Tài liệu Phân tích dung lượng kênh uwb sử dụng kỹ thuật đảo ngược miền thời gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ ĐỨC TÂM LINH PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ ĐỨC TÂM LINH PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐẶNG XUÂN VINH HÀ NỘI – 2013 1 Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến TS. Đặng Xuân Vinh, một người thầy đáng kính của tôi, thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi được cử đi học và cũng như trong thời gian hoàn thiện luận văn này. Tôi cũng xin gởi lời cám ơn chân thành đến tất cả các thầy cô giáo hiện đang công tác tại Khoa Điện Tử - Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình chỉ dạy, trang bị cho tôi những kiến thức chuyên ngành trong quá trình vào giảng dạy tại trường Đại học Khoa học. Và cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến những người đã đồng hành, động viên tôi trong suốt 2 năm qua, đây là khoảng thời gian tôi nhận được nhiều sự quan tâm nhất của mọi người: đó là những người cùng tham gia đề tài này với tôi, và những người thân trong gia đình của tôi, đặc biệt là vợ của tôi. Tác giả luận văn HỒ ĐỨC TÂM LINH 2 Lời cam đoan Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Các số liệu trích dẫn trong quá trình nghiên cứu đều được ghi rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn HỒ ĐỨC TÂM LINH 3 Mục lục Lời cảm ơn 1 Lời cam đoan 2 Mục lục 3 Danh sách bảng 6 Danh sách hình vẽ 7 Danh mục các từ viết tắt 9 MỞ ĐẦU 9 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG UWB 11 1.1. Định nghĩa và chuẩn hóa tín hiệu UWB [20] . . . . . . . . . . . . . 11 1.2. Ưu điểm của UWB [11, 20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1. Dung lượng kênh truyền lớn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2. Hoạt động với mức công suất thấp . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.3. Tính bảo mật cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.4. Chống lại hiện tượng đa đường . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.5. Cấu trúc bộ phát thu đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3. Những thách thức của UWB [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.1. Méo dạng xung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.2. Ước lượng kênh phức tạp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3.3. Yêu cầu đồng bộ kênh cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 1.4. So sánh UWB với một số chuẩn truyền thông khác [9] . . . . . . . . 17 1.4.1. Mức tiêu thụ công suất và năng lượng . . . . . . . . . . . . 17 1.4.2. Tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu . . . . . . . . . . . . . 20 1.5. Ứng dụng của UWB [4, 11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.5.1. Mạng cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.5.2. Mạng vô tuyến cá nhân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.5.3. Ra đa [19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 24 2.1. Kỹ thuật phân tập tần số [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2. Kỹ thuật phân tập không gian [1, 21] . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3. Kỹ thuật phân tập thời gian [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4. Kỹ thuật phân tập phân cực [22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN 29 3.1. Lý thuyết đảo ngược thời gian [2, 7, 8, 11, 16] . . . . . . . . . . . . 30 3.2. Mô phỏng kỹ thuật đảo ngược thời gian . . . . . . . . . . . . . . . 31 CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG MU-UWB 35 4.1. Mô hình hệ thống MU-SISO-UWB-TR[7] . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2. Mô hình hệ thống MU-MISO-UWB-TR[7] . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3. Mô hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] . . . . . . . . . . . . . 41 CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH HỆ THỐNG MU-UWB 50 5 5.1. Dung lượng kênh hệ thống MU-UWB . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.1.1. Dung lượng kênh hệ thống MU-SISO-UWB-TR [7] . . . . . 50 5.1.2. Dung lượng kênh hệ thống MU-MISO-UWB-TR [7] . . . . . 51 5.1.3. Dung lượng kênh hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] . . . . 52 5.2. Các kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.2.1. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-SISO-UWB-TR . . . . . . 53 5.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-MISO-UWB-TR . . . . . . 55 5.2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-MIMO-UWB-TR . . . . . 57 KẾT LUẬN 67 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 68 Tài liệu tham khảo 69 6 Danh sách bảng 1.2.1 Giới hạn dải tần hoạt động trong các ứng dụng của UWB . . . . 14 1.2.2 Ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.3 So sánh dòng tiêu thụ chipset của các giao thức . . . . . . . . . . 18 5.2.4 Các thông số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 7 Danh sách hình vẽ 1.1.1 Mật độ phổ của tín hiệu UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Tín hiệu UWB hoạt động ở mức công suất thấp . . . . . . . . . . 13 1.2.3 Hiện tượng đa đường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.4 Tiêu thụ công suất của một số chuẩn truyền thông không dây . . 19 1.4.5 Tiêu thụ năng lượng của một số chuẩn truyền thông không dây . 19 1.4.6 So sánh tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu của một số chuẩn truyền thông không dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5.7 Ứng dụng UWB trong mạng WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.5.8 Ứng dụng của UWB trong ra đa quân sự . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.9 Phân tập tần số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.10 Cấu hình anten trong hệ thống không dây . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.11 Phân tập thời gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.12 Kỹ thuật ghép xen kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.13 Phân tập phân cực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.14 Phân tập kết hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.15 Mô hình hệ thống UWB sử dụng kỹ thuật đảo ngược thời gian TR 31 3.2.16 Hình ảnh đáp ứng xung h(t) và đảo ngược thời gian của h∗ (−t) . 32 3.2.17 Công suất tín hiệu được tập trung tại tap L - 1 hướng đến người dùng mong muốn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1.18 Mô hình hệ thống MU-SISO-UWB-TR . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2.19 Mô hình hệ thống MU-MISO-UWB-TR . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3.20 Mô hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR . . . . . . . . . . . . . . 42 8 5.2.21 SINR trung bình của hệ thống MU-SISO-UWB-TR . . . . . . . . 54 5.2.22 Dung lượng kênh của hệ thống MU-SISO-UWB-TR . . . . . . . . 55 5.2.23 SINR trung bình của hệ thống MU-MISO-UWB-TR . . . . . . . 56 5.2.24 Dung lượng kênh của hệ thống MU-MISO-UWB-TR . . . . . . . 57 5.2.25 SINR của kênh MIMO không tương quan . . . . . . . . . . . . . 58 5.2.26 Dung lượng kênh MIMO không tương quan . . . . . . . . . . . . 59 5.2.27 SINR kênh MIMO tương quan phát = 0.3 và tương quan thu = 0.2 60 5.2.28 Dung lượng kênh MIMO tương quan phát = 0.3 và tương quan thu = 0.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2.29 Ảnh hưởng tương quan phát lên dung lượng kênh hệ thống MUUWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2.30 Ảnh hưởng tương quan thu lên dung lượng kênh hệ thống MU-UWB 62 5.2.31 So sánh dung lượng kênh không có sự tương quan . . . . . . . . . 63 5.2.32 Dung lượng kênh với tương quan phát lớn nhất . . . . . . . . . . 64 5.2.33 Dung lượng kênh với tương quan thu lớn nhất . . . . . . . . . . . 65 9 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT • AWGN: Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gauss trắng cộng • BS: Base Station - Trạm cơ sở/Trạm phát • CIR: Channel Impulse Response - Đáp ứng xung kênh truyền • FCC: Federal Communication Commission - Ủy ban truyền thông liên ban Mỹ • IR: Impulse Radio - Vô tuyến xung hẹp • LOS: Line of Sight - Tầm nhìn thẳng • MIMO: Multi Input Multi Output - Đa đầu vào đa đầu ra • MISO: Multi Input Single Output - Đa đầu vào một đầu ra • MU-UWB: Multi User Ultra Wideband - Băng siêu rộng đa người dùng • MU-SISO-UWB-TR: Multi User Single Input Single Output Ultra Wideband Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng một đầu vào một đầu ra đa người dùng • MU-MISO-UWB-TR: Multi User Multi Input Single Output Ultra Wideband Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đa đầu vào một đầu ra đa người dùng • MU-SIMO-UWB-TR: Multi User Single Input Multi Output Ultra Wideband Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đơn đầu vào đa đầu ra đa người dùng • MU-MIMO-UWB-TR: Multi User Multi Input Multi Output Ultra Wideband Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đa đầu vào đa đầu ra đa người dùng • NLOS: Non-Line of Sight - Tầm nhìn bị che khuất • LOS: Line of Sight - Tầm nhìn thẳng • PSD: Power Spectral Density - Mật độ phổ công suất • SIMO: Single Input Multi Output - Một đầu vào đa đầu ra • SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio - Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và liên nhiễu 10 • TR: Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian • TRM: Time Reversal Mirror - Bộ đảo ngược miền thời gian • UWB: Ultra Wideband - Băng siêu rộng • IAI: Inter Antenna Interference - Nhiễu liên anten • IUI: Inter User Interference - Nhiễu liên người dùng • ISI: Inter-Symbol Interference - Nhiễu liên ký tự • WPAN: Wireless Personal Area Network - Mạng vô tuyến cá nhân 11 MỞ ĐẦU Băng siêu rộng (Ultra Wideband - UWB) là công nghệ truyền thông không dây, cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trên một phổ tần rộng lớn với công suất phát rất thấp. Ngoài ra, UWB giải quyết một cách hoàn hảo các vấn đề về hạn chế băng thông trong môi trường không dây, có thể đáp ứng được sự mong mỏi của các nhà phát triển ứng dụng băng rộng và tốc độ cao [12, 13, 15]. Bên cạnh đó, UWB được phát triển để có thể truyền tín hiệu ở cả hai môi trường không bị che chắn LOS và bị che chắn NLOS (thậm chí có khả năng xuyên thấu các vật cản như tường xi măng, đất đá...) Tuy nhiên, các kênh truyền trong thực tế đều là các kênh pha đinh [3, 6, 14], vì thế các tác động của kênh pha đinh này sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng truyền dẫn trong hệ thống UWB phục vụ đa người dùng. Hiện tại, đã có nhiều giải pháp được ứng dụng để khắc phục vấn đề này, nhưng đa số các kỹ thuật đó đều rất phức tạp, gây khó khăn cho việc thiết kế nhỏ gọn các thiết bị di động đầu cuối. Một giải pháp có thể khắc phục vấn đề này là sự kết hợp giữa hệ thống UWB với hai kỹ thuật là đa anten đầu vào - đa anten đầu ra MIMO và đảo ngược thời gian TR (Time Reversal). Hai kỹ thuật này kết hợp vào trong công nghệ UWB được đánh giá là hoàn hảo để cải thiện tốc độ truyền dẫn và giảm thiểu các ảnh hưởng xấu của kênh truyền tới chất lượng tín hiệu thu trong hệ thống đa người dùng UWB (MU-UWB)[2, 8, 16]. Kỹ thuật MIMO nổi bật với khả năng chống hiệu ứng pha đinh cực kỳ tốt bằng cách sử dụng đa ăn-ten phát và đa ăn-ten thu để tăng độ phân tập và đồng thời cũng giúp hệ thống cải thiện tốc độ truyền dẫn một cách đáng kể [17, 18]. Kỹ thuật đảo ngược thời gian (TR) được ứng dụng trong UWB để tận dụng các ưu điểm vốn có của nó là đơn giản nhưng lại có khả năng cực kỳ mạnh trong việc giảm các tác động xấu lên tín hiệu người dùng mong muốn: như nhiễu liên ký tự (Inter-Symbol Interference - ISI), nhiễu liên người dùng (Inter-User Interference - IUI), nhiễu liên anten (Inter-anten Interference - IAI). Trong luận văn này, tôi sẽ tập trung xây dựng mô hình hệ thống UWB đa người dùng kết hợp sử dụng hai kỹ thuật MIMO và TR, từ đó tôi xây dựng mô hình toán học và đưa ra đánh giá dung lượng kênh truyền của các mô hình: MU-SISO-UWB-TR, MUMISO-UWB-TR và MU-MIMO-UWB-TR. Tương ứng nội dung được phát thảo trên đây, luận văn của tôi được trình bày trong 5 chương: • Chương 1: Giới thiệu về truyền thông UWB • Chương 2: Các kỹ thuật phân tập • Chương 3: Kỹ thuật đảo ngược miền thời gian TR • Chương 4: Mô hình hệ thống MU-UWB 12 • Chương 5: Phân tích dung lượng kênh hệ thống MU-UWB 11 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG UWB Công nghệ băng siêu rộng là công nghệ đầy hứa hẹn cho các ứng dụng mới trong các lĩnh vực an ninh công cộng, kinh doanh và người tiêu dùng. Các ứng dụng tiềm năng này được triển khai nghiên cứu trong một loạt các ứng dụng rộng rãi như quét hình ảnh các vật thể bị chôn vùi dưới đất hoặc các vật bị che chắn sau các bức tường, truyền thông trong phạm vi ngắn, tốc độ cao [Theo FCC, 2002] [5]. Sự phân bố băng tần cho UWB tùy thuộc vào các ứng dụng đặc trưng được quy định trong [FCC, 2002]. Các nhà nghiên cứu quan tâm rất lớn về công nghệ mới này, đặc biệt là trong môi trường thông tin liên lạc, lý do lĩnh vực này được quan tâm, bởi lẽ nó là một ứng dụng tiềm năng cho truyền dữ liệu tốc độ cực kì cao, mức tiêu thụ điện năng thấp. Công nghệ băng siêu rộng này thể hiện có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống băng hẹp. Vì vậy, với sự chấp thuận của FCC, một số các trường đại học và rất nhiều công ty lớn trên thế giới đã tham gia vào lĩnh vực đầy hứa hẹn này [23]. Trong chương này sẽ trình bày định nghĩa và chuẩn hóa về tín hiệu UWB, những ưu điểm và thách thức của UWB, ngoài ra chúng tôi cũng so sánh UWB với một số chuẩn truyền thông đang sử dụng rộng rãi trên thị trường, để qua đó có một cái nhìn tổng thể về UWB trong xu thế phát triển hiện nay. 1.1. Định nghĩa và chuẩn hóa tín hiệu UWB [20] Tín hiệu đo lường và thông tin UWB được định nghĩa là tín hiệu có tỷ lệ băng thông lớn hơn 0.2 hoặc chiếm ít nhất 500 M Hz trong giới hạn phổ từ 3.1 GHz đến 10.6 GHz. Tỷ lệ băng thông được cho bởi công thức: 2 fh − fl fh + fl (1.1) Trong đó: fh và fl lần lượt là tần số cao và thấp của điểm phát−10dB. Theo quy định, tín hiệu UWB được phép hoạt động với công suất phát giới hạn là−41.3 dBm/M Hz. 12 Hình 1.1.1: Mật độ phổ của tín hiệu UWB 1.2. Ưu điểm của UWB [11, 20] 1.2.1. Dung lượng kênh truyền lớn Ưu điểm chính của UWB vượt trội so với các công nghệ vô tuyến hiện nay đó là băng thông lớn của các xung UWB làm cải thiện đáng kể dung lượng kênh. Dung lượng kênh được định nghĩa bằng tổng dữ liệu lớn nhất có thể được truyền mỗi giây qua kênh thông tin. Biểu thức dung lượng kênh lớn nhất Hartley-Shannon mô tả tốc độ dữ liệu lớn nhất mà một kênh có thể truyền. C = Blog2 (1 + S ) N (1.2) Trong đó: C: Dung lượng kênh truyền (bps). B: Băng thông của kênh truyền (Hz). S/N : Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu. Công thức Shannon chỉ ra rằng “C” tăng tuyến tính với băng thông “B”, và tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N . Băng thông khả dụng của tín hiệu UWB tầm vài GHz nên tốc độ dữ liệu đạt tới hàng Gbps là hoàn toàn có thể. Bên cạnh đó, UWB nếu được kết hợp với các kỹ thuật khác để nâng cao tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu thì cũng có thể tăng dung lượng kênh lên đáng kể. Tuy vậy, do giới hạn công suất hiện tại của FCC đối với truyền thông UWB nên tốc độ dữ liệu cao chỉ khả dụng 13 đối với khoảng cách ngắn (khoảng 10m). Điều này khiến cho hệ thống UWB trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng vô tuyến hoạt động trong khoảng cách ngắn với tốc độ cao. 1.2.2. Hoạt động với mức công suất thấp FCC đưa ra quy định công suất giới hạn cho hệ thống UWB là −41.3 dBm/M Hz, do đó công suất hạn chế này hoạt động dưới nền nhiễu của bộ nhận băng hẹp và vì vậy mà tín hiệu UWB có thể cùng tồn tại với các tín hiệu vô tuyến khác mà không gây nhiễu tới chúng. Bên cạnh đó, hệ thống truyền thông UWB cũng có khả làm việc với tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp mà vẫn cho dung lượng kênh truyền rất lớn. Hình 1.2.2: Tín hiệu UWB hoạt động ở mức công suất thấp Bảng liệt kê giới hạn mức công suất và phổ tần của các ứng dụng trong mạng UWB Bảng 1.2.1: Giới hạn dải tần hoạt động trong các ứng dụng của UWB 14 Ứng dụng Dải tần hoạt động ở Part.15 Đo lường và thông tin 3.1 đến 10.6 GHz Ra đa dò xuyên đất, y học 960 MHz hoặc 3.1 đến 10.6 GHz Hình ảnh xuyên tường 960 MHz hoặc 1.99 đến 10.6 GHz Giám sát hình ảnh 1.99 đến 10.6 GHz Phương tiện giao thông 22 đến 29 GHz Giới hạn người dùng Không giới hạn Có giới hạn Có giới hạn Có giới hạn Không giới hạn 1.2.3. Tính bảo mật cao Chính vì công suất truyền trung bình thấp nên hệ thống truyền thông UWB có khả năng ngăn chặn và tránh bị phát hiện bởi những hệ thống xâm nhập trái phép. Với một công suất truyền thấp như thế thì người lấy trộm thông tin phải ở khoảng cách rất gần với bộ phát để có thể dò ra thông tin được truyền đi. Hơn nữa, xung UWB được điều chế theo thời gian với mã đơn lẻ tới mỗi cặp thu và phát, điều này khiến cho việc truyền UWB được an toàn hơn bởi vì việc dò các xung cỡ pico giây mà không biết khi nào chúng sẽ tới. Thật sự đây là một vấn đề khó để lấy cắp được thông tin. 1.2.4. Chống lại hiện tượng đa đường Hiện tượng đa đường là hiện tượng mà tín hiệu phía thu thu được nhiều phiên bản khác nhau của cùng một tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khác nhau. 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 ở giữa cũng như xung quanh bộ phát và bộ thu. Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu với thời gian trễ khác nhau, tỉ lệ với độ dài đường đi. Hình 1.2.3: Hiện tượng đa đường Hiện tượng đa đường không thể tránh khỏi trong truyền thông vô tuyến. Đường thẳng nối giữa bộ truyền và bộ nhận gọi là tầm nhìn thẳng (LOS), tín hiệu phản 15 xạ từ bề mặt là tầm nhìn bị che khuất (NLOS). UWB hoạt động được trong cả 2 môi trường LOS và NLOS. Chu kỳ xung tín hiệu UWB rất ngắn, thời gian truyền của xung UWB nhỏ hơn một nano giây do đó chúng ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường. Ngoài ra, khả năng kết hợp công nghệ UWB với một số công nghệ đã được phát triển rực rỡ trước đó như: MIMO, RAKE... thì khả năng này lại được tăng lên rất tốt. 1.2.5. Cấu trúc bộ phát thu đơn giản Ngoài những ưu điểm được liệt kê trên thì UWB còn có một ưu điểm rất đáng phải bàn tới, đó là cấu trúc thiết bị phát và nhận đơn giản hơn, có được điều này là vì UWB truyền trong phạm vi ngắn, không cần dùng đến các bộ điều chế sóng mang phức tạp như trong hệ thống tín hiệu băng hẹp, điều này cũng đồng nghĩa là giá thành của thiết bị sẽ rẻ hơn rất nhiều. Sau đây là bảng tóm tắt các ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB: Bảng 1.2.2: Ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB Ưu điểm Lợi ích Cùng tồn tại với các dịch vụ vô tuyến băng rộng và băng hẹp Tốc độ dữ liệu rất lớn Không phải tốn phí đăng kí sử dụng băng tần Công suất phát thấp Hạn chế sự tắt nghẽn Hiệu suất cao trong kênh đa đường Cấu trúc bộ phát thu đơn giản Băng thông rộng hỗ trợ tốt dịch vụ video chất lượng cao thời gian thực Khó phát hiện và đánh chặn Đáng tin cậy trong các mội trường dễ xảy ra xung đột Truyền thông tin tốt hơn trong môi trường đa đường Giảm giá thành sản phẩm 1.3. Những thách thức của UWB [10] Mặc dù công nghệ UWB có những tính chất ưu việt, được xem là công nghệ đầy hứa hẹn trong tương lai cho thông tin khoảng cách ngắn và tốc độ cao, nhưng để nó thật sự hoàn hảo hơn thì cần phải vượt qua một số thách thức đang tồn tại trong công nghệ mới này. 16 1.3.1. Méo dạng xung Theo Friis, phương trình truyền sóng có dạng như sau:  Pr = Pt Gt Gr c 4πdf 2 (1.3) Trong đó: Pt , Pr : lần lượt là công suất phát và công suất nhận (dBm) Gt , Gr : lần lượt là độ lợi anten phát và nhận (dB) c: là tốc độ ánh sáng (m/s) d: là khoảng cách giữa bộ truyền và bộ nhận (m) f : là tần số của tín hiệu (Hz) Phương trình Friis cho thấy công suất nhận sẽ giảm theo bình phương tần số tín hiệu. Đối với các tín hiệu băng hẹp thì sự thay đổi tần số rất nhỏ và hầu như có thể bỏ qua. Tuy nhiên vì khoảng tần số tín hiệu UWB rất lớn nên công suất nhận thay đổi nhiều, điều này dẫn tới méo dạng xung ở bộ nhận lớn. 1.3.2. Ước lượng kênh phức tạp Ước lượng kênh là vấn đề cốt lõi trong việc thiết kế bộ nhận cho một hệ thống truyền thông vô tuyến. Vì người ta không thể tính toán được mọi kênh vô tuyến nên việc ước lượng các tham số kênh truyền như suy hao và trễ của các đường truyền là rất quan trọng. Mặt khác, do băng thông rộng và sự suy giảm năng lượng tín hiệu nên các xung UWB phải chịu sự méo xung. Do đó, việc ước lượng kênh truyền ở trong hệ thống truyền thông UWB càng trở nên phức tạp. 1.3.3. Yêu cầu đồng bộ kênh cao Việc lấy mẫu và đồng bộ các xung cỡ nano giây là một hạn chế lớn trong thiết kế hệ thống UWB. Để lấy mẫu những xung hẹp thì cần phải có bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) rất nhanh và chính xác. Hơn thế nữa, sự hạn chế công suất nghiêm ngặt và chu kỳ xung ngắn khiến cho hoạt động của hệ