Tài liệu Nghiên cứu hệ thống băng cực rộng uwb và ứng dụng luận văn ths. kỹ thuật điện tử viễn thông 2.07.00

i §¹i häc quèc gia Hµ néi Tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ T« Hång Nam NGHI£N CøU HÖ THèNG B¡NG CùC RéNG UWB Vμ øng dông LuËn v¨n th¹c sÜ Hà Nội - 2006 ii §¹i häc quèc gia Hµ Néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ T« Hång Nam NGHI£N CøU HÖ THèNG B¡NG CùC RéNG UWB Vμ øng dông Ngµnh Chuyªn ngµnh M· sè : C«ng nghÖ §iÖn tö - ViÔn th«ng : Kỹ thuật vô tuyến và thông tin liên lạc : 2.07.00 LuËn v¨n th¹c sÜ Ng−êi h−íng dÉn khoa häc PGS.TS. TrÇn Hång Qu©n Hà Nội - 2006 iii iv MỤC LỤC MỤC LỤC......................................................................................................... i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................ vii DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... xii MỞ ĐẦU .......................................................................................................xiii CHƯƠNG 1...................................................................................................... 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB ..................................... 1 1.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 1 1.2 Lịch sử ra đời......................................................................................... 1 1.3 Phạm vi hoạt động của UWB ............................................................... 3 1.4 Công nghệ UWB.................................................................................... 4 1.5 Ứng dụng của UWB .............................................................................. 6 1.6 Các vấn đề kỹ thuật cần lưu ý.............................................................. 9 1.7 Kết luận ................................................................................................ 10 CHƯƠNG 2.................................................................................................... 12 NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU VÀ CÔNG NGHỆ UWB ..................................................................................... 12 2.1 Giới thiệu.............................................................................................. 12 2.2 Mật độ phổ năng lượng....................................................................... 12 2.3 Dạng xung ............................................................................................ 14 2.4 Dãy xung............................................................................................... 17 2.5 Mặt nạ phổ ........................................................................................... 19 2.6 Khả năng chống đa đường ................................................................. 20 2.7 Khả năng truyền qua vật chất ........................................................... 23 2.8 Dung lượng không gian và phổ.......................................................... 23 2.9 Tốc độ truyền dữ liệu.......................................................................... 24 2.10 Tiêu thụ năng lượng.......................................................................... 25 2.11 Tổng kết.............................................................................................. 26 CHƯƠNG 3.................................................................................................... 27 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU BĂNG CỰC RỘNG TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN ....................................... 27 Mở đầu ....................................................................................................... 27 3.1 Giới thiệu chung .................................................................................. 27 3.1.1 Hệ thống đơn băng........................................................................ 30 3.1.2 Hệ thống đa băng .......................................................................... 30 a. Đa băng xung ................................................................................. 30 b. Đa băng dựa trên OFDM .............................................................. 31 3.2 Tạo tín hiệu UWB................................................................................ 33 U U v 3.2.1 Đặc điểm của tín hiệu UWB ......................................................... 33 a. Định nghĩa...................................................................................... 33 b. Mẫu xung đơn ................................................................................ 35 3.2.2 Thiết kế tín hiệu UWB .................................................................. 37 a. Nguyên tắc ...................................................................................... 38 b. Thiết kế tín hiệu.............................................................................. 39 c. Tính toán công suất cho các xung được phát lặp......................... 43 3.3 Các phương thức điều chế UWB ....................................................... 45 3.3.1 Điều chế vị trí xung....................................................................... 47 3.3.2 Điều chế khoá lưỡng trực giao M mức (M-BOK) ....................... 49 3.3.3 Điều chế phân cực xung, BPSK và QPSK................................... 50 3.3.4 Điều chế biên độ xung .................................................................. 51 3.3.5 Điều chế tham chiếu phát ............................................................. 51 3.3.6 Nhận xét......................................................................................... 53 3.4 Dãy xung............................................................................................... 54 3.4.1 Chuỗi xung Gaussian ................................................................... 54 3.4.2 Mã PN ............................................................................................ 55 3.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian ........................................... 57 3.5 Bộ phát UWB....................................................................................... 59 3.5.1 Quá trình phát xạ xung hẹp.......................................................... 59 a. Trường xa của một anten bất kỳ ................................................... 62 b. Trường xa của một nguồn phát xạ nhỏ lý tưởng ......................... 64 3.5.2 Sơ đồ bộ phát ................................................................................. 65 3.6 Truyền sóng tín hiệu UWB trong môi trường vô tuyến .................. 66 3.6.1 Truyền tín hiệu UWB trong không gian tự do ............................ 68 3.6.2 Truyền sóng với sự phản xạ mặt đất ............................................ 69 a. Tín hiệu UWB và tín hiệu điều hoà theo thời gian với một lần phản xạ mặt đất .................................................................................. 71 3.6.3 Truyền sóng UWB trong trường hợp đa đường vô tuyến ........... 72 a. Truyền xung UWB qua một toà nhà ............................................. 73 3.6.4 Mô hình truyền sóng và các tham số ........................................... 76 3.7 Bộ thu UWB......................................................................................... 77 3.7.1 Nguyên tắc ..................................................................................... 77 a. Thu tín hiệu UWB .......................................................................... 78 b. Tạp âm và nhiễu............................................................................. 78 3.7.2 Sơ đồ khối bộ thu .......................................................................... 80 a. Tách tín hiệu................................................................................... 81 b. Tích phân xung .............................................................................. 81 c. Bám ................................................................................................. 81 3.7.3 Hiệu suất bộ thu và tách tín hiệu ................................................. 82 vi 3.8 Đa truy cập trong UWB...................................................................... 85 3.8.1 Nhảy thời gian (TH)..................................................................... 86 3.8.2 Trải phổ trực tiếp (DS).................................................................. 88 3.9 Các giới hạn và dung lượng hệ thống UWB ..................................... 89 3.9.1 Các giới hạn trong thông tin ........................................................ 90 a. Tạp âm ............................................................................................ 90 b. Công thức dung lượng của Shannon............................................ 91 c. Hiệu suất thông tin của các phương pháp điều chế khác nhau .. 94 3.9.2 Các giới hạn cơ bản của hệ thống UWB ..................................... 95 a. Giới hạn cơ bản đối với hệ thống UWB........................................ 96 b. Giới hạn cơ bản so với các hệ thống vô tuyến thông thường ...... 99 3.10 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB...... 101 3.10.1 Các mạng nội hạt không dây (WLAN)..................................... 101 3.10.2 Bluetooth.................................................................................... 103 3.10.3 GPS ............................................................................................ 104 3.10.4 Các hệ thống thông tin tế bào................................................... 104 Kết luận .................................................................................................... 105 CHƯƠNG 4.................................................................................................. 106 TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI CÁC ỨNG DỤNG BĂNG CỰC RỘNG... 106 Mở đầu ..................................................................................................... 106 4.1 Ứng dụng trong quân sự................................................................... 106 4.1.1 Hệ thống định vị chính xác ........................................................ 106 4.2 Các ứng dụng trong thương mại ..................................................... 107 4.2.1 Time Domain PulsON 200.......................................................... 108 4.2.2 Bộ tạo tín hiệu UWB của Time Domain .................................... 109 4.2.3 XtremSpectrum............................................................................ 110 4.2.4 Tập đoàn Intel ............................................................................. 110 4.2.5 Motorola ...................................................................................... 111 4.2.6 Phòng thí nghiệm nghiên cứu truyền thông (CRL) .................. 111 4.2.7 General atomics........................................................................... 112 4.2.8 Wisair ........................................................................................... 112 4.2.9 Mạng gia đình và các thiết bị điện tử dân dụng ........................ 113 4.2.10 Hệ thống định vị chính xác ...................................................... 115 Kết luận .................................................................................................... 116 KẾT LUẬN .................................................................................................. 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 119 vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CEPT European Conference of Postal and Telecommunications CE Consumer electronics DAN Device Area Network dB decibel dBi antenna gain, dB referenced to isotropic radiation dBm dB relative to one milliwatt DPSK Differential Phase Shift Keying DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Eb Bit energy eb Communication efficiency, relative efficiency, dB Eb/N0 Bit energy to noise-density ratio EIRP Effective Isotropically Radiated Power ETSI European Technical Standards Institute FDMA Frequency Division Multiple Access FFT Fast Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Internet protocol ISO International Standards Organization ITU International Telecommunication Union LAN Local Area Network LLC Logical Link Control LOS Line of Sight (propagation) MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network M-BOK M-ary Bi-Orthogonal Keying N0 Noise density, W/Hz NLOS Non-line of sight (propagation) viii OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OOK On–Off keying PAM Pulse Amplitude Modulation PAN Personal Area Network Pd Power density, W/m2 PHY Physical layer PN Pseudo-random Noise PPM Pulse Position Modulation PR Pseudo Random PRF Pulse Repetition Frequency PRI Pulse Repetition Interval PSD Power Spectral Density PSM Pulse Shape Modulation PVT Process, power supply Voltage and Temperature QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency RFIC Radio Frequency Integrated Circuit RMS Root Mean Square RX Receiver, Receiver port SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio SNR Signal-to-Noise Ratio TCP/IP Terminal Control Protocol/Internet Protocol TDMA Time Division Multiple Access UWB Ultra-WideBand WAN Wide Area Network WLAN Wireless Local Area Network ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự hội tụ của các thiết bị................................................................... 3 Hình 1.2: So sánh các tín hiệu băng hẹp NB, trải phổ SS và UWB ................. 4 Hình 1.3: Các kết nối PC qua UWB ................................................................. 6 Hình 1.4: Hệ thống thiết bị giải trí .................................................................... 7 Hình 1.5: Lớp giao thức và ứng dụng cho UWB............................................ 10 Hình 2.1: Các hệ thống mật độ năng lượng thấp và cao................................. 14 Hình 2.2: Xung UWB lý tưởng....................................................................... 15 Hình 2.3: Mạch đơn giản để tạo xung Gaussian kép ...................................... 16 Hình 2.4: Chi tiết các xung được tạo ra trong hệ thống UWB điển hình ....... 17 Hình 2.5: (a)Dãy xung UWB (b) Phổ của dãy xung UWB ............................ 18 Hình 2.6: Phổ của dãy xung đã bị dịch về phía trước và sau so với danh định ......................................................................................................................... 19 Hình 2.7: Mặt nạ phổ qui định bởi FCC cho hệ thống UWB trong nhà......... 20 Hình 2.8: Xung được truyền bị phản xạ tạo ra các xung đến phía thu với các thời gian trễ khác nhau .................................................................................... 21 Hình 2.9: Khoảng cách hai xung lớn hơn độ rộng xung sẽ không gây can nhiễu ................................................................................................................ 21 Hình 2.10: (a) Hai xung UWB chồng lấn (b) Dạng sóng thu được gồm các xung bị chồng lấp ............................................................................................ 22 Hình 3.1: Mặt nạ phổ hệ thống UWB trong nhà theo quy định của FCC ...... 28 Hình 3.2 : Phổ của hệ thống UWB so với các hệ thống hiện có..................... 28 Hình 3.3: Tín hiệu và phổ của UWB đơn băng và đa băng ............................ 29 Hình 3.4: Sử dụng băng tần để tránh nhiễu không mong muốn ..................... 30 Hình 3.5: Truyền dẫn thông tin cho hệ thống đa băng dựa vào xung............. 31 Hình 3.6: Ảnh hưởng của chu kỳ lặp xung đối với nhiễu xung tại bộ thu...... 32 Hình 3.7: Mô hình tổng quát hệ thống truyền thông....................................... 32 Hình 3.8: Một số giới hạn thiết kế đối với hệ thống UWB............................. 34 Hình 3.9: Các điểm thiết kế tín hiệu UWB ..................................................... 35 Hình 3.10: Mô hình đơn giản tạo tín hiệu Gaussian double ........................... 37 Hình 3.11: Chi tiết trong hệ thống truyền thông UWB .................................. 37 (a) Chuỗi xung chữ nhật (b) Chuỗi xung dạng Gaussian................................ 37 (c) Xung đạo hàm bậc 1 (d) Các xung Gaussian double................................. 37 Hình 3.12: Các xung hẹp có thể tạo tín hiệu UWB ........................................ 38 Hình 3.13: Đầu ra của một mạch logic tạo tín hiệu UWB, sử dụng một bộ lọc thông dải nhằm thu được băng mong muốn.................................................... 39 Hình 3.14: Các biểu diễn theo miền thời gian và tần số của một xung dựa trên cặp biến đổi Fourier ........................................................................................ 40 x Hình 3.15: Các tín hiệu miền thời gian càng trơn công suất nằm ngoài băng tần mong muốn càng bé .................................................................................. 41 Hình 3.16: Các tín hiệu miền thời gian khác nhau có cùng băng thông, nhưng công suất nằm ngoài băng thông đó thì khác nhau ......................................... 42 Hình 3.17: Công suất khả dụng đối với băng UWB và với một tín hiệu UWB trên thực tế....................................................................................................... 44 Hình 3.18: Các xung chưa điều chế được phát với một tần số cụ thể tạo thành các vạch phổ .................................................................................................... 45 Hình 3.19: Các phương thức điều chế UWB .................................................. 46 Hình 3.20: So sánh điều chế PPM và điều chế BPSK trong UWB ............... 47 Hình 3.21: Các dạng xung PPM với các bit 0 và 1......................................... 48 Hình 3.22: Xác suất lỗi với các loại điều chế khác nhau ................................ 50 Hình 3.23: Xác suất lỗi với điều chế PAM .................................................... 51 Hình 3.24: Bộ phát và thu TR-UWB ............................................................. 52 Hình 3.25: Xác suất lỗi đối với điều chế TR .................................................. 53 Hình 3.26: Một bộ phát xung UWB................................................................ 53 Hình 3.27: Chuỗi xung Gaussian kép trong miền thời gian và tần số ............ 55 Hình 3.28: Xung Gaussian, đơn, kép trong miền thời gian và tần số ............. 56 Hình 3.29: Đầu ra của hệ thống điều chế vị trí xung nhị phân, nhảy thời gian ......................................................................................................................... 58 Hình 3.30: Anten chấn tử với dòng điện mặt J(r,,τ)........................................ 61 Hình 3.31: Một chấn tử băng rộng .................................................................. 63 Hình 3.32: Trường phát tại anten và trường phát tại các hướng khác nhau ... 64 Hình 3.33: Anten phát vô cùng nhỏ ................................................................ 65 Hình 3.34: Sơ đồ khối phát UWB .................................................................. 66 Hình 3.35: Trải năng lượng của một tín hiệu theo hình cầu ........................... 68 Hình 3.36:........................................................................................................ 70 (a) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB tới trực tiếp .............................................. 70 (b) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB bị phản xạ ................................................ 70 (c) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB tới trực tiếp và bị phản xạ trong mô hình truyền sóng hai tia ........................................................................................... 70 Hình 3.37: Các xung chồng lên nhau và không chồng lên nhau .................... 71 Hình 3.38: Đặc tính suy hao truyền sóng UWB (đường in đậm) và sóng điều hoà gần mặt đất ............................................................................................... 72 Hình 3.39: Minh hoạ một nguồn UWB truyền sóng trong toà nhà ................ 73 Hình 3.40: Mô phỏng thời điểm bắt đầu phát xạ của một tín hiệu ................. 74 Hình 3.41 : Mô phỏng truyền xung xuyên qua các bức tường ....................... 74 Hình 3.42: Mô phỏng tiếng vọng đa đường.................................................... 74 Hình 3.43: Mô phỏng tiếng vọng đa đường sau khi mặt sóng truyền qua...... 75 Hình 3.44: Mô phỏng xung UWB chạm tới một vật chắn.............................. 75 xi Hình 3.45: Mô phỏng phản xạ đa đường sau khi mặt sóng truyền gốc qua ... 75 Hình 3.46 : Tạp âm biến đổi theo tần số ......................................................... 79 Hình 3.47: Sơ đồ khối bộ thu UWB................................................................ 80 Hình 3.48 : Hệ thống báo hiệu UWB kém hiệu quả dựa trên công nghệ vô tuyến truyền thống........................................................................................... 82 Hình 3.49: Hệ thống máy thu.......................................................................... 83 Hình 3.50: Một hệ thống báo hiệu UWB hiệu quả sử dụng bộ thu thích hợp 85 Hình 3.51a: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn ............ 88 Hình 3.51b: Khái niệm hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp ............................... 88 Hình 3.52: Chỉ tiêu kênh lý tưởng................................................................... 92 Hình 3.53: Giới hạn độ lợi cơ bản của hệ thống UWB................................... 96 Hình 3.54: Dung lượng tối lớn nhất theo giới hạn cơ bản của hệ thống UWB tuân theo các quy định khác nhau. .................................................................. 98 Hình 3.55: So sánh hệ thống UWB và hệ thống băng hẹp. ............................ 99 Hình 3.56: Các giới hạn cơ bản của hệ thống băng hẹp và UWB ................ 100 Hình 3.57: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần 101 của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại ................... 101 Hình 3.58: Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN .................................................... 103 Hình 4.1: PulsON 200 Evaluation Kit radios................................................ 108 Hình 4.2: Bộ tạo tín hiệu UWB PulsON 200................................................ 109 Hình 4.3a: Một ví dụ mạng gia đình dùng UWB.......................................... 113 Hình 4.3b: Kết nối vô tuyến giữa các thiết bị trong nhà sử dụng công nghệ UWB.............................................................................................................. 114 Hình 4.4: Tổng quan các ứng dụng do UWB cung cấp ................................ 117 xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đặc trưng và ưu điểm của UWB trong PC và thiết bị giải trí .......... 8 Bảng 2.1: Mật độ phổ công suất của một số hệ thống truyền thông............... 13 Bảng 2.2: So sánh dung lượngkhông gian của các hệ thống vô tuyến trong nhà ......................................................................................................................... 24 Bảng 2.3: So sánh tốc độ bit của UWB với các chuẩn vô tuyến khác............ 25 Bảng 2.4: Tiêu thụ năng lượng của UWB và các chipset mobile khác .......... 26 Bảng 3.1: So sánh EIRP tổng và các mức búp bên cho các dạng xung bới 10 dB BW của 2 GHz........................................................................................... 43 Bảng 3.2: Giá trị tối ưu cho mỗi dạng sóng .................................................... 49 Bảng 3.3: Các mô hình truyền sóng và ứng dụng của chúng ......................... 76 Bảng 3.4: Các tham số mô hình truyền sóng .................................................. 77 Bảng 3.5: Hiệu suất điều chế........................................................................... 95 Bảng 3.6: Hiệu suất điều chế so với trường hợp điều chế lý tưởng................ 95 Bảng 3.7:Giới hạn cơ bản của hệ thống UWB dưới quy định của các tổ chức khác nhau......................................................................................................... 97 Bảng 3.8: So sánh tốc độ bit UWB với các chuẩn vô tuyến và cố định khác. 99 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của PulsON 200 Evaluation Kit ..................... 109 Bảng 4.2: Các thông số chi tiết của TRYNITY chipset................................ 110 Bảng 4.3: Tham số chipset UBlink ............................................................... 112 Bảng 4.4: Vài nội dung cho mạng máy tính và giải trí gia đình, tốc độ dữ liệu cần thiết và yêu cầu đặc tính thời gian thực.................................................. 115 xiii MỞ ĐẦU Trong xã hội thông tin phát triển nhanh như hiện nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, con người ngày càng mong muốn được sử dụng nhiều tiện ích. Để đáp ứng nhu cầu, phục vụ cho con người trong xã hội công nghiệp hoá thì việc ứng dụng các công nghệ mới đang được thúc đẩy mạnh mẽ. Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB còn gọi là vô tuyến không sóng mang, vô tuyến dạng xung hay vô tuyến băng gốc được nghiên cứu phát triển từ rất sớm trong các hệ thống thông tin quân sự vào những năm 60 của thế kỷ trước. Trong vài năm gần đây, thông tin UWB đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trên phạm vi toàn cầu. So với hệ thống băng hẹp thông thường, UWB có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lớn hơn với công suất phát xạ rất thấp trong một phạm vi hẹp, không gây nhiễu cho các hệ thống hiện có trên cùng dải tần. Các ứng dụng truyền thông tốc độ cực cao sử dụng công nghệ UWB đang từng bước được hiện thực hoá. Nhận thấy tầm quan trọng của công nghệ UWB và định hướng của giáo viên hướng dẫn tôi đã thực hiện đề tài: ”Nghiên cứu hệ thống băng cực rộng UWB và ứng dụng”. Nội dung luận văn được chia làm 4 chương, cụ thể như sau: • Chương 1: Tổng quan về công nghệ UWB • Chương 2: Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của công nghệ và tín hiệu UWB • Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật truyền tín hiệu băng cực rộng trên kênh vô tuyến • Chương 4: Tình hình triển khai các ứng dụng UWB Đề tài đã hoàn thành cơ bản về nội dung, tuy nhiên do hạn chế về thời gian và khả năng nên tôi chưa có điều kiện nghiên cứu sâu và chi tiết hơn; một số phần diễn đạt còn chưa mạch lạc do được dịch từ tài liệu tiếng nước ngoài; nhiều thông tin muốn được đề cập thêm nhưng phạm vi luận văn không cho phép. xiv Nhân đây xin được cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trần Hồng Quân đã tận tình giúp đỡ tôi trong việc nghiên nội dung đề tài cũng như tìm và lựa chọn tài liệu; Các thầy cô giáo trong Bộ môn, Khoa ĐT-VT của trường đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB 1.1 Giới thiệu chung Công nghệ vô tuyến [5] dùng trong mạng điện thoại tế bào và PC đã mang lại nhiều tiện lợi cho người sử dụng. Nó làm nảy sinh đòi hỏi tương tự cho các thiết bị tiêu dùng khác. Người tiêu dùng ngày càng ưa chuộng các kết nối không dây. Trong tương lai không xa, thiết bị số sẽ trở thành phổ biến trong gia đình. Đó là các thiết bị ghi và lưu trữ hình ảnh, dòng dữ liệu AV thời gian thực, game online, và các dịch vụ hội nghị AV. Nhiều công nghệ được sử dụng trong căn nhà số, chẳng hạn như dòng dữ liệu AV số, đòi hỏi truyền với băng thông lớn. Nếu tính đến số lượng các thiết bị sử dụng trong căn nhà số thì băng thông cần để kết nối vô tuyến giữa chúng sẽ thực sự là rất lớn. Các công nghệ mạng không dây hiện nay dùng cho kết nối PCs như Wifi và Bluetooth không tối ưu khi dùng cho đa truy nhập băng rộng trong căn nhà số. Mặc dù tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 54Mbps đối với Wifi, nhưng công nghệ này còn nhiều hạn chế trong mảng điện tử dân dụng về năng lượng tiêu thụ và băng thông. Khi kết nối vô tuyến nhiều thiết bị điện tử dân dụng (CE) trong một mạng phạm vi hẹp, hay mạng vô tuyến cá nhân (WPAN), đòi hỏi một công nghệ truyền các dòng số liệu tốc độ cao, tiêu thụ ít năng lượng và giá bảo dưỡng thấp mà vẫn đảm bảo kích thước vật lý nhỏ, như PDA hay điện thoại di động. Công nghệ không dây mới UWB kết hợp với công nghệ silicon đang là một giải pháp đầy thuyết phục. 1.2 Lịch sử ra đời Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB sử dụng băng thông siêu rộng để truyền dẫn thông tin đã được phát triển từ rất sớm trong các hệ thống thông tin quân sự vào thập niên 60 của thế kỷ trước. Công nghệ vô tuyến UWB còn được gọi là vô tuyến không sóng mang, vô tuyến dạng xung hoặc vô tuyến băng gốc do sử dụng phương pháp phát xạ trực tiếp các xung tín hiệu rất hẹp. Trong vài năm gần đây, công nghệ này được nghiên cứu ứng dụng trong thông tin vô tuyến cự ly ngắn, cho 2 phép tốc độ truyền dẫn rất cao, lên tới 500Mbps, đặc biệt trong hệ thống thông tin vô tuyến cá nhân (WPAN). Hiện nay, IEEE là tổ chức tiêu chuẩn chính trong việc đề xuất các tiêu chuẩn liên quan tới lớp vật lý vô tuyến UWB cho hệ thống WPAN. Người ta còn tìm thấy rất nhiều các ứng dụng khác của UWB, như trong thông tin radar, thông tin xuyên tường, cảm biến, thông tin định vị với độ chính xác rất cao. Ngày 14/2/2002, FCC Mỹ phát hành bản báo cáo đầu tiên và đơn đặt hàng, theo đó cho phép triển khai thương mại công nghệ UWB. Kể từ đó tới nay, hệ thống UWB đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu và phát triển trên phạm vi toàn cầu. Theo định nghĩa của FCC: UWB là tín hiệu vô tuyến có phổ nằm trong phạm vi từ 3,1 – 10,6 GHz, năng lượng phát xạ cho phép là -41,3dBm/MHz hay 0,5mW nếu sử dụng toàn bộ dải tần 7,5GHz. Mức năng lượng rất thấp này giúp hệ thống không gây nhiễu cho các hệ thống hiện có trên cùng dải tần và nó chỉ được sử dụng trong khoảng cách truyền thông nhỏ (dưới 100m). Lưu ý là định nghĩa này áp dụng đối với các hệ thống UWB sử dụng trong thị trường thông tin vô tuyến công cộng. Gần đây, thông tin UWB đã thu hút rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. So với hệ thống băng hẹp thông thường, UWB có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lớn hơn với công suất phát xạ rất thấp (bé hơn -41 dBm/MHz theo quy định của FCC) trong phạm vi hẹp. Ngoài ra UWB cũng có thể hỗ trợ đa truy nhập. Những tính năng trên cho phép công nghệ UWB đặc biệt phù hợp các ứng dụng truyền thông đa phương tiện trong phạm vi mạng thông tin vô tuyến cá nhân WPAN. Hiện nay, nhóm công tác IEEE 802.15.3 đang nghiên cứu sử dụng UWB như một trong các lựa chọn ở lớp vật lý vô tuyến của mạng WPAN. Ở châu âu, ETSI cũng đang đẩy mạnh nghiên cứu chuẩn hoá công nghệ UWB, về cơ bản dựa trên nền tảng quy định của FCC. Tháng 7/2002, ITU cũng đã thành lập nhóm chuyên trách ITU-R TG 1/8 nghiên cứu về công nghệ UWB và các tiêu chuẩn, khuyến nghị liên quan tới hệ thống UWB. Có thể nói, các ứng dụng truyền thông tốc độ cực cao sử dụng công nghệ UWB đang từng bước được hiện thực hoá. 3 1.3 Phạm vi hoạt động của UWB Căn nhà số có thể có nhiều các thiết bị điện tử dân dụng khác nhau (như máy nghe nhạc, video số), thiết bị di động (như điện thoại di động, PDAs) và máy tính cá nhân (như máy xách tay) và nó phải hỗ trợ vô số các ứng dụng trên đó. Các thiết bị này rơi vào 3 chủng loại như hình 1.1: Hình 1.1: Sự hội tụ của các thiết bị - PC và Internet - Điện tử dân dụng và hệ thống quảng bá - Thiết bị di động và thiết bị cầm tay Các thiết bị này được đặt ở các phòng khác nhau và được sử dụng cho các chức năng khác nhau. Tuy nhiên người ta mong muốn chúng có thể thông tin được với nhau- máy nghe nhạc MP3 trao đổi file với PC, máy quay video số kết nối với STBs, v.v.v. Sự hội tụ của các thiết bị này đòi hỏi có một công nghệ không dây chung, cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân phối thông lượng dữ liệu cao cho nhiều ứng dụng và ứng dụng tốc độ cao. Hiện nay, các loại thông tin không dây này đang sử dụng các giao diện và định dạng dữ liệu khác nhau. 4 Thế hệ PC, thiết bị điện tử dân dụng và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối cỡ 1 Mbps (lớn hơn tốc độ dữ liệu tối đa của công nghệ Bluetooth), hiện nay nhiều thiết bị sử dụng công nghệ này để tạo nên mạng thông tin vô tuyến cá nhân WPANs. Nhưng nhiều thiết bị điện tử dân dụng không thể đáp ứng được về giá thành và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/g cho mạng Wifi. Mặc dù công nghệ Wifi nhanh hơn Bluetooth nhiều, nó vẫn không đủ khả năng cho phép truyền đồng thời nhiều luồng video chất lượng cao một cách hiệu quả. Công nghệ UWB hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về truyền thông trong môi trường tích hợp và hội tụ công nghệ như WPAN. Thêm vào đó, cùng với sự hỗ trợ của các tập đoàn công nghiệp lớn, như WiMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn sự hoạt động tương tác qua các tập giao thức IEEE 1394, USB, và Universal Plug and Play (UPnP), khiến cho UWB trở thành một giải pháp công nghệ băng rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp và công suất tiêu thụ thấp. 1.4 Công nghệ UWB UWB khác hẳn so với sóng vô tuyến băng hẹp thông thường (RF) và kỹ thuật trải phổ (SS), cũng như công nghệ Bluetooth và chuẩn 802.11 a/g. UWB dùng một băng tần cực rộng để truyền dữ liệu (Hình 1.2). Và như vậy, UWB có thể truyền nhiều dữ liệu hơn so với các công nghệ truyền thống trong cùng một khoảng thời gian. Hình 1.2: So sánh các tín hiệu băng hẹp NB, trải phổ SS và UWB 5 Tốc độ dữ liệu truyền qua một kênh vô tuyến tỷ lệ với băng thông của kênh và loga của tỉ số S/N (Định lý Shanoon). Các kỹ sư vô tuyến đã phải điều chỉnh tham số của băng thông đôi chút vì quy định của FCC với băng tần được phép sử dụng cho các loại tín hiệu vô tuyến và ứng dụng. Bluetooth, Wifi 802.11a/g, bộ đàm và một số thiết bị khác được dành cho một dải tần không cấp phép từ 900MHz-2,4Ghz và 5,1GHz. Mỗi kênh vô tuyến chỉ chiếm một băng tần hẹp, liên quan đến tần số của UWB. UWB là trường hợp đầu tiên sử dụng phổ tần số hợp pháp. UWB có thể sử dụng tần số từ 3,1GHz-10,6GHz - một băng tần rộng hơn 7GHz. Mỗi kênh vô tuyến có thể có băng thông trên 500MHz, tuỳ thuộc vào tần số trung tâm của nó. Để cho phép băng thông tín hiệu rộng như thế, FCC đã đưa ra một vài ràng buộc về năng lượng. Bằng cách đó, các thiết bị UWB có thể tận dụng một băng tần siêu rộng trong khi không phát xạ năng lượng ảnh hưởng đến các thiết bị băng hẹp hơn, như là chuẩn 802.11a/g. Việc quy hoạch phổ tần này cho phép các thiết bị truyền dòng dữ liệu tốc độ rất cao, nhưng phải trong phạm vi không gian hẹp. Sự hạn chế chặt chẽ về năng lượng có nghĩa là tiêu thụ ít năng lượng. Do đòi này thì sự hỗ trợ của công nghệ CMOS là rất khả thi. Với đặc tính là tiêu thụ ít năng lượng, giá rẻ và tốc độ truyền dữ liệu cao trong phạm vi hẹp, UWB được chủ yếu phục vụ chủ yếu cho mạng WPAN tốc độ cao. Công nghệ UWB cũng sử dụng lại tần số. Nhóm thiết bị trong khoảng cách gần (ví như hệ thống giải trí trong phòng khách) có thể thông tin trên cùng một kênh giống như nhóm thiết bị khác trong phòng khác (ví dụ như hệ thống game trong phòng ngủ). Mạng vô tuyến cá nhân WPAN sử dụng công nghệ UWB thì các nhóm thiết bị gần nhau có thể sử dụng cùng một kênh mà không gây can nhiễu. Giải pháp WLAN sử dụng hết băng thông dữ liệu sẵn có cho một nhóm thiết bị riêng và không thể sử dụng lại kênh vô tuyến trong nhà. Do sự hạn chế về khoảng cách của UWB, 802.11 WLAN là phần bổ sung hiệu quả cho WPAN, truyền dữ liệu giữa các toà nhà. 6 1.5 Ứng dụng của UWB Công nghệ UWB có thể cung cấp các ứng dụng đa dạng và rộng khắp của WPAN. Gồm có: -Thay thế cáp IEEE 1394 nối giữa các thiết bị điện tử đa phương tiện dân dụng, như là máy quay, camera số và máy nghe nhạc MP3 bằng các kết nối vô tuyến. -Kết nối giao diện WUSB tốc độ cao giữa PC và ngoại vi như máy in, scanners và thiết bị lưu trữ ngoài. -Thay thế các loại cáp trong các thiết bị công nghệ Bluetooth thế hệ sau, như điện thoại tế bào 3G cũng như kết nối IP/UPnP của các thiết bị di động/ điện tử dân dụng/PC trên nền IP. -Tạo ra kết nối vô tuyến tốc độ cao Ad-hoc cho thiết bị CE/PC/di động. Kết nối vô tuyến ngoại vi PC Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi với PC, công nghệ UWB cho phép cung cấp chất lượng và độ tiện lợi còn lớn hơn so với chuẩn USB vốn đã rất thành công hiện nay. Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể và là chuẩn kết nối rất linh hoạt và thuận tiện của PC (Hình 1.3). Hình 1.3: Các kết nối PC qua UWB Ngoài ra, công nghệ Bluetooth cũng đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về chỉ tiêu tốc độ, phạm vi hoạt động tương tác.