công nghệ UWB, ứng dụng của UWB

Các ứng dụng khác như điều khiển giao thông, các hệ thống định vị, đo mực nước và độ cao cũng được phát triển.. Để tránh nhiễu cho các hệ thống đang hiện hành cần phải có quy định mức ph

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ UWB, WPAN 10

1.1 Lịch sử phát triển 10

1.2 Định nghĩa tín hiệu UWB 11

1.3 Ưu nhược điểm 13

1.3.1 Ưu điểm: 13

1.3.2 Nhược điểm 14

1.4 Mạng WPAN và ứng dụng của UWB trong mạng WPAN 15

1.4.1 Khái niệm mạng WPAN 15

1.4.2 Phân loại mạng WPAN 15

1.4.3 Ứng dụng của UWB trong mạng WPAN 16

1.5 Truyền thông UWB 17

1.5.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 17

1.5.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM) 18

1.5.1.2 Điều chế pha hai trạng trạng thái BPSK 20

1.5.1.3 Điều chế dạng xung (PSM) 21

1.5.1.4 Điều chế biên độ xung 22

1.5.2 Các kỹ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB 22

1.5.2.1 Nhảy thời gian (TH) 23

1.5.2.2 Trải phổ trực tiếp (DS) 25

1.5.3 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống UWB 26

CHƯƠNG II: CHUẨN IEEE 802.15.4A 29

2.1 Mục đích 29

2.2 Mô hình tín hiệu 29

2.2.1 Tín hiệu phát đi theo phương pháp điều chế PAM 30

2.2.2 Tín hiệu phát đi theo phương pháp điều PPM 31

2.3 Cấu trúc khung vật lý UWB 31

2.4 Quá trình mã hóa PPDU 31

2.4.1 Mã hóa Reed-Solomon 33

2.4.2 Các bit kiểm tra SECDED 34

2.4.3 Mã chập 34

2.5 Phần dữ liệu PSDU 35

2.5.1 Các thông số PSDU 36

2.5.2 Điều chế PSDU 40

2.6 Phần mở đầu SHR 43

2.6.1 Cấu trúc phần mở đầu SHR 43

2.6.2 Thông số định thời mã mở đầu 48

2.7 Phần vật lý PHR 51

2.8 Một số kiến trúc máy thu 53

2.8.1 Máy thu noncoherent 53

2.8.2 Máy thu coherent 54

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ĐỊNH VỊ VỚI ĐỘ CHUẨN XÁC CAO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ UWB/ IEEE 802.15.4A 56

3.1 Nguyên lý định vị 56

3.2 Các loại phép đo 56

3.2.1 Cường độ tín hiệu nhận được (RSS) 57

3.3.2 Góc đến (AOA) 60

3.2.3 Thời gian đến (TOA) 63

3.2.4 Độ lệch thời gian đến (TDOA) 65

3.3 Sử dụng tín hiệu UWB trong định vị 67

3.3.1 Định vị dựa trên thời gian 67

3.3.2 Các lỗi trong việc xác định vị trí dựa vào thời gian 69

3.3.2.1 Tín hiệu truyền đa đường 69

3.3.2.2 Nhiễu đa truy nhập 72

3.3.2.3 Đường truyền bị cản trở tầm nhìn thẳng 73

3.3.3 Phép đo khoảng cách dựa vào thời gian 73

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn TS Đặng Quang Hiếu Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình

Tác giả

Đoàn Minh Đức

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BPM-BPSK Burst position Modulation-

Binarry phase shift keying

Kết hợp điều chế vị trí nhóm xung và khóa dịch pha nhị phân

FCC Federal Communications

Commission

Ủy ban truyền thông liên Bang Mỹ

LR-PAN Low rate personal area network Mạng cá nhân tốc độ thấp

LFSR Linear feedback shift register Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến

tính

MPC Multiple path component Thành phần đa đường

PAM Pulse amplitude Modulation Điều chế biên độ

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PRF Pulse repetition frequency Tần số lặp lại xung

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các tham số liên quan PSDU 37

Bảng 2.2: Ví dụ trạng thái khởi tạo LFSR cho mã mở đầu 42

Bảng 2.3: Chuỗi mã chiều dài 31 45

Bảng 2.4: Chuỗi mã chiều dài 127 46

Bảng 2.5: Thông số mở đầu lớp vật lý UWB 48

Bảng 2.6: Các tham số phụ thuộc khung vật lý UWB 49

Bảng 2.7: Bit PHR 51

Bảng 2.8: Tốc độ dữ liệu trung bình 51

Bảng 2.9: Độ dài mở đầu 51

Bảng 3.1: Ảnh hưởng môi trường đối với phép đo RSS 59

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Bề rộng băng thông của tín hiệu UWB 11

Hình 1.2: Minh họa một xung Gauss có độ rộng 2ns 12

Hình 1.3: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB 13

Hình 1.4: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB 17

Hình 1.5: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 18

Hình 1.6: Hàm tự tương quan chuẩn hóa của các dạng sóng khác nhau 20

Hình 1.7: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn 24

Hình 1.8: Sơ đồ khối bộ phát UWB tổng quát 27

Hinh 1.9: Sơ đồ khối bộ thu UWB tổng quát 27

Hình 2.1: Mô hình tín hiệu UWB PHY 29

Hình 2.2: Tín hiệu phát đi điều chế PAM 30

Hình 2.3: Tín hiệu phát đi điều chế PPM 31

Hình 2.4 Quá trình mã hóa PPDU 32

Hình 2.5: Bộ tạo mã chập 35

Hình 2.6: Cấu trúc của symbol UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a 35

Hình 2.7: Sơ đồ mã hóa dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a 40

Hình 2.8: Điều chế symbol 41

Hình 2.9: Thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính LFSR 42

Hình 2.10: Cấu trúc phần mở đầu SHR 45

Hình 2.11: Sơ đồ khối máy thu TR-UWB đơn giản 53

Hình 2.12: Sơ đồ khối máy thu ED-UWB đơn giản 54

Hình 2.13: Sơ đồ khối máy thu Rake 55

Hình 3.1: Vị trí có thể của nút mục tiêu 57

Hình 3.2: Vùng vị trí có thể xác định của nút mục tiêu 57

Hinh 3.3 Giới hạn lý thuyết để ước tính khoảng cách dựa trên các phép đo RSS ở những khoảng cách khác nhau cho các mô hình kênh khác nhau 59

Hình 3.4: Góc đến giữa nút tham khảo và nut mục tiêu 60

Hình 3.5: Sự khác biệt giữa thời gian đến và góc đến AOA 61

Hình 3.6: CRLB so với SNR cho độ rộng xung khác nhau 63

Hình 3.7: Độ lệch chuẩn tối thiểu so với SNR cho độ rộng xung khác nhau 65

Hình 3.8: Vị trí nút mục tiêu qua phép đo TDOA 66

Hình 3.9: Liên hệ đo phạm vi và xác định vị trí với số nút tham chiếu Nm=3 68

Hình 3.10: Minh họa vấn đề của ước lượng TOA trong một kênh đa đường 70

Hình 3.11 Bốn trường hợp đơn giản liên quan đến trạng thái LOS và NLOS 70

Hình 3.12: Mô phỏng nhiễu SLI 71

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày này, việc trao đổi thông tin, giao tiếp từ xa trở thành nhu cầu không thể thiếu Các hệ thống truyền dẫn liên tục ra đời với mong muốn truyền thông tin đi xa hơn, tốc độ nhanh hơn và dung lượng lớn hơn nhằm đáp ứng mọi nhu cầu của con người Trong đó truyền thông không dây là một lĩnh vực có nhiều tiềm năng đặc biệt trong mảng băng tần siêu rộng Công nghệ băng tần siêu rộng UWB là một công nghệ mới ở Việt Nam và là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng cao Các ứng dụng phổ biến của công nghệ UWB là: quản lý tài sản trong kho, ngôi nhà thông minh, quản lý bệnh nhân trong bệnh viện… dựa trên việc định vị với độ chính xác cao, tiêu thụ năng lượng thấp

Với mong muốn tìm hiểu công nghệ mới và các ứng dụng của nó trong luận văn này sẽ tìm hiểu về công nghệ UWB, ứng dụng của UWB, ưu nhược điểm của công nghệ UWB, mô hình UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a và ứng dụng của UWB trong định vị Luận văn được chia làm 3 phần chính Trong đó, phần 1 giới thiệu tổng quan

về công nghệ UWB và nói đến lịch sử phát triển, ưu nhược điểm, các sơ đồ khối hệ thống máy thu, phát tổng quát Phần 2 đề cập đến chuẩn IEEE 802.15.4a, mô hình tín hiệu của UWB theo chuẩn Phần 3 đề cập đến ứng dụng cụ thể của công nghệ UWB là định vị với độ chuẩn xác cao

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Đặng Quang Hiếu đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn Các góp ý của thầy rất quan trọng giúp tôi hiểu rõ thêm về lý thuyết hệ thống siêu băng rộng và từng bước hoàn thành luận văn Tôi cũng cảm ơn bạn Dương Tấn Nghĩa đã giúp đỡ tôi trong việc mô phỏng hệ thống, giúp tôi làm sáng tỏ các vấn đề khúc mắc trong quá trình làm luận văn

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ UWB, WPAN

1.1 Lịch sử phát triển

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

Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông chủ yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lại một cách nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và truyền thông Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kết quả chính xác với các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn Các thành phần 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 đã chuyển theo hướng mới Các ứng dụng khác như điều khiển giao thông, các hệ thống 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 cứ được tài trợ bởi chính phủ Mỹ dưới các chương trình bí mật Trong quân đội các chương trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ UWB như rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa các chương trình nghiên cứu và phát triển Điều chú ý là trong những năm đầu, UWB được gọi là kỹ thuật băng gốc, kỹ thuật sóng mang và kỹ thuật xung Bộ Quốc phòng Mỹ được coi là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ ultra wideband

Những năm cuối thập kỷ 90 bắt đầu thương mại hóa các hệ thống và thiết bị truyền thông UWB Đến tháng 2 năm 2002, tổ chức FCC (Federal Communication

Commission) phát hành bản báo cáo và quy định cho phép triển khai thương mại với yêu cầu mặt nạ phổ, quy định công suất phát tương ứng với dải tần số cho các ứng dụng trong nhà và ngoài trời Đó là tiền đề cho các hoạt động nghiên cứu Nhưng năm gần đây, công nghệ UWB tập trung vào truyền thông không dây và điện tử tiêu dùng

1.2 Định nghĩa tín hiệu UWB

UWB viết tắt của từ Ultra Wide-Band để chỉ một kỹ thuật truyền thông sử dụng tín hiệu có bề rộng phổ tần rất lớn so với tín hiệu băng hẹp truyền thống Hai thông số chính định nghĩa cho một tín hiệu được gọi là UWB là tỷ lệ băng thông Bfrac trên 0.2 hoặc là độ rộng băng thông tuyệt đối của tín hiệu lớn hơn 500 MHz Độ rộng băng thông là chênh lệch tần số cao nhất fH và tần số thấp nhất fL có nghĩa là fH – fL Tỷ lệ băng thông được tính theo công thức:

(1.1)

Với là tần số trung tâm Theo tổ chức FCC của Mỹ thì những tín hiệu có fc lớn hơn 2.5GHz thì phải có độ rộng băng thông tuyệt đối B lớn hơn 500MHz, còn với tín hiệu có fc nhỏ hơn 2.5GHz thì phải có Bfrac lớn hơn 0.2 mới được gọi là tín hiệu UWB

Hình 1.1: Bề rộng băng thông của tín hiệu UWB

Tín hiệu UWB có thể được biểu diễn theo nhiều dạng khác nhau: đáp ứng xung bậc 8 của bộ lọc Butterworth, hoặc dạng xung Gauss và các đạo hàm của xung Gauss Thường chúng ta sử dụng đạo hàm bậc 2 của xung Gauss có biểu thức toán học như sau:

(1.2) Với A, ζ lần lượt đại diện cho biên độ và độ rộng của xung Hình 1.2 minh họa hình dạng của xung Gauss vẽ theo phương trình (1.2)

Hình 1.2: Minh họa một xung Gauss có độ rộng 2ns

Với đặc điểm bề rộng phổ tần quá lớn như vậy chúng cần phải tồn tại được trong môi trường với các băng tần hẹp khác của hệ thống khác Để tránh nhiễu cho các hệ thống đang hiện hành cần phải có quy định mức phát công suất được phép ứng với một dải tần số nào đó Một số nơi giới han này được đưa ra như ở Mỹ do ủy ban truyền thông liên bang Mỹ (FCC), sau đó là Ủy ban truyền thông Châu âu (ECC) và một số nơi khác

trên thế giới nhƣ Nhật bản Theo tổ chức FCC thì với tần số 3.1 – 10 GHz mức công suất tối đa cho phép là -41.3dBm/ MHz

Hình 1.3: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB

* Độ chính xác cao:

Do xung UWB cực ngắn nên các hệ thống UWB có thể sử dụng trong ứng dụng định vị và tìm kiếm

* Có khả năng chống đa đường:

Hiện tượng đa đường xuất hiện khi tín hiệu truyền từ máy phát sang bên máy thu do tác động của phản xạ, khúc xa, tán xạ… mà tín hiệu đến theo nhiều đường với thời gian trễ khác nhau Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian của một

ký hiệu thì nó chịu tác động của fading Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai đường liên tiếp không xung đột và có thể nhận dạng được Do đó, có thể nói rằng UWB có thể chống lại hiện tượng đa đường

* Có thể thực thi máy thu giá thấp:

Do công suất của tín hiệu UWB thấp, chip RF và chip baseband có thể được tích hợp thành một chip sử dụng công nghệ CMOS Bộ chuyển đổi tần số bộ khếch đại công suất được sử dụng trong hệ thống băng hẹp là không cần thiết cho hệ thống UWB Do đó, UWB có máy thu phát giá cả thấp trong khi tốc độ phát dữ liệu cao

Những thách thức khác bao gồm cả việc các nhà sản xuất chấp nhận các tiêu chuẩn để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB Hiện nay chưa có sự nhất trí hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũng như 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 lên tương đương với các thiết bị vô tuyến hiện tại

Ngoài ra, còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai về hệ thống Có thể

kể đến một số vấn đề như: tạo ra xung UWB là khó do xung rất hẹp, khả năng tồn tại với các hệ thống thông tin, chế tạo bộ ADC phải lấy mẫu tốc độ cao, việc đồng bộ hóa…

1.4 Mạng WPAN và ứng dụng của UWB trong mạng WPAN

1.4.1 Khái niệm mạng WPAN

Mạng cá nhân không dây WPAN (wireless Personal Area Network) được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảng cách tương đối ngắn Không giống mạng WLAN (mạng cục bộ không dây) nhằm thỏa mãn nhu cầu của các vùng tế bào nhỏ hơn nhưng lại có lưu lượng dữ liệu và mật độ người dùng cao, khoảng cách tương đối xa (khoảng 100m), mạng WPAN tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển

dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn

Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ, tiêu tốn ít năng lượng, vận hành trong vùng không gian nhỏ Chính vì thế mà nó tận dụng được tốt nhất

ưu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó là giải quyết được vấn đề về băng tần như hiện nay

1.4.2 Phân loại mạng WPAN

IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng được phân biệt thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ

- WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao

- WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1/ Bluetooth) được ứng dụng trong các mạng điện thoại tế bào đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA có chất lượng dịch

vụ phù hợp cho thông tin thoại

- WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4a/ LR-WPAN) dùng trong các sản phẩm công nghiệp dùng có thời hạn, các ứng dụng y học đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và chất lượng dịch vụ Chính tốc độ thấp truyền dữ liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lượng Trong chuẩn này thì công nghệ UWB/IEEE802.15.4a là một ví dụ điển hình

1.4.3 Ứng dụng của UWB trong mạng WPAN

Ứng dụng UWB trong các mạng WPAN là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của

UWB Trong một khoảng cách ngắn (thường là từ 10-20 m) giữa các thiết bị di động, các thiết bị truyền thông, cho phép truyền thông video và audio thời gian thực chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ, có thể xây dựng hệ thống với các thiết

bị toàn số trong nhà trong tương lai gần Một điểm khác nữa là tất cả các thiết bị có thể được kết nối tốc độ cao với nhau qua giao diện vô tuyến Nó kết nối 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 của các thiết bị khác do khả năng định

vị của tín hiệu UWB Điều này mở ra một loạt các 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 mở cửa cho bạn v.v Do đó, kĩ thuật UWB phát triển có thể xây dựng lớp vật lí đầy hứa 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 1.4: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB

1.5 Truyền thông UWB

1.5.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB

Một xung UWB đơn bản thân nó không chứa thông tin Chúng ta cần đưa thông tin số vào các xung bằng các phương pháp điều chế Trong hệ thống UWB có một vài phương pháp điều chế cơ bản được phân thành hai loại: các kỹ thuật dựa trên thời gian

và dựa trên dạng xung

Phương pháp điều chế phổ biến nhất trong lý thuyết về UWB là điều chế vị trí xung (PPM) trong đó mỗi xung có độ trễ được điều chỉnh lệch so với vị trí truyền dẫn danh định một khoảng thời gian chính xác Do đó có thể thiết lập hệ thống truyền thông

PDA

Máy fax

Bàn phím

Chuột Điện thoại cầm tay

nhị phân bằng cách dịch các xung chính xác lên phía trước hoặc về phía sau Mặt khác bằng việc xác định độ trễ xác định cho mỗi xung, có thể tạo hệ thống điều chế M trạng thái

Hình 1.5: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB

1.5.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM)

Xét trường hợp điều chế nhị phân, trong khi bit ‘0’ được biểu diễn bởi một xung

ở thời điểm quy định, bit ‘1’ được trễ một khoảng thời gian tương đối δ so với thời điểm quy định (bit ‘0’)

Về mặt toán học có thể biểu diễn tín hiệu là

Trong đó wtr (t) là dạng xung và:

(1.5) Giá trị của δ có thể chọn tùy thuộc vào đặc điểm tự tương quan của xung Hàm

tự tương quan của xung có thể định nghĩa

Điều chế vị trí xung (PPM)

Kỹ thuật dựa trên thời gian

Kỹ thuật dựa trên dạng xung

Điều chế pha hai trạng thái Điều chế

dạng xung (PSM)

Điều chế biên độ xung

Chẳng hạn khi chúng ta muốn cải thiện PPM chuẩn với các tín hiệu trực giao, gía trị tối ưu của giá trị δ (chúng ta gọi là δopt) là giá trị thỏa mãn

Trường hợp đặc biệt trong đó bit dữ liệu ‘1’ được phát ở thời điểm trễ so với thời điểm danh định một lượng τ <Tp , trong đó quy định bit ‘0’ được phát ở thời điểm danh định Hệ số điều chế tối ưu thay đổi khi sử dụng các dạng xung khác nhau Hiệu năng lý thuyết trong kênh AWGN có thể đạt được với xung không chồng lấn, trực giao

với hệ số điều chế δ ≥ 1 Tuy nhiên hiệu năng BER và tốc độ dữ liệu cao đạt được nếu

hệ số điều chế δ < 1 với τ= δ.TP tại những giá trị của độ trễ làm cho hàm tự tương quan

cực tiểu Hệ số điều chế tối ưu δotp không phụ thuộc vào độ rộng xung bởi vì định nghĩa của tỉ lệ tương đối của độ rộng xung Khi bậc đạo hàm tăng lên, giá trị BER cực

tiểu đạt được với giá trị δ nhỏ hơn, và do đó đạt được hiệu năng BER tốt hơn

Bảng 1.1 Các giá trị độ dịch thời gian tối ưu τ với BPPM trong kênh AWGN

Đạo hàm bậc hai 0.292683Tp Đạo hàm bậc ba 0.243902Tp Đạo hàm bậc bốn 0.219512Tp Đạo hàm bậc năm 0.195122TpHai đặc điểm đặc biệt của PPM:

+ Các hệ số tự tương quan của các dạng sóng Gaussian có cả các giá trị dương

và âm Điều này giải thích tại sao nó có thể đạt được hiệu năng BER tốt hơn với giá trị τ<Tp so với trường hợp điều chế các xung trực giao về thời gian có τ >Tp (δ ≥ 1 ngụ ý các tín hiệu trực giao thời gian do giá trị của hàm tự tương quan coi như bằng 0, hình 1.6)

+ Các hệ số tự tương quan cực tiểu tại một số giá trị τ , tương ứng với các trường hợp hiệu năng BER cực đại

Dạng của hàm tự tương quan cung cấp phương pháp lựa chọn giá trị tối ưu của δ

trong trường hợp kênh AWGN Giá trị của δ có thể cố định một giá trị ưu tiên với một dạng xung UWB được chọn Giá trị tốt nhất để sử dụng δ có thể xác định khi tính toán

hệ số tự tương quan của xung đã chọn Giá trị tối ưu của δ cho mỗi dạng sóng được chỉ

ra trên bảng 1.1

Hình 1.6: Hàm tự tương quan chuẩn hóa của các dạng sóng khác nhau

và với một độ rộng xung khác nhau

1.5.1.2 Điều chế pha hai trạng trạng thái BPSK

Điều chế pha hai trạng thái có thể định nghĩa như là một phương pháp điều chế dạng xung Do pha trong hệ thống truyền thông sóng sin kết hợp với độ trễ của sóng sin sử dụng thường xuyên thuật ngữ pha trong UWB có thể gây nhầm lẫn Tuy nhiên

sử dụng thuật ngữ BPSK đã trở nên phổ biến trong lý thuyết UWB, do đó nó vẫn được tiếp tục sử dụng ở đây Điều chế pha hai trạng thái dễ hiểu bởi nó được điều chế bằng cách đảo dạng xung của một xung nào đó, do đó có công thức sau:

Để tạo hệ thống nhị phân dựa vào phương pháp đảo xung cơ bản p(t) Tham số

σ thường được biết là trọng số xung, nhưng ở đây nó được gọi là tham số dạng Với

một hệ thống nhị phân hai dạng xung s 1 , s 2 được định nghĩa đơn giản là s 1 =p(t) và

s 2 =-p(t)

Bởi vì PPM luôn luôn phải trễ các xung, trong khi giới hạn khi các xung được phát liên tục PPM sẽ luôn lãng phí thời gian khi xung không được phát Nếu PPM trễ một xung thì BPSK có thể phát lượng xung gấp đôi và do đó gấp đôi lượng thông tin, qua đó với một hệ thống với mọi yếu tố khác tương đương hệ thống điều chế BPSK có tốc độ gấp đôi

Một lợi ích khác của BPSK là giá trị trung bình của σ bằng không Điều này có lợi lớn trong việc loại bỏ các đường răng lược hay đỉnh phổ mà không cần ngẫu nhiên hóa

Điều chế pha hai trạng thái trong hệ thống UWB có một số ưu điểm:

- Thứ nhất nó cho thấy tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình nhỏ hơn 8 dB Do đó điều pha hai trạng thái không cần bất cứ diod tunnel hay mạch khuyếch đại công suất nào Thay vào đó nó có thể hoạt động trực tiếp từ IC CMOS tốc độ cao, công suất thấp

- cuối cung lý do của đồng bộ, điều chế pha hai trạng thái giảm các yêu cầu về rung pha Trong PPM quá trình đồng bộ phải bao gồm các phần tử điều khiển nhanh và chính xác để phù hợp với các thời điểm xung đến tùy ý Nhưng hệ thống điều pha hai trạng thái cần chỉ một đồng hồ ổn định, nhiễu pha thấp vì xung xuất hiện ở các thời điểm cách nhau cố định Kết quả là công suất thấp hơn và mạch đơn giản hơn

BPSK và PPM đã đề cập ở trên tạo thành các phương pháp chủ yếu để thực hiện điều chế trong các hệ thống truyền thông UWB

1.5.1.3 Điều chế dạng xung (PSM)

Trong truyền thông sóng dạng sin băng hẹp, các hàm sin và cos trực giao tạo nền tảng cho truyền sóng Trong UWB chúng ta tạo các dạng xung có đặc tính trực giao với nhau Điều chế dạng xung PSM sử dụng các dạng sóng khác nhau trực giao để

biểu diễn bit ‘0’ và ‘1’ Giả sử sử dụng hai dạng sóng trực giao để điều chế tín hiệu Xung phát đi có thể biểu diễn là:

Trong đó

Với W(0)tr và W(1)tr biểu diễn hai dạng sóng khác nhau

Dạng sóng W(0)tr và W(1)tr gọi là trực giao nếu chúng thỏa mãn:

(1.10)

1.5.1.4 Điều chế biên độ xung

Điều chế biên độ xung PAM cho hệ thống UWB có thể được biểu diễn trong biểu thức:

có biên độ lớn Hơn nữa, công suất cần thiết để phát xung càng lớn với xung có biên độ càng lớn, trong khi công suất phát rất giới hạn trong hệ thống UWB

1.5.2 Các kỹ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB

Xác suất có nhiều người dùng truy nhập vào hệ thống là vấn đề quan trọng trong truyền thông UWB, bởi vì các ứng dụng thực tế sẽ yêu câu nhiều hơn một người sử dụng hoạt động trong môi trường ở một thời điểm Cơ bản có 3 phương pháp cho các người dùng riêng biệt họ sử dụng cùng một môi trường:

-Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): người sử dụng riêng biệt có node trung tâm gán cho một băng tần cố định cho mỗi người dùng

- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): kênh được chia thành một số khoảng thời gian không chồng lấn gọi là khe thời gian, chúng có chu kỳ Mỗi người dùng sau đó được gán một khe thời gian bởi node trung tâm

- Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA): Mỗi người dùng có một mã duy nhất để mã hóa truyền dẫn sao cho đầu thu có thể giải điều chế Do đó mỗi người dùng phân biệt với nhau bởi mã của chúng Có ba cách cơ bản thực hiện CDMA:

+ Nhảy tần (FH): hoạt động giống FDMA ngoại trừ băng tần sử dụng được xác định bởi mã tại mỗi thời điểm truyền dẫn

+ Nhảy thời gian (TH): Hoạt động giống như TDMA ngoại trừ khe thời gian sử dụng được xác định bởi mã tại mỗi thời điểm truyền dẫn

+ Trải phổ trực tiếp (DS): Dữ liệu được nhân với mã ở cả hai phía phát và thu và các đặc tính mã cho phép người dùng thích hợp giải điều chế tín hiệu

Các hệ thống FH-CDMA không được quan tâm nhiều bởi vì hiệu năng của FH tương đương với TH nhưng sẽ cần hệ thống phức tạp hơn để thực hiện nhảy tần Trong luận văn này chỉ nói đến các hệ thống đa truy nhập dựa trên CDMA TH và DS

1.5.2.1 Nhảy thời gian (TH)

Nhảy thời gian thực hiện đa truy nhập bằng cách chia kênh thành SF khe thời gian không chồng lấn với

Hình 1.7: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn

Các người dùng được cho phép sử dụng khe thời gian gán cho họ bằng mã nhảy thời gian riêng Nghĩa là không cần điều khiển tập trung nhưng điều này có thể dẫn đến các người dùng cố gắng sử dụng cùng một khe thời gian ở cùng một thời gian gây xung đột Nói cách khác, nếu người dùng không đồng bộ, xung đột có thể xảy ra, chồng lấn hai khe thời gian khi tham chiếu thời gian của các người dùng là khác nhau Truyền

dẫn chỉ diễn ra trong 1/SF phần của thời gian và công suất phát trong mỗi khe thời gian

cho trước phải lớn hơn SF lần công suất phát trung bình Do đó đây là bằng chứng về lợi ích so với hệ thống không trải phổ sử dụng mỗi xung trên một bit, độ lợi xử lý là

P G =N S SF Điều này đúng là vì công suất tín hiệu thu ở mạch quyết định tăng lên một

lượng SF so với công suất trung bình trên kênh, trong khi công suất tạp âm thu được là

tương đương

Xem xét xác suất xung đột và giả thiết rằng mã TH phân bố đều trên các khe thời gian xác suất ít nhất một người dùng xung đột với người dùng khác trong điều kiện hệ thống đồng bộ là

(

Trong đó K là tổng số người dùng trong hệ thống Khi xung đột xảy ra truyền

dẫn bị gián đoạn và tất cả người dùng thu được công suất tương đương, xấp xỉ BER của máy thu

(1.13)

Do đó BER là ¼ khi xảy xung đột Giá trị của BERnorm chỉ giá trị BER thông thường của phương pháp điều chế nhị phân Có thể thấy từ biểu thức (1.13) xung đột ảnh hưởng mạnh đến hiệu năng của hệ thống TH và đó là lí do quan trọng cần giảm số lượng xung đột trong hệ thống

Trong trường hợp không đồng bộ xác suất xung đột là

(

Bởi vì bây giờ xuất hiện khả năng hai khe thời gian xung đột với người dùng cho trước trong trường hợp này Đó là cơ sở để tin rằng BER của hệ thống dị bộ có thể cao hơn hệ thống đồng bộ, nhưng cần phải nhớ rằng BER phụ thuộc vào hàm tự tương

quan chuẩn hóa ρ(δ) của monocyle với độ dịch δ cho trước BER trung bình trong hệ

thống TH dị bộ do đó thường thấp hơn một ít so với hệ thống đồng bộ Tuy nhiên, có thể ước lượng BER trung bình của hệ thống dị bộ như sau:

Giả thết rằng sử dụng điều chế BPSK và mã nhảy ngẫu nhiên Kết quả ở biểu thức

(1.15) chính xác với K=2, và rất khả quan với K>2 bởi vì giả thiết rằng chỉ có xung đột

Ở đầu thu tín hiệu đến r(t) được nhân với các monocycle đã được mã hóa φ (l) (t)

và đươc tích phân để hình thành thống kê đầy đủ y (l)

(t) của người thứ l:

(1.16)

Trong đó z(t) là tạp âm Gaussian trằng cộng với phương sai σ2 Ak là biên độ

của người dùng thứ k Giả thiế rằng monocycle thu được p rx (t) chuẩn hóa:

(1.17) Trong một hệ thống hoàn toàn đồng bộ hệ số tương quan giữa người dùng l va k là

(1.18)

Với SNR kênh là:

Tư biểu thức (1.20) có thể thấy rằng BER phụ thuộc vào hệ số trải phổ, phương sai tạp âm và tất nhiên biên độ của tín hiệu người dùng đang được thu

1.5.3 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống UWB

Như đã đề cập ở trên, một trong nhưng ưu điểm nổi bật của các hệ thống UWB chính là kiến trúc máy thu phát khá đơn giản Sở dĩ có vẫn đề này là việc truyền thông trong UWB là không sử dụng sóng mang, nghĩa là dữ liệu không được điều chế vào sóng cao tần mà dữ liệu chỉ xử lý ở băng cơ sở Việc truyền không cần sóng mang yêu cầu rất ít thành phần cao tần RF hơn là truyền tín hiệu dựa trên sóng mang (đây là đặc trưng của các hệ thống thông tin số truyền thống) Kiến trúc hệ thống UWB đơn giản hơn nhiều so với hệ thống băng hẹp Do việc truyền tín hiệu trong UWB là không có

sóng mang nên hệ thống không có các bộ trộn (Mixer) và các bộ dao động nội (local oscillators) Trong các hệ thống băng hẹp các bộ này dùng để chuyển tần số sóng mang sang băng tần số yêu cầu Do vậy, tại bên máy thu cũng không cần giai đoạn khôi phục sóng mang Nói chung, kiến trúc thu phát của hệ thống UWB đơn giản hơn rất nhiều hệ thống số truyền thống Do đó chi phí thực hiện hệ thống UWB rẻ hơn

Hình 1.8: Sơ đồ khối bộ phát UWB tổng quát

Hinh 1.9: Sơ đồ khối bộ thu UWB tổng quát

Front end

Amplifier

Symbols to Bits Binary

data stream

0010

Meaningful data are generted by applycations

Pulsegenerator

Logic

- Acquisition

- Tracking

- Demapping pulse shape to symbol

Back end

Symbol stream

0010

Symbol stream

Binar

y data strea

m

Back end

Logic

- Symbol to pulse mapper

- Timing circuitry

Bits to Symbols

Pulsegenerator

Meaningful

data are

generted by

applycations

Do việc truyền tín hiệu trong UWB là không có sóng mang nên hệ thống không

có các bộ trộn (Mixer) và các bộ dao động nội (local oscillators) Do vậy, tại bên máy thu cũng không cần giai đoạn khôi phục sóng mang, làm giảm chi phí và thiết kế đơn giản hơn nhiều hệ thống số truyền thống

CHƯƠNG II: CHUẨN IEEE 802.15.4A

2.1 Mục đích

Một nhóm tác giả nghiên cứu chuẩn IEEE 802.15.4 với mục tiêu tăng khả năng định vị, giám sát trong LR-PAN (mạng cá nhân tốc độ thấp) và cho ra đời chuẩn 802.15.4a được ban hành vào tháng 3 năm 2007

Chuẩn IEEE 802.15.4a xác định giao thức và liên kết tương thích cho các thiết

bị giao tiếp dữ liệu sử dụng tốc độ thấp, nguồn tiêu thụ thấp, độ phức tạp nhỏ, truyền cao tần phạm vi hẹp trong mạng cá nhân không dây

Chuẩn 802.15.4a mô tả chi tiết lớp vật lý UWB và lớp vật lý hệ thống CSS hoạt động ở băng tần 2450MHz Trong phạm vi luận văn này tôi chỉ tập trung nghiên cứu về lớp vật lý UWB

2.2 Mô hình tín hiệu

Hình 2.1: Mô hình tín hiệu UWB PHY Dạng sóng vật lý UWB dựa trên dạng tín hiệu xung cao tần sử dụng băng tần bị giới hạn

- Băng subgigahertz, bao gồm 1 kênh đơn và chiếm phổ tần từ 249,6 MHz đến 749,6 MHz

Symbol Mapper

Preamble insertion

Pulse Shaper

Data Detection

Synchroniza tion

Pulse Shaper

RF

- Băng thấp, gồm 4 kênh chiếm phổ tần từ 3,1GHz đến 4,8GHz

- Băng tần cao, gồm 11 kênh và chiếm phổ tần từ 6 GHz đến 10,6 GHz

Với mỗi kênh có hỗ trợ ít nhất 2 kênh tổ hợp mà kênh đó có mã mở đầu SHR với độ dài 31 phần tử Sự kết hợp của một kênh và một mã mở đầu tạo ra kênh phức hợp Một thiết bị tương thích sẽ được hỗ trợ thực hiện ít nhất một trong số các kênh (0,

3 hoặc 9) Hơn nữa mỗi thiết bị sẽ hỗ trợ mã mở đầu dài 31 phần tử để thực hiện các kênh (như định nghĩa tại bảng 2.3)

Một sự kết hợp của điều chế vị trí burst và khóa dịch pha nhị phân được sử dụng

để hỗ trợ cả hai loại máy thu coherent và noncoherent sử dụng một mô hình tín hiệu tổng quát Sự kết hợp BPM-BPSK được sử dụng để điều chế symbol, mỗi symbol được tạo ra bởi 1 nhóm xung trong số các xung UWB hoạt động Thay đổi tốc độ dữ liệu bằng cách thay đổi độ dài các burst

2.2.1 Tín hiệu phát đi theo phương pháp điều chế PAM

Tín hiệu phát đi theo phương pháp điều chế biên độ xung PAM tức là xung dương sẽ biểu thị cho bit truyền đi là bit 1 Ngược lại thì xung âm biểu thị cho bit 0

Hình 2.2: Tín hiệu phát đi điều chế PAM

2.2.2 Tín hiệu phát đi theo phương pháp điều PPM

Tín hiệu điều chế vị trí xung PPM, chuỗi bit truyền đi được đại diện bởi vị trí xung trong một khung dữ liệu Bit ‘0’ nằm ở vị trí τ trong khung thì bit ‘1’ được đặt ở

vị trí τ - ∆ (∆ là độ dịch vị trí của xung)

Hình 2.3: Tín hiệu phát đi điều chế PPM

2.3 Cấu trúc khung vật lý UWB

Khung vật lý UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a được tạo ra bởi 3 thành phần chính: mở đầu SHR, PHR và PSDU (hình 2.4) Mở đầu SHR là phần đầu, tiếp theo là PHR và cuối cùng là PSDU Ba phần này được điều chế khác nhau thích ứng với từng loại môi trường (văn phòng, ngoài trời, LOS, NLOS…) Trong Hình 2.4, mở đầu SHR

là phàn dành cho đồng bộ luôn được gửi ở tốc độ cơ bản là 1.01 Msymbol/s và 0,25Msymbol/s

- PHR gồm các bit cho biết thông tin về trường dữ liệu và phần đồng bộ SHR PHR được phát ở tốc độ 850kb/s cho dữ liệu có tốc độ trên 850kb/s và tốc độ 110kb/s đối với tốc độ dữ liệu 110kb/s

- PSDU được phát với tốc độ biến thiên từ 0,11Mb/s tới 27,24Mb/s

2.4 Quá trình mã hóa PPDU

Hình 2.4 Quá trình mã hóa PPDU Quá trình mã hóa được thực hiện bởi các bước sau:

- Thực hiện mã hóa Reed-Solomon trên PSDU

- Tạo trường mở đầu SHR từ trường SYNC và trường SFD

From MAC via

PHY SAP

Reed-Solomon

encoding

Add PHY Header

Add SECDEC bits

PSDU Variable length: 0-127 octets Data field (non-spread&before convulution encoding) Variable length: 0-1028 octets Data field (non-spread&before convulution encoding) Variable length: 0-1028 octets Data field (non-spread&before convulution encoding) Variable length: 0-1028 octets Data field (after coding, before spreading convulution encoding) Variable length: 0-2418 octets

PHY Header (PHR)

19 symbols @850 or

110 kb/s

Data field 0-1209 symbols @ variable rate

PHY Header (PHR)

19 symbols @850 or

110 kb/s

Data field 0-1209 symbols @ variable rate

SHR Preamble

16, 64, 1024 or 4096 symbols

SHR Preamble

16, 64, 1024 or 4096 symbols

Trong mã hóa Reed-Solomon RS6(K+8, K) một khối I bit (với K= I /6) đươc mã hóa

vào một từ mã hiệu I + 48 bit, quy trình mã hóa R-S được thực hiện theo 5 bước sau:

a) Thêm các bit giả Khối I bit thông tin được mở rộng tới 330 bit bằng cách thêm vào 330 – I bit giả (zero) vào phần đầu của khối Khối mở rộng được ký hiệu { }

b) Biến đổi bit thành symbol 330 bit { } được chuyển đổi thành 55 symbol Reed-Solomon { } theo công thức sau:

(2.2)

k = 0:54

6 bit symbol được biểu diễn là { } trong đó

là các bit có giá trị cao nhất (MBS), là bit có giá trị thấp nhất

c) Mã hóa Symbol thông tin { } được mã hóa bởi mã RS6(63,55) với ký hiệu đầu ra

Trong đó Pk là các symbol kiểm tra tương đương thêm bằng mã hóa RS6(63,55)

Đa thức kết hợp với symbol thông tin { } được ký hiệu là

(2.3)

Dk (k=0, 1, ….54)

Uk=

Pk (k=55, 56, …63)

Đa thức kiểm tra tương đương kết hợp với symbol kiểm tra tương đương ký hiệu là

Symbol kiểm tra tương đương được tính toán như sau:

d) Chuyển đổi symbol sang bit Symbol đầu ra { } được chuyển thành dạng nhị phân Thu được khối 378 bit { }

e) Xóa bỏ các bit giả 330 – I bit giả thêm vào trước đó được bỏ đi Chỉ I + 48 bit cuối được truyền { }

2.4.2 Các bit kiểm tra SECDED

SECDED là phát hiện hai lỗi, sửa một lỗi, 6 bit kiểm tra C5-C0 để kiểm tra xem trường PHR có bị lỗi do nhiễu gây ra không Các bit SECDED hình thành bởi một mã Hamming đơn giản giúp phát hiện được 2 lỗi và có thể sửa 1 lỗi Giá trị bit SECDED phụ thuộc vào 13 bit trước đó trong phần PHR và được tính

Mã chập sử dụng tỷ lệ mã hóa R=1/2 với đa thức tạo mã g0=[010]2 và

g1=[101]2 như hình 2.5 Truyền mỗi PPDU, bộ tạo mã chập sẽ khởi tạo từ trạng thái tất

cả bit 0 Bộ tạo mã được quay về trạng thái tất cả bit 0 bằng cách gắn thêm 2 bit 0 vào PPDU

Hình 2.5: Bộ tạo mã chập

2.5 Phần dữ liệu PSDU

Trong kỹ thuật điều chế kết hợp BPM-BPSK, một symbol UWB có thể mang hai bit thông tin trong đó một bit để điều chế cho vị trí của nhóm xung và bit còn lại dùng để điều chế pha hay tính phân cực của chính nhóm xung đó Ta cần một trong hai thông tin để xác định đƣợc bit dữ liệu Nếu sử dụng vị trí của nhóm xung để xác định bit thông tin là ‘0’ hay ‘1’ thì bit điều chế độ phân cực là dƣ thừa và ngƣợc lại

Cấu trúc của một symbol theo chuẩn gồm Nc chip, mỗi chip có độ rộng Tcchiều dài của một symbol ký hiệu là Tdsym , Tdsym = Nc*Tc

Hình 2.6: Cấu trúc của symbol UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a

Parity bit (or sign bit)

Tín hiệu điều chế cho các bit ‘0’ và bit ‘1’ được cho dưới dạng các burst, mỗi burst này bao gồm Ncpb chip khác nhau (1, 16, 64…) được đặt trong một khoảng có độ dài T burst

= N cpb *T c Số lượng các chip sẽ quyết định tốc độ dữ liệu Vị trí của burst nằm ở nửa

thứ nhất hay nửa thứ hai của symbol sẽ quyết định bit thông tin đó là bit ‘0’ hay bit ‘1’ Mỗi burst này cũng được điều chế pha (-1 hoặc 1) sử dụng để chỉ bit thông tin thứ hai

Mỗi symbol được chia ra là ha khoảng có độ dài T BPM =T dsym / 2, mỗi đoạn này

sẽ điều chế vị trí các bit Ví dụ như bit ‘0’ thì tín hiệu sẽ được điều chế ở nửa TBPM đầu tiên, bit ‘1’ sẽ được điều chế nửa kia và ngược lại Mỗi symbol phát đi chỉ bao gồm một burst tín hiệu Để sử dụng cho việc tránh nhiễu khi có nhiều người dùng, thì các burst sẽ được cho vào các vị trí theo một mã hopping Tổng số vị trí trong một symbol của burst là Nburst được tính bằng công thức Nburst= Tdsym/ Tburst Thêm vào đó để tránh nhiễu liên ký tự ISI thì số vị trí thực sự mà một burst được đặt vào là Nhop=Nburst/4 trong mỗi khoảng BPM và thường thì Tburst << TBPM

2.5.1 Các thông số PSDU

Trong mỗi kênh UWB { } , đỉnh PRF là 499,2MHz Tốc độ này tương ứng với tần số cao nhất mà tại đó máy phát thích hợp sẽ phát xung Hơn nữa, PRF trung bình được xác định như tổng số xung đã phát trong chu kỳ symbol chia cho độ dài symbol Trong suốt đoạn mào đầu SHR của khung UWB, đỉnh và trung bình PRF bản chất là tương tự nhau tính từ khi các xung được phát trong mỗi ký hiệu mào đầu Trong đoạn dữ liệu của PPDU đỉnh và PRF trung bình khác nhau vì nhóm xung đưa về chu kỳ

mã liên tục

Có hai loại chiều dài mã mào đầu (31/ 127) và ba PRF trung bình (15.6MHz, 3.90 MHz và 62.4MHz) Thiết bị thích ứng thực hiện hỗ trợ mã mào đầu độ dài 31 phần tử và hai PRF trung bình 15.6MHz và 3.90MHz cho PSDU Sử dụng chiều dài

mã mào đầu 127 khi thực hiện thì PRF trung bình của PSDU là 62.4MHz

Các kênh UWB { } là các kênh lựa chọn và được làm khác biệt với các kênh UWB khác bởi băng tần rộng hơn (>500MHz) của tín hiệu truyền Các kênh này

lấn lên các kênh băng tần thấp hơn đang tồn tại Băng tần lớn hơn cho phép các thiết bị đang hoạt động trong các kênh này được truyền ở công suất cao hơn Và do đó chúng

có thể chiếm dải trao đổi dài hơn Các xung băng tần rộng hơn yêu cầu nâng cao khả năng chống đa đường Hơn nữa, Băng thông rộng hơn dẫn tới ước lượng phạm vi chính xác hơn

Mỗi kênh UWB cho phép một vài tốc độ dữ liệu riêng, tốc độ đó có được bằng cách thay đổi số chip trong nhóm xung (chip per burst) trong khi tổng số vị trí nhóm xung vẫn giữ nguyên Do đó độ dài ký hiệu Tdsym thay đổi để thu được tốc độ ký hiệu

và tốc độ bit yêu cầu

Bảng 2.1: Các tham số liên quan PSDU

Viterbi Rate

RS Rate

Overall FEC Rate

#Burst Position per Symbol

Hop burst

N hop

Chip per burst

Chip per Symbol

Burst Duration

T burrst

Symbol Duration

T dsym

Symbol Rate (MHz)

Bit Rate MB/s

Mean PRF (MHz) {0:3,5:6,

1

0.87 0.87 0.87 0.87

0.44 0.44 0.44 0.87

8205.13 1025.64 128.21 64.10

0.12 0.98 7.80 15.60

0.11 0.85 6.81 27.24

15.60 15.60 15.60 15.60 {0:3,5:6,

1

0.87 0.87 0.87 0.88

0.44 0.44 0.44 0.88

8205.13 1025.64 512.82 256.41

0.12 0.98 1.95 3.90

0.11 0.85 1.70 6.81

3.90 3.90 3.90 3.90 {0:3,5:6,

0.87 0.87 0.87 0.89

0.44 0.44 0.44 0.44

8205.13 1025.64 128.21 32.05

0.12 0.98 7.80 31.20

0.11 0.85 6.81 27.24

62.40 62.40 62.40 62.40

1

0.87 0.87 0.87 0.89

0.44 0.44 0.44 0.87

8205.13 1025.64 128.21 64.10

0.12 0.98 7.80 15.60

0.11 0.85 6.81 27.24

15.60 15.60 15.60 15.60

0.87 0.87 0.87 0.87

0.44 0.44 0.44 0.44

8205.13 1025.64 128.21 32.05

0.12 0.98 7.80 31.20

0.11 0.85 6.81 27.24

62.40 62.40 62.40 62.40

1

0.87 0.87 0.87 0.87

0.44 0.44 0.44 0.87

8205.13 1025.64 128.21 64.10

0.12 0.98 7.80 31.20

0.11 0.85 6.81 27.24

15.60 15.60 15.60 15.60

0.87 0.87 0.87 0.87

0.44 0.44 0.44 0.44

8205.13 1025.64 128.21 32.05

0.12 0.98 7.80 31.20

0.11 0.85 6.81 27.24

62.40 62.40 62.40 62.40

1

0.87 0.87 0.87 0.87

0.44 0.44 0.44 0.44

8205.13 1025.64 128.21 64.10

0.12 0.98 7.80 15.60

0.11 0.85 6.81 27.24

15.60 15.60 15.60 15.60

127

127

127

0.5 0.5 0.5

0.87 0.87 0.87

0.44 0.44 0.44

8205.13 1025.64 128.21

0.12 0.98 7.80

0.11 0.85 6.81

62.40 62.40 62.40

* Tham số đỉnh PRF (Peak PRF)

Đỉnh PRF biểu diễn tần số cao nhất tại nơi bộ phát thích hợp sẽ phát xung Đỉnh PRF còn đƣợc sử dụng để tính độ dài chip Tc theo công thức Tc=1/peakPRF Giá trị Tc xấp xỉ 2ns

* Tham số PRF trung bình (Mean PRF)

Là giá trị trung bình của PRF trong đoạn PSDU của khung vật lý đƣợc tính bằng công thức:

MeanPRF=N cpb /T dsym

* Tham số độ dài mở đầu (Preamble code Legth)

Tham số này ký hiệu chiều dài của mã mào đầu đƣợc sử dụng trong đoạn SHR của 1 khung dữ liệu Độ dài mã cùng với số lƣợng kênh sẽ xác định một kênh phức hợp Mã riêng đƣợc sử dụng trên mỗi kênh, bảng 2.3 biểu diễn độ dài 31, bảng 2.4 độ dài 127

Tham số tốc độ mã hóa Reed-Solomon (63, 55) xấp xỉ là 0.87 Mã RS đƣợc

áp dụng tới tất cả các bit dữ liệu PSDU mà đƣợc truyền trong lớp vật lý UWB

* Tham số tỉ lệ mã sửa lỗi

Tỉ lệ mã sửa lỗi đƣợc quyết định bằng cách sử dụng tỉ lệ mã viterbi và tỉ lệ

mã RS, có giá trị là 0.44 hoặc 0.87

* Tham số burst trên ký hiệu (Burst position per Symbol)

Tham số này là tổng số vị trí nhóm xung trong độ rộng ký hiệu dữ liệu

Nburst đƣợc chọn để mà mỗi một ký hiệu dữ liệu với PRF trung bình gồm một số cố định độ rộng nhóm xung

* Tham số chiều dài burst (burst duration)

Chiều dài nhóm xung đƣợc tính bằng công thức T burst =N cpb xT c