Tiểu luận hệ thống UWB

Tiểu luận hệ thống UWB

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

MỤC LỤC

I.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 7

I.1.Giới thiệu về hệ thống UWB 7

a Lịch sử phát triển của UWB 8

b Các ưu điểm của UWB 9

c Những thách thức của UWB 9

I.2.Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB 10

a Mặt nạ phổ công suất 10

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB .11 b Mẫu xung 11

Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng 13

Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung Gaussian doublet 14

c Chuỗi xung 14

Hình 1.5: Chuỗi xung UWB 15

d Đa đường 15

Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH) 16

Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu 18

e Các đặc điểm khác 18

Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn 20

Bảng 1.1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây 20

Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác 21

I.3.Các lĩnh vực ứng dụng của UWB 21

Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB 22

I.4.Tổng kết 23

Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau 24

II.MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB 24

II.1.Mở đầu 24

Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà 25

Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu .26

Hình 2.4: Minh hoạ mô hình hoá PDP của tín hiệu UWB 29

II.2.Mô hình kênh 29

a Sử dụng mô hình 30

Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m 30

II.3.Tổng kết 30

III.TRUYỀN THÔNG UWB 31

III.1.Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 31

Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 32

Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB 33

a Điều chế vị trí xung (PPM) 33

Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’ 34

Bảng 3.1: Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu với BPPM trong kênh AWGN 35 Hình 3.4: Hàm tự tương quan chuẩn hoá của các dạng sóng khác nhau, và với một số độ rộng xung khác nhau trong đó tp1=0.7521 ns, n=2,5,14; tp2=0.5 ns, n=2,5; với n là bậc của xung Gaussian 36

36

b Tổng kết về các phương pháp điều chế 36

Hình 3.8: mô phỏng các hệ thống một người dùng UWB trong kênh AWGN39 Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau39 III.2.Bộ phát 39

Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung 40

III.3.Các kĩ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB 40

IV.ĐÁNH GIÁ VỀ HỆ THỐNG UWB 42

IV.1.Dung lượng của các hệ thống UWB 42

Hình 4.1: Dung lượng người dùng với nhiều người sử dụng là hàm của số người sử dụng Nu với hệ số trải phổ ©IEEE 2002 44

IV.2.So sánh với các hệ thống truyền thông băng rộng 45

Hình 4.2: So sánh các phạm vi ứng dụng của các công nghệ truyền thông vô tuyến khác nhau theo khoảng cách 46

Hình 4.3: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ nhảy tần 47

Hình 4.4: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp Hai người dùng phân biệt với nhau bởi hai mã khác nhau 47

Hình 4.5: So sánh BER của ba hệ thống băng rộng DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng 49

Hình 4.6: So sánh BER của ba hệ thống khi 30 người dùng đồng thời truyền dẫn 50

Hình 4.7: So sánh BER theo số người dùng với các hệ thống UWB và DSSS.50 IV.3.Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB và các hệ thống truyền thông khác 51

Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại 52

a Các mạng nội hạt không dây (WLAN) 52

Hình 4.9 Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN 53

b Bluetooth 53

c GPS 54

d Các hệ thống thông tin tế bào 54

IV.4.Tổng kết 54

LỜI NÓI ĐẦU

So với các lĩnh vực truyền thông khác, thông tin vô tuyến có sự tăng trưởng

nhanh chóng Xu hướng hiện nay là sử dụng các thiết bị di động để truy cập các dịch vụ Internet tốc độ cao Một trong những hướng đi của vấn đề này là sử dụng công nghệ UWB Công nghệ này cho phép các kết nối vô tuyến có tốc độ cao hơn hẳn so với các kết nối vô tuyến khác Đây là một công nghệ mới không chỉ mới ở Việt Nam mà còn là một công nghệ mới mẻ trên thế giới và là một công nghệ có nhiều tiềm năng ứng dụng cao.

Vấn đề xử lí tín hiệu có một vai trò hết sức quan trọng trong các hệ thống vô

tuyến nào Cũng như bất kì một hệ thống truyền thông nào khác, vấn

đề xử lí tín hiệu trong truyền thông UWB là một trong những vấn đề quyết định đến sự thành công của hệ thống, qua đó có thể xem xét đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giới hạn có thể Trong nội dung đồ án này em sẽ nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền thông UWB và đánh giá hệ thống dưới quan điểm xử lí tín hiệu

Về nội dung đồ án được chia thành IV:

I Tổng quan về hệ truyền thông UWB: giới thiệu tổng quan về hệ thống UWB,

các đặc tính cơ bản của tín hiệu và hệ thống UWB từ đó cho thấy tiềm năng ứng dụng của UWB là rất lớn Các đặc điểm đặc biệt quan tâm của hệ thống UWB là các quy định về phổ tần của FCC đưa ra Lợi thế

về băng thông, khả năng chống đa đường của tín hiệu UWB làm tín hiệu UWB trở lên rất hấp dẫn đối với lĩnh vực viễn thông Ngoài ra các đặc tính khác của tín hiệu UWB như khả năng đâm xuyên, định vị làm lĩnh vực ứng dụng của nó trở nên rất rộng và linh hoạt.

II Mô hình kênh cho UWB: trình bày một mô hình kênh vô tuyến trong nhà áp

dụng cho truyền thông UWB.

III Truyền thông UWB: trình bày các thành phần quan trọng hệ thống truyền

thông, nhấn mạnh vào cách khía cạnh quan trọng của hệ thống như điều chế, đa truy nhập và sử dụng máy thu Rake để thu tín hiệu.

IV Đánh giá một số khía cạnh của hệ thống truyền thông UWB: xem xét các

vấn đề quan trọng có ý nghĩa quyết định đến sự thành công của hệ thống truyền thông UWB như dung lượng; ảnh hưởng nhiễu qua lại với các hệ thống

truyền thông vô tuyến khác; so sánh hiệu năng với một số hệ thống truyền

thông băng rộng hiện tại; và các trường hợp ứng dụng cụ thể của nó.

I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB

I.1 Giới thiệu về hệ thống UWB

Chương này giới thiệu các khái niệm chung về UWB và giải thích mà không

sử dụng quá nhiều công thức để chứng minh UWB là một kĩ thuật hấp dẫn và cótính đột phá Trước hết tôi trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằngUWB không hoàn toàn là kĩ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn các kĩthuật xử lí tín hiệu được sử dụng Với các ưu thế như tốc độ cao, công suất tiêu thụthấp, gây nhiễu nhỏ v,v, các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trongtương lai với các ứng dụng không dây Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWBtrước hết tôi trình bày định nghĩa về truyền thông UWB

Trong đó B:=f H -fL chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ

thống UWB với f c =(f H +f L )/2 với f H là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so

với tần số có công suất cực đại, và f L là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB

so với tần số có công suất cực đại

Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụmục đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất Tuynhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứngdụng điện tử viễn thông Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là côngsuất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gâynhiễu cực nhỏ

Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đâymới thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến Kĩ thuật UWB có khácbiệt so với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường- thay bằngtruyền dẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải rộng tần

số Dạng truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi

các chuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây Với băng tần rộng vàcông suất rất nhỏ làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền.

a Lịch sử phát triển của UWB

Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là côngnghệ cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có Đó là tốc độ cao, kích

cỡ thiết bị nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới Tuynhiên, đúng hơn UWB là công nghệ mới theo nghĩa các thuộc tính vật lí mới của

nó được phát hiện và được đưa vào ứng dụng

Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện naydựa vào các sóng dạng sin Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nênphổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệthống truyền thông đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu dạng xung Năm 1893Heirich Hertz sử dụng một bộ phát xung để tạo sóng điện từ cho thí nghiệm củaông Các sóng đó hiện nay có thể được gọi là các tạp âm màu Trong khoảng 20 nămsau những thí nghiệm đầu tiên của Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là các bộ phát tialửa điện giữa các điện cực cacbon

Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thôngchủ yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lạimột cách nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và truyềnthông Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kếtquả chính xác với các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn Các thànhphần tần số thấp của tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo cơ sở để phát

triển các loại rada quan sát những vật thể che khuất như rada lòng đất Năm 1973

có bằng sáng chế đầu tiên cho truyền thông UWB Lĩnh vực ứng dụng UWB đãchuyển theo hướng mới Các ứng dụng khác, như điều khiển giao thông, các hệthống định vị, đo mực nước và độ cao cũng được phát triển Phần lớn các ứng dụng

và phát triển diễn ra trong lĩnh vực quân sự hay nghiên cứu được tài trợ bởi chínhphủ Mĩ dưới các chương trình bí mật Trong quân đội, các chương trình nghiên cứuứng dụng công nghệ UWB như rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa cácchương trình nghiên cứu và phát triển Điều chú ý là trong những năm đầu, UWB

được gọi là kĩ thuật băng gốc, kĩ thuật không sóng mang, và kĩ thuật xung Bộ Quốc phòng Mĩ được coi là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ ultra wideband.

Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu thương mại hoá các hệ thống và thiết bịtruyền thông UWB Các công ty như Time Domain và đặc biệt là XtremeSpectrumđược thành lập quanh ý tưởng truyền thông sử dụng tín hiệu UWB.

b Các ưu điểm của UWB

Các ưu điểm của UWB có thể tổng kết là:

1 Tốc độ cao

2 Giá thành thiết bị thấp

3 Chống đa đường

4 Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm

Tôi sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo,nhưng trước tiên tôi muốn nói đến khía cạnh hấp dẫn nhất của truyền thông UWB

đó là tốc độ cao Tốc độ cao cho phép đưa ra các ứng dụng và các thiết bị mới màhiện tại chưa có Tốc độ lớn hơn 100 Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt quatốc độ trên ở khoảng cách ngắn

Biểu thức Shannon được biểu diễn:

Biểu thức này nói cho thấy có ba cách có thể làm để tăng dung lượng kênh

Có thể tăng băng tần, tăng công suất tín hiệu hay giảm tạp âm Có thể thấy rằng

dung lượng kênh tăng tuyến tính với băng tần B nhưng chỉ theo hàm loga với công suất tín hiệu S Kênh UWB có băng tần rất lớn và thực tế có thể hy sinh (tăng) độ

rộng băng tần để giảm công suất phát và nhiễu đến các nguồn vô tuyến khác Quabiểu thức Shannon có thể thấy các hệ thống UWB có khả năng cung cấp tốc độ rấtcao cho các hệ thống truyền thông không dây Vấn đề này sẽ được xem xét tỉ mỉhơn ở chương 4

Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa cácngười dùng khác nhau Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều người cũng sửdụng có băng tần nằm trong dải tần này có thể bị ảnh hưởng và cần phải chắc chắnrằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ Đặc biệt là trongtrường hợp những người dùng này được độc quyền sử dụng dải tần của họ Do đógiải quyết vấn đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ thống UWB.

Những thách thức khác bao gồm cả việc các nhà sản xuất chấp nhận các tiêuchuẩn để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB Hiện nay chưa có sự nhấttrí hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũngnhư các thiết bị là rất rõ ràng

Giá thành thấp nhưng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại

bỏ nhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lêntương đương với các thiết bị vô tuyến hiện tại

I.2 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB

Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống và tín hiệu UWB Chitiết của mỗi đặc điểm được trình bày trong các chương tiếp theo Trước hết tanghiên cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB

a Mặt nạ phổ công suất

Phổ của tín hiệu UWB là một trong những vấn đề chính gây tranh luận giữa ngànhcông nghiệp vô tuyến và chính phủ để thương mại hoá UWB Thực tế, tên củacông nghệ là siêu băng rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của công nghệUWB Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ và quyđịnh khác nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễu tớicác người dùng khác ở gần hoặc chung dải tần số

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB

Các hệ thống UWB chiếm băng tần rất rộng và gây nhiễu tới các người dùnghiện tại Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác địnhnghĩa các mặt nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ởmỗi dải tần số khác nhau Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệthống UWB trong nhà Băng tần lớn liên tục 7.5 GHz nằm giữa tần số 3.1 GHz và10.6 GHz ở công suất phát tối đa cho phép là -41.3 dBm/MHz

Lí do chính của công suất đầu ra cho phép vô cùng nhỏ ở các băng tần 0.96GHz-1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, nhưthông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốcphòng gây áp lực để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó Công suất cho phép -41.3dBm/MHz là khá thấp so với ảnh hưởng nhiễu thực tế hệ thống UWB có thể gây

ra và nhiều nhóm chuẩn hoá hi vọng đạt được công suất phát cao hơn

b Mẫu xung

Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là monocycle (đơnchu trình) vì nó chỉ có một chu kì và có thể là bất kì hàm nào thoả mãn yêu cầu vềmặt nạ phổ Các dạng xung phổ biến là các xung Gaussian, Laplacian, Rayleigh vàHermittian ,v,v thường sử dụng các dạng đạo hàm của xung Gaussian Lí do để sửdụng xung Gaussian là các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian là tương đốiđơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ Trong nội dung đồ ánnày tôi chỉ nghiên cứu hệ thống và phân tích hệ thống sử dụng xung Gaussian (baogồm xung Gaussian và các đạo hàm của nó)

Monocycle p (t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t):

2 2

1 ( ) exp

2 2

t

p t

σπσ

tế và cần phải giới hạn độ rộng xung thực tế Một phương pháp hợp lí để xác định

độ rộng xung là chọn độ rộng xung phù hợp với phần trăm năng lượng trongkhoảng thời gian độ rộng xung chiếm Trong nội dung đồ án này độ rộng xung pwđược định nghĩa là:

w w

2 2 2 2

Bây giờ coi như độ rộng xung đã biết, số lượng mẫu trên một xung có thể đượcxác định Đây là điều quan trọng để biểu diễn tín hiệu số để sử dụng trong sử

Một dạng xung UWB điển hình là Gaussian doublet (x=2) Kiểu xung lí tín hiệu số và mô phỏng Đối với p 2 (t), thường sử dụng trong lí thuyết mô phỏng, có

thể biểu diễn bởi 10 mẫu trên một xung, nếu có chênh lệch cỡ 50 dB nằm giữa cựcđại PSD và ở một nửa PSD cực đại thì tốc độ lấy mẫu đó là hiệu quả.

Hình 1.2: Các monoycle p x (t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công

suất của chúng

Một đặc điểm cần chú ý khác là các anten sử dụng trong các bộ phát và thu

Lí do là anten hoạt động với tín hiệu UWB khác với các tín hiệu băng hẹp Có thểthấy từ các phương trình Maxwell các anten tương tác với tín hiệu UWB sẽ cókhác biệt [7p.33-34] Thành phần điện bức xạ sẽ tỉ lệ với đạo hàm của xung phát

và xung thu được sẽ tỉ lệ với đạo hàm bậc hai của xung được đưa đến anten.Những ảnh hưởng này phải được tính đến để thực hiện giải điều chế hiệu quả

Tạo xung Gaussian

Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doubletnàythường được sử dụng trong các hệ thống UWB bởi vì dạng xung của nó tạo ra dễdàng Xung dạng chữ nhật có thể tạo ra dễ dàng bằng cách tắt mở nhanh transistor

Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xungchữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xungGaussian doublet

Hình 1.3 và 1.4 đưa ra một mô hình tạo xung đơn giản, nó mô tả quá trìnhtạo xung Gaussian doublet, các ảnh hưởng của anten phát và thu tín hiệu Chúng tabắt đầu với xung chữ nhật ở hình 1.4(a) Các xung UWB có độ rộng cỡ ns hay ps.Chuyển mạch tắt mở nhanh tạo các xung không có dạng chữ nhật mà có dạng xấp

xỉ dạng xung Gaussian Đó là lí do của tên xung Gaussian, monocycle haydoublet Mạch đơn giản tạo xung Gaussian doublet được trình bày trên hình 1.3.Phát xung trực tiếp đến anten các thành phần xung bị lọc tuỳ thuộc vào các đặctính của anten Quá trình lọc này có thể mô hình như là quá trình đạo hàm [8] Ảnhhưởng tương tự cũng xảy ra ở anten thu Ở đây tôi chỉ mô hình kênh là trễ và giảthiết xung được khuyếch đại ở phía thu

c Chuỗi xung

Một xung bản thân nó không thể truyền nhiều thông tin Thông tin hay dữliệu cần được điều chế vào một chuỗi các xung được gọi là một chuỗi xung như

hình 1.5 minh hoạ Khi các xung được phát ở các khoảng thời gian lặp lại, thườngđược gọi là độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm cácđỉnh phổ ở các tần số ứng với độ lặp đó Những tần số này là bội số của nghịchđảo của tốc độ lặp xung Các đường công suất đỉnh này gọi là các đường răng lượcbởi vì nó trông giống một chiếc lược Xem hình 1.6 (a).

Hình 1.5: Chuỗi xung UWB

Các đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể Một phương pháp tạo dạngphổ giống tạp âm là làm “nhoè phổ” tín hiệu bằng việc thêm vào một độ dịch ngẫunhiên vào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phát xung trước một khoảng nhỏ sovới thời điểm phát xung thông thường (thời điểm danh định) Dạng phổ thu được

từ sử dụng dịch ngẫu nhiên được chỉ ra trên hình 1.6 (b) và có thể so sánh với hình1.6 (a) thấy rằng các đường răng lược đã được làm giảm đi rất rõ rệt Chúng ta sẽthấy ở chương sau, việc tạo trễ này không hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng lặp theo

mã giả ngẫu nhiên đã biết (PN)

d Đa đường

Mục này sẽ xem xét ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, đặc biệt trong kênh

vô tuyến trong nhà Do bề rộng xung cực nhỏ, nếu các xung được xử lí trong miềnthời gian thì các ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, như giao thoa kí hiệu (ISI),

có thể giảm nhẹ Đa đường là hiện tượng phía thu thu được nhiều phiên bản khác

nhau của một tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khác nhau tới đầuthu Xem hình 1.7 cho ví dụ về truyền dẫn đa đường trong một phòng Nguyênnhân của hiệu ứng này là do phản xạ, hấp thụ, tán xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện

từ bởi các vật thể giữa cũng như xung quanh bộ thu và bộ phát

Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơnbằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH)

Nếu không có vật thể nào hấp thụ hay phản xạ năng lượng thì hiện tượng này

có thể không xảy ra và năng lượng bức xạ bức xạ từ bộ phát chỉ phụ thuộc vào đặcđiểm của anten phát Tuy nhiên, trong thực tế các vật nằm giữa bộ phát và thu tạo

ra các hiệu ứng vật lí như phản xạ, hấp thụ, tán xạ, nhiễu xạ và chúng gây nên hiệntượng đa đường Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu ởcác khoảng thời gian trễ khác nhau với tỉ lệ với độ dài đường đi

Các hệ thống UWB thường có đặc điểm chống đa đường Kiểm tra các xung

đã mô tả ở phần trước, chúng ta có thể thấy rằng nếu các xung đến trong khoảngmột độ rộng xung chúng sẽ gây nhiễu và nếu chúng tách biệt ít nhất độ rộng mộtxung chúng sẽ không gây nhiễu Nếu các xung không bị chồng lấn, chúng có thểđược lọc ra trong miền thời gian hay nói cách khác có thể bỏ qua Giả thiết rằngmột kí hiệu điều chế trên một xung thì chúng sẽ không gây giao thoa trong cùngmột kí hiệu Mặt khác năng lượng từ các thành phần đa đường lại có thể cộng lạitrong một bộ thu Rake Hình 1.8 và 1.9 mô tả các xung không chồng lấn và chồnglấn tương ứng

Hình 1.7: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vậtthể trong nhà tạo ra các phiên bản của xung ở bộ thu với cường độ, độ trễ khác nhau

Từ biểu thức: ∆ = ∆d c t Trong đó ∆d, ∆t là chênh lệch quãng đường, thờigian đến bộ thu giữa hai thành phần đa đường tương ứng Để hai thành phần đađường không chồng lấn nhau thì ∆ ≥t pw Do đó khoảng thời gian tách biệt cầnthiết giữa các đường để tránh hiện tượng chồng lấn giảm khi độ rộng xung giảm

đi Đây là lí do độ rộng xung càng nhỏ càng tốt đặc biệt trong môi trường trongnhà

Một phương pháp khác để giảm nhiễu đa đường là giảm thời gian chiếmdụng (duty cycle) của xung Bằng cách phát những xung với khoảng thời gian lớnhơn độ trễ đa đường lớn nhất, những phản xạ không mong muốn có thể bị loại bỏ

dễ dàng ở đầu thu Cách này rõ ràng là không hiệu quả và tạo ra giới hạn tốc độtruyền dẫn dữ liệu tối đa đối với một hệ thống với phương pháp điều chế chotrước Trong trường hợp giới hạn nếu các xung được phát liên tục thì hệ thống sẽtương tự với hệ thống truyền dẫn sóng dạng sin

Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ khôngchồng lấn và sẽ không gây nhiễu

e Các đặc điểm khác

Tốc độ phát dữ liệu

Một trong những lợi ích của truyền dẫn UWB cho truyền thông là tốc độ caocủa nó Hiện này tốc độ chip liên tục được cải thiện, phần lớn các ứng dụng nhằmđạt tốc độ trong khoảng 100 Mb/s tới 500 Mb/s [9], tương đương Ethernet có dâytới USB 2.0 Tốc độ đó tương đương với 100 đến 500 lần tốc độ của Bluetooth,khoảng 50 lần tốc độ của 802.11b hay 10 lần tốc độ của WLAN.

Như thấy ở bảng 1.1 tốc độ dữ liệu hướng tới cho truyền dẫn UWB trongnhà là trong khoảng 110 Mb/s đến 480 Mb/s, khá lớn so với các chuẩn không dâyhiện nay Thực tế tốc độ truyền dẫn hiện tại được chuẩn hoá vào ba tốc độ: 110Mb/s với khoảng cách cỡ là 10 m, 200 Mb/s với khoảng cách cỡ 4 m và 480 Mb/svới khoảng cách nhỏ hơn 4m

Lí do của các loại khoảng cách này dựa trên chủ yếu các ứng dụng khácnhau Ví dụ, 10m phù hợp với kích thước của một phòng Khoảng cách nhỏ hơn4m phù hợp với các thiết bị như home server và ti vi Khoảng cách nhỏ hơn 1mphụ vụ cho các thiết bị trong máy tính cá nhân

Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấnMột trong những lợi thế quan trọng của kĩ thuật UWB là độ phức tạp ít vàgiá thành hạ, với lượng rất ít thiết bị RF Số lượng thiết bị ít dẫn đến giá thànhthấp Bộ phát UWB đơn giản nhất chỉ bao gồm bộ tích phân xung, mạch định thời,

Công suất tiêu thụ thấp

Với thiết kế hợp lí thiết bị UWB có công suất tiêu thụ tương đối thấp Côngsuất tiêu thụ mục tiêu của các chip UWB là nhỏ hơn 100 mW Bảng 1.2 đưa ra sốliệu của về công suất tiêu thụ của các chip truyền thông di động khác

Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác

Bảng hiển thị màu TFT trong thiết bị di động 75

LSI mã hoá trong thiết bị di động 19

I.3 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB

R&O (Report and Order) định nghĩa ba loại hệ thống UWB là: Các hệthống chụp ảnh, các hệ thống truyền thông và đo đạc, và các hệ thông rada giaothông Phổ tần áp dụng cho các ứng dụng trên được liệt kê ra ở bảng 1.3

♦ Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Đây là lĩnh vực ứng

dụng chủ yếu của UWB Được hiểu là các mạng vô tuyến trong nhà WPAN kếtnối trong một khoảng cách ngắn (thường là từ 10-20 m) giữa các thiết bị di động,các thiết bị truyền thông Chúng cho phép truyền thông video và audio thời gianthực chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ, thay thế dây cáp cho các

hệ thống giải trí tại nhà Điều này có thể chứng tỏ một đặc điểm thú vị là xây dựng

hệ thống với các thiết bị toàn số trong tương lai gần Một điểm khác nữa là tất cảcác thiết bị có thể được kết nối tốc độ cao với nhau qua giao diện vô tuyến Nó kếtnối tất cả các loại thiết bị đa dạng như: các PDA, máy di động, TV, tủ lạnh, máy

tính và tất cả các bộ cảm biến đồng thời các thiết bị này có thể biết được vị trí củacác thiết bị khác do khả năng định vị của tín hiệu UWB Điều này mở ra một loạtcác khả năng áp dụng các dịch vụ mới Chẳng hạn như điều khiển từ xa từ thiết bị

di động các ứng dụng trong nhà hay hệ thống an ninh thực hiện nhận diện và mởcửa cho bạn v.v Do đó, kĩ thuật UWB phát triển có thể xây dựng lớp vật lí đầyhứa hẹn cho các hệ thống WPAN do đặc điểm tốc độ cao trên khoảng cách ngắn,với giá thấp, công suất thấp và tỉ lệ thời gian chiếm thấp

Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB

♦ Mạng cảm biến (sensor network): Mạng cảm biến bao gồm một số lượng

lớn các trạm trải trên một vùng nào đó Các trạm có thể cố định, ví dụ triển khai đểtheo dõi tình trạng ô nhiễm; hoặc di động, nếu được trang bị cho binh lính, línhcứu hoả, hoặc robot trong quân đội và trong giải quyết các tình trạng khẩncấp.Yêu cầu quan trọng cho mạng cảm biến vận hành trong các điều kiện khókhăn trên là giá thành rẻ, tiêu tốn ít năng lượng, và đa chức năng Các hệ thống

truyền thông UWB tốc độ cao cho phép thu thập, phân phối và trao đổi một lượnglớn thông tin cảm biến trong thời gian ngắn Đặc biệt, năng lượng là rất hạn chếtrong mạng cảm biến so với các mạng WPAN bởi khó khăn trong việc nạp lạiacqui cho các thiết bị cảm biến Các nghiên cứu chỉ ra áp dụng công nghệ UWBcho mạng cảm biến đáp ứng những yêu cầu về năng lượng và giá thành Hơn nữa,

có thể khai thác khả năng định vị chính xác của UWB đặc biệt tại những nơi GPSchưa được sử dụng

♦ Các hệ thống chụp ảnh: Khác với các hệ thống rada thông thường nhiệm

vụ chủ yếu là xác định các nguồn phát xạ, các xung rada UWB định vị ở khoảngcách nhỏ hơn Tín hiệu phản xạ từ vật thể cần định vị không chỉ thay đổi về biên

độ, thời gian mà còn thay đổi cả về dạng xung Kết quả là tín hiệu UWB có độnhạy cao hơn nhiều so với các tín hiệu rada thông thường Đặc tính này đã được

áp dụng cho các hệ thống rada Mặt khác do các thành phần tần số thấp của tínhiệu UWB có khả năng đâm xuyên nên có thể mở rộng với các ứng dụng khác nhưchụp ảnh xuyên tường, lòng đất, và đại dương; hay các thiết bị chẩn đoán y tế,giám sát đường biên giới

♦ Các hệ thống rada giao thông: Cảm biến dựa trên UWB có khả năng cải

thiện vấn đề của các sensor chuyển động ở khoảng cách ngắn Dựa vào khả năngđịnh vị có độ chính xác cao của UWB, có thể xây dựng các hệ thống điều khiểngiao thông và tránh tai nạn thông minh Các hệ thống này có thể cải thiện hoạtđộng của các túi khí bảo hiểm trong phương tiện giao thông và hỗ trợ điều khiểngiao thông cũng như tự thay đổi chế độ hoạt động phù hợp tình trạng giao thông

Kĩ thuật UWB còn có thể tích hợp vào các hệ thống giải trí và dẫn đường trongphương tiện giao thông bằng cách download dữ liệu từ các bộ phát UWB hướngdẫn dọc theo hai bên đường

I.4 Tổng kết

Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống cũng như tín hiệu UWB, vàphân tích một số khía cạnh của tín hiệu UWB như phổ tần, dạng xung của xungUWB Điều đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB là công suất phát cũng nhưmật độ phổ công suất của tín hiệu UWB bị giới hạn bởi mặt nạ phổ công suất doFCC đưa ra Chúng ta thấy rằng do công suất phát trên phổ tần rất thấp -41.3 dB/

MHz, trong điều kiện của phading, chúng rất ít có khả năng gây nhiễu đến các hệthống truyền thông vô tuyến khác Độ rộng xung cực nhỏ nên các xung có thểphân biệt với các thành phần đa đường không mong muốn khác dễ dàng do khảnăng phân giải thời gian cao Điều này dẫn đến đặc điểm chống đa đường của tínhiệu UWB Ngoài các ưu điểm ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông các đặc tínhkhác của tín hiệu UWB như khả năng đâm xuyên vật thể và khả năng định vị caolàm cho công nghệ UWB có phạm vi ứng dụng rất rộng như truyền thông, rada,chụp ảnh v.v cũng như tích hợp hiệu quả đồng thời nhiều ứng dụng trên nền tảngcông nghệ này Chẳng hạn như tất cả các thiết bị trong phòng có thể thực hiện truyềnthông vô tuyến tốc độ cao với nhau đồng thời có thể biết được vị trí của nhau.

Hơn nữa, do đặc điểm các bộ thu và phát không cần các linh kiện lớn và đắt

đỏ của tầng trung tần do không phải thực hiện chuyển đổi trung tần (IF) nên có thểgiảm giá thành, kích cỡ, trọng lượng, và công suất tiêu thụ đáng kể của các hệthống UWB so với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác

Bảng 1.3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau

Chụp ảnhtần thấp[GHz]

Chụp ảnhtần cao[GHz]

Chụp ảnhtần trungbình

[GHz]

Radagiaothông[GHz]

[3.1,10.6] [3.1,10.6] <0.960 [3.1,10.6] [1.99,10.6] [22,29]

II MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB

II.1 Mở đầu

Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của truyền thông dựa trên UWB

là mô hình hoá kênh ngoài trời và trong nhà và các hiệu ứng truyền dẫn cần phảiđược nghiên cứu tỉ mỉ trước khi thực hiện mỗi cải tiến hay ứng dụng trên các hệthống UWB Bỏ qua những điều này không thể đánh giá chính xác được hiệu năngcủa hệ thống và ảnh hưởng nhiễu giữa hệ thống UWB và các hệ thống truyềnthông vô tuyến khác

Truyền dẫn các tín hiệu UWB trong các môi trường trong nhà hay trong ngoài nhà là một trong những vấn đề quan trọng nhất, nói chung có tác động rõràng đến định hướng, mục tiêu tương lai và sự phát triển của công nghệ UWB.Nếu kênh được mô tả tốt, các ảnh hưởng nhiễu giữa các hệ thống UWB và các hệthống vô tuyến khác có thể được giảm thiểu bằng các bộ thu phát thích hợp Do

nhà-đó, mô tả kênh truyền dẫn vô tuyến UWB là yêu cầu chủ yếu cho thiết kế các hệthống truyền thông UWB

Hình 2.1: Mô hình kênh vô tuyến UWB đa đường đơn giản trong nhà

Một khía cạnh quan trọng của bất kì hoạt động mô hình hoá kênh vô tuyếnnào là nghiên cứu các hàm phân bố của các tham số kênh Điển hình, các phân bố

đó thu được từ các phép đo kiểm hoặc các mô phỏng dựa trên các đặc điểm chínhxác hoặc đã đơn giản hoá của môi trường Tuy nhiên các phương pháp thường chỉhiểu rõ hoạt động thống kê của kênh và không thể đưa ra giải thích vật lí của cácđặc điểm của kênh được quan sát Do các đặc tính thống kê này thường tạo ra cáchàm phức tạp, cả các đặc tính truyền dẫn và dạng địa hình đặc thù cũng được môhình kênh mô phỏng lại, các mô hình chính xác tổng quát là rất hiếm

Hinh 2.2: Dạng xung phát và thu với Tp=0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu.

Trong mô hình môi trường kênh vô tuyến một số khía cạnh phải được đưavào để tính toán sự thay đổi toàn bộ hoạt động của kênh truyền Sự khác biệt giữaUWB và các kĩ thuật mô hình hoá truyền thống là do thực tế trong môi trườngUWB, các hiệu ứng phụ thuộc tần số không thể bỏ qua Các tham số liên quan đếnđâm xuyên, phản xạ, suy hao đường truyền, và nhiều hiệu ứng khác có thể coi làtham số phụ thuộc tần số cần được nghiên cứu tỉ mỉ Hình 2.2 minh hoạ dạng sóngphát và thu trong môi trường kênh vô tuyến đa đường

Một cách phổ biến mô hình hoá kênh vô tuyến là biểu diễn kênh như là một

bộ lọc có các độ trễ cách đều nhau và có trọng số khác nhau như trong hình 2.3

Độ trễ giữa các nhánh (N) của bộ lọc là cố định với một mô hình và các hệ số bộ

lọc là các giá trị ngẫu nhiên lấy ra từ một phân bố thích hợp của mô hình kênh.Đáp ứng xung trở thành:

1 ( ) ( )

Hình 2.3 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên

Trong đó k chỉ mô hình kênh phụ thuộc vào người dùng thứ k đang hoạt

động Hệ số của bộ lọc có thể được giả thiết là ít biến đổi khi di chuyển các vậttrong môi trường vật lí Các hệ số của bộ lọc do đó được giả thiết là không đổitrong thời gian quan trắc và được biểu diễn là ( )k ( ) ( )k

a t =a Sự tham gia của mỗi

người dùng vào tín hiệu thu r(t) có thể tính được như sau:

bao gồm tất cả các bit đã phát, chỉ có một lượng xác định bít, N 1 trước và N 2 sau

bit thông tin sẽ đóng góp năng lượng vào r(n) Một bit đơn không điều chế đóng

góp vào tín hiệu thu: