát triển rực rỡ của các công nghệ truyềnthông không dây khác Trong luận văn này sẽ chọn một vài công nghệ truyền thôngđang nổi trội trên thị trường như: Bluetooth, Zigbee, Wifi để so sánh với công nghệmới UWB Tôi chỉ chọn ra 2 đặc điểm quan trọng để cho thấy ưu điểm của UWB

so với các công nghệ được chọn làm so sánh Đó là mức tiêu thụ công suất, tốc độ

và phạm vi truyền dữ liệu

1.4.1 Mức tiêu thụ công suất và năng lượng

Bluetooth và ZigBee hướng đến các sản phẩm cầm tay đơn giản, phạm vi ngắn vànăng lượng của pin bị hạn chế Cho nên, nó đưa ra mức tiêu thụ công suất thấp

và không ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sống của thiết bị UWB được đề xuấtcho khoảng cách ngắn và hỗ trợ ứng dụng tốc độ cao Trong khi đó, Wi-Fi đượcthiết kế có truyền thông khoảng cách dài hơn và hỗ trợ các thiết bị với công suấttiêu thụ tương đối cao

Để so sánh công suất tiêu thụ, ta so sánh bốn sản phẩm tiêu biểu cho bốn giao thứcgồm có XS110, BlueCore2, CC2430 và CX53111 Dòng tiêu thụ của việc truyền vànhận đối với mỗi giao thức được chỉ ra ở bảng 1.3 Hình chỉ rõ công suất tiêu thụtheo đơn vị mW đối với mỗi giao thức Rõ ràng, Bluetooth và ZigBee tiêu tốn ítnăng lượng hơn ro với UWB và Wi-Fi Hình 1.5 cho thấy kết quả so sánh nănglượng tiêu thụ chuẩn hóa dựa trên tốc độ bit Nếu xét theo đơn vị mJ/Mb thìUWB và Wi-Fi tiêu thụ năng lượng hiệu quả hơn hai giao thức còn lại Nói tómlại, Bluetooth và ZigBee phù hợp với các ứng dụng có tốc độ dữ liệu thấp với côngsuất pin hạn chế (như các thiết bị di động và mạng cảm biến hoạt động nhờ pin),bởi vì công suất tiêu thụ thấp dẫn đến thời gian sống dài Mặt khác, với các ứngdụng yêu cầu tốc độ dữ liệu cao (như các hệ thống giám sát âm thanh/hình ảnh)thì UWB và Wi-Fi là lựa chọn ưu việt hơn bởi vì hai giao thức này có năng lượngtiêu thụ thấp

Bảng 1.4.3: So sánh dòng tiêu thụ chipset của các giao thức

Một ví dụ về tiêu thụ công suất giữa các chuẩn truyền thông: Bluetooth, Zigbee,Wifi và UWB được cho dưới dạng biểu đồ hình cột

Kết quả tiêu thụ công suất:

Hình 1.4.4: Tiêu thụ công suất của một số chuẩn truyền thông không dây

Kết quả tiêu thụ năng lượng:

Hình 1.4.5: Tiêu thụ năng lượng của một số chuẩn truyền thông không dây

Bluetooth và ZigBee thích hợp cho các ứng dụng tốc độ thấp với nguồn năng lượng

bị hạn chế (như các thiết bị di động và các mạng cảm biến hoạt động bằng pin),bởi vì công suất tiêu thụ thấp dẫn đến thời gian sống dài Mặt khác, để đáp ứngcho các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao, UWB và Wifi sẽ là giải pháp tốt hơn bởi vìnăng lượng tiêu thụ chuẩn hóa thấp Như vậy, dựa vào kết quả từ hình vẽ, UWB

là công nghệ hoạt động hiệu quả về mặt năng lượng nhất

1.4.2 Tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu

Hình 1.4.6: So sánh tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu của một số chuẩn

truyền thông không dây

UWB không có lợi thế trong truyền khoảng cách xa, nó thích hợp trong truyềnthông khoảng cách ngắn, nhưng đổi lại UWB có tốc độ cực kì cao, nếu được kếthợp các kỹ thuật thích hợp thì trong tương lai UWB có thể đạt đến tốc độ Gbps.Đây là một tốc độ trong mơ dành cho các chuẩn truyền thông không dây

1.5 Ứng dụng của UWB [4, 11]

UWB đã triển khai rất nhiều ứng dụng trong đời sống và trong quân sự Theo dựđoán của các chuyên gia, UWB sẽ tiếp tục phát triển rực rỡ trong các ứng dụngkhoảng cách ngắn, công suất thấp và tốc độ truyền cao Trong phần này, chúngtôi xin trình bày một số ứng dụng của UWB hiện đã và đang triển khai trên thựctế: đó là mạng cảm biến, mạng vô tuyến cá nhân và Ra đa

1.5.1 Mạng cảm biến

Một trong những lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của UWB là mạng cảm biếnvới tốc độ dữ liệu thấp, bị hạn chế về kích thước cũng như mức tiêu thụ nănglượng Mạng cảm biến là mạng bao gồm nhiều node cảm biến có kích thước nhỏ,

có khả năng tính toán trải trên một vùng nào đó Yêu cầu của một mạng cảm biến

là giá thành rẻ, tiêu tốn ít năng lượng và đa chức năng Trong khi đó, các hệ thốngtruyền thông UWB tốc độ cao cho phép trao đổi một lượng lớn thông tin cảm biếntrong thời gian ngắn Ứng dụng công nghệ UWB vào mạng cảm biến vừa làm tăngtốc độ trao đổi dữ liệu, vừa thỏa mãn được những yêu cầu về năng lượng và giáthành Nhờ khả năng cảm biến chính xác, mạng cảm biến thông minh sử dụngUWB còn cho phép thực hiện các phép đo từ xa, các túi khí thông minh, dùng để

hỗ trợ điều khiển giao thông nhằm giảm thiểu tai nạn hay là tạo ra các bãi đỗ xethông minh

1.5.2 Mạng vô tuyến cá nhân

Mạng vô tuyến cá nhân là mạng kết nối các thiết bị truyền thông, thiết bị di độngtrong phạm vi ngắn lại với nhau Nó cho phép truyền thông âm thanh và hìnhảnh thời gian thực với chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ Đây

là một trong những lĩnh vực ứng dụng quan trọng của UWB Đặc biệt hơn, cácthiết bị gần gũi trong gia đình: như ti vi, tủ lạnh, máy tính, các bộ cảm biến .giao tiếp với nhau qua giao diện vô tuyến, đồng thời có thể xác định được vị trí

và thông số hoạt động của các thiết bị thông qua mạng cảm biến Rõ ràng, việcứng dụng UWB vào mạng WPAN mang đến một tương lai đầy hứa hẹn trong việcđiều khiển từ xa các thiết bị trong nhà, kiểm soát hệ thống an ninh

Hình 1.5.7: Ứng dụng UWB trong mạng WPAN

1.5.3 Ra đa [19]

Ngoài phạm vi của lĩnh vực truyền dẫn, ra đa UWB được nghiên cứu và phát triểncho hai mục đích chính: ra đa hiệu suất cao có “vùng chết” nhỏ hơn và ra đa chokhoảng cách gần có thể xuyên tường và đất Ứng dụng thứ hai rất hữu ích trongviệc thực hiện giám sát, chiến tranh đô thị, dò mìn hoặc cứu hộ cứu nạn Do cácthành phần tần số thấp của tín hiệu UWB có khả năng xuyên thấu nên người ta

sử dụng tín hiệu UWB để chụp ảnh xuyên tường, lòng đất, đại dương; hầu hếtnhững ứng dụng trong lĩnh vực này được dùng để phục vụ mục đích quân sự, bêncạnh đó người ta cũng có thể ứng dụng nó trong các thiết bị chuẩn đoán y tế đểphát hiện ra tế bào ung thư Kỹ thuật UWB còn có thể tích hợp vào các hệ thốnggiải trí và dẫn đường trong phương tiện giao thông bằng cách tải dữ liệu từ các bộphát UWB hướng dẫn dọc theo hai bên đường

Hình 1.5.8: Ứng dụng của UWB trong ra đa quân sự

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP

Trong môi trường truyền thông không dây, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộngrãi để làm giảm ảnh hưởng của pha đinh đa đường và cải tiến độ tin cậy của kênhtruyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần thiết Kỹthuật phân tập yêu cầu nhiều bản sao tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả mang cùngmột thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường pha đinh Ý tưởng

cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu mộtcách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau Điều này cónghĩa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác cóthể không bị suy giảm Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau

sẽ làm giảm ảnh hưởng của pha đinh và cải thiện độ tin cậy của đường truyền

Có nhiều cách để đạt được phân tập Phân tập thời gian có thể thu được qua mãhoá (Coding) và xen kênh (Interleaving), phân tập tần số nếu đặc tính của kênhtruyền là chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thuđặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thểứng dụng trong miền không gian, sự phân cực của anten, miền tần số và miền thờigian

2.1 Kỹ thuật phân tập tần số [21]

Hình 2.1.9: Phân tập tần số

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùngmột thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của pha

đinh một cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băngthông nhất quán để đảm bảo rằng pha đinh trên các tần số khác nhau là khôngtương quan với nhau Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phátthường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi

là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹthuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ Tuynhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ,trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ

là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây ra sự tổn haohiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số

2.2 Kỹ thuật phân tập không gian [1, 21]

Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten Phân tập không gian được sửdụng phổ biến trong truyền thông không dây Phân tập không gian sử dụng nhiềuanten hoặc mảng các chuỗi được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phíathu Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu khôngtương quan với nhau hoặc tương quan rất nhỏ Yêu cầu về khoảng cách giữa cácanten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc.Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tươngquan với nhau Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát đượctruyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian Không giống nhưphân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băngthông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trongtương lai

Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà người tachia phân tập không gian thành 3 loại: phân tập anten phát (hệ thống MISO), phântập anten thu (hệ thống SIMO), phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO).Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiênbản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu phát được kếthợp một cách hoàn hảo để tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu ở phía thu và làm giảmbớt pha đinh đa đường Trong hệ thống thực tế, để đạt được tỉ lệ lỗi bit (BER) của

hệ thống theo yêu cầu, ta kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường

để cung cấp sự phân tập nhiều chiều (multi-demnsional diversity)

Hình 2.2.10: Cấu hình anten trong hệ thống không dây

So sánh với hệ thống đơn anten theo thường lệ thì dung lượng kênh của hệ thống đaanten với MT anten phát và MR anten nhận có thể tăng tỉ lệ với hệ số min[MT, MR]

mà không sử dụng thêm công suất phát và không mở rộng thêm băng thông kênhtruyền Vì nhu cầu tăng nhanh tốc độ truyền dữ liệu trong những năm gần đây,

hệ thống đa anten đã được đánh giá tích cực và phát triển thành công trong mạngtruy cập không dây băng rộng (Mobile Wimax, UWB )

Các công nghệ MIMO có thể chia thành 2 hướng chính: phân tập (diversity) vàhợp kênh không gian (spatial-multiplexing) Kỹ thuật phân tập có khuynh hướngnhận các tín hiệu có thông tin cùng liên quan hoặc phát cùng thông tin này trênnhiều anten, vì vậy cải tiến được độ tin cậy truyền tin Còn kỹ thuật hợp kênhkhông gian thì nhiều luồng dữ liệu độc lập được phát đồng thời trên nhiều antenkhác nhau, vì vậy phát theo cách này thì tốc độ truyền dữ liệu sẽ cao hơn

2.3 Kỹ thuật phân tập thời gian [21]

Hình 2.3.11: Phân tập thời gian

Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh Sau đây ta sẽ

so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênhtruyền rất nhỏ Từ hình vẽ sau đây, ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi phađinh nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mấtmột ký tự và ta có thể phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi pha đinh

Hình 2.3.12: Kỹ thuật ghép xen kênh

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua nhữngkhe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu pha đinh không tương quan vớinhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênhtruyền hoặc nghịch đảo của tốc độ pha đinh Mã điều khiển lỗi thường được sửdụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệthống không mã hóa Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với

xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bảncủa tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảngthời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xenkênh để thu được pha đinh độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vì tốn thời gian cho bộxen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môitrường pha đinh nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Đối vớikênh truyền pha đinh chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trễ truyềnđáng kể.

2.4 Kỹ thuật phân tập phân cực [22]

Phân tập phân cực đã được đưa ra thảo luận cách đây 20 năm, nhưng chỉ thực

sự thu hút các nhà khoa học trong những năm gần đây Nguyên nhân chính là dophương pháp này không yêu cầu thêm bất kỳ băng thông nào hay phân chia vật

lý giữa các anten Các kênh độc lập được sử dụng các đường phân cực ngang vàphân cực dọc độc lập nhau để thông tin

Hình 2.4.13: Phân tập phân cực

Ngoài những kỹ thuật phân tập cơ bản được trình bày trên đây thì trên thực tếcòn có các kỹ thuật phân tập kết hợp như phân tập không gian - thời gian, kỹthuật phân tập không gian - tần số [21]

Hình 2.4.14: Phân tập kết hợp

Kỹ thuật đảo ngược thời gian (Time Reversal - TR) là kỹ thuật tập trung nănglượng tín hiệu phát theo không gian và thời gian hướng đến đúng đối tượng cầnphát, giúp cho máy thu mong muốn nhận tín hiệu sẽ nhận được tín hiệu có nănglượng lớn, và tín hiệu này không gây nhiễu cho những máy thu xung quanh Khônggiống như các bộ xử lý tín hiệu được áp dụng bên phía thu: bộ cân bằng (Equalizer)hay bộ thu RAKE thường làm cho cấu tạo máy thu trở nên phức tạp, còn kỹ thuật

TR được đánh giá là một kỹ thuật đơn giản, áp dụng bên phía phát, đây là mộtthuận lợi rất lớn hướng đến sản xuất các thiết bị nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo đượcchất lượng thu tín hiệu tốt nhất

Truyền thông tin không dây đơn người dùng sử dụng kỹ thuật TR, trải qua 2 quátrình: quá trình lưu và quá trình truyền thông tin

• Quá trình lưu thông tin: khi trạm phát BS muốn truyền thông tin đườngxuống đến người nhận Y1 (hình 3.15), thì trước hết người dùng thứ Y1 phảiphát một tín hiệu dạng xung ngắn IR thông qua môi trường tán xạ đa đườngđến trạm BS, trạm BS phải lưu các tín hiệu đa đường h(t) này lại Các tínhiệu đa đường này được xem như là thông tin kênh truyền giữa trạm BS vàngười dùng Y1

• Quá trình thứ hai là quá trình truyền thông tin: sau khi trạm phát BS lưuthông tin kênh truyền từ người dùng Y1 gởi đến, trạm BS sẽ sử dụng một

bộ đảo ngược thời gian (Time Reversal Miror - TRM) được đặt tại BS đểđảo ngược thời gian (và liên hợp phức) h∗(−t), sau đó tích chập với dữ liệu

X truyền ra môi trường đến người dùng Y1 Như vậy, nhờ nhận được thôngtin từ người dùng Y1 gởi tới trước mà trạm phát BS biết được thông tin vềkênh truyền như thế nào và có thể tìm được dấu vết đường đi từ Y1 gởi đến

BS Do đó phân bố không gian công suất tín hiệu được định hướng đúngđến người cần nhận thông tin, được gọi là tập trung không gian Cũng vậy,

từ một điểm xử lý tín hiệu trong thông tin đơn người dùng, về cơ bản thì

TR cũng có tác động tích cực như một bộ lọc tập trung năng lượng tín hiệuđịnh hướng đến người dùng, được gọi là tập trung thời gian

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN

3.1 Lý thuyết đảo ngược miền thời gian [2, 7, 8, 11, 16]

Hình 3.1.15: Mô hình hệ thống UWB sử dụng kỹ thuật đảo ngược thời gian TR

Dưới đây là một số kết quả mô phỏng đáp ứng xung kênh truyền h(t), phát ở môitrường CM4, môi trường truyền trong nhà có tầm nhìn bị che khuất (NLOS), với

Hình 3.2.16: Hình ảnh đáp ứng xung h(t) và đảo ngược thời gian của h∗(−t)

Giả sử tại BS đã biết đáp ứng kênh truyền của môi trường là h(t) (257 taps), thìtích chấp giữa tín hiệu được tạo ra tại bộ TRM h∗(−t) (257 taps) với h(t) là nănglượng tín hiệu hầu hết tập trung tại một đỉnh (tại tap L − 1) hướng đến ngườidùng mong muốn, và tích giữa đáp ứng xung giữa h0∗(−t) (257 taps) và các đápứng xung không mong muốn h(t) là các tín hiệu có mức năng lượng thấp, các tínhiệu này xem như là nhiễu đối với tín hiệu mong muốn nhận được: nhiễu ở đây cóthể là nhiễu liên kí tự (ISI), nhiễu liên anten (IAI), và nhiễu IUI (nhiễu liên ngườidùng) Tuy vậy, các tín hiệu này có mức năng lượng thấp, phân bố rải rác nên nó

ít ảnh hưởng đến tín hiệu chúng ta mong muốn thu