MỞ ĐẦU Làm việc, giải trí mọi nơi, mọi lúc là điều con người hằng mong ước. Các công nghệ hiện tại như Bluetooth kết nối không dây, Wi-Fi truy xuất Internet không dây, điện thoại di động đã cho phép người sử dụng có thể truy cập giới hạn rộng lớn của thông tin. Nhưng bên cạnh ưu điểm của nó, công nghệ kết nối không dây hiện nay vẫn còn hạn chế, chưa thật sự liên thông và làm việc chưa hỗ trợ nhau. Do nhu cầu của người sử dụng về dung lượng ngày càng cao, tốc độ nhanh, và tăng độ bảo mật cho các kết nối không dây, các kĩ thuật mới cải tiến cần phải tìm ra một giải pháp phù hợp giữa việc sử dụng băng thông một cách hợp lý trong dải tần số có hạn.
Trong bối cảnh tài nguyên phổ càng ngày càng trở nên khan hiếm thì sự ra đời của công nghệ UWB là một giải pháp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ưu điểm do nó có khả năng tồn tại cùng với các hệ thống truyền thông truyền thống mà không gây ra ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng rất ít tới những mạng này. Việc có thể tồn tại song song của UWB với các hệ thống truyền thông khác mang lại lợi ích kinh tế lớn do UWB không phải đăng kí dải phổ với các tổ chức quản lý tần số. Nội dung trình bày trong chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về truyền thông trong mạng băng siêu rộng UWB. Các khái niệm trong công nghệ UWB, các cơ hội và thách thức đối với truyền thông không dây, các đặc điểm của tín hiệu UWB, các ưu và nhược điểm của UWB so với các mạng băng hẹp.
Và giới thiệu hai công nghệ chính của UWB sử dụng đó là UWB đơn băng và UWB đa băng. KHÁI NIỆM VỀ UWB Trong các hệ thống truyền thông truyền thống, người ta điều chế tín hiệu RF liên tục bằng một tần số sóng mang xác định để truyền và nhận thông tin. Dạng sóng liên tục này có năng lượng xác định trong một băng tần hẹp. Tuy nhiên các tín Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB 2 Phạm Thúy Phương hiệu liên tục trong miền thời gian có tần số thấp dễ dàng bị phát hiện và lấy cắp thông tin bởi các tổ chức bất hợp pháp.
Công suất Biên độ Thời gian Tần số Hình 1.1: Tín hiệu băng hẹp (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số Ngược lại, trong hệ thống UWB người ta không dùng sóng mang (carrierless), các xung có thời gian tồn tại rất ngắn từ picosecond cho tới nanosecond và chu kì nhỏ để truyền và nhận thông tin. Trong đó thời gian tồn tại xung là tỉ lệ thời gian xung xuất hiện trên chu kì xung.2 Xung có thời gian tồn tại nhỏ. Ton là thời gian tồn tại xung, T off là thời gian xung không xuất hiện Chu kỳ tồn tại xung nhỏ cho ta một công suất phát trung bình thấp trong các hệ thống truyền thông UWB. Công suất phát trung bình của các hệ thống UWB chỉ nhỏ vào cỡ microwatt, chỉ bằng một phần nghìn công suất của các điện thoại tế bào.
Tuy nhiên công suất đỉnh hoặc công suất phát tức thời của hệ thống truyền thông UWB tương đối lớn (trong một số trường hợp lên tới 1 watt cho 1 Mbps ở 1 MHz) nhưng do chúng chỉ được phát đi trong một khoảng thời gian rất ngắn (Ton chỉ vào cỡ 1ns) nên công suất phát trung bình của nó thấp hơn. Mặt khác tần số và thời gian là tỉ lệ nghịch với nhau nên nếu xung có chu kì tồn tại nhỏ sẽ làm cho tần số trải ra Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB 3 Phạm Thúy Phương trên một dải tần rộng vì vậy năng lượng sẽ được phân bố từ các thành phần một chiều cho tới tần số lớn cỡ GHz với mật độ phổ công suất (PSD: Power Spectral Density) rất thấp. Công suất Biên độ Thời gian Tần số Hình 1.3 Một xung UWB (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số Độ rộng băng thông trong mạng UWB lớn là do hệ số tỉ lệ trong miền thời gian của biến đổi Fourier như sau: 1 f x(at ) = X (1.1) a a Trong đó x(at) là tín hiệu x(t) được biến đổi theo hệ số tỷ lệ a với x(t) là tín hiệu trong miền thời gian. X(f) là tín hiệu trong miền tần số của x(t), X(f) tỉ lệ nghịch với hệ số tỉ lệ trong miền thời gian a.
CÁC TÍN HIỆU UWB Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là xung đơn (monocycle) vì nó chỉ có một chu kỳ và có thể là bất cứ hàm nào thỏa mãn yêu cầu về mặt nạ phổ. Khi độ rộng các xung phát ra rất hẹp (cỡ 1ns), năng lượng của nó sẽ trải ra trên một băng tần rất rộng. Theo qui định các xung UWB cần phải có độ rộng băng thông lớn hơn 500MHz hoặc phân bố dải thông lớn hơn 20% trong toàn bộ khoảng thời gian phát xung. Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB 4 Phạm Thúy Phương Một tín hiệu UWB có thể là bất cứ dạng nào trong các tín hiệu băng rộng chẳng hạn như Gaussian, chirp, wavelet, hoặc các xung có chu kì ngắn dựa trên đa thức Hermit.
Các kỹ thuật sử dụng để chế tạo các xung Gauss tương đối đơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ.4 biểu diễn một xung đơn chu kì Gaussian là một ví dụ của xung UWB trong miền thời gian và trong miền tần số. Xung Gaussian đơn là vi phân cấp một của xung Gaussian gốc và được cho bởi công thức sau: 2 t t − P (t ) = τ e (1.2) τ Biên độ phổ công suất (dB) Tần số trung tâm Biên độ (V) Thời gian (Ns) Tần số (GHz) Hình 1.4 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) miền thời gian (b) miền tần số Trong đó t: là thời gian τ: là một hằng số thời gian trễ FFC định nghĩa một tín hiệu UWB phải có tỷ lệ băng thông lớn hơn 0,02 hoặc chiếm phổ tần lớn hơn 500MHZ. Tỷ lệ băng thông này được định nghĩa như sau: Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB 5 Phạm Thúy Phương B f = 2× ( fh − f l ) (1.3) ( fh + f l ) Trong đó fh và fl là tần số cao nhất và tần số thấp nhất của mật độ phổ năng lượng ESD Người ta phân loại tín hiệu dựa trên FB (Fractional Bandwidth) như sau: Băng hẹp: Bf <1% Băng rộng: 1%<Bf <20% Băng siêu rộng: Bf >20% 1. CÁC ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG UWB 1.1 Ưu điểm Công nghệ UWB sử dụng các loại xung có chu kì ngắn có rất nhiều ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích so với truyền thông trong mạng băng hẹp.1 Khả năng chia sẻ phổ tần Theo yêu cầu về công suất của FCC trong mạng UWB là 41.3 dBm/MHz tương đương với 71.3 nw/MHz, tương tự như các bức xạ của tivi hoặc màn hình máy vi tính, công suất này được xếp vào loại mức công suất của các bộ phát xạ không gây ra một tác hại nào.
Với giới hạn của công suất phát như vậy làm cho UWB nằm dưới mức nhiễu nền của một máy thu băng hẹp điển hình và cho phép nó tồn tại cùng với các dịch vụ băng vô tuyến đã có trước đó với mức nhiễu nhỏ hoặc không gây ra nhiễu. Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB 6 Phạm Thúy Phương Băng hẹp Công suất (30KHz) CDMA băng rộng (5 MHz) Nhiễu nền UWB (7.5 GHz) Tần số Hình 1.5 Sự tồn tại của tín hiệu UWB với các tín hiệu băng rộng và băng hẹp khác Tuy nhiên để có được các ưu điểm đó còn phụ thuộc vào loại sơ đồ điều chế được sử dụng trong quá trình truyền đạt dữ liệu của hệ thống UWB. Việc lựa chọn cách điều chế sẽ tạo ra các đường phổ rời rạc không mong muốn trong mật độ phổ công suất PSD của chúng, chính điều này sẽ làm tăng nhiễu của hệ thống UWB tới các hệ thống đang tồn tại và làm cho hệ thống UWB dễ dàng bị gây nhiễu bởi các hệ thống khác.6: So sánh phổ tín hiệu UWB và Wifi Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB 7 Phạm Thúy Phương 1.2 Dung lượng kênh lớn Dung lượng kênh hoặc tốc độ dữ liệu được định nghĩa là khối lượng lớn nhất của dữ liệu được truyền qua kênh truyền thông trong một giây. Từ công thức Hartley Shannon chúng ta có thể thấy rõ dung lượng kênh lớn trong hệ thống UWB.4) N Trong đó: C - dung lượng kênh lớn nhất (bits/sec) B - Độ rộng băng thông (Hz) S - Công suất tín hiệu (W) N - Công suất nhiễu (W) Do băng tần rộng nên UWB có một dung lượng kênh lớn.
Chúng ta thấy rằng dung lượng kênh tăng tuyến tính cùng với độ rộng băng thông. Vì vậy với một dải thông cỡ vài GHz của tín hiệu UWB sẽ cho ta tốc độ lên tới Gbps. Tuy nhiên, do qui đinh hiện tại của FCC, một tốc độ dữ liệu cao như vậy chỉ được giới hạn truyền trong khoảng cách ngắn cỡ 10m. Do đó UWB thường được lựa chọn nhiều nhất trong các mạng cá nhân không dây WPAN (wireless personal area network) hoặc các ứng dụng trong quân sự, dân sự và trong các sản phẩm dân dụng.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp Từ công thức Hartley Shannon ta thấy dung lượng kênh chỉ phụ thuộc theo hàm loga của tỉ số tín hiệu trên nhiễu.
Do đó hệ thống truyền thông UWB có thể làm việc được trong các kênh truyền thông có nhiều nhiễu và tạp âm với một tỉ số SNR thấp nhưng nó vẫn có một dung lượng kênh lớn do có băng thông rộng.4 Khả năng chống nhiễu Khác với các hệ thống băng hẹp, phổ của hệ thống UWB sẽ trải ra trên một dải tần rộng từ DC cho tới vài GHz và cung cấp một hệ số khuyếch đại của quá trình xử lý cao. Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Khử nhiễu trong UWB 8 Phạm Thúy Phương RF bandwidth PG = (1.5) Infomation bandwidth Trong đó PG (Processing Gain) là một tỉ số nói lên khả năng chống nhiễu của hệ thống thông tin vô tuyến được định nghĩa là tỉ số của độ rộng băng thông RF trên độ rộng băng thông của thông tin.