Nghiên cứu các mô hình kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB

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 xé

-   -

NguyÔn §¡NG TH¤NG

ĐỀ TÀI:

NGI£N CøU C¸C M¤ H×NH K£NH TRONG HÖ THèNG TH¤NG TIN

V¤ TUYÕN B¡NG SI£U RéNG UWB

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẤN : PGS-TS VŨ VĂN YÊM

Hµ Néi - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật “NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được tổng hợp từ các tài liệu tham khảo và có trích dẫn đầy đủ, trung thực Các số liệu và kết quả trong luận văn

là kết quả nghiên cứu trung thực

Học viên

Nguyễn Đăng Thông

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

tính cực tiểu

Multiplex

Ghép kênh theo tần số trực giao

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

QPPAM Quadrature Position and Amplitude

Modulation

Điều chế vị trí và biên độ cầu phương

DANH MỤC CÁC BẢNG

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

37 Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp điều chế khác nhau49

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 UWB phát xạ giới hạn cho các hệ thống thông tin liên lạc trong nhà.

7

Hình 1.2 Tiêu chuẩn UWB giới hạn cho các thiết bị cầm tay từ ngoài trời .7

Hình 1.3 UWB giới hạn thông tin cho các hệ thống hình ảnh thông truyền qua tường 8

Hình 1-4 UWB giới hạn truyền tải cho các hệ thống radar 9

Hình 1.5: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB 10

Hình 1.6: Các monoycle p x (t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng 12

Hình 1.7: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet 13

Hình 1.8: 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 13

Hình 1.9: Chuỗi xung UWB 14

Hình 1.10: 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 1.11: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vật thể trong nhà tạo ra các phiên bản của xung ở bộ thu với cường độ, độ trễ khác nhau 17

Hình 1.12: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu 18

Hình 1.13: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn 19

Hình 1.14: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB 22

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 T p =0.55 ns và minh hoạ trong 10 ns đầu 26

Hình 2.3 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên 27

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

Hình 2.5: Đáp ứng xung UWB điển hình ở khoảng cách 10 m 33

Hình 3.1: Phân loại các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 34

Hình 3.2 Minh hoạ PPM và BPSK trong truyền thông UWB 35

Hình 3.3: Các dạng xung PPM với các bit ‘1’ và ‘0’ 36

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 t p1 =0.7521 ns, n=2,5,14; t p2=0.5 ns, n=2,5; với n là bậc của xung Gaussian 38

.Hình 3.5: PAM, PSM và OOK trong truyền thông UWB 41

Hình 3.6: Khái niệm hệ thống nhảy thời gian 43

Hình 3.9 Sơ đồ khối thu phát UWB chung 50

Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn 52

Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng 56

Hình 3.12 PSD của các monocycle bậc 6 và khi chưa trải phổ (a) và trải phổ TH (b) 57

Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b) 57

Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB 58

Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên 60

Hình 4.1: Sơ đồ phát tín hiệu và kênh UWB 64

Hình 4.2 Kênh CM1 64

Hình 4.3 Kênh CM2 64

Hình 4.4 Kênh CM3 65

Hình 4.5 Kênh CM4 65

Hình 4.6: Sơ đồ mô phỏng 66

Hình 4.7 Tín hiệu thu được khi sử dụng kênh CM1 66

Hình 4.9 Tín hiệu thu được khi sử dụng kênh CM3 67

Hình 4.10 Tín hiệu thu được khi sử dụng kênh CM4 68

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB 3

1.1 Giới thiệu về hệ thống UWB 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của UWB 4

1.1.2 Các ưu điểm của UWB 5

1.1.3 Những thách thức của UWB 5

1.1.4 Vai trò của xử lí tín hiệu 6

1.2 UWB theo chuẩn FCC 2002 6

1.2.1 Thiết bị truyền thông 7

1.2.2 Thiết bị hình ảnh 8

1.3 Các thuộc tính của hệ thống và tín hiệu UWB 9

1.3.1 Mặt nạ phổ công suất 9

1.3.2 Mẫu xung 10

1.3.3 Chuỗi xung 14

1.3.4 Đa đường 15

1.3.5 Các đặc điểm khác 18

1.4 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB 20

1.5 Tổng kết 23

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB 25

2.1 Mở đầu 25

2.2 Mô hình kênh 29

2.2.1 Mô hình kênh phạm vi lớn 30

2.2.2 Mô hình kênh phạm vi nhỏ 31

2.2.3 Sử dụng mô hình 32

2.3 Tổng kết 33

CHƯƠNG 3: TRUYỀN THÔNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB 34

3.1 Các phương pháp điều chế trong truyền thông UWB 34

3.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM) 36

3.1.3 Điều chế dạng xung (PSM) 40

3.1.4 Điều chế biên độ xung 40

3.1.5 Khoá bật- tắt 41

3.1.6 Mẫu tín hiệu 41

3.1.6.1 Mẫu tín hiệu trải phổ nhảy thời gian 42

3.1.6.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp 45

3.1.7 Tổng kết về các phương pháp điều chế 46

3.2 Bộ phát 49

3.3 Các kĩ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB 50

3.3.1 Nhảy thời gian (TH) 52

3.3.2 Trải phổ trực tiếp (DS) 53

3.3.3 Phổ của tín hiệu UWB 55

3.4 Bộ thu 57

3.4.1 Khái niệm cơ bản 57

3.4.2 Các máy thu cải tiến 59

3.4.2.1 Máy thu Rake 60

3.4.2.2 Bộ thu giải tương quan 62

3.5 Tổng kết 63

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MỘT SỐ MÔ HÌNH KÊNH TRONG HỆ THỐNG UWB 64

1 Sơ đồ phát tín hiệu kênh 64

1.2 Tín hiệu kênh CM2 64

1.3 Tín hiệu kênh CM3 65

1.4 Tín hiệu kênh CM4 65

2 Sơ đồ mô phỏng tín hiệu khi sử dụng 4 kênh CM1, CM2, CM3, CM4 66

3 Kết quả mô phỏng 66

3.1 CM1 LOS: kênh truyền thẳng, khoảng cách 0 – 4m 66

3.2 CM2: NLOS kênh không truyền thẳng, khoảng cách 0 – 4m 67

3.3.CM3: NLOS: Kênh không truyền thẳng, khoảng cách 4 – 10m 67

3.4 CM4 Extreme Non - Line – of – sight channel 68

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 69

KẾT LUẬN 69

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỂ TÀI 69

Tài liệu tham khảo 72

Phụ lục 73

1 Các hàm mật độ xác suất quan trọng 73

1.1 Phân bố đồng đều 73

1.2 Phân bố Gauss (hay phân bố chuẩn) 73

1.3 Phân bố Gauss đa biến 73

1.5 Phân bố Rice 75

1.6 Phân bố log chuẩn 75

1.7 Phân bố Suzuki 76

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 Được sử hướng dẫn của thầy PGS.TS Vũ Văn Yêm em mạnh dạn đi

vào tìm hiểu công nghệ này Trong nội dung luận văn 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 luận văn được chia thành 4 chương:

Chương 1: 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

Chương 2: Mô hình kênh cho UWB: trình bày một mô hình kênh vô tuyến

trong nhà áp dụng cho truyền thông UWB

Chương 3: Truyền thông băng siêu rộng 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

Chương 4: Mô phỏng một số mô hình kênh trong hệ thống UWB: Trình bày

kết quả mô phỏng kênh CM1, CM2, CM3, CM4

Vì trình độ và năng lực còn hạn chế nên trong quyển luận văn còn nhiều thiếu sót, em kính mong thầy và các bạn đọc thông cảm Cuối cùng cho phép em được

gữi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Vũ Văn Yêm đã

giúp em hoàn thành quyển luận văn

Vinh 02/2012

Học viên: Nguyễn Đăng Thông

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UWB

1.1 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 có tính đột phá Trước hết em trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằng UWB không hoàn toàn là kỹ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn các kĩ thuật

xử lí tín hiệu được sử dụng Với các ưu thế như tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, gây nhiễu nhỏ v,v, các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trong tương lai với các ứng dụng không dây Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWB trước hết

em 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 vụ mục đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất Tuy nhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứng dụng điện tử viễn thông Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây nhiễu cực nhỏ

Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mới thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến Kĩ thuật UWB có khác biệt

so với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường- thay bằng truyền 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 và công suất rất nhỏ làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền

1.1.1 Lịch sử phát triển của UWB

Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là công nghệ 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 Tuy nhiên, 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 nay dựa vào các sóng dạng sin Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nên phổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệ thống 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 từ 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 cứu 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 kĩ thuật

băng gốc, kĩ thuật không sóng mang, và kĩ thuật xung Bộ Quốc phòng Mỹ được coi

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

1.1.2 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

Em sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo, nhưng trước tiên em 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 mà hiện tại chưa có Tốc độ lớn hơn 100 Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt qua tốc

Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa các người dùng khác nhau Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều người cũng sử dụng có băng tần nằm trong dải tần này có thể bị ảnh hưởng và cần phải chắc chắn rằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ Đặc biệt là trong trường hợp những người dùng này được độc quyền sử dụng dải tần của họ Do đó giải 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 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

1.1.4 Vai trò của xử lí tín hiệu

Sử dụng các kĩ thuật xử lí tín hiệu đóng một vai trò quan trọng trong tất cả các

hệ thống truyền thông hiện nay Tương lai của các hệ thống truyền thông phát triển dựa vào các kĩ thuật xử lí tín hiệu để đẩy hiệu năng của hệ thống lên các giới hạn có thể chẳng hạn như thực hiện tối ưu dung lượng kênh Tăng hiệu năng hệ thống là cần thiết để thoả mãn nhu cầu của người dùng và thúc đẩy sự cạnh tranh về công nghệ cũng như trên thị trường Do đó, xử lí tín hiệu tốt là một trong những yếu tố quyết định thành công của hệ thống truyền thông

Trong trường hợp các hệ thống UWB điều này vẫn đúng Xử lí tín hiệu cho

hệ thống UWB vẫn đang được nghiên cứu, và là nội dung nóng bỏng và hấp dẫn Một trong những yếu tố thú vị của hệ thống UWB là không sử dụng sóng mang, và tín hiệu hoàn toàn là băng gốc Do đó có thể loại bỏ các thành phần như các bộ trộn

sử dụng để hạ tần tín hiệu trước khi lấy mẫu

Nội dung của luận văn này là nghiên cứu về công nghệ truyền thông UWB qua

đó phân tích hệ thống truyền thông UWB dưới quan điểm xử lí tín hiệu, với mục

đích sử dụng công nghệ này cho truyền thông cự li ngắn tốc độ cao

1.2 UWB theo chuẩn FCC 2002

1.2.1 Thiết bị truyền thông

Đối với thiết bị thông tin liên lạc, FCC đã được giới hạn mức phát khác nhau cho thiết bị trong nhà và ngoài trời UWB Các mặt nạ quang phổ cho các thiết bị ngoài trời là 10 dB thấp hơn cho các thiết bị trong nhà, từ 1,61 GHz và 3,1 GHz, thể hiện

Hình 1.2 Tiêu chuẩn UWB giới hạn cho các thiết bị cầm tay từ ngoài trời

Tiêu chuẩn UWB giới hạn truyền cho các thiết bị cầm tay từ ngoài trời.Từ E Thomas, "Walk Don't Run: Bước đầu tiên trong việc ủy quyền Ultra-Wideband Công nghệ," IEEE Hội nghị về hệ thống Ultra Wideband và Công nghệ (UWBST), tháng 5 năm 2002

Theo quy định của FCC, các thiết bị UWB trong nhà phải có các thiết bị cầm tay,

và các hoạt động của nó nên được giới hạn từ peer-to-peer các hoạt động bên trong

Các quy tắc của FCC dictates rằng không có cơ sở hạ tầng cố định có thể được

sử dụng cho UWB truyền thông trong môi trường ngoài trời Do đó, ngoài trời truyền thông bị hạn chế UWB cho các thiết bị cầm tay có thể gửi thông tin duy nhất

để thu tín hiệu liên quan

1.2.2 Thiết bị hình ảnh

Hình 1.3 UWB giới hạn thông tin cho các hệ thống hình ảnh thông truyền qua tường FCC cho thấy sự hạn chế cho các thiết bị UWB dựa trên hình ảnh thông qua tường

hình 1.3 UWB giới hạn thông tin cho các hệ thống hình ảnh thông truyền qua tường Từ E Thomas, "Walk Don't Run: Bước đầu tiên trong việc ủy quyền Ultra-Wideband Công nghệ," IEEE Hội nghị về hệ thống Ultra Wideband và Công nghệ (UWBST), tháng năm 2002

1.2 3 Hệ thống Radar IVehicular

Hệ thống xe radar được phép truyền 41,3 dBm / MHz tại dải tần số 22 GHz

đến 29 GHz Các tần số trung tâm của tín hiệu của nó nên cao hơn 24,075 GHz Các thiết bị radar được phép gắn trên phương tiện truyền tỉa mặt đất và có thể được kích hoạt hoặc là trong khi các thiết đang di chuyển hoặc trong khi thiết bị đang đứng yên

Hình 1-4 UWB giới hạn truyền tải cho các hệ thống radar UWB giới hạn truyền tải cho các hệ thống radar Từ E Thomas, "Walk Don't Run: Bước đầu tiên trong việc ủy quyền Ultra-Wideband Công nghệ," IEEE Hội nghị về

hệ thống Ultra Wideband và Công nghệ (UWBST), tháng năm 2002

Các tiêu chuẩn FCC thể hiện ở bảng sau:

Băng thông hoạt động (GHz)

1.61

1.99

61-3.1

1.99-10.6

3.1-22.0

10.6-29.0 Trong

1.3 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 Chi tiết của mỗi đặc điểm được trình bày trong các chương tiếp theo Trước hết ta nghiên cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB

1.3.1 Mặt nạ phổ công suất

Phổ của tín hiệu UWB là một trong những vấn đề chính gây tranh luận giữa ngành công nghiệp vô tuyến và chính phủ để thương mại hoá UWB Thực tế, tên của công nghệ là siêu băng rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của công nghệ

UWB Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ và quy định khác nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễu tới các người dùng khác ở gần hoặc chung dải tần số

Hình 1.5: 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 dùng hiện tại Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác định nghĩa các mặt nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ở mỗi dải tần số khác nhau Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệ thống UWB trong nhà Băng tần lớn liên tục 7.5 GHz nằm giữa tần số 3.1 GHz và 10.6 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 0.96 GHz-1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, như thông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốc phòng gây áp lực để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó Công suất cho phép -41.3 dBm/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

1.3.2 Mẫu xung

Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là monocycle (đơn chu trình) vì nó chỉ có một chu kì và có thể là bất kì hàm nào thoả mãn yêu cầu

sử dụng xung Gaussian là các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian là tương

đối đơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ Trong nội dung luận

văn này em chỉ nghiên cứu hệ thống và phân tích hệ thống sử dụng xung Gaussian

(bao gồm xung Gaussian và các đạo hàm của nó)

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

2 2

1

2 2

Kết quả đưa ra trong công thức (1.6) chỉ ra đạo hàm xung cơ bản có thể là

một cách điều chỉnh PSD của monocycle trong trường hợp này được giả thiết là

xung Gaussian Một vấn đề khác là phải xác định độ rộng xung, bởi vì xung

Gaussian lí tưởng có độ dài không xác định Rõ ràng đây là một điều không thực 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 trong khoảng

định nghĩa là:

w

w 2 2 2 2

Trong hình 1.5 các monocycle p x(t) với x=0,1,2 và độ rộng xung pw=0.9 ns

được chỉ ra đồng thời với mật độ phổ công suất tương ứng và có thể thấy sự thay

đổi phổ của monocycle phụ thuộc vào bậc của đạo hàm Nếu ứng dụng khác với

một tiêu chuẩn khác thì giới hạn chiếm 99.9% công suất trong luận văn có thể phải thay đổi cho phù hợp với những tiêu chuẩn này

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

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

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 thể thấy

từ các phương trình Maxwell các anten tương tác với tín hiệu UWB sẽ có khác 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

du dt

du dt

Hình 1.7: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet

Một dạng xung UWB điển hình là Gaussian doublet (x=2) Kiểu xung này

thường được sử dụng trong các hệ thống UWB bởi vì dạng xung của nó tạo ra dễ dàng Xung dạng chữ nhật có thể tạo ra dễ dàng bằng cách tắt mở nhanh transistor

Hình 1.8: 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 Hình 1.7 và 1.8 đưa ra một mô hình tạo xung đơn giản, nó mô tả quá trình tạo xung Gaussian doublet, các ảnh hưởng của anten phát và thu tín hiệu Chúng ta bắt

đầu với xung chữ nhật ở hình 1.8(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 hay doublet Mạch đơn giản tạo xung Gaussian doublet được trình bày trên hình 1.7 Phát xung trực tiếp đến anten các thành phần xung bị lọc tuỳ thuộc vào các đặc tính của anten Quá trình lọc này có thể mô hình như là quá trình đạo hàm [8] Ảnh hưởng tương tự cũng xảy ra ở anten thu Ở đây em chỉ mô hình kênh là trễ và giả thiết xung được khuyếch đại ở phía thu

1.3.3 Chuỗi xung

Một xung bản thân nó không thể truyền nhiều thông tin Thông tin hay dữ liệu 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, thường được gọi

là độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm các đỉnh phổ ở các tần số ứng với độ lặp đó Những tần số này là bội số của nghịch đảo của tốc độ lặp xung Các đường công suất đỉnh này gọi là các đường răng lược bởi vì nó trông giống một chiếc lược Xem hình 1.10 (a)

Hình 1.9: Chuỗi xung UWB

Các đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể Một phương pháp tạo dạng phổ giống tạp âm là làm “nhoè phổ” tín hiệu bằng việc thêm vào một độ dịch ngẫu nhiên vào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phát xung trước một khoảng nhỏ so với 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 1.10 (b) và có thể so sánh với hình 1.10 (a) thấy rằng các đường răng lược đã được làm giảm đi rất rõ rệt Chúng ta sẽ thấy ở chương sau, việc tạo trễ này không hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng lặp theo mã giả ngẫu nhiên đã biết (PN)

1.3.4 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 miền thời 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 đầu thu Xem hình 1.7 cho ví dụ về truyền dẫn đa đường trong một phòng Nguyên nhân 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 1.10: 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) 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 đặc điểm 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 hiện tượng đa đường Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu ở

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 khoảng một độ rộng xung chúng sẽ gây nhiễu và nếu chúng tách biệt ít nhất độ rộng một xung chúng sẽ không gây nhiễu Nếu các xung không bị chồng lấn, chúng có thể được lọc ra trong miền thời gian hay nói cách khác có thể bỏ qua Giả thiết rằng một

kí hiệu điều chế trên một xung thì chúng sẽ không gây giao thoa trong cùng một kí hiệu Mặt khác năng lượng từ các thành phần đa đường lại có thể cộng lại trong một

bộ thu Rake Hình 1.8 và 1.9 mô tả các xung không chồng lấn và chồng lấn tương ứng

Hình 1.11: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vật thể 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, thời gian đến bộ thu giữa hai thành phần đa đường tương ứng Để hai thành phần đa đường không chồng lấn nhau thì  t pw Do đó khoảng thời gian tách biệt cần thiết 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 trong nhà

Một phương pháp khác để giảm nhiễu đa đường là giảm thời gian chiếm dụng (duty cycle) của xung Bằng cách phát những xung với khoảng thời gian lớn hơn 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 độ truyền dẫn dữ liệu tối đa đối với một hệ thống với phương pháp điều chế cho trước Trong trường hợp giới hạn nếu các xung được phát liên tục thì hệ thống sẽ tương tự với hệ thống truyền dẫn sóng dạng sin

Hình 1.12: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng

lấn và sẽ không gây nhiễu

1.3.5 Các đặc điểm khác

Tốc độ phát dữ liệu

Một trong những lợi ích của truyền dẫn UWB cho truyền thông là tốc độ cao của nó Hiện này tốc độ chip liên tục được cải thiện, phần lớn các ứng dụng nhằm đạt tốc độ trong khoảng 100 Mb/s tới 500 Mb/s [9], tương đương Ethernet có dây tới 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 trong nhà

là trong khoảng 110 Mb/s đến 480 Mb/s, khá lớn so với các chuẩn không dây hiện

khoảng cách cỡ là 10 m, 200 Mb/s với khoảng cách cỡ 4 m và 480 Mb/s với khoảng cách nhỏ hơn 4m

Lí do của các loại khoảng cách này dựa trên chủ yếu các ứng dụng khác nhau

Ví dụ, 10m phù hợp với kích thước của một phòng Khoảng cách nhỏ hơn 4m phù hợp với các thiết bị như home server và ti vi Khoảng cách nhỏ hơn 1m phụ vụ cho các thiết bị trong máy tính cá nhân

Hình 1.13: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn Một trong những lợi thế quan trọng của kĩ thuật UWB là độ phức tạp ít và giá thành hạ, với lượng rất ít thiết bị RF Số lượng thiết bị ít dẫn đến giá thành thấp Bộ

phát UWB đơn giản nhất chỉ bao gồm bộ tích phân xung, mạch định thời, và một anten

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

Công suất tiêu thụ thấp

Với thiết kế hợp lí thiết bị UWB có công suất tiêu thụ tương đối thấp Công suất tiêu thụ mục tiêu của các chip UWB là nhỏ hơn 100 mW Bảng 1.2 đưa ra số liệu 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

1.4 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB

R&O (Report and Order) định nghĩa ba loại hệ thống UWB là: Các hệ thống chụp ảnh, các hệ thống truyền thông và đo đạc, và các hệ thông rada giao thông

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 kết nối 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 gian thực 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 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 1.14: 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 để theo dõi tình trạng ô nhiễm; hoặc di động, nếu được trang bị cho binh lính, lính cứu hoả, hoặc robot trong quân đội và trong giải quyết các tình trạng khẩn cấp.Yêu cầu quan trọng cho mạng cảm biến vận hành trong các điều kiện khó khăn 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 lượng lớn thông tin cảm biến trong thời gian ngắn Đặc biệt, năng lượng là rất hạn chế trong mạng cảm biến

so với các mạng WPAN bởi khó khăn trong việc nạp lại acqui cho các thiết bị cảm biến Các nghiên cứu chỉ ra áp dụng công nghệ UWB cho 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 GPS chưa được sử dụng

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

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 độ nhạy 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 tín hiệu UWB có khả năng đâm xuyên nên có thể mở rộng với các ứng dụng khác như chụp 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 năng định vị có độ chính xác cao của UWB, có thể xây dựng các hệ thống điều khiển giao thông và tránh tai nạn thông minh Các hệ thống này có thể cải thiện hoạt động của các túi khí bảo hiểm trong phương tiện giao thông và hỗ trợ điều khiển giao 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 trong phương tiện giao thông bằng cách download dữ liệu từ các bộ phát UWB hướng dẫn dọc

theo hai bên đường

1.5 Tổng kết

Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống cũng như tín hiệu UWB, và phân tích một số khía cạnh của tín hiệu UWB như phổ tần, dạng xung của xung UWB Điều đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB là công suất phát cũng như mật

độ phổ công suất của tín hiệu UWB bị giới hạn bởi mặt nạ phổ công suất do FCC 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 hệ thống truyền thông vô tuyến khác Độ rộng xung cực nhỏ nên các xung có thể phân biệt với các thành phần đa đường không mong muốn khác dễ dàng do khả năng phân giải thời gian cao Điều này dẫn đến đặc điểm chống đa đường của tín hiệu UWB Ngoài các ưu điểm ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông các đặc tính khác của tín hiệu UWB như khả năng đâm xuyên vật thể và khả năng định vị cao làm 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 tảng công nghệ này Chẳng hạn như tất cả các thiết bị trong phòng có thể thực hiện truyền thông 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 thể giảm giá thành, kích cỡ, trọng lượng, và công suất tiêu thụ đáng kể của các hệ thống

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 ảnh tần thấp [GHz]

Chụp ảnh

[GHz]

Chụp ảnh tần trung bình

[GHz]

Rada giao thông [GHz]

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN TRONG UWB 2.1 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 phải được nghiên cứu tỉ mỉ trước khi thực hiện mỗi cải tiến hay ứng dụng trên các hệ thống UWB Bỏ qua những điều này không thể đánh giá chính xác được hiệu năng của hệ thống và ảnh hưởng nhiễu giữa hệ thống UWB và các hệ thống truyền thông 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 rõ ràng 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 hệ thống vô tuyến khác có thể được giảm thiểu bằng các bộ thu phát thích hợp Do đó, mô tả kênh truyền dẫn vô tuyến UWB là yêu cầu chủ yếu cho thiết kế các hệ thống truyền thông UWB

nhà-Bộ thu

Đường nhìn thẳng

Vật phản xạ

Một khía cạnh quan trọng của bất kì hoạt động mô hình hoá kênh vô tuyến nào

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 chính xác hoặc

đã đơn giản hoá của môi trường Tuy nhiên các phương pháp thường chỉ hiểu rõ hoạt động thống kê của kênh và không thể đưa ra giải thích vật lí của các đặc điểm của kênh được quan sát Do các đặc tính thống kê này thường tạo ra các hàm phức tạp, cả các đặc tính truyền dẫn và dạng địa hình đặc thù cũng được mô hình 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 đưa vào để tính toán sự thay đổi toàn bộ hoạt động của kênh truyền Sự khác biệt giữa UWB và các kĩ thuật mô hình hoá truyền thống là do thực tế trong môi trường UWB, các hiệu ứng phụ thuộc tần số không thể bỏ qua Các tham số liên quan đến đâm xuyên, phản xạ, suy hao đường truyền, và nhiều hiệu ứng khác có thể coi là tham số phụ thuộc tần số cần được nghiên cứu tỉ mỉ Hình 2.2 minh hoạ dạng sóng phát 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

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

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 vật trong môi trường vật lí Các hệ số của bộ lọc do đó được giả thiết là không đổi trong thời gian

( )

hiệu thu r(t) có thể tính được như sau:

với z(t) là tạp âm Gaussian với phương sai 2

 Ở đầu thu r(t) được lấy mẫu với khoảng lấy mẫu thích hợp T s để có vecto cột r(n) giữ các giá trị thu được

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

vào tín hiệu thu:

( )

N K

Do đặc điểm chống đa đường như đã trình bày ở chương 1 nên có thể giả thiết

mô hình kênh có các thành phần đa đường rời rạc nghĩa là các xung không chồng lấn Điều này dẫn đến bộ thu bao gồm một tập hợp các phiên bản trễ của monocycle

i

a Phân bố biên độ của một mô hình kênh vô tuyến được mô tả tốt nhất bởi đặc tính cường độ trễ (PDP: Power Delay Profile) thể hiện liên hệ giữa công suất thu được của thành phần đa đường thu được với độ trễ của các thành phần đa đường PDP được chia thành các các bin với độ rộng nhất định và công suất thu được tập hợp trong khoảng thời gian này Công suất thu trung bình suy giảm dạng hàm mũ theo biến là số thứ tự bin và công suất thu được thực sự là phân bố Gamma với kì vọng là giá trị công suất thu trung bình Lí do là phân bố Gamma phù hợp với các kết quả đo kiểm thực tế có thể hiểu là do đặc tính chu kì xung rất nhỏ làm số thành phần đa đường được kết hợp nhỏ Nếu số lượng thành phần đa đường lớn nên sử dụng phân bố Rayleigh hay phân bố Rican

Hình 2.4 là một ví dụ của mô hình PDP được mô tả với các cột chỉ giá trị

làm kì vọng Để sử dụng PDP để tìm các hệ số bộ lọc, các thuộc tính về dấu của các

hệ số phải biết Rõ ràng là sự phản xạ làm đảo cực của xung và nó phải được tính vào mô hình Trong các hệ thống vô tuyến băng hẹp thông thường hiện tượng này thường được tính bằng cách để pha của tín hiệu băng gốc phức phân bố đều trong

là +1 hoặc -1 với xác suất bằng nhau sẽ hợp lí hơn

Một điều không được tính vào mô hình PDP là thực tế các bin có thể tương quan với nhau theo một cách nào đó Điều này xảy ra khi các sóng nhiễu xạ quanh một vật cản nào đó và tạo ra các sóng tương quan với nhau với độ trễ thay đổi rất ít với nhau

Mô hình được chia thành hai phần:

 Mô hình phạm vi lớn

 Mô hình phạm vi nhỏ

Mô hình đầu tính cho sự thay đổi của kênh khi di chuyển máy thu một khoảng cách đáng kể so với khoảng cách giữa máy thu và phát, ví dụ di chuyển từ phòng này sang phòng khác Mô hình thứ hai ngược lại xác định thay đổi của kênh khi di chuyển máy thu một khoảng cách nhỏ mà không làm thay đổi môi trường kênh tổng thể

2.2.1 Mô hình kênh phạm vi lớn

Mô hình phạm vi lớn được mô tả bởi PDP sử dụng các bin có công suất thu

Nbin =100 bin Độ trễ với bin thứ k do đó là  k (k 1)  với k {1,2, ,N }bin dẫn

đến thời gian đáp ứng xung lên tới 198 ns Độ lợi trung bình của bin thứ k là

k

tổng số năng lượng thu được ở khoảng cách 1m Độ lợi năng lượng trung bình tổng

số thu được là G totdo đó được định nghĩa là [12]:

Với vế phải của đẳng thức (2.9) dựa trên giả thiết độ lợi công suất trung bình

1

G r