Xử lý tín hiệu trong truyền thông băng siêu rộng và ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân

Ngày nay, chúng ta luôn mong muốn sở hữu những hệ thống khôngdây với độ linh hoạt cao, có khả năng truyền tải dữ liệu ở tốc độ lớn hay có thể định vị chính xác tới mức cm nhưng đồng thời

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu và thựchiện dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Quang Hiếu

Học viênDương Tấn Nghĩa

Mục lục

1.1 Khái niệm UWB 13

1.1.1 Định nghĩa UWB và vấn đề quy chuẩn 13

1.2 Phân loại máy thu UWB 18

1.3 Chuẩn IEEE 802.15.4a 20

1.3.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a 21

1.3.2 Phần tiêu đề lớp vật lý (PHR) và tải dữ liệu (PSDU) 24

1.4 Đặt vấn đề và phạm vi luận văn 24

2 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a 27 2.1 Mô hình kênh Saleh-Valenzuela 28

2.1.1 Nguyên lý chung về kênh đa đường 28

2.1.2 Mô hình kênh đa đường do Saleh và Valenzuela đề xuất 31

MỤC LỤC

2.1.3 Các tham số cơ bản của mô hình S-V 34

2.1.4 Quy trình mô phỏng 36

2.2 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a 38

2.2.1 Những đặc điểm và tham số chính của mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a 38

2.2.2 Môi trường hoạt động của thiết bị UWB IEEE 802.15.4a 40

2.2.3 Tham số hóa mô hình kênh UWB cho dải tần 2− 10GHz 41

2.2.4 Một số lưu ý về quy trình đo kênh UWB IEEE 802.15.4a 42

2.2.5 Cách thức xác định các thông số của môi trường 44

3 Thuật toán trong máy thu UWB IEEE 802.15.4a 49 3.1 Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu 49

3.2 Đồng bộ thô 53

3.3 Đồng bộ tinh 55

3.3.1 Ước lượng giá trị của τ 56

3.3.2 Xác định phần PHR 65

3.4 Mô phỏng và kết quả 67

3.4.1 Đồng bộ thô 68

3.4.2 Đồng bộ tinh 71

3.5 Nhận xét 74

4 Đa người dùng trong IEEE 802.15.4a 76 4.1 Vấn đề đa người dùng trong UWB 76

4.2 Đa người dùng cho tuyến xuống 77

4.2.1 Đặt vấn đề 77

4.2.2 Thuật toán giải mã 80

4.2.3 Mô phỏng và kết quả 81

4.3 Nhận xét 82

MỤC LỤC

5 Triển khai bộ xử lý băng gốc UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink 84

5.1 Hệ thống thu-phát UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink 85

5.2 Khối đồng bộ thô 87

5.3 Khối đồng bộ tinh 87

5.4 Khối giải mã tín hiệu đa người dùng tuyến xuống 90

5.5 Kết quả triển khai 94

CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

DSP Digital Signal Processor

ETSI European Telecommunications Standards InstituteFCC Federal Communications Commission

FET Field-Effect Transistor

FPGA Field Programmable Gate Arrays

GPS Global Positioning System

HDL Hardware Description Language

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

SFD Start of Frame Delimiter

VLSI Very-Large-Scale Integration

WPAN Wireless Personal Area Network

Danh sách hình vẽ

Hình 1.1 Mặt nạ phổ UWB do tổ chức FCC quy định dành cho các ứng

dụng trong nhà 15Hình 1.2 Xung Gauss bậc2 có độ rộng 2ns 19Hình 1.3 Cấu trúc phần SHR 22Hình 1.4 Cấu trúc của một kí tự dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a 24Hình 2.1 Sơ đồ tầng 1 Phòng thí nghiệm AT&T Bell và các vị trí đặt

máy thu-phát 29Hình 2.2 Mô hình tiến hành thí nghiệm 30Hình 2.3 Mô hình đơn giản kênh Saleh-Valenzuela a) Sự suy giảm công

suất theo hàm mũ của tia và cụm tia b) Một ví dụ về đáp ứngxung của kênh truyền 33Hình 2.4 Hàm phân phối xác suất tích lũy của hệ số khuếch đại đường

truyền chuẩn hóa (nét liền) và phân phối luật mũ thích hợpnhất (nét gạch) [13] 36Hình 3.1 Sơ đồ khối của một máy thu dò năng lượng non-coherent 51Hình 3.2 Quy trình đồng bộ tín hiệu ở máy thu 52Hình 3.3 Quá trình xác định mảnggi ứng với từng nhóm mẫu yi 54Hình 3.4 Sơ đồ các bước thực hiện thuật toán đồng bộ tinh 56Hình 3.5 Cách thức ước lượng τ 57

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 3.6 Minh họa dạng xung q(t) (bỏ qua tạp âm) 58Hình 3.7 Dạng sóng của S( ˜m, ˜ε) (bỏ qua tạp âm) 59Hình 3.8 Giá trị của S[ ˜m, ˜nε] đạt cực đại khi ˜m = m và ˜nε= nε 60Hình 3.9 Dạng sóng của S0[m, ˜nε] (bỏ qua tạp âm) 61Hình 3.10 Dạng của S0[m, ˜nε] với Ts = 2ns và Ts = 16ns 63Hình 3.11 So sánh giữa ngưỡng mới λ0 với λ trong [1] khi Ts= 16ns 64Hình 3.12 So sánh giữa ngưỡng mới λ0 với λ trong [1] khi Ts= 2ns 65Hình 3.13 So sánh công suất giữa các phần của một khung tín hiệu UWB

IEEE 802.15.4a 66Hình 3.14 Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị

khác nhau củaK 69Hình 3.15 Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị

khác nhau củaTs 69Hình 3.16 Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị

khác nhau của số bit lượng tử hóa 70Hình 3.17 Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts∈ {4, 2}ns 71Hình 3.18 Xác suất lỗi của bước ước lượng giá trị τ với Ts∈ {16, 8}ns 72Hình 3.19 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác

nhau của f 73Hình 3.20 Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác

nhau của Ts 74Hình 4.1 Cấu trúc của một kí tự dữ liệu PHR/PSDU trong trường hợp

8 người dùng tuyến xuống 78Hình 4.2 Giải mã dữ liệu đa người dùng khi sai lệch đồng bộ bằngTburst/2 79Hình 4.3 Giải mã dữ liệu đa người dùng (giả thiết đồng bộ chính xác) 81

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 4.4 Xác suất lỗi của thuật toán giải mã dữ liệu cho trường hợp 8

người dùng 82Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống UWB IEEE 802.15.4a đơn người dùng trên

Simulink 86Hình 5.2 Sơ đồ khối đồng bộ thô trên Simulink 88Hình 5.3 Sơ đồ khối đồng bộ tinh trên Simulink 88Hình 5.4 Hệ thống thu-phát UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng 91Hình 5.5 Khối giải mã UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng 92Hình 5.6 Khối phát UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng 93Hình 5.7 Đồng mô phỏng hệ thống UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink

và HDL/FPGA 95Hình 5.8 Kết quả của quá trình đồng mô phỏng 95Hình 5.9 Mức độ tiêu thụ tài nguyên phần cứng của bộ xử lý số băng

gốc trên kit FPGA của Atlys 96

Lời mở đầu

Trong những năm cuối thế kỉ 20, đầu thế kỉ 21, thế giới chứng kiến sự bùng nổ mạnh

mẽ của các kĩ thuật truyền thông vô tuyến cũng như sự phổ biến rộng rãi của cácứng dụng không dây trong mọi mặt của đời sống Có thể liệt kê ra hàng loạt nhữngcông nghệ vô tuyến đã trở nên rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày của chúng

ta như hệ thống thông tin di động (GSM/3G/4G-LTE), hệ thống định vị toàn cầu(GPS/Galileo/Glonass) hay công nghệ wifi (802.11a/b/g/n/ac) Tuy nhiên, nhữngyêu cầu của cuộc sống hiện đại đối với các hệ thống thông tin vô tuyến luôn gia tăngkhông ngừng Ngày nay, chúng ta luôn mong muốn sở hữu những hệ thống khôngdây với độ linh hoạt cao, có khả năng truyền tải dữ liệu ở tốc độ lớn hay có thể định

vị chính xác tới mức cm nhưng đồng thời phải có công suất tiêu thụ thấp (kéo dàithời gian sử dụng pin của thiết bị hay góp phần làm “xanh” môi trường) và giá thànhtriển khai rẻ để dễ dàng đưa ứng dụng vào cuộc sống Không những vậy, với nguồntài nguyên tần số ngày càng khan hiếm và chật chội, việc phát triển một công nghệkhông dây mới thỏa mãn các tiêu chí trên mà không gây ảnh hưởng đến các hệ thống

vô tuyến hiện hành luôn nhận được sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu không chỉ củagiới khoa học mà còn của các tổ chức, tập đoàn công nghiệp trên khắp thế giới

Kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng (UWB - Ultra-WideBand ) là một công nghệmới có khả năng giải quyết đồng thời các yêu cầu trên nhờ vào những đặc tính riêng

có của nó Tuy nhiên, ngoài những lợi thế đặc biệt của mình, kĩ thuật UWB cũng gặpphải không ít rào cản kĩ thuật cần phải vượt qua nếu muốn đưa vào ứng dụng rộng

DANH SÁCH BẢNG

rãi trong thực tế Việc sử dụng các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡns) để truyền tín hiệu không chỉ đòi hỏi máy thu cần sử dụng bộ ADC tốc độ cao (cỡGHz) mà còn khiến cho vấn đề đồng bộ tín hiệu trở nên rất khó khăn, đặc biệt khimong muốn triển khai một hệ thống UWB cho đa người dùng

Trong luận văn này, tôi xin phép được lựa chọn đề tài “Xử lý tín hiệu trongtruyền thông băng siêu rộng và ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân”với trọng tâm chính là phát triển một thuật toán đồng bộ tín hiệu hoàn chỉnh chomáy thu UWB IEEE 802.15.4a với mục tiêu xác định chính xác vị trí của phần dữliệu trong khung tín hiệu để phục vụ cho quá trình giải mã Khả năng hoạt động củacác thuật toán sẽ lần lượt được kiểm chứng trên phần mềm mô phỏng MATLAB vàcông cụ mô hình hóa Simulink kết hợp với FPGA

Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương:

• Chương 1 trình bày khái quát về kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng nói chung

và chuẩn IEEE 802.15.4a nói riêng dành cho các ứng dụng truyền dữ liệu tốc

độ thấp và tiết kiệm năng lượng

• Chương 2 giới thiệu vê mô hình kênh Saleh-Valenzuela, từ đó đưa ra mô hìnhkênh đa đường dành riêng cho chuẩn IEEE 802.15.4a

• Chương 3 đề xuất một thuật toán đồng bộ gồm hai bước dành cho máy thuUWB IEEE 802.15.4a đơn người dùng và mô phỏng trên MATLAB để xem xéthiệu suất hoạt động của thuật toán

• Chương 4 phát triển một thuật toán giải mã tín hiệu ở máy thu UWB IEEE802.15.4a trong trường hợp đa người dùng tuyến xuống

• Chương 5 thể hiện quá trình triển khai một hệ thống thu-phát UWB IEEE802.15.4a hoàn chỉnh trên Simulink và đồng mô phỏng kết hợp HDL/FPGA để

DANH SÁCH BẢNG

kiểm chứng lại một lần nữa khả năng hoạt động của các thuật toán được đềxuất

Chương 1

Giới thiệu chung

Chương đầu của luận văn được dành để trình bày những khái niệm cơ bản về truyềnthông băng siêu rộng (UWB) và các kiểu máy thu UWB thường được triển khai trênthực tế Ngoài ra, cấu trúc khung tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a dànhcho mạng vô tuyến cá nhân (WPAN - Wireless Personal Area Network ) cũng sẽ được

mô tả một cách chi tiết Phần cuối cùng của chương sẽ đề cập đến bài toán mà luậnvăn này mong muốn giải quyết cũng như phạm vi triển khai của luận văn

1.1.1 Định nghĩa UWB và vấn đề quy chuẩn

Định nghĩa đầu tiên về một tín hiệu băng siêu rộng (UWB -Ultra-WideBand ) đượcđưa ra vào năm 1990 bởi DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) [6].Theo định nghĩa này, một tín hiệu được xem là băng siêu rộng khi có băng thôngtương đối Wf rac lớn hơn0.25, với

Wf rac= 2fH − fL

fH + fL

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

trong đó, fH và fL lần lượt là tần số cao nhất và thấp nhất của tín hiệu đo tại phổtần −3dB

Sau thời điểm này, một số công ty và tập đoàn công nghiệp trên thế giới nhưAetherWire, Time Domain Co., Multi-Spectral Solution Inc., X-treme Spectrum hayPulse-Link Inc đã tiên phong trong việc nghiên cứu và phát triển những sản phẩmthương mại có tốc độ truyền tải dữ liệu cao, không sử dụng sóng mang trên nền tảngcông nghệ UWB Tuy nhiên, thời điểm đó vẫn chưa có một quy định ràng buộc nàođối với phổ tần và công suất phát của tín hiệu UWB dù đã có những lo ngại về sựcan nhiễu của UWB gây ra cho những hệ thống hiện đang tồn tại như GPS [10],[5] Do đó, cần phải đưa ra một giới hạn chính thức đối với tín hiệu UWB để có thểphát triển và xây dựng một hệ thống thông tin băng siêu rộng có khả năng tồn tạiđồng thời với những hệ thống băng hẹp hiện có Sau một thời gian dài thảo luận vànghiên cứu, một quy chuẩn cho tín hiệu UWB đã được đưa ra vào năm 2002 bởi FCC(Federal Communications Commission) Theo quy định của FCC, hệ thống UWB cóthể hoạt động trên một dải tần không cấp phép trong khoảng 3.1-10.6GHz với mặt

nạ phổ công suất phát được thể hiện trên Hình 1.1 [7]

Ngoài giới hạn về phổ tần và công suất phát, báo cáo cuối cùng của FCC còn đưa

ra một thay đổi nhỏ với định nghĩa tín hiệu UWB của DARPA Cụ thể, băng thôngtương đối yêu cầu với tín hiệu UWB được giảm xuống còn 0.2 và tần số cao nhất vàthấp nhất của tín hiệu được tính tại phổ tần−10dB Ngoài ra, một tín hiệu cũng cóthể được xem là UWB nếu băng thông tuyệt đối của nó lớn hơn hoặc bằng 500MHz

Kí hiệu fc = (fH − fL)/2 là tần số trung tâm và W = fH − fL là băng thông tuyệtđối của tín hiệu Có thể tóm tắt lại định nghĩa mới về UWB của FCC như sau:Một tín hiệu được xem là băng siêu rộng UWB khi có

• Băng thông tương đối Wf rac> 0.2 nếu fc> 2.5GHz, hoặc

• Băng thông tuyệt đối W ≥ 500MHz nếu fc< 2.5GHz

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Hình 1.1: Mặt nạ phổ UWB do tổ chức FCC quy định dành cho các ứng dụng trongnhà

Kĩ thuật UWB dựa trên việc phát đi các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thờigian (cỡ ns hoặc nhỏ hơn nữa) với mật độ phổ công suất rất thấp Do những đặc tínhriêng có này, UWB có một số ưu điểm so với các hệ thống băng hẹp truyền thống

Có thể liệt kê ra một vài tính năng quan trọng của kĩ thuật UWB như:

• Truyền dữ liệu tốc độ cao trong phạm vi trung bình và ngắn: điều nàyđạt được bằng cách phát đi các xung cực hẹp trong miền thời gian sử dụng cácmạch đóng-ngắt tốc độ rất cao và đồng bộ chính xác ở máy thu

• Triển khai các thiết bị có độ phức tạp thấp với chi phí rẻ: dựa trênviệc phát các xung trực tiếp từ antenna, bỏ qua bước trộn tần RF [18], nhờ đó

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

hệ thống có thể triển khai trên nền tảng CMOS với những ưu thế vượt trội vềcông suất tiêu thụ và chi phí so với nền tảng SiGe khi phải sử dụng các thànhphần cao tần RF [17] Như vậy, các hệ thống UWB không sóng mang cho phépchế tạo các bộ thu-phát đơn giản và giá thành rẻ cho các ứng dụng như mạngcảm biến, định vị - dò đường, [12], [15]

• Loại bỏ nhiễu đa đường: xuất phát từ bản chất của UWB là sử dụng cácxung cực hẹp trong miền thời gian với băng thông siêu rộng, nhờ đó có khảnăng chống lại hiệu ứng đa đường hay giao thoa từ các hệ thống khác

Bên cạnh FCC của Mỹ, tại châu Âu cũng có một số tổ chức độc lập đưa ra nhữngràng buộc đối với hệ thống UWB để có thể đưa vào sản xuất thương mại như CEPT(The European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) hayETSI (European Telecommunications Standards Institute) Những yêu cầu kĩ thuậtmới được đặt ra tại châu Âu có sự khác biệt nhất định với quy định của FCC ở

Mỹ, khiến cho trong suốt một thời gian dài việc thống nhất quy chuẩn đối với tínhiệu UWB gặp nhiều khó khăn Ngay cả khi IEEE-SA (Institute of Electrical andElectronics Engineers) chính thức công bố chuẩn chính thức IEEE 802.15.4a vào năm

2007 [8], những tranh cãi xung quanh vấn đề thống nhất tiêu chuẩn kĩ thuật choUWB vẫn không thể chấm dứt do xung đột giữa các tổ chức công nghiệp đã đầu tưnghiên cứu và phát triển những hệ thống UWB theo tiêu chuẩn của riêng họ Chínhđiều này đã hạn chế việc nghiên cứu, phát triển và đưa các hệ thống UWB vào sảnxuất thương mại Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, việc phát triển hệ thống UWBdựa theo chuẩn IEEE 802.15.4a ngày càng nhận được sự quan tâm của đông đảo giớikhoa học Do đó, trong phần còn lại của luận văn, những tham số kĩ thuật đối vớitín hiệu UWB và các thuật toán được phát triển cho hệ thống UWB sẽ dựa trên tiêuchuẩn IEEE 802.15.4a này

Chuẩn IEEE 802.15.4a ra đời vào năm 2007 đề xuất cấu trúc lớp vật lý UWB cho

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

các ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân (WPAN) tốc độ thấp Trên thực tế, cóhai loại ứng dụng WPAN tốc độ thấp sử dụng lớp vật lý UWB IEEE 802.15.4a:

1 Định vị/đo đạc/theo dõi: với các ứng dụng này, hệ thống UWB cần sử dụngcác bộ ADC tốc độ rất cao (cỡ GHz) để thỏa mãn yêu cầu chính xác cao củaứng dụng Hiển nhiên, việc sử dụng bộ ADC với tần số lấy mẫu đến GHz sẽ giatăng độ phức tạp của phần cứng và chi phí triển khai thiết bị

2 Truyền dữ liệu tốc độ thấp: một ví dụ điển hình cho kiểu ứng dụng này là cácmạng cảm biến, một dạng hệ thống luôn đặt các tiêu chí giá thành rẻ và tiếtkiệm năng lượng lên hàng đầu Với yêu cầu đặt ra, các giải thuật xử lý tín hiệu

ở máy thu dạng này thường không cần sử dụng các bộ ADC tốc độ cao, rấtthích hợp để triển khai cho các sensor (các node) trong mạng

Dù được định nghĩa như thế nào, xuất phát từ tên gọi "băng siêu rộng", có thểnhận thấy tín hiệu UWB là các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ ns).Theo chuẩn IEEE 802.15.4a, dạng xung của tín hiệu UWB được truyền đi p(t) chịu

sự ràng buộc bởi dạng hàm tương quan chéo của nó với một xung tham chiếu r(t)

Cụ thể, hàm tương quan chéo chuẩn hóa giữa hai dạng xung này được định nghĩa là

với β = 0.6 và Tp là độ rộng của xung Bảng 1.1 quy định những yêu cầu đối với mộtxungp(t) để thỏa mãn chuẩn IEEE 802.15.4a cho từng kênh được cấp phép [8]:

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Kênh UWB Độ rộng xung Độ rộng búp sóng chính

Tp (ns) Tw (ns){0:3, 5:6, 8:10, 12:14} 2.00 0.5

Bảng 1.1: Độ rộng xung tham chiếu theo chuẩn IEEE 802.15.4a

Để một máy phát UWB tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4a, xung p(t) phảithỏa mãn búp sóng chính của |φ(τ)| ≥ 0.8 trong một đoạn có độ rộng tối thiểu Tw

được chỉ ra trong Bảng 1.1 và không có búp sóng phụ nào vượt quá 0.3 Về mặt lýthuyết, có khá nhiều dạng xung thỏa mãn quy định của IEEE 802.15.4a Tuy nhiên,trên thực tế được sử dụng phổ biến nhất trong UWB là hai dạng: xung Butterworthbậc 8 và xung Gauss (cùng các dạng vi phân của nó) có băng thông 3dB là 500MHz.Trong luận văn này, dạng xung p(t) được lựa chọn là vi phân bậc 2 của xung Gauss

do tính đơn giản và tiện lợi trong quá trình tạo xung [2] Phương trình (1.1) mô tảmột xung Gauss với hệ số tỉ lệ thời gian σ

g(t) = √ 1

Hình 1.2 minh họa một xung p(t) là vi phân bậc 2 của xung Gauss và có độ rộng2ns (thỏa mãn băng thông 500MHz) sẽ được sử dụng trong luận văn này

Khác với các hệ thống thông tin băng hẹp truyền thống, tín hiệu UWB phải chịu sựsuy hao đáng kể trong quá trình truyền tải từ máy phát đến máy thu Nguyên nhânchính là do đáp ứng kênh truyền tổng thể giữa các thiết bị thu phát biến dạng mạnh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Time (ns)

Hình 1.2: Xung Gauss bậc 2 có độ rộng 2nsbởi các hiệu ứng đa đường và lựa chọn tần số xuất phát từ những đặc tính vật lýriêng biệt của tín hiệu UWB [11], [9] Ngoài ra, những hiệu ứng từ antenna cũng gây

ra hiện tượng tán xạ xung khiến cho cao độ và góc phương vị thay đổi [3], [2] Donhững yếu tố trên, phương pháp tương quan truyền thống sử dụng bộ lọc phối hợptrên các máy thu băng hẹp gặp rất nhiều khó khăn khi triển khai cho UWB, trừ phitrên máy thu có sử dụng các khối tính toán phức tạp được thiết kế riêng cho mụcđích đo đạc và ước lượng kênh truyền, từ đó xác định được dạng sóng của tín hiệuUWB đến máy thu để phục vụ cho quá trình tách sóng

Dựa vào việc có sử dụng những thông tin về trạng thái kênh truyền trong quátrình tách sóng hay không, người ta chia máy thu UWB ra thành hai loại:

1 Máy thu coherent là loại máy thu tối ưu xét trên khía cạnh độ chính xác củaquá trình tách sóng do có sử dụng những thông tin đầy đủ về trạng thái kênh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

truyền để thực hiện tương quan tín hiệu Với những hiểu biết chính xác về kênhtruyền, máy thu coherent có kiến trúc như một máy thu tương quan truyềnthống, trong đó sử dụng bản sao của xung được truyền đi để triển khai mộtmáy thu lọc phối hợp hay máy thu RAKE [16], [19]

2 Máy thu non-coherent là loại máy thu không sử dụng các thông tin về trạngthái kênh truyền cho quá trình tách sóng, do đó không cần sử dụng các kĩthuật ước lượng kênh truyền phức tạp như máy thu coherent Kiến trúc máythu non-coherent thích hợp cho mục đích phát triển các hệ thống thu phát chiphí thấp, tiết kiệm năng lượng và có hàm lượng tính toán cũng như độ phứctạp phần cứng thấp [4] Khả năng tiết kiệm tài nguyên phần cứng của máy thunon-coherent có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong nhiều trường hợp vì các thaotác tính toán và ước lượng kênh truyền thường tiêu tốn đến 60% tổng số cổnglogic khi triển khai trên phần cứng FPGA với máy thu coherent [17]

Việc lựa chọn kiến trúc coherent hay non-coherent cho máy thu UWB phụ thuộcnhiều vào nhu cầu và ứng dụng mà nhà thiết kế hướng tới Với tiêu chí độ chính xácđặt lên hàng đầu, máy thu coherent hiển nhiên là sự lựa chọn tối ưu như đã trình bày

ở trên Ngược lại, khi mong muốn xây dựng một hệ thống đơn giản, dễ dàng triểnkhai trên phần cứng, giá thành rẻ và công suất tiêu thụ thấp, máy thu non-coherent

sẽ là sự lựa chọn thích hợp Phần cuối của chương sẽ trình bày kiến trúc máy thuđược lựa chọn để triển khai trong luận văn và giải thích lí do cho quyết định này

Các chuẩn cho truyền thông băng siêu rộng UWB được xây dựng bởi tổ chức

IEEE-SA, trong đó, phổ biến nhất là hai chuẩn IEEE 802.15.3a (dành cho các ứng dụngtốc độ cao) và IEEE 802.15.4a (dành cho các ứng dụng tốc độ thấp) Đến thời điểm

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

hiện tại, việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống tương thích với chuẩn tốc độ caoIEEE 802.15.3a gặp rất nhiều khó khăn do những rào cản về mặt kĩ thuật Ngượclại, chuẩn tốc độ thấp IEEE 802.15.4a hiện đang nhận được sự quan tâm và đầu tưnghiên cứu rất lớn của nhiều nhà khoa học và các tổ chức công nghiệp do tính khảthi của nó trong việc triển khai các hệ thống UWB đơn giản với tốc độ, chi phí vàcông suất tiêu thụ thấp Năm 2007, nhóm xây dựng chuẩn IEEE 802.15.4a đã công

bố tài liệu chính thức quy định cấu trúc lớp vật lý tiêu chuẩn cho các thiết bị UWBhoạt động trong mạng vô tuyến cá nhân tốc độ thấp (low-rate WPANs), trong đóđịnh nghĩa cấu trúc của một khung tín hiệu UWB và những yêu cầu về dạng xungđược phép sử dụng Các đặc tả kĩ thuật về lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4a sẽđược trình bày chi tiết hơn trong phần tiếp theo của Chương 1

1.3.1 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a

Theo [8], tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a được phát đi dưới dạng các khungtín hiệu, mỗi khung được cấu tạo gồm ba phần:

• Tiêu đề đồng bộ (SHR - Synchronization HeadeR): gồm hai đoạn mào đầuđồng bộ (SYNC - SYNChronization preamble) và giới hạn khung (SFD - Start

of Frame Delimiter), được phát đi đầu tiên và có chức năng hỗ trợ cho máythu thực hiện các thao tác đồng bộ, định thời, khôi phục tần số và ước lượngkênh

• Tiêu đề lớp vật lý (PHR - Physical-layer HeadeR): được gắn ngay sau phầnSHR và truyền tải những thông tin cần thiết giúp máy thu giải mã thành côngtín hiệu được phát đi như độ rộng phần mào đầu, tốc độ truyền tải dữ liệu,kích thước phần tải tin (chứa dữ liệu) và các bit sửa sai

• Phần dữ liệu (PSDU - PHY Service Data Unit): được truyền đi sau cùng vàmang dữ liệu mong muốn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

SYNC 16,64,1024,or 4 096 symbols

0

Cấu trúc của phần SHR được thể hiện trên Hình 1.3 Theo chuẩn IEEE 802.15.4a,SHR được chia nhỏ thành hai đoạn khác nhau với chức năng riêng biệt: mào đầuđồng bộ (SYNC) thực hiện chức năng đồng bộ, giám sát và ước lượng kênh, và khốigiới hạn khung (SFD) có nhiệm vụ chỉ thị điểm kết thúc phần tiêu đề đồng bộ.Đoạn SYNC có thể chứa 16, 64, 1024 hoặc 4096 kí tự mào đầu Si như Hình 1.3.Mỗi kí tự mào đầu Si được tạo ra bằng cách trải chuỗi cân bằng hoàn hảo {ck} bởihàm δL(n) có kích thước L kí tự, trong đó,

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

• {ck} với ck ∈ {−1, 0, +1} là một chuỗi kí tự tam phân có đặc tính tự tươngquan hoàn hảo và được dùng để định danh cho mỗi mạng PAN hoạt động ởmột kênh vật lý UWB với băng tần cho phép,

trong đó, toán tử ⊗ chỉ thị cho tích Kronecker Phương trình 1.2 tương đương vớiviệc mỗi kí tự mào đầu Si được hình thành bằng cách chèn L− 1 kí tự ’0’ vào giữamỗi kí tự của chuỗi {ck} như Hình 1.3

Khối giới hạn khung (SFD)

Khác với đoạn SYNC, khối giới hạn khung (SFD) không hình thành từ một chuỗicác kí tự mào đầu giống hệt nhau mà được cấu tạo bằng trải chuỗi mã gồm 8 kí tự[0 +1 0 −1 +1 0 0 −1] (dành cho các ứng dụng truyền tải dữ liệu ở tốc độ mặc định

và trung bình) hoặc 64 kí tự [0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0

−1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0+1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1] (với các ứng dụng truyền tải dữ liệu tốc

độ thấp) bởi kí tự mào đầu Si (phép trải tương đương với toán tử Kronecker như ởđoạn SYNC) Cấu trúc của phần tiêu đề đồng bộ gồm hai đoạn SYNC và SFD (vớitrường hợp 8 kí tự) được minh họa như trên Hình 1.3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.3.2 Phần tiêu đề lớp vật lý (PHR) và tải dữ liệu (PSDU)Theo [8], phần PHR/PSDU được điều chế sử dụng phương pháp BPM-BPSK (BurstPosition Modulation - Binary Phase-Shift Keying), trong đó, mỗi kí tự dữ liệu cókhả năng truyền tải hai bit thông tin: một bit được dùng để xác định vị trí của bursttrong kí tự dữ liệu và bit còn lại dùng để điều chế pha (sự phân cực) của chính burstnày Hình 1.4 thể hiện cấu trúc của một kí tự dữ liệu thuộc phần PHR/PSDU

Tc

Vị trí nhóm xung Khoảng bảo vệ Vị trí nhóm xung Khoảng bảo vệ

Hình 1.4: Cấu trúc của một kí tự dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a

Mỗi kí tự dữ liệu được chia làm hai nửa BPM có độ rộng bằng nhau TBP M =

Tdsym/2 với Tdsym là chiều dài của một kí tự dữ liệu Nếu burst dữ liệu nằm ở nửaBPM thứ nhất, bit đầu tiên được truyền đi là bit ’0’; ngược lại, nếu burst nằm ở nửaBPM thứ hai, bit đầu tiên là bit ’1’ Ngoài ra, pha của chính burst này (−1 hoặc +1)

sẽ được dùng để chỉ thị bit thứ hai được truyền đi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

thực tế Ngoài ra, việc truyền tín hiệu bằng các xung rất hẹp đòi hỏi máy thu phải sửdụng bộ ADC (Analog to Digital Converter) tốc độ cao (cỡ GHz), làm cho chi phí đểxây dựng một hệ thống UWB trở nên rất đắt đỏ Do vậy, việc phát triển một thuậttoán đồng bộ cho máy thu UWB thỏa mãn các tiêu chí đơn giản, hiệu quả để việctriển khai trên phần cứng là khả thi và không đắt đỏ luôn nhận được sự quan tâmcủa đông đảo các nhà khoa học trong và ngoài nước

Kết thúc quá trình đồng bộ, máy thu thực hiện nhiệm vụ cuối cùng là giải mã tínhiệu, cụ thể, khôi phục lại dòng bit được truyền đi ban đầu, trước khi cung cấp làm

dữ liệu đầu vào cho các hệ thống khác Theo [8], mỗi kí tự dữ liệu có khả năng truyềntải hai bit thông tin, trong đó có một bit được mã hóa thông qua sự phân cực (’+1’hay ’-1’) của burst dữ liệu Tuy nhiên, với những máy thu dò năng lượng (kiến trúcmột máy thu dò năng lượng non-coherent điển hình được thể hiện ở Hình 3.1 trongChương 3), tín hiệu đưa vào bộ xử lý số (DSP) là tín hiệu đã được bình phương Nhưvậy, tính phân cực của các burst dữ liệu lúc này không còn nữa Nói cách khác, kiểumáy thu dò năng lượng này không cho phép khôi phục lại được bit thông tin thứ hai

mà máy phát đã truyền đi

Một vấn đề nữa được đặt ra là cấu trúc khung dữ liệu của tín hiệu UWB theochuẩn IEEE 802.15.4a được trình bày ở trên là dành cho trường hợp đơn người dùng(một máy phát - một máy thu) Trong trường hợp hệ thống gồm một máy phát -nhiều máy thu (tức hệ thống đa người dùng tuyến xuống), cấu trúc của khung dữliệu, chính xác hơn, của kí tự dữ liệu, sẽ có sự thay đổi Quá trình giải mã tín hiệutrong trường hợp này sẽ phức tạp hơn nhiều so với khi chỉ có một người dùng (mộtmáy thu) Lí do là vì một kí tự dữ liệu lúc này sẽ chứa đồng thời nhiều burst dữ liệutương ứng với nhiều người dùng thay vì chỉ có duy nhất một burst được truyền đitrong mỗi kí tự như với trường hợp đơn người dùng (chi tiết về cấu trúc khung tínhiệu đa người dùng sẽ được trình bày trong Chương 4)

Mục tiêu của luận văn là thiết kế và triển khai một bộ xử lý số băng gốc (baseband

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

DSP - Digital Signal Processor) cho máy thu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a vớihai chức năng chính:

1 Đồng bộ tín hiệu (đơn người dùng): để thực hiện chức năng này, một thuật toánđồng bộ hoàn chỉnh được phát triển giúp máy thu xác định vị trí của phần dữliệu PHR/PSDU với một sai số nhất định, đủ để quá trình giải mã tín hiệu diễn

ra thành công cho trường hợp đơn người dùng

2 Giải mã tín hiệu (đa người dùng tuyến xuống): giả thiết máy thu đã định vịchính xác thời điểm bắt đầu phần PHR (giải thuật đồng bộ tín hiệu cho trườnghợp đa người dùng không được xem xét trong luận văn này), một thuật toán

sẽ được phát triển giúp máy thu giải mã chính xác dữ liệu ứng với một ngườidùng xác định

Tiêu chí đặt ra với bộ xử lý băng gốc là có độ phức tạp tính toán thấp, kiến trúcđơn giản, thích hợp cho việc triển khai trên phần cứng HDL/FPGA, tiến tới xây dựngtrên thực tế một hệ thống thu phát UWB IEEE 802.15.4a hoàn chỉnh có giá thành

rẻ và tiết kiệm năng lượng, phục vụ cho các ứng dụng truyền tải tốc độ dữ liệu thấpnhư trong các mạng vô tuyến cá nhân Với tiêu chí này, kiến trúc máy thu dò nănglượng non-coherent được lựa chọn do các ưu điểm: cấu trúc đơn giản, chi phí triểnkhai thấp và ít tiêu thụ năng lượng của nó

Trong phạm vi của luận văn, một bộ xử lý số băng gốc với hai chức năng trên sẽđược mô phỏng trên công cụ MATLAB để kiểm tra hiệu quả hoạt động của các giảithuật được phát triển Tiếp đó, một mô hình hoàn chỉnh của bộ xử lý này sẽ đượctriển khai trên Simulink, một công cụ mô hình hóa hệ thống gần gũi với HDL/FPGAhơn MATLAB, để kiểm chứng lại một lần nữa tính chính xác của các thuật toántrước khi tiến tới triển khai trên phần cứng

số cơ bản của mô hình kênh Saleh - Valenzuela, trên cơ sở đó xây dựng mô hình kênhdành riêng cho tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a Những đặc tính thống kêcủa kênh UWB sẽ được sử dụng trong các chương tiếp theo của luận văn.

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

2.1.1 Nguyên lý chung về kênh đa đường

Mô hình kênh Saleh-Valenzuela (S-V) ra đời vào năm 1987 và được đặt theo tên củahai nhà khoa học đã xây dựng nên nó Đây là một mô hình thống kê của kênh vôtuyến trong nhà, được phát triển dựa trên kết quả các phép đo lường độ suy hao vàtrải trễ đa đường bên trong một tòa nhà văn phòng hai tầng có kích thước trung bình(Phòng thí nghiệm AT&T Bell, Crawford Hill, Holmdel, NJ) Đặc điểm của tòa nhànày là có tường bao quanh làm từ các xà thép và kính, còn tường bên trong phần lớnlàm từ các cột bằng gỗ phủ tấm vữa Bên trong các phòng của tòa nhà chứa những

đồ văn phòng bằng kim loại thông thường và/hoặc các thiết bị thí nghiệm Các phép

đo được thực hiện sử dụng các xung tương tự như xung radar có công suất thấp, tần

số1.5GHz để có được cái nhìn tổng quát về đáp ứng kênh truyền với độ phân giải cỡ5ns Mô hình S-V đóng một vai trò quan trọng trong kĩ thuật truyền thông vô tuyến

do nó đủ đơn giản để sử dụng trong việc mô phỏng và phân tích những kênh vô tuyếntrong nhà khác nhau và khả năng mở rộng (bằng cách thay đổi các thông số) để mô

tả kênh truyền cho nhiều tòa nhà khác

Thí nghiệm của Saleh và Valenzuela sử dụng một dao động kế quét cao tần đểtạo ra một tín hiệu liên tục ở tần số 1.5GHz; tín hiệu này sau đó được điều chế bởimột chuỗi xung có độ rộng10ns với chu kỳ lặp xung 600ns, lâu hơn bất cứ một tuyếntrễ nào quan sát được trong tòa nhà tiến hành thí nghiệm Tín hiệu tương tự xungradar này tiếp tục được khuếch đại rồi truyền đi thông qua một antenna hình nónngược phân cực dọc có mẫu phát xạ đẳng hướng trong mặt phẳng nằm ngang Côngsuất truyền đi trung bình được điều chỉnh nhờ một bộ suy hao bậc thang trên mộtkhoảng từ nanowatts tới một vài milliwatts Ở phía thu, một antenna hình nón ngượcphân cực dọc thứ hai được sử dụng, theo sau là một chuỗi bộ khuếch đại FET tạp

âm thấp (hệ số tạp âm 3dB) Tín hiệu sau khi nhận được đi qua một bộ tách đường

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

bao bình phương có đầu ra được hiển thị trên dao động kế bộ nhớ số điều khiển bằngmáy tính Dải động của thí nghiệm khoảng hơn90dB, đạt được bằng cách điều chỉnhthủ công bộ suy hao bậc thang ở máy thu cùng với hệ số khuếch đại theo chiều dọccủa dao động kế Máy phát được đặt cố định tại tiền sảnh của tòa nhà ở vị trí trungtâm của tầng 1 Máy thu lần lượt được đặt tại các vị trí khác nhau trong tòa nhà(vẫn ở tầng 1) để thu thập dữ liệu Trong thí nghiệm này, cả máy phát và máy thuđều tĩnh trong quá trình đo đạc đáp ứng xung Ngoài ra, mọi sự di chuyển (của conngười) trong phạm vi lân cận của máy phát và máy thu cũng được hạn chế Sơ đồtòa nhà tiến hành thí nghiệm và thiết lập phép đo lần lượt được minh họa ở Hình 2.1

và Hình 2.2:

Hình 2.1: Sơ đồ tầng 1 Phòng thí nghiệm AT&T Bell và các vị trí đặt máy thu-phát

Về cơ bản, kênh vô tuyến đa đường được biểu diễn bởi nhiều đường hoặc tia có

hệ số khuếch đại {βk}, trễ truyền tải {τk} và độ dịch pha tương ứng {θk} với k là chỉ

số của tuyến đa đường (k nhận giá trị từ 0 cho đến ∞) Đáp ứng xung kênh truyềnđược biểu diễn dưới dạng:

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

Hình 2.2: Mô hình tiến hành thí nghiệm

h(t) =X

k

βkejθkδ(t− τk)trong đó δ() là hàm delta Dirac

Do có sự chuyển động của người và thiết bị trong/xung quanh tòa nhà, các thông

sốβk,τk vàθk là các hàm biến thiên ngẫu nhiên theo thời gian Tuy nhiên, trong thực

tế, tốc độ biến thiên này là rất chậm khi so với tốc độ truyền tải tín hiệu (thường caohơn hàng chục kbps) Do vậy, các thông số này có thể được xem như các biến ngẫunhiên bất biến theo thời gian

Tín hiệu cao tần truyền đi có dạng:

x(t) = p(t)ej(ωt+φ)trong đó, p(t) là dạng xung ở băng cơ sở, ω là tần số điều chế cao tần

Như vậy, khi đi qua kênh đa đường có đáp ứng xung h(t), tín hiệu thu được có

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

Eθ{|y(t)|2} =X

k

βk2p2(t− τk)nhưng có thể áp dụng cho cả trường hợp xảy ra hiện tượng chồng xung

2.1.2 Mô hình kênh đa đường do Saleh và Valenzuela đề xuấtMục tiêu mà Saleh và Valenzuela đặt ra là tìm được đặc tính thống kê kết hợp giữa hệ

số khuếch đại đường truyền {βk} và thời gian đến {τk} Qua quan sát thực nghiệm,Saleh và Valenzuela nhận thấy các tia đến máy thu theo từng cụm (cụm tia), thờigian đến của cụm tia (tức thời gian đến của tia đầu tiên trong cụm) được mô hìnhhóa bởi một tiến trình Poisson với tốc độ không đổiΛ Ngoài ra, trong mỗi cụm tia,thời gian đến của các tia tiếp sau cũng tuân theo một tiến trình Poisson với một tốc

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

độ không đổi λ Thông thường, mỗi cụm tia chứa rất nhiều tia, tức λ Λ

Kí hiệu thời gian đến của cụm tia thứ l là Tl, l = 0, 1, 2, ; thời gian đến của tiathứ k tính từ vị trí bắt đầu cụm tia thứ l là τk,l, k = 0, 1, 2, Theo định nghĩa, vớicụm tia đầu tiên, T0 = 0, và với tia đầu tiên trong mỗi cụm tia, τ0,l = 0 Theo Saleh

và Valenzuela, các tham số{Tl} và {τk,l} được mô tả bởi hàm mật độ xác suất theoluật mũ:

p(Tl|Tl −1) = Λexp[−Λ(Tl− Tl −1)], l > 0 (2.2)p(τk,l|τ(k −1),l) = λexp[−λ(τk,l− τ(k −1),l)], k > 0 (2.3)

Kí hiệu hệ số khuếch đại của tia thứ k trong cụm tia thứ l là βk,l và pha tươngứng là θk,l Như vậy, đáp ứng xung của kênh truyền trong mô hình Saleh-Valenzuela

có giá trị dương và có giá trị bình phương trung bình{β2

k,l} là các hàm đơn điệu giảmcủa {Tl} và {τk,l}:

β2 k,l = β2(k, l) = β2(0, 0)e−Tl /Γe−τk,l /γ (2.4)trong đó, β2(0, 0) = β2

0,0 là hệ số khuếch đại công suất trung bình của tia thứ nhấttrong cụm tia đầu tiên, Γ và γ lần lượt là các hằng số suy giảm công suất theo thờigian của cụm tia và tia Mô hình Saleh-Valenzuela có thể được minh họa qua Hình2.3

Trong hầu hết mọi trường hợp, các cụm tia thường chồng lấn lên nhau Ví dụ, với

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

Hình 2.3: Mô hình đơn giản kênh Saleh-Valenzuela a) Sự suy giảm công suất theohàm mũ của tia và cụm tia b) Một ví dụ về đáp ứng xung của kênh truyền

một giá trịk nào đó, nếu τk,l ≥ Tl+1− Tl thì các cụm tia thứl và (l + 1) sẽ chồng lấnlên nhau từ các tia thứ k trở đi của cụm thứ l Tuy nhiên, thông thường thì Γ > γ

và công suất kì vọng của các tia trong một cụm sẽ suy giảm nhanh hơn nhiều sovới công suất kì vọng của tia đầu tiên ở cụm kế tiếp Do vậy, nếu khoảng thời gian

∆T = Tl+1− Tl đủ lớn sao cho e−∆T /γ  e−∆T /Γ thì các cụm tia thứ l và (l + 1) coinhư tách biệt với nhau

Ngoài ra, theo lý thuyết, các tia và cụm tia trải dài vô hạn, được thể hiện qua phéplấy tổng vô hạn trong công thức định nghĩa đáp ứng xung của kênh truyền (2.4) Tuynhiên, trên thực tế, phép lấy tổng với biến l sẽ dừng lại khi e−T l /Γ  1 và với biến

k dừng lại khi e−τk,l /γ  1 Như trong thí nghiệm của Saleh và Valenzuela, các tia

và cụm tia nằm ngoài khoảng 200ns mặc dù có tồn tại nhưng nói chung mang nănglượng quá nhỏ để có thể phát hiện ra Vì vậy, có thể coi như không tồn tại những tianằm ngoài cửa sổ thời gian này

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

2.1.3 Các tham số cơ bản của mô hình S-V

Tốc độ đến của cụm tia, Λ

Cụm tia đến đầu tiên được hình thành bởi sóng truyền theo đường "gần như" trựctiếp tới máy thu Đường truyền này (không phải lúc nào cũng là đường truyền thẳng)phần lớn là không gian tự do và ít phải truyền qua các bức tường Các cụm tia đếntiếp theo sinh ra do sự phản xạ từ các kiến trúc nổi bên trong tòa nhà (ví dụ nhưcác bức tường, cánh cửa, ) Trong thí nghiệm của Saleh và Valenzuela, một nửa sốphòng được đo cho thấy không tồn tại bất kì một cụm tia đến tiếp theo nào trongcửa sổ quan sát rộng 200ns, nửa số phòng còn lại, về cơ bản, có sự xuất hiện củathêm một cụm tia thứ hai Sử dụng luật phân phối Poisson, hai nhà khoa học tínhđược xác suất xuất hiện thêmn cụm tia trong khoảng 200ns được cho bởi công thức:

P (n) = (200Λ)nexp

Để phù hợp với quan sát thực nghiệm, giá trị 1/Λ cần nằm trong khoảng từ

200 − 300ns Trong trường hợp này, P (0) = 0.37 ÷ 0.51, P (1) = 0.37 ÷ 0.34 và

P (n > 1) = 0.26÷ 0.15

Tốc độ đến của cụm tia, λ

Trong thí nghiệm của Saleh và Valenzuela, giá trị 1/λ được ước lượng trong khoảng

5− 10ns bằng cách phân tách các tia riêng biệt trong khoảng 200 phép đo hàm côngsuất Sự bất định của khoảng ước lượng này xuất phát từ thực tế giải thuật phântách tia của Saleh và Valenzuela cùng với độ nhạy của phép đo không cho phép pháthiện ra rất nhiều tia có năng lượng thấp, cụ thể là những tia ngay gần những tiamạnh Dĩ nhiên, khi độ nhạy phép đo tăng lên thì số tia yếu được phát hiện sẽ tănglên và do đó, giá trị của λ sẽ lớn hơn Tại cùng một thời điểm, hàm phân phối xácsuất của hệ số khuếch đại đường truyềnβk sẽ giảm đi với những hệ số có giá trị nhỏ

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

Do đó, giá trị thích hợp của λ được lựa chọn gắn liền với hàm phân phối xác suấtcủa hệ số βk

Hằng số suy giảm công suất theo thời gian của tia và cụm tia, γ và ΓThí nghiệm của Saleh và Valenzuela cho thấy số lượng cụm tia đến, thể hiện qua cácgiá trị T0, T1, , TL, là như nhau khi đo tại mọi vị trí trong một phòng cho trước.Theo (2.4), giá trị kì vọng của công suất tia là một hàm theo thời gian, được đo từthời điểm đến của tia đầu tiên trong cụm tia đầu tiên, cho bởi công thức

Giá trị ước lượng của γ và Γ với một phòng cho trước thu được bằng cách gánmột mốc thời gian và lấy trung bình của nhiều hàm công suất s(t) bên trong phòng

đó Thực tế, giá trị thu được là ước lượng của phép chập trong miền thời gian giữa

β2(t) và giá trị bình phương của xung truyền p2(t) Tuy nhiên, do xung truyền nàyrất hẹp, hiệu ứng của phép chập có thể bỏ qua Bằng cách đồng nhất số mũ suy haovới hàm công suất của mỗi cụm tia, Saleh và Valenzuela thu được giá trị ước lượngtrung bình của γ Tương tự, giá trị ước lượng trung bình của Γ được tính bằng cáchđồng nhất số mũ suy hao thông qua cạnh lên của các cụm tia kế tiếp

Hàm phân phối xác suất của hệ số khuếch đại đường truyền, βk,l

Qua quan sát thực nghiệm, Saleh và Valenzuela nhận thấy hàm phân phối xác suấtcủa hệ số khuếch đại đường truyền chuẩn hóa β2

k,l/β2 k,l độc lập với trễ tương ứng, và

do đó, độc lập với vị trí thực hiện phép đo bên trong tòa nhà Hình 2.4 thể hiện hàmphân phối xác suất tích lũy của β2

k,l/β2 k,l.Đường nét gạch là hàm phân phối xác suất tích lũy theo luật mũ với trị trung

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

Hình 2.4: Hàm phân phối xác suất tích lũy của hệ số khuếch đại đường truyền chuẩnhóa (nét liền) và phân phối luật mũ thích hợp nhất (nét gạch) [13]

bình bằng 1, P [β2

k,l/β2 k,l > X] = exp(−X), mà khi đưa về dạng logarith sẽ trở thànhmột đường thẳng như trong hình vẽ trên Từ đây, Saleh và Valenzuela rút ra đượchàm mật độ xác suất theo luật mũ của hệ số khuếch đại công suất đường truyền,

p(βk,l2 ) = (β2

k,l)−1exp(−βk,l2 /β2

k,l)hay tương đương với hàm mật độ xác suất theo phân phối Rayleigh dành cho hệ sốkhuếch đại điện áp đường truyền,

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

thu/phát một khoảng r:

1 Khởi tạo thời gian đến của các cụm tia, T1, T2, sử dụng công thức luật phânphối theo hàm mũ (2.2) với T0 = 0

2 Xác định giá trị công suất trung bình của tia đầu tiên trong cụm tia thứ nhất

β2(0, 0) Giá trị này liên quan trực tiếp đến hệ số khuếch đại công suất đa đườngtrung bình G(r) của căn phòng đang xét:

3 Tạo ra các tia bên trong mỗi cụm tia:

• Thời gian đến tương đối của tia τk,l tuân theo luật phân bố mũ (2.3)

• Biên độ của mỗi tia βk,l được khởi tạo từ công thức phân bố Rayleigh (2.5)

• Góc pha tương ứng θk,l được chọn lựa từ một phân bố đều

4 Tùy vào ứng dụng, tiến trình khởi tạo tia và cụm tia sẽ dừng lại khi công suấttrung bình của các tia được tạo ra nhỏ hơn một ngưỡng nào đó

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

2.2.1 Những đặc điểm và tham số chính của mô hình kênh

UWB IEEE 802.15.4a

Mục tiêu chính của mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a là mô hình hóa sự suy giảmbiên độ và phân tán trễ của tín hiệu Hiện tượng suy giảm biên độ tín hiệu gây ra bởinhững vật cản trên đường truyền giữa các thiết bị thu-phát và tổn hao kênh truyền,gọi chung là large-scale fading Sự phân tán trễ mô tả hàm trễ công suất và các đặctính thống kê của small-scale fading, từ đó xác định được các tham số khác của tínhiệu như trải trễ hiệu dụng, số tuyến đa đường chứa x% năng lượng, Các phép đo

để xây dựng mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a chủ yếu tập trung vào mô tả nhữngđặc tính thống kê của small-scale fading

Những đặc điểm chính của mô hình này là:

• Chỉ xét đến kênh truyền, bỏ qua các hiệu ứng của antenna

• Mô hình suy hao đường truyền theo luật d−n

• Suy hao đường truyền phụ thuộc vào tần số

• Những thay đổi so với mô hình kênh Saleh-Valenzuela:

– Phân phối Poisson kết hợp cho thời gian đến của các tia trong cụm tia:khác với mô hình S-V cổ điển chỉ sử dụng một tiến trình Poisson riêng lẻ,trong mô hình kênh IEEE 802.15.4a, thời gian đến của tia trong mỗi cụmđược mô tả là sự kết hợp của 2 tiến trình Poisson với nhau như sau:

p(τk,l|τ(k −1),l) = βλ1exp[−λ1(τk,l−τ(k −1),l)]+(β−1)λ2exp[−λ2(τk,l−τ(k −1),l)], k > 0

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

trong đó, β là xác suất kết hợp, λ1 và λ2 là tốc độ đến của tia; điều nàycho phép mô hình mới có thể mở rộng phạm vi áp dụng cho nhiều môitrường khác nhau (không nhất thiết phải là môi trường trong nhà như môhình S-V) bằng cách thay đổi tham số xác suất kết hợp β

– Hằng số suy hao theo thời gian bên trong mỗi cụm tia phụ thuộc vào trễ:tốc độ suy hao bên trong một cụm tia tỉ lệ tuyến tính với thời gian đếncủa cụm tia đó, γl ∝ kγTl+ γ0, trong đókγ mô tả sự gia tăng của hằng sốsuy hao theo trễ

– Một vài môi trường NLOS (Non Light-of-Sight) có hàm trễ công suất banđầu tăng rồi sau đó giảm

• Small-scale fading theo phân phối Nakagami với các hệ số m khác nhau cho cácthành phần khác nhau

• Block fading: kênh giữ nguyên không đổi trong khoảng thời gian một burst dữliệu

Dưới đây là danh sách đầy đủ các tham số của một mô hình kênh UWB IEEE802.15.4a tổng quát:

• P L0 suy hao đường truyền ở khoảng cách 1m

• n hệ số mũ suy hao đường truyền

• σS độ lệch chuẩn của hiệu ứng che chắn

• Aant suy hao của antenna

• κ độ phụ thuộc tần số của suy hao đường truyền

• ¯L số cụm tia trung bình

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH UWB IEEE 802.15.4A

• Λ tốc độ đến của các cụm tia

• λ1, λ2, β tốc độ đến của các tia

• Γ hằng số suy hao theo thời gian của các cụm tia

• kγ, γ0 hằng số suy hao theo thời gian bên trong cụm tia

• σcluster giá trị phương sai hiệu ứng che chắn của cụm tia

• m0, km giá trị trung bình của hệ số Nakagami-m

• ˆm0, ˆkm giá trị phương sai của hệ số Nakagami-m

hệ thống UWB khác nhau

1 Nhà ở: đây là những môi trường điển hình của mạng gia đình với chức năng kếtnối các thiết bị khác nhau hay các cảm biến cảnh báo nguy hiểm (lửa, khói)trong một diện tích tương đối nhỏ Kiến trúc cơ bản của môi trường này đượcđặc tả bởi những vật dụng có kích thước nhỏ và những bức tường bên trong nhàvới độ dày vừa phải Môi trường nhà ở được phân chia tiếp thành hai loại là