Tìm hiểu mạng PAN công nghệ ultra wide band

Tìm hiểu mạng PAN công nghệ ultra wide band

Trường Đại học Bách khoa Hà nội Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠNG Tìm hiểu mạng PAN (Personal Area Network)

Công nghệ Ultra-Wide Band

Hướng dẫn: PSG.TS Đặng Văn Chuyết Thực hiện:

Phùng Vũ Nhật Duy 20080461 TTM-K53

Hà nội, tháng 11 năm 2012

MỤC LỤC

II Công nghệ Ultra-Wide Band 5

1 Giới thiệu chung 5

2 Phân loại 6

2.1 Direct Sequence-UWB (UWB Forum) 6

2.2 Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM/ WiMedia) 9

3 Kiến trúc mạng 10

4 Kiến trúc phân tầng 13

Các tầng giao thức của công nghệ UWB 13

a Kênh truyền vật lý 13

b Tầng giao thức điều khiển truy cập 15

5 Ứng dụng của công nghệ Ultra-wideband trong Y học 16

5.1 Tại sao lại ứng dụng UWB trong y học ? 16

5.2 Kiểm tra trong y học (Medical Monitoring) 17

5.3 Vấn đề chụp chiếu trong y học (Medical Imaging) 19

III Kết luận 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

I Giới thiệu mạng PAN (Personal Area Network)

Với nhu cầu sử dụng Internet ngày càng gia tăng, việc phát triển các công nghệ không dây trở nên

vô cùng cấp thiết Nó đảm bảo cho việc người sử dụng có thể truy nhập Internet mọi lúc, mọi nơi với các thiết bị cá nhân như điện thoại di động, hay các thiết bị cầm tay khác Từ đó mạng PAN (Personal Area Network) ra đời với khá nhiều ưu điểm như tiêu tốn ít năng lượng điện, ít gây hại đến sức khỏe con người, cũng như có thể truyền dữ liệu với nhiều dải tốc độ khác nhau

Tháng 3 năm 1999 tổ chức IEEE đã đưa ra chuẩn 802.15 định nghĩa về mạng PAN cho các mạng

không dây trong phạm vi hẹp Trong chuẩn này, có định nghĩa mạng PAN (Personal Area Network) là

mạng kết nối không dây cá nhân, phạm vi kết nối tối đa là 10 m.

Công nghệ PAN gồm 3 hướng phát triển chính, đó là công nghệ Bluetooth, ZigBee và Ultra Wide band

Trong ba loại này, công nghệ Bluetooth đã được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.15.1 và được triển khai khá rộng rãi trên hàng triệu thiết bị di động Công nghệ này hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 3Mbps và phạm vi truyền tối đa là 100m, đồng thời đảm bảo sự tiêu tốn điện năng thấp

Công nghệ thứ hai, ZigBee được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.15.4, hỗ trợ tốc độ truyền chỉ đến 250 kbps tuy nhiên lại tốn ít điện năng hơn nhiều so với công nghệ Bluetooth, nên được sử dụng rộng rãi trong mạng sensor

Cuối cùng là công nghệ Ultra-wide band (UWB) được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.15.3a Đây là một công nghệ mới, với khả năng truyền tốc độ cao, trong khoảng 110 Mbps đến 480 Mbps trên

một khoảng cách nhỏ hơn 10 m Không những vậy, công nghệ này tiêu tốn năng lượng ít nên trong tương lai, hứa hẹn sẽ thay thế hoàn toàn mạng có dây đang sử dụng Dưới đây, bản báo cáo này sẽ tập trung vào,các khái niệm tổng quát, hoạt động cũng như các ứng dụng của công nghệ này.

II Công nghệ Ultra-Wide Band

1 Giới thiệu chung

Có 2 cách định nghĩa cho tín hiệu ultra wide band (UWB):

• Theo định nghĩa thông thường, tín hiệu UWB là tín hiệu có tỉ số giữa độ rộng dải thông trên tần

số trung tâm lớn hơn 0.25 hoặc tổng bandwidth lớn hơn 1.5 GHz

• Vào tháng 2 năm 2002, tổ chức FCC (Federal Communications Commission) của Mỹ đã định nghĩa về tín hiệu ultra wide band là tín hiệu có tỉ số giữa độ rộng dải thông trên tần số trung tâm lớn hơn 0.2 hoặc tổng bandwidth lớn hơn 500 MHz

Khác với công nghệ việc sử dụng các sóng radio với chu kì lớn trên một dải tần ngắn của

Bluetooth và ZigBee, công nghệ Ultra wide band lại sử dụng các sóng với chu kì ngắn (khoảng 10^(-12)

giây đến 10^(-9) giây ) trên một dải tần rộng Theo định luật Shannon, ta có:

(S/N là tỉ số Signal to Noise - SNR)

Do đó, bandwidth B càng rộng thì tốc độ truyền dữ liệu C (data rate) càng lớn, vậy nên với dải tần rộng, công nghệ UWB có khả năng truyền dữ liệu lớn (hàng trăm MHz đến vài GHz) với sự tiêu hao năng lượng nhỏ

2 Phân loại

Có 2 chuẩn về công nghệ Ultra-Wideband, đó là Direct Sequence UWB (UWB Forum) và

Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM/ WiMedia)

2.1 Direct Sequence-UWB (UWB Forum)

Direct Sequence-UWB (UWB Forum) là công nghệ mà trong đó, các sóng radio đều là các

xung đơn, và trải ra trên một trong hai dải phổ tương ứng: đó là dải 3.1 GHz – 4.85 GHz và 6.2 GHz –

9.7 GHz Với công nghệ này, các xung thường có chu kì ngắn (nano giây), và năng lượng thấp, phổ của

DS-UWB cung cấp một số tham số có ảnh hưởng đến tốc độ của đường truyền dữ liệu Tốc độ truyền dữ liệu có thể từ 55 Mbps đến 1.32 Gbps trong dải 3.1 GHz hoặc từ 55 Mbps đến 2 Gbps trong dải 6.2 GHz

Trong chuẩn công nghệ này, thường có 2 kiểu điều chế:

a Điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation)

Nếu có là tín hiệu dạng sóng UWB, k là bit được truyền (0 hoặc 1), khi đó được dùng

để đại diện cho các bit k như sau:

=

thì tín hiệu sau khi được điều chế s(t) được xác định theo công thức: s(t) = *

với = - , và σ liên hệ với chu kì xung theo công thức σ = / 2

b On – Off Keying

Cách điều chế được thể hiện như hình vẽ trên đây Tương tự như cách điều chế theo biên độ xung, tín hiệu sau khi điều chế cũng được xác định theo công thức

time-a Điều chế dữ liệu với kỹ thuật Time-Hopping

Trong kỹ thuật này, vị trí các xung sẽ được xác định bởi một mã giả ngẫu nhiên (pseudo-random code) Bằng cách này, các người dùng khác nhau sẽ được phân biệt với nhau qua mã ngẫu nhiên và có thể truyền tín hiệu trong cùng một thời điểm

Tín hiệu được truyền đi của người dùng thứ j sẽ được định nghĩa như sau:

trong đó, là bit dữ liệu thứ k của người dùng j, là số lượng xung sẽ được truyền cho mỗi bit dữ liệu Tổng số thời gian truyền dữ liệu sẽ được chia thành frame, mỗi frame có thời lượng , và chúng lại tự chia nhỏ thành các khe thời gian Tại mỗi frame, sẽ chứa một xung mà vị trí của nó được xác định bởi mã giả ngẫu nhiên của người dùng j và ký tự sẽ được mã hóa

b Điều chế dữ liệu với kỹ thuật Direct-Sequence

Tương tự, trong kỹ thuật này mỗi người dùng sẽ được phân biệt với nhau bởi mã giả ngẫu nhiên (PR code) Tín hiệu sau điều chế của người dùng j sẽ được xác định bởi công thức:

trong đó, là bit dữ liệu thứ k của người dùng j, là chip thứ l của mã giả ngẫu nhiên, là tín hiệu dạng sóng với chu kỳ , là độ dài chip (bằng ) là số lượng xung trong mỗi bit dữ liệu,

và j là chỉ số của người dùng Chuỗi giả ngẫu nhiên có giá trị trong {-1, +1} và độ dài bit là

2.2 Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM/ WiMedia)

Khác với DS-UWB đã trình bày ở trên, chuẩn Multi-Band Orthogonal Frequency Division

Multiplexing (MB-OFDM/ WiMedia) chia dải tần số 3.1 GHz – 10.6 GHz ra thành 14 băng tần con

bằng nhau không chồng lấn lên nhau, trong đó mỗi băng con có độ rộng là 528 MHz

Với công nghệ WiMedia, tại mỗi băng tần con, tín hiệu UWB sẽ được điều chế theo các phương pháp tương tự như trong công nghệ DS-UWB và tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ này có thể từ 53.3 Mbps đến 480 Mbps

Trong công nghệ WiMedia, các thiết bị tạo thành mạng piconet, trong đó phải có một thiết bị đóng vai trò điều phối, quản lý mạng , được gọi là Piconet Coordinator (PNC) Mạng Ad-Hoc này thường

có kích cỡ trong khoảng 10 m, và thiết bị trao đổi thông tin với nhau theo kiểu mạng ngang hàng peer to peer Các thiết bị có thể dễ dàng tham gia cũng như rời khỏi mạng, tuy nhiên số lượng các thiết bị trong mạng chỉ tối đa là 243 Trong mạng Ad-Hoc, mỗi thiết bị sẽ có số ID riêng, được cấp bởi PNC để phân biệt với nhau

Chức năng chính của Piconet Coordinator (PNC) bao gồm:

• Định kì gửi các frame chứa thông tin cần thiết cho các hoạt động trong piconet

• Gán các khung thời gian , các time slot vào các frame dữ liệu

• Điều khiển chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service), chế độ tiết kiệm năng lượng, điều khiển truy nhập

• Xác định time slot cho các thiết bị và phân phối các khóa dùng để xác thực, bảo vệ dữ liệu

Nếu không có kênh rỗi, một thiết bị có thể tự tạo một mạng piconet phụ thuộc Trong cùng một kênh, nếu có hai piconet hoạt động, một piconet sẽ là piconet cha (parent piconet) , một piconet sẽ là piconet phụ thuộc (dependent piconet)

Các piconet phụ thuộc sẽ có ID và PNC riêng, piconet này có thể là piconet con (children piconet) hay piconet hàng xóm (neighbor piconet) đối với piconet cha Trong hai piconet này, chỉ có piconet con

là có thể mở rộng vùng mạng do PNC trong piconet con chính là một thiết bị trong mạng piconet cha Ngược lại, piconet hàng xóm sẽ không thể mở rộng vùng mạng của piconet con, do PNC không phải là thiết bị trong piconet cha

Nếu có kênh trống, thiết bị tạo piconet sẽ trở thành PNC, nó sẽ lựa chọn kênh truyền phù hợp cho piconet mới này, sau đó mới truyền dữ liệu Ngược lại, nếu không có kênh trống, thiết bị sẽ tạo ra một mạng piconet phụ thuộc

b Thiết bị tham gia vào mạng

Sau khi các mạng piconet được phát hiện với passive scanning và được xác thực bởi PNC, các piconet sẽ trao đổi các thông tin cần thiết với PNC (tốc độ truyền dữ liệu mà tầng vật lý hỗ trợ, trạng thái năng lượng điện, không gian buffer, khả năng trở thành PNC,…)

Sau đó, thiết bị gửi requets đến PNC để tham gia vào piconet, nếu được PNC sẽ gửi trả phản hồi Khi đã thành piconet và gia nhập vào mạng, thông tin về thiết bị sẽ được PNC broadcast tới các thiết bị khác trong mạng

c Chuyển giao PNC

Khi thiết bị đóng vai trò PNC rời khỏi mạng (hay hết pin !), cần có thiết bị khác thay thế Thông thường, PNC sẽ lựa chọn thiết bị tốt nhất trong số các thiết bị có khả năng làm PNC Ngoài ra, khi một thiết bị mới gia nhập mạng piconet, PNC có thể sẽ chuyển giao ngay vai trò cho thiết bị mới này nếu thấy thiết bị này có khả năng, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra khi các chính sách bảo mật cho phép

Khi được chuyển giao, PNC mới được chuyển giao sẽ bảo lưu mọi time slot mà PNC cũ đã xác định cho các thiết bị, do đó mọi hoạt động trong piconet sẽ không bị đứt quãng

4 Kiến trúc phân tầng

Trong kiến trúc của công nghệ WiMedia, 2 tầng quan trong nhất là tầng vật lý (Physical - PHY),

và giao thức điều khiển truy nhập (Medium Access Control - MAC) Nếu như tầng PHY có nhiệm vụ định nghĩa, miêu tả về nội dung các frame sẽ truyền đi thì tầng MAC sẽ mô tả cách thức truyền thông giữa các thiết bị để gửi nhận các frame này

Các tầng giao thức của công nghệ UWB

a Kênh truyền vật lý

Tầng vật lý sẽ truyền tín hiệu dạng sóng thu được sau quá trình biến đổi FFT ngược để tạo ra một

kí tự OFDM.(OFDM symbol) Tất cả các kí tự này đều có cùng độ dài và tốc độ truyền như nhau là 640 Mb/s Mã hóa các tín hiệu vào quá trình FFT ngược khác nhau sẽ cho ta các tốc độ mã hóa khác nhau (53.3, 80, 106.7, 160, 200, 320,400 và 480 Mb/s) Dữ liệu được mã hóa thông qua các kí tự OFDM (các

kí tự đóng vai trò như sóng mang), thường 6 kí tự tạo thành 1 block và được gửi đi

Thông thường giữa các kí tự, tầng vật lý thường thay đổi tần số truyền nên các block kí tự sẽ được truyền qua 1 , 2 hay 3 băng tần số sát nhau (mỗi băng tần số rộng 528 MHz) Tập hợp 3 băng tần sẽ tạo thành 1 Band Group Và thứ tự sử dụng các băng tần số sẽ xác định kênh truyền vật lý

Hình vẽ trên đây mô tả các block kí tự được truyền qua 3 băng tần số liền kề: băng 1, 2, và 3 sẽ tạo thành Band Group 1, được xác định là kênh truyền 9 (kênh TFC-1) Trong đó, kí tự đầu tiên được truyền tại tần số trung tâm 3432 MHz, kí tự thứ hai được truyền tại 3960 MHz, kí tự thứ ba được truyền tại 4488 MHz, kí tự thứ tư lại được truyền tại tần số 3432 MHz… Để đóng gói thông tin truyền đi, tầng vật lý sẽ có cấu trúc frame như hình vẽ dưới đây

Một frame dữ liệu trong công nghệ WiMedia gồm 3 thành phần: (thứ tự từ trái sang phải)

- Preamble: sẽ được truyền đầu tiên, là phần thông tin dùng để đồng bộ thời gian giữa phía gửi và

phía nhận

- Header : chứa thông tin cơ bản về frame, từ đó phía thu biết cách để xử lý VD: thông tin trong

header có thể xác định nơi nhận là 1 thiết bị hay nhiều thiết bị, frame này chỉ là frame đơn hay là 1 trong chuỗi các frame,… Phần header luôn được truyền với tốc độ 39.4 Mb/s

- Payload: là phần dữ liệu cần truyền đi, phần này thường được truyền với tốc độ được xác định

trong trường header (53.3, 80, 106.7, 160, 200, 320, 400, 480, 640, 800, 960 hoặc 1024 Mb/s) Với các frame không chứa dữ liệu, payload có thể bao gồm các thông tin hỗ trợ các giao thức Với frame dữ liệu, nội dung của phần payload sẽ tùy thuộc vào ứng dụng cần truyền, nó có thể là thông tin file, video, …Dữ liệu trong phần này có dung lượng trong khoảng 1 byte đến 4095 byte , hoặc có thể trống nếu không cần thiết Nếu ứng dụng cần truyền dữ liệu lớn hơn 4095 bytes, dữ liệu sẽ bị chia nhỏ thành các frame Frame check sequence (FCS) được đặt ở cuối payload để kiểm tra độ chính xác của gói tin trong quá trình truyền

b Tầng giao thức điều khiển truy cập

Nếu như tầng PHY có nhiệm vụ định nghĩa, miêu tả về nội dung các frame sẽ truyền đi thì tầng MAC sẽ mô tả cách thức truyền thông giữa các thiết bị để gửi nhận các frame này Như đã trình bày ở phần trước, mạng Ad-Hoc thường được sử dụng với công nghệ UWB/WiMedia Tại đây, các thiết bị (hay các nút mạng) vừa có chức năng chuyển tiếp dữ liệu, vừa có chức năng khởi tạo phiên truyền thông với thiết bị đầu cuối khác Trong mạng Ad-Hoc, giao thức MAC (Media Access Control) có nhiệm vụ điều phối các truy cập của các nút mạng trong kênh truyền

Trong tầng này, hai phương pháp truy cập thường được dùng là CSMA/CA (Carrier sense

multiple access with collision avoidance) và TDMA (Time division multiple access) Phương thức

CSMA/CA là giao thức truy nhập ngẫu nhiên, dùng cho việc truyền dữ liệu Nó giả sử rằng các nút mạng (các thiết bị) có khả năng kiểm tra trạng thái của kênh truyền trước khi truyền dữ liệu Nếu kênh truyền rỗi, thiết bị được phép truyền dữ liệu Nếu kênh truyền bận, các thiết bị sẽ hoãn việc truyền dữ liệu và truyền lại sau đó với cơ chế backoff Để tránh việc 2 nút mạng xảy ra xung đột do không lắng nghe trạng thái của nhau, giao thức CSMA/CA cũng định nghĩa cơ chế Virtual Carrier Sense: một nút mạng trước khi truyền dữ liệu, sẽ truyền một gói tin ngắn RTS (Request to Send), trong đó bao gồm địa chỉ nguồn, đích và thời gian của phiên truyền thông Nếu kênh truyền rỗi, phía nhận sẽ đáp trả cũng với 1 bản tin ngắn CTS (Clear to Send) trong đó bao gồm thông tin về thời gian truyền thông tương ứng Bất kể nút mạng nào khi nhận được 1 trong 2 bản tin RTS hay CTS cũng sẽ lưu lại thời gian tương ứng , để kết hợp với các nút mạng khác, đảm bảo không có việc đụng độ thông tin trong quá trình truyền

Giao thức TDMA chia kênh truyền ra thành nhiều frame có độ dài cố định với khoảng thời gian

cố định (timeslot) Với mỗi frame, mỗi nút mạng sẽ xác định 1 time-slot riêng cho phiên truyền thông của mình

5 Ứng dụng của công nghệ Ultra-wideband trong Y học

Như đã đề cập trong phần trước, công nghệ Ultra-wideband (UWB) có 2 chuẩn là Impulse Radio (IR) và Multi-band OFDM (WiMedia) nên cũng được ứng dụng theo những cách khác nhau Với phương pháp WiMedia, việc chia nhỏ dải tần thành các băng tần con được ứng dụng trong truyền thông tốc độ cao với khoảng cách ngắn Với chuẩn IR, bằng việc sử dụng các sóng chu kì ngắn, năng lượng thấp, UWB có thể ứng dụng trong truyền thông Internet, định vị chính xác với khoảng cách centimet, và ứng dụng làm radar với độ phân giải cao trong y học

Xu hướng ứng dụng công nghệ UWB đã nổi lên từ những năm 1993-1994 Ngày 9/8/1994, tại nước Mỹ, ứng dụng UWB radar trong y học đã được cấp bằng sáng chế Một năm sau, viện công nghệ MIT đã bắt đầu một dự án nghiên cứu về vấn đề này, năm 1996, phương pháp y học dùng UWB radar trong việc chụp ảnh, theo dõi bên trong cơ thể người cho kết quả tốt và cũng được trao bằng sáng chế

Kể từ đó, UWB đã được biết đến như một công nghệ chụp, chiếu từ xa các bộ phận bên trong cơ thể người Nếu so sánh với tia X trong công nghệ X-quang, các đầu dò (sensor) của UWB radar sử dụng các sóng điện từ không có tính ion hóa, nên không gây hại đến sức khỏe con người Hơn thế nữa, tín hiêu UWB có năng lượng thấp nên phù hợp với việc chụp chiếu cơ thể người, đặc biệt trong thời gian thực

Từ năm 1999, rất nhiều công trình nghiên cứu về ứng dụng UWB trong y học, đặc biệt là về tim mạch, động mạch, khí quản và khoa sản đã được bắt đầu tiến hành

5.1 Tại sao lại ứng dụng UWB trong y học ?

Công nghệ UWB sử dụng các xung với chu kì rất ngắn, do vậy nó có phổ ở dưới mức nhiễu Tính năng này khiến tín hiệu UWB rất phù hợp đề truyền đi với tốc độ cao trong thời gian ngắn Ngoài ra, tín hiệu UWB còn có một số đặc điểm phù hợp với y học như sau:

a Khả năng đâm xuyên qua chướng ngại vật

Tín hiệu siêu âm (ultra-sound - tín hiệu ngoài ngưỡng nghe của con người, lớn hơn 20 kHz) là tín hiệu cũng được dùng nhiều trong y học và cũng có nhiều điểm tương đồng với tín hiệu UWB, tuy nhiên điểm khác nhau cơ bản là siêu âm là công nghệ line of sight và khoảng cách mà nó dùng được trong y học là rất ngắn (cỡ vài inches) Với công nghệ UWB, chính do việc dùng các sóng radio, chứ không phải các sóng âm tần số cao nên nó có độ tăng ích cao, dẫn đến khả năng đâm xuyên qua các chướng ngại vật (có thể qua tường) Do đó, tín hiệu UWB có thể được ứng dụng dễ dàng trong việc chụp chiếu các cơ quan bên trong cơ thể người

b Khả năng chính xác cao đến từng centimet

Khả năng chính xác này có thể hiều như khả năng giải quyết vấn đề multi-path (đa đường) Như

đã đề cập trong phần trước, do dùng các sóng chu kì ngắn nên có khă năng giải quyết vấn đề multi-path