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.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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 802.3 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.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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: 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. 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. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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.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. UWB dùng một băng tần cực rộng để truyền dữ liệu (Hình 1. Và như vậy, UWB có thể truyền nhiều dữ liệu hơn so với các công nghệ truyền thống trong cùng một khoảng thời gian.2: So sánh các tín hiệu băng hẹp NB, trải phổ SS và UWB TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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.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. 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.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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.