Tổng Quan Về Hệ Thống Thông Tin Vô Tuyến Băng Siêu Rộng UWB và Khử Nhiễu

• Tác giả: Phạm Thúy Phương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Hữu Huân
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Tổng Quan Hệ Thống Thông Tin Vô Tuyến Băng Siêu Rộng UWB – Khử Nhiễu Trong UWB
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
• 1.1. KHÁI NIỆM VỀ UWB
• 1.2. CÁC ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG UWB
• 1.2.1. Khả năng chia sẻ phổ tần
• 1.2.2. Dung lượng kênh lớn
• 1.2.3. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp
• 1.2.4. Khả năng chống nhiễu
• 1.2.5. Tính bảo mật cao
• 1.2.6. Hiệu quả hoạt động cao trong các kênh đa đường
• 1.2.7. Khả năng đâm xuyên lớn
• 1.2.8. Kiến trúc máy thu đơn giản
• 1.3. Nhược điểm
• 1.3.1. Sự méo dạng xung
• 1.3.2. Ước lượng kênh
• 1.3.3. Nhiễu đa truy nhập
• 1.4. SỰ KHÁC NHAU GIỮA UWB VÀ TRẢI PHỔ
• 1.4.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
• 1.4.2. Trải phổ theo chặng tần số FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
• 1.4.3. Sự khác nhau chủ yếu giữa UWB và trải phổ
• 1.5. PHÂN LOẠI UWB
• 1.6. CÁC QUY ĐỊNH CỦA FCC ĐỐI VỚI UWB
• 1.6.1. Các qui định hiện tại của FCC đối với hệ thống UWB
• 1.6.2. Giới hạn phát của FCC
• 1.6.2.1. Các thiết bị truyền thông
• 1.6.2.2. Các thiết bị liên quan đến hình ảnh
• 1.7. CÁC ỨNG DỤNG CỦA UWB
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
• 2.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG
• 2.1.1. So sánh cấu trúc hệ thống thông tin băng siêu rộng UWB và hệ thống thông tin băng hẹp
• 2.2. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Ở PHÍA PHÁT
• 2.2.1. Điều chế On Off Keying (OOK)
• 2.2.2. Điều chế biên độ xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation)
• 2.2.3. Điều chế vị trí xung (PPM: Pulse Position Modulation)
• 2.2.4. Điều chế lưỡng pha (BP: Biphase Modulation)
• 2.3. KỸ THUẬT TÁCH XUNG Ở PHÍA THU
• 2.3.1. Tách năng lượng (Energy Detector)
• 2.3.2. Bộ lọc phối hợp cổ điển (CMF: Classical Matched Filters)
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA KÊNH THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
• 3.1. Mục đích của mô hình hóa kênh
• 3.2. MÔ HÌNH HÓA KÊNH KÍCH THƯỚC LỚN
• 3.2.1. Suy hao đường dẫn trong không gian tự do theo công thức Friis
• 3.2.2. Mô hình suy hao đường dẫn trong chuẩn IEEE 802.3
• 3.3. MÔ HÌNH HÓA PHA ĐINH KÍCH THƯỚC NHỎ (SMALL SCALE FADING)
• 3.3.1. Hiệu ứng pha đinh kích thước nhỏ
• 3.3.1.1. Khái niệm pha đinh kích thước nhỏ
• 3.3.2. Các đặc trưng của mô hình kênh
• 3.3.2.1. Mô hình Saleh-Valenzuela nguyên bản
• 3.3.2.2. Mô hình Saleh-Valenzuela sửa đổi trong 802
• 4. CHƯƠNG 4: NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ NHIỄU BĂNG HẸP LÊN HỆ THỐNG UWB
• 4.1. Những vấn đề về nhiễu băng hẹp trong các hệ thống UWB
• 4.2. Những giải pháp tránh nhiễu NBI
• 4.2.1. Giải pháp đa sóng mang
• 4.2.2. Các cơ chế đa băng tần
• 4.2.3. Những giải pháp khử nhiễu NBI
• 4.3. Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số
• 4.4. Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số - thời gian
• 4.5. Kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền thời gian
• 4.6. Hệ thống IS-OFDM cho kênh vô tuyến UWB
• 4.7. Hệ thống OFDM đa băng tần
• 4.8. Kế hoạch băng tần
• 4.9. Điều chế OFDM
• 4.10. Trải lặp lại tần số
• 4.11. Trải lặp lại thời gian
• 4.12. Bộ thu phát MB-OFDM
• 4.13. Mô phỏng hệ thống MB-OFDM
• 4.13.1. Các tham số mô tả hệ thống
• 4.13.2. Kết quả thực hiện. Nhận xét đánh giá
• 4.14. Đề xuất giải pháp hệ thống OFDM khử nhiễu cho kênh UWB
• 4.14.1. Hệ thống IS-OFDM cơ bản
• 4.14.2. Hệ thống IS-OFDM kết hợp cho kênh vô tuyến UWB
• 4.15. Mô hình tín hiệu
• 4.16. Đánh giá ảnh hưởng do nhiễu băng hẹp và AWGN
• CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• LỜI NÓI ĐẦU
• KẾT LUẬN CHUNG

I. Tổng Quan Hệ Thống Thông Tin Vô Tuyến Băng Siêu Rộng UWB

Nhu cầu sử dụng các dịch vụ băng rộng ngày càng tăng, đặc biệt tại Việt Nam. Các công nghệ như Bluetooth, Wi-Fi, và điện thoại di động vẫn còn nhiều hạn chế. Công nghệ UWB ra đời như một giải pháp hứa hẹn, có khả năng hoạt động song song với các hệ thống truyền thông truyền thống mà không gây nhiễu đáng kể. Điều này mang lại lợi ích kinh tế lớn vì không cần đăng ký dải phổ. Chương này cung cấp tổng quan về UWB, bao gồm khái niệm, cơ hội, thách thức, đặc điểm tín hiệu, ưu nhược điểm, và hai công nghệ chính: UWB đơn băng và UWB đa băng. Theo luận văn của Phạm Thúy Phương, sự ra đời của UWB giúp tận dụng băng thông hiệu quả, đáp ứng nhu cầu về dung lượng cao, tốc độ nhanh, và bảo mật cho kết nối không dây.

1.1. Định Nghĩa và Nguyên Lý Hoạt Động UWB Cơ Bản

Trong các hệ thống truyền thông truyền thống, tín hiệu RF liên tục được điều chế bằng tần số sóng mang xác định. Ngược lại, UWB không sử dụng sóng mang, mà sử dụng các xung cực ngắn (picosecond đến nanosecond). Thời gian tồn tại xung ngắn tạo ra công suất phát trung bình thấp. Các xung UWB trải rộng trên dải tần rộng, từ DC đến GHz, với mật độ phổ công suất (PSD) rất thấp. Theo Phạm Thúy Phương, công suất phát trung bình của UWB chỉ bằng microwatt, nhỏ hơn nhiều so với điện thoại di động.

1.2. Đặc Điểm Tín Hiệu UWB Xung Ngắn và Băng Thông Rộng

Dạng xung cơ bản trong UWB là xung đơn (monocycle), có thể là bất cứ hàm nào đáp ứng yêu cầu về mặt nạ phổ. Khi xung phát ra rất hẹp (cỡ 1ns), năng lượng trải rộng trên băng tần rộng. Theo quy định, xung UWB cần có độ rộng băng thông lớn hơn 500MHz hoặc phân bố dải thông lớn hơn 20%. Tín hiệu UWB có thể là Gaussian, chirp, wavelet, hoặc xung có chu kỳ ngắn dựa trên đa thức Hermit. Kỹ thuật chế tạo xung Gauss tương đối đơn giản và phù hợp với mặt nạ phổ.

II. Ưu Điểm Vượt Trội Của Công Nghệ UWB So Với Băng Hẹp

Công nghệ UWB mang lại nhiều ưu điểm so với truyền thông băng hẹp. Khả năng chia sẻ phổ tần là một lợi thế lớn. Theo yêu cầu của FCC, công suất phát UWB thấp, tương đương với bức xạ của tivi hoặc màn hình máy tính, không gây hại. Điều này cho phép UWB hoạt động cùng với các dịch vụ vô tuyến đã có mà không gây nhiễu đáng kể. Ngoài ra, kiến trúc máy thu đơn giản và khả năng chống nhiễu tốt cũng là những ưu điểm nổi bật. Dung lượng kênh lớn và tính bảo mật cao cũng là những yếu tố quan trọng thúc đẩy sự phát triển của UWB.

2.1. Khả Năng Chia Sẻ Phổ Tần và Tiết Kiệm Chi Phí

Với công suất thấp theo quy định của FCC (-41.3 dBm/MHz), UWB nằm dưới mức nhiễu nền của máy thu băng hẹp thông thường. Điều này cho phép nó hoạt động song song với các dịch vụ vô tuyến khác mà không cần đăng ký dải phổ, mang lại lợi ích kinh tế lớn. Phạm Thúy Phương nhấn mạnh rằng, UWB không gây ảnh hưởng đến các mạng truyền thống, điều này tiết kiệm chi phí đăng ký.

2.2. Dung Lượng Kênh Lớn và Khả Năng Chống Nhiễu Tốt

Băng thông rộng của UWB cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao. Khả năng chống nhiễu tốt giúp đảm bảo chất lượng truyền dẫn trong môi trường nhiều nhiễu. Theo luận văn, UWB hiệu quả cao trong các kênh đa đường và có khả năng đâm xuyên lớn, vượt trội so với các hệ thống băng hẹp. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp nhưng vẫn đảm bảo khả năng truyền dẫn.

2.3. Tính Bảo Mật Cao và Kiến Trúc Máy Thu Đơn Giản

Việc sử dụng xung cực ngắn và băng thông rộng khiến việc nghe trộm tín hiệu UWB trở nên khó khăn, tăng tính bảo mật. Kiến trúc máy thu đơn giản giúp giảm chi phí sản xuất và tiêu thụ năng lượng. Phạm Thúy Phương chỉ ra rằng kiến trúc máy thu UWB đơn giản hơn so với kiến trúc của mạng băng hẹp.

III. Thách Thức và Giải Pháp Khử Nhiễu Trong Hệ Thống UWB

Mặc dù có nhiều ưu điểm, UWB cũng đối mặt với một số thách thức. Sự méo dạng xung, ước lượng kênh, và nhiễu đa truy nhập (MAI) là những vấn đề cần giải quyết. Đặc biệt, khử nhiễu là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất của hệ thống. Các kỹ thuật khử nhiễu trong miền tần số, miền thời gian-tần số, và miền thời gian được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu băng hẹp (NBI). Nghiên cứu của Phạm Thúy Phương tập trung vào các giải pháp khử nhiễu NBI để nâng cao hiệu suất UWB.

3.1. Các Loại Nhiễu Trong UWB Nhận Diện và Phân Loại

Nhiễu trong hệ thống UWB có thể bao gồm nhiễu băng hẹp (NBI) từ các hệ thống khác, nhiễu đa truy nhập (MAI) do nhiều người dùng chia sẻ kênh, và nhiễu trắng Gaussian (AWGN). Nhiễu đa đường cũng là một vấn đề quan trọng do tín hiệu UWB phản xạ nhiều lần trước khi đến máy thu. Việc nhận diện và phân loại các loại nhiễu là bước đầu tiên để áp dụng các kỹ thuật khử nhiễu phù hợp.

3.2. Kỹ Thuật Khử Nhiễu UWB Trong Miền Tần Số và Thời Gian

Các kỹ thuật khử nhiễu NBI trong miền tần số bao gồm việc sử dụng bộ lọc để loại bỏ các thành phần tần số gây nhiễu. Kỹ thuật khử nhiễu trong miền thời gian-tần số kết hợp cả hai miền để xác định và loại bỏ nhiễu hiệu quả hơn. Kỹ thuật khử nhiễu trong miền thời gian dựa trên việc xử lý tín hiệu trực tiếp trong miền thời gian. Theo luận văn, hệ thống IS-OFDM kết hợp là một giải pháp tiềm năng cho kênh vô tuyến UWB.

3.3. Giải Pháp Đa Sóng Mang và Các Cơ Chế Đa Băng Tần

Giải pháp đa sóng mang (OFDM) và các cơ chế đa băng tần được sử dụng để tránh nhiễu NBI bằng cách chia dải tần UWB thành nhiều băng con. Mỗi băng con được sử dụng để truyền dữ liệu độc lập, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu. Các giải pháp đa băng tần bao gồm giải pháp 2 băng và đa băng tần OFDM (MB-OFDM).

IV. Ứng Dụng UWB Trong Thực Tế Định Vị và Truyền Thông

Công nghệ UWB có nhiều ứng dụng tiềm năng trong thực tế. Ứng dụng định vị trong nhà là một lĩnh vực quan trọng, cho phép xác định vị trí của các đối tượng với độ chính xác cao. Ứng dụng theo dõi tài sản, y tế, và công nghiệp cũng đang được phát triển. Ngoài ra, UWB còn được sử dụng trong các hệ thống radar UWB và truyền thông UWB. Phạm Thúy Phương nhấn mạnh rằng, ngày càng có nhiều sản phẩm sử dụng công nghệ UWB được đưa vào phục vụ cuộc sống.

4.1. Ứng Dụng Định Vị Trong Nhà và Theo Dõi Tài Sản

UWB cho phép định vị các đối tượng trong nhà với độ chính xác cao hơn so với các công nghệ khác như Wi-Fi. Điều này mở ra nhiều ứng dụng trong việc theo dõi tài sản, quản lý kho, và điều hướng trong các tòa nhà lớn. Các hệ thống định vị UWB dựa trên việc đo thời gian truyền (ToA) hoặc thời gian đến (TDoA) của tín hiệu.

4.2. Ứng Dụng UWB Trong Y Tế và Công Nghiệp

Trong lĩnh vực y tế, UWB có thể được sử dụng để theo dõi bệnh nhân, giám sát các thiết bị y tế, và hỗ trợ các ứng dụng chẩn đoán. Trong công nghiệp, UWB được sử dụng để theo dõi các thiết bị, robot, và công nhân trong nhà máy. Các hệ thống radar UWB có thể được sử dụng để phát hiện các vật thể ẩn, chẳng hạn như trong kiểm tra an ninh.

4.3. Radar UWB và Truyền Thông UWB Tốc Độ Cao

Radar UWB có khả năng phát hiện các vật thể ẩn với độ phân giải cao. Truyền thông UWB cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao trong khoảng cách ngắn, phù hợp cho các ứng dụng không dây cá nhân (WPAN). Các tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a và IEEE 802.15.4z định nghĩa các giao thức cho UWB.

V. Tiêu Chuẩn UWB IEEE 802

Các tiêu chuẩn UWB như IEEE 802.15.4a và IEEE 802.15.4z định nghĩa các giao thức cho truyền thông UWB. Các quy định của FCC (Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ) quy định giới hạn phát cho các thiết bị UWB. Các quy định này nhằm đảm bảo rằng UWB không gây nhiễu cho các dịch vụ vô tuyến khác. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn UWB và quy định của FCC là rất quan trọng để đảm bảo khả năng tương thích và hiệu suất của hệ thống.

5.1. Giới Thiệu Tiêu Chuẩn IEEE 802.15.4a và IEEE 802.15.4z

Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a xác định các giao thức cho truyền thông UWB trong mạng không dây cá nhân (WPAN). Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4z bổ sung các tính năng bảo mật và định vị nâng cao cho UWB. Các tiêu chuẩn này đảm bảo khả năng tương thích giữa các thiết bị UWB khác nhau.

5.2. Các Quy Định của FCC Về Giới Hạn Phát UWB

FCC quy định giới hạn phát cho các thiết bị UWB để đảm bảo rằng chúng không gây nhiễu cho các dịch vụ vô tuyến khác. Giới hạn phát khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và dải tần. Phạm Thúy Phương có đề cập đến các giới hạn phát UWB của FCC cho từng ứng dụng.

VI. Triển Vọng Tương Lai Của Hệ Thống UWB Hướng Phát Triển

UWB hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong tương lai của truyền thông không dây. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, giảm tiêu thụ năng lượng, và mở rộng phạm vi hoạt động của UWB. Việc tích hợp UWB với các công nghệ khác như 5G và AI cũng đang được khám phá. Phạm Thúy Phương đã chỉ ra tiềm năng to lớn mà UWB mang lại. Công nghệ này sẽ tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng vào cuộc sống.

6.1. Các Nghiên Cứu Hiện Tại và Hướng Phát Triển Mới Của UWB

Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, giảm tiêu thụ năng lượng, và mở rộng phạm vi hoạt động của UWB. Việc phát triển các kỹ thuật khử nhiễu mới và các giao thức truyền thông hiệu quả hơn là những hướng đi quan trọng.

6.2. Tích Hợp UWB Với 5G AI và Các Công Nghệ Tiên Tiến

Việc tích hợp UWB với các công nghệ khác như 5G và AI có thể mang lại những lợi ích đáng kể. Ví dụ, UWB có thể được sử dụng để cung cấp dịch vụ định vị chính xác trong các mạng 5G. AI có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của các hệ thống UWB.