Luận văn thạc sĩ về định vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWB

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu định vị trong vô tuyến băng siêu rộng uwb, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Trần Minh Tú
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Văn San
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Định Vị Trong Vô Tuyến Băng Siêu Rộng UWB
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
• 1.1. Định nghĩa tín hiệu và hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB
• 1.2. Độ rộng băng tần phân đoạn
• 1.3. Mô hình hệ thống truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB
• 1.4. Đặc điểm của tín hiệu và hệ thống UWB
• 1.5. Các lĩnh vực ứng dụng của vô tuyến UWB
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG II: ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
• 2.1. Ước tính tham số và định vị
• 2.2. Phương pháp ước lượng tham số định vị
• 2.2.1. Phương pháp cường độ trường của tín hiệu thu RSS
• 2.2.2. Phương pháp góc đến AOA
• 2.2.3. Phương pháp thời gian đến TOA
• 2.2.4. Phương pháp vi sai thời gian đến TDOA
• 2.2.5. Một số phương pháp kết hợp điển hình
• 2.3. Phương pháp định vị trí
• 2.3.1. Định vị trí cầu
• 2.3.2. Định vị trí hyperbolic
• 2.3.3. Ước tính vị trí theo thuật toán sai số bình phương nhỏ nhất LSE
• 2.4. Giao thức định vị
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂN HÌNH TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB
• 3.1. Mô hình và kịch bản mô phỏng
• 3.2. Phân tích, mô phỏng, đánh giá hiệu năng một số phương pháp định vị điển hình
• 3.3. Tính toán, mô phỏng và biểu diễn tính chính xác của việc ước tính khoảng cách
• 3.4. Tính toán, mô phỏng và biểu diễn tính chính xác của việc ước tính góc đến AOA
• 3.5. Tính toán và biểu diễn tính chính xác của việc ước tính thời điểm đến TOA
• 3.6. Giải pháp điển hình để cải thiện tính chính xác của định vị
• 3.7. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB

Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB (Ultra-Wide Band) đã được phát triển từ những năm 1960, chủ yếu trong các hệ thống thông tin quân sự. UWB được biết đến với khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao, lên tới 500 Mbit/s, và đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng trong mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN). Đặc điểm nổi bật của UWB là khả năng hoạt động trên dải tần rộng, cho phép truyền tải thông tin với công suất thấp và độ tin cậy cao. Việc sử dụng UWB trong các ứng dụng như định vị, radar và mạng cảm biến đã chứng minh tính hiệu quả của công nghệ này. Theo tiêu chuẩn của IEEE, UWB có thể hỗ trợ đa truy nhập, giúp cải thiện khả năng kết nối giữa các thiết bị. Đặc biệt, UWB không yêu cầu giấy phép phổ tần, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng trong môi trường đô thị và trong nhà. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ UWB đang tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực viễn thông.

1.1 Định nghĩa tín hiệu và hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB

Định nghĩa về UWB liên quan đến độ rộng băng tần năng lượng, được xác định bởi tần số thấp và tần số cao. Để được coi là UWB, độ rộng băng tần năng lượng phải lớn hơn 0,20 - 0,25. Tín hiệu UWB thường được phát dưới dạng chuỗi xung ngắn, giúp tăng cường độ tin cậy trong việc truyền tải thông tin. Việc sử dụng nhiều xung để truyền tải một bit thông tin giúp giảm thiểu ảnh hưởng của tạp âm và tăng cường khả năng nhận diện tín hiệu. Đặc điểm này làm cho UWB trở thành một công nghệ lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao trong định vị và truyền thông. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống UWB, nhằm mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

II. Định vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWB

Định vị trong hệ thống UWB là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, với nhiều phương pháp khác nhau được phát triển để ước lượng vị trí. Các phương pháp này bao gồm ước lượng tham số và định vị, trong đó có các kỹ thuật như RSS (Cường độ trường của tín hiệu thu), AOA (Góc đến), TOA (Thời gian đến) và TDOA (Vi sai thời gian đến). Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Ví dụ, phương pháp RSS thường dễ triển khai nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường, trong khi TDOA có thể cung cấp độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu nhiều thiết bị hơn để thực hiện. Việc kết hợp các phương pháp này có thể tạo ra một giải pháp định vị hiệu quả hơn, giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống.

2.1 Phương pháp ước lượng tham số định vị

Các phương pháp ước lượng tham số định vị trong UWB bao gồm RSS, AOA, TOA, và TDOA. Mỗi phương pháp có cách tiếp cận riêng để xác định vị trí của thiết bị. Phương pháp RSS dựa trên cường độ tín hiệu thu được để ước lượng khoảng cách, trong khi AOA sử dụng góc đến của tín hiệu để xác định vị trí. TOA và TDOA lại dựa vào thời gian tín hiệu truyền đi để tính toán khoảng cách. Việc áp dụng các phương pháp này trong các kịch bản thực tế cho thấy rằng UWB có khả năng cung cấp độ chính xác cao trong định vị, đặc biệt trong môi trường trong nhà, nơi mà các công nghệ định vị khác như GPS không hoạt động hiệu quả.

III. Phân tích mô phỏng đánh giá hiệu năng một số phương pháp định vị điển hình trong vô tuyến băng siêu rộng UWB

Chương này tập trung vào việc phân tích và mô phỏng hiệu năng của các phương pháp định vị điển hình trong UWB. Các mô hình mô phỏng được xây dựng để đánh giá độ chính xác của việc ước lượng khoảng cách và góc đến. Kết quả cho thấy rằng các phương pháp như TDOA và AOA có thể đạt được độ chính xác cao hơn so với các phương pháp khác trong điều kiện môi trường khác nhau. Việc sử dụng các kịch bản mô phỏng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện tính chính xác của định vị. Các nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các hệ thống định vị trong các lĩnh vực như y tế, an ninh và tự động hóa.

3.1 Giải pháp điển hình để cải thiện tính chính xác của định vị

Để cải thiện tính chính xác của định vị trong hệ thống UWB, một số giải pháp đã được đề xuất. Việc kết hợp nhiều phương pháp định vị có thể giúp tăng cường độ chính xác và độ tin cậy. Ngoài ra, việc tối ưu hóa các tham số kỹ thuật như tần số, công suất phát và cấu trúc anten cũng có thể ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất của hệ thống. Các nghiên cứu hiện tại đang hướng tới việc phát triển các thuật toán thông minh để tự động điều chỉnh các tham số này trong thời gian thực, nhằm tối ưu hóa hiệu suất định vị. Điều này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu chi phí và thời gian triển khai hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng (Ultra-Wideband - UWB) đã phát triển mạnh mẽ từ những năm 1960, ban đầu phục vụ cho các hệ thống thông tin quân sự và hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong truyền thông cự ly ngắn với tốc độ truyền dẫn lên tới 500 Mbit/s. Theo quy định của FCC (Mỹ), tín hiệu UWB hoạt động trong dải tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz với công suất phát cực đại -41,3 dBm/MHz, cho phép thiết bị UWB hoạt động đồng thời với các hệ thống vô tuyến khác mà không gây nhiễu đáng kể. Ưu điểm nổi bật của UWB là khả năng truyền tín hiệu với băng thông rất rộng, công suất thấp, khả năng đề kháng với nhiễu đa đường và nhiễu liên ký tự, đồng thời hỗ trợ định vị chính xác cao trong môi trường trong nhà, nơi GPS không đáp ứng được yêu cầu.

Luận văn tập trung nghiên cứu các phương pháp định vị trong hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB, đặc biệt là phân tích, mô phỏng và đánh giá hiệu năng của các thuật toán ước lượng khoảng cách và định vị trí. Mục tiêu chính là làm rõ tính ưu việt và tiềm năng ứng dụng của công nghệ UWB trong các mạng cảm biến không dây và mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi môi trường truyền thông trong nhà, với các kịch bản mô phỏng chi tiết nhằm đánh giá độ chính xác và hiệu quả của các phương pháp định vị điển hình.

Việc nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống định vị nội bộ chính xác, hỗ trợ các ứng dụng trong y tế, công nghiệp, và truyền thông đa phương tiện. Các chỉ số hiệu năng như sai số định vị, độ chính xác ước lượng khoảng cách và góc đến được phân tích kỹ lưỡng, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ UWB.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Định nghĩa tín hiệu UWB và độ rộng băng tần phân đoạn: Tín hiệu UWB được xác định khi độ rộng băng tần năng lượng phân đoạn lớn hơn 0,20-0,25, với phổ tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz theo quy định của FCC. Độ rộng băng tần năng lượng được tính dựa trên tần số giới hạn dưới và trên của phổ năng lượng tín hiệu.

• Mô hình hệ thống truyền thông UWB: Bao gồm máy phát tín hiệu xung ngắn (Impulse Radio - IR), bộ lọc thích hợp và bộ thu tương quan, với các tham số như công suất phát, băng thông tín hiệu, và mật độ phổ công suất (PSD).

• Các phương pháp ước lượng tham số định vị:

  • Phương pháp cường độ trường tín hiệu thu (RSS - Received Signal Strength) dựa trên mối quan hệ giữa công suất thu và khoảng cách.
  • Phương pháp góc đến (AOA - Angle of Arrival) sử dụng dàn anten để đo sự khác biệt thời gian đến của tín hiệu trên các phần tử anten.
  • Phương pháp thời gian đến (TOA - Time of Arrival) ước lượng khoảng cách dựa trên thời gian truyền sóng giữa máy phát và máy thu.

• Giới hạn dưới Cramer-Rao (CRLB): Được sử dụng để đánh giá giới hạn lý thuyết về độ chính xác của các ước lượng khoảng cách và góc đến, làm cơ sở so sánh hiệu năng các thuật toán.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp mô phỏng trên máy tính để đánh giá hiệu năng các thuật toán định vị trong môi trường truyền thông UWB. Cụ thể:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được tạo ra dựa trên các mô hình kênh truyền sóng UWB trong nhà, bao gồm các yếu tố như đa đường, che chắn và tạp âm Gaussian trắng cộng.

• Phương pháp phân tích:

  • Sử dụng các thuật toán ước lượng khoảng cách và góc đến dựa trên RSS, AOA và TOA.
  • Tính toán giới hạn dưới CRLB để đánh giá độ chính xác tối ưu của các phương pháp.
  • Mô phỏng các kịch bản truyền thông với các tham số như băng thông tín hiệu, số lượng phần tử anten, mức SNR, và khoảng cách giữa các nút.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2019, với các giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng bao gồm nhiều nút tham chiếu và nút đích trong mạng cảm biến không dây, với các vị trí và khoảng cách đa dạng nhằm phản ánh thực tế môi trường trong nhà.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khách quan và khả năng áp dụng thực tế cao, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc phát triển các hệ thống định vị UWB.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác ước lượng khoảng cách dựa trên RSS:

   • Sai số ước lượng khoảng cách tăng tuyến tính theo khoảng cách và độ lệch chuẩn của che chắn.
   • Với môi trường trong nhà, sai số có thể lên đến khoảng 1-2 mét khi khoảng cách trên 10 mét, do ảnh hưởng của đa đường và che chắn.
   • Giới hạn dưới CRLB cho thấy độ chính xác ước lượng khoảng cách giảm khi độ lệch chuẩn che chắn tăng và số mũ tổn hao công suất giảm.

2. Hiệu năng phương pháp AOA:

   • Độ chính xác ước lượng góc đến cải thiện khi tăng số phần tử anten, tăng băng thông hiệu dụng và tăng SNR.
   • Ví dụ, với dàn anten 4 phần tử cách đều 5 cm, băng thông hiệu dụng 500 MHz và SNR 10 dB, sai số góc có thể đạt dưới 1 độ.
   • Phương pháp AOA có giới hạn trong việc phát hiện góc tín hiệu đến góc tù, do cấu trúc dàn anten tuyến tính.

3. Ước lượng thời gian đến TOA:

   • Phương pháp TOA cho độ chính xác cao hơn so với RSS, đặc biệt trong môi trường có băng thông rộng.
   • Mô phỏng cho thấy sai số ước lượng TOA có thể đạt cỡ vài centimet với tín hiệu UWB băng thông 500 MHz và SNR trên 10 dB.
   • Bộ đồng bộ mở cổng sớm-muộn giúp cải thiện độ chính xác ước lượng trễ tín hiệu, giảm sai số đồng bộ.

4. So sánh hiệu năng các phương pháp:

   • TOA và AOA vượt trội hơn RSS về độ chính xác định vị.
   • Kết hợp các phương pháp (ví dụ TOA/AOA) có thể nâng cao hiệu quả định vị, giảm sai số tổng thể.
   • Mức độ chính xác định vị có thể đạt tới 2 cm trong điều kiện lý tưởng, so với 50 cm của các hệ thống băng hẹp như WLAN.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt hiệu năng giữa các phương pháp là do bản chất tín hiệu UWB với băng thông rất rộng và khả năng phân giải thời gian cao, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của đa đường và nhiễu. Phương pháp RSS bị hạn chế bởi sự biến động của môi trường truyền sóng và khó xác định chính xác mối quan hệ suy hao-khoảng cách trong thực tế. Trong khi đó, TOA và AOA tận dụng đặc tính phân giải thời gian và không gian của tín hiệu UWB để đạt độ chính xác cao hơn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng và phân tích trong luận văn phù hợp với các báo cáo của ngành về khả năng định vị chính xác của UWB trong môi trường trong nhà. Việc sử dụng giới hạn dưới CRLB làm chuẩn đánh giá giúp khẳng định tính khả thi và hiệu quả của các thuật toán đề xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ sai số ước lượng theo khoảng cách, số phần tử anten, và SNR, cũng như bảng so sánh hiệu năng các phương pháp định vị. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và ưu điểm của từng phương pháp trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển hệ thống định vị kết hợp TOA và AOA

   • Mục tiêu: Nâng cao độ chính xác định vị dưới 5 cm trong môi trường trong nhà.
   • Thời gian thực hiện: 12-18 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ viễn thông.

2. Tối ưu hóa thuật toán đồng bộ mở cổng sớm-muộn

   • Mục tiêu: Giảm sai số ước lượng thời gian đến TOA, tăng độ ổn định trong môi trường nhiễu đa đường.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về xử lý tín hiệu.

3. Thiết kế và triển khai dàn anten đa phần tử với cấu hình tối ưu

   • Mục tiêu: Cải thiện độ chính xác ước lượng góc đến AOA, mở rộng khả năng phát hiện góc tín hiệu đến góc tù.
   • Thời gian thực hiện: 12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị viễn thông.

4. Xây dựng mô hình mô phỏng thực tế và thử nghiệm thực địa

   • Mục tiêu: Đánh giá hiệu năng thuật toán trong các môi trường truyền sóng phức tạp, bao gồm che chắn và nhiễu thực tế.
   • Thời gian thực hiện: 18-24 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng công nghệ UWB.

Các giải pháp trên nhằm mục đích nâng cao độ chính xác và tính ổn định của hệ thống định vị UWB, đồng thời thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như mạng cảm biến không dây, y tế, và truyền thông đa phương tiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông

   • Lợi ích: Hiểu sâu về công nghệ UWB, các thuật toán định vị và phương pháp phân tích hiệu năng.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ hoặc tiến sĩ liên quan đến truyền thông không dây và định vị.

2. Doanh nghiệp phát triển thiết bị viễn thông và mạng cảm biến không dây

   • Lợi ích: Áp dụng các thuật toán định vị chính xác, tối ưu thiết kế phần cứng và phần mềm cho sản phẩm UWB.
   • Use case: Thiết kế chip, module định vị UWB cho các ứng dụng trong nhà và công nghiệp.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực truyền thông và mạng không dây

   • Lợi ích: Nắm bắt các xu hướng công nghệ mới, đánh giá hiệu quả các giải pháp định vị trong môi trường phức tạp.
   • Use case: Tư vấn, triển khai hệ thống mạng WPAN, mạng cảm biến không dây với yêu cầu định vị chính xác.

4. Cơ quan quản lý và tổ chức tiêu chuẩn viễn thông

   • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật cho công nghệ UWB và các ứng dụng định vị.
   • Use case: Đánh giá tác động của UWB đến các hệ thống vô tuyến hiện hành, phát triển chính sách quản lý phổ tần.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ UWB có ưu điểm gì so với các công nghệ vô tuyến băng hẹp?
   UWB có băng thông rất rộng, công suất phát thấp, khả năng đề kháng nhiễu đa đường và nhiễu liên ký tự tốt, cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao và định vị chính xác trong môi trường trong nhà, điều mà các công nghệ băng hẹp khó đạt được.

2. Phương pháp định vị nào trong UWB cho độ chính xác cao nhất?
   Phương pháp kết hợp TOA và AOA thường cho độ chính xác cao nhất, với sai số định vị có thể đạt tới vài centimet trong điều kiện lý tưởng, vượt trội hơn phương pháp dựa trên RSS.

3. Sai số định vị trong môi trường thực tế ảnh hưởng bởi những yếu tố nào?
   Sai số chủ yếu do che chắn, đa đường, nhiễu tạp âm và sai lệch đồng bộ thời gian giữa các nút. Môi trường trong nhà phức tạp làm tăng độ lệch chuẩn che chắn, ảnh hưởng đến độ chính xác ước lượng.

4. Làm thế nào để giảm sai số trong ước lượng TOA?
   Sử dụng bộ đồng bộ mở cổng sớm-muộn và thuật toán ML giúp cải thiện độ chính xác ước lượng trễ tín hiệu, đồng thời tăng băng thông tín hiệu và nâng cao SNR cũng góp phần giảm sai số.

5. Ứng dụng thực tế của công nghệ định vị UWB là gì?
   UWB được ứng dụng trong mạng cảm biến không dây, hệ thống định vị trong nhà, truyền thông đa phương tiện, y tế, và các hệ thống an ninh, giúp xác định vị trí chính xác các thiết bị và người dùng trong phạm vi hẹp.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích chi tiết các đặc điểm kỹ thuật và mô hình truyền thông của công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB, làm rõ các ưu điểm vượt trội so với công nghệ băng hẹp truyền thống.
• Các phương pháp ước lượng khoảng cách và định vị như RSS, AOA, TOA được đánh giá về hiệu năng, với TOA và AOA cho độ chính xác cao hơn đáng kể.
• Mô phỏng và phân tích giới hạn dưới CRLB giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác định vị, từ đó đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu và phát triển hệ thống định vị UWB kết hợp đa phương pháp, tối ưu thuật toán đồng bộ và thiết kế dàn anten đa phần tử.
• Khuyến nghị các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý tiếp tục đầu tư phát triển công nghệ UWB nhằm ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực truyền thông và định vị chính xác.

Tiếp theo, việc triển khai thử nghiệm thực địa và phát triển sản phẩm ứng dụng sẽ là bước quan trọng để đưa công nghệ UWB vào thực tế, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và hiệu quả sử dụng tài nguyên phổ tần. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng các kết quả nghiên cứu này để phát triển các giải pháp định vị tiên tiến hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1. Giới thiệu Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB (Ultra-Wide Band) được phát triển từ những năm 1960, trong các hệ thống thông tin quân sự. UWB đôi khi còn được gọi là vô tuyến không sóng mang, vô tuyến dạng xung, vô tuyến xung kim IR, hoặc vô tuyến băng gốc do sử dụng phương pháp phát trực tiếp các xung rất hẹp. Hiện tại, công nghệ này được nghiên chủ yếu cứu cho ứng dụng trong thông tin vô tuyến cự ly ngắn (vùng phủ hẹp), với tốc độ truyền dẫn rất cao (lên tới 500 Mbit/s), đặc biệt trong mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN).

Hiện tại, Viện thiết kế điện và điện tử (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. Ngoài ra, còn có rất nhiều các ứng dụng khác của UWB, như trong Radar, thông tin xuyên tường, mạng cảm biến, định vị với độ chính xác rất cao, v. So với các hệ thống vô tuyến băng hẹp truyền thống, UWB có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lớn hơn nhiều. UWB cũng có thể hỗ trợ đa truy nhập.

Những tính năng này làm cho UWB đặc biệt phù hợp với các ứng dụng truyền thông đa phương tiện trong WPAN. Nhóm công tác IEEE 802.3 đã nghiên cứu sử dụng UWB như là một trong các lựa chọn hợp lý nhất cho lớp vật lý của WPAN. Ở châu Âu, ETSI cũng 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 có nhiệm vụ nghiên cứu và đề xuất các tiêu chuẩn, khuyến nghị liên quan về UWB [4], [6], [7].

Về phương diện thiết kế chế tạo sản phẩm, hiện vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết, đặc biệt là hiệu suất của hệ thống. Việc nâng cao hiệu suất của hệ thống sẽ giúp giải quyết các vấn đề như: Tăng thông lượng của hệ thống; Tăng độ tin cậy; Mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực của đời sống[4], [5]. Luan van 5 Với ưu điểm không cần giấy phép phổ tần, tốc độ truyền dẫn cao, công suất phát thấp, UWB sẽ là phương tiện kết nối hữu hiệu giữa các thiết bị ngoại vi (thiết bị quan sát, theo dõi, giám sát, điều khiển vận hành,v.v…), thiết bị đa phương tiện. với thiết bị trung tâm, thiết bị di động trong phạm văn phòng hoặc gia đình.

Vô tuyến băng siêu rộng UWB dựa vào việc phát xạ các dạng sóng, được đặc tính hóa bởi độ rộng băng tần năng lượng tức thời lớn hơn khoảng [0,20-0,25]. Trong chương này, luận văn phân tích nguyên lý độ rộng băng tần năng lượng phân đoạn và định nghĩa vô tuyến băng siêu rộng UWB. Định nghĩa tín hiệu và hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB 1.1 Độ rộng băng tần phân đoạn Việc chấp nhận chung thuật ngữ “băng siêu rộng UWB” xuất phát từ lĩnh vực radar băng siêu rộng UWB và liên quan với sóng điện từ được đặc tính hóa bởi độ rộng băng tần năng lượng phân đoạn tức thời lớn hơn khoảng [0,20 - 0,25]. Để làm sáng tỏ định nghĩa này, trước hết luận văn phải định nghĩa độ rộng băng tần năng lượng của sóng tín hiệu.

Gọi E là năng lượng tức thời của sóng tín hiệu, độ rộng băng tần năng lượng được xác định bởi tần số f L và f H , trong khoảng tần số này hầu như năng lượng của sóng nằm trên đó (cỡ 90%). Ta gọi khoảng tần số  f L , f H  là độ rộng băng tần năng lượng, hay băng thông năng lượng (energy bandwith), [4], [6]. Trong lĩnh vực radar, vô tuyến băng siêu rộng dựa vào việc phát xạ sóng được cấu thành từ chuỗi xung có thời gian rất ngắn (khoảng vài trăm ps). Trong các hệ thống này, thông tin truyền đi ở dạng chuỗi nhị phân và thông tin của mỗi bit (0 hoặc 1) được truyền đi ở dạng truyền một hoặc nhiều xung theo kiểu lặp lại mã (lặp bit).

Việc thể hiện một bit bằng cách phát lặp xung làm tăng mức độ chắc chắn. Nguyên lý truyền dẫn xung được áp dụng cho sơ đồ phát tín hiệu UWB. Người ta mở rộng khái niệm UWB cho các kỹ thuật truyền dẫn liên tục. Trong phần này, luận văn xét cho tín hiệu dạng xung [4], [5],[6].

Luan van 6 Điều quan trọng ta cần lưu ý là, E được dùng để biểu thị cho năng lượng tức thời, trong đó nó phải được tính trên khoảng thời gian của một xung. Nếu một bit tương ứng với việc xử lý nhiều xung, thì trong hầu hết các trường hợp E được dùng để biểu thị năng lượng của toàn bộ các xung đó. Đây là một khái niệm quan trọng: Nếu nhiều xung được sử dụng cho việc truyền dẫn một bit, ta cần định rõ năng lượng của nhóm các xung trong việc quyết định từng bit vì ảnh hưởng của tạp âm lên máy thu phải được ước lượng dựa trên năng lượng được định nghĩa là năng lượng hữu ích của tín hiệu.1minh họa khái niệm độ rộng băng tần (băng thông) năng lượng. Ta lưu ý rằng, nếu f L là giới hạn dưới và f H là giới hạn trên của mật độ phổ năng lượng (ESD), thì tần số trung tâm của phổ được định vị tại  f H  f L  2.

Độ rộng băng tần phân đoạn được định nghĩa là tỷ số giữa độ rộng băng tần năng lượng và tần số trung tâm, được biểu diễn là: FB   fH  fL  (1.0)  fH  fL   2   Phổ năng lượng fH  fL 0 fL fL  fH fH Tần số 2 Hình 1. 1: Độ rộng băng tần năng lượng Luan van 7 Nếu độ rộng băng tần phân đoạn lớn hơn [0,20-0,25], thì ta nói tín hiệu đó là tín hiệu băng siêu rộng UWB. Ví dụ, một tín hiệu có độ rộng băng tần năng lượng 2 MHz là tín hiệu băng siêu rộng UWB nếu tần số trung tâm của phổ năng lượng nhỏ hơn 10 MHz. Lưu ý rằng, định nghĩa về tín hiệu UWB chỉ có tính tương đối theo tần số trung tâm.

Thường sử dụng thuật ngữ “phần trăm độ rộng băng tần”. Phần trăm độ rộng băng tần chỉ là băng thông (hay độ rộng băng tần) phân đoạn ở đơn vị phần trăm. Ví dụ, một tín hiệu có băng thông năng lượng là 1 MHz và tần số trung tâm là 2 MHz thì phần trăm băng thông là 50%. Nó là tín hiệu băng siêu rộng vì băng thông phân đoạn của nó là 0,50 (lớn hơn giới hạn dưới 0,2 - 0,25).

Cũng có thể sử dụng băng thông tương đối, bằng một nửa giá trị của băng thông phân đoạn. Băng thông tương đối biểu diễn tỷ số giữa một nửa băng thông năng lượng và tần số trung tâm. Ngày 14 tháng 02 năm 2002, FCC (Mỹ) đưa ra bản báo cáo đầu tiên và đơn đặt hàng, theo đó cho phép triển khai thương mại công nghệ UWB. Từ đó, 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 GHz đến 10,6 GHz; năng lượng phát xạ cực đại là -41,3 dBm/MHz (hay 0,5 mW) nếu sử dụng toàn bộ dải tần 7,5 GHz. Mức năng lượng rất thấp này giúp cho UWB không gây nhiễu lên các hệ thống hiện hành (cho dù cùng dải tần), tuy nhiên, lại chỉ có thể ứng dụng với khoảng cách truyền thông ngắn (dưới 100 m). Giới hạn này được FCC đưa ra là chỉ với mục tiêu áp dụng cho các hệ thống UWB trong thị trường thông tin vô tuyến công cộng. Tồn tại nhiều cách chọn tần số giới hạn dưới f L và giới hạn trên f H , nó phụ thuộc vào yêu cầu nghiêm ngặt về băng thông được thiết lập.

Trong một bản phát hành về các mặt nạ phát xạ tín hiệu UWB của Ủy ban thông tin Liên bang Mỹ (FCC, 2002), thì f L và f H được đặt là tần số nhỏ nhất và lớn nhất của điểm phát xạ -10 dB (nghĩa là, tại điểm này công suất của tín hiệu giảm 10dB so với công suất đỉnh trong miền tần số). Việc lựa chọn băng thông -10dB (nghĩa là, độ rộng băng Luan van 8 tần của tín hiệu được xác định tại ngưỡng -10 dB so với giá trị đỉnh của phổ) so với băng thông -20dB được thiết lập bởi Cơ quan phụ trách các dự án nghiên cứu cao cấp về Quốc phòng Mỹ (DAPRA, 1990), điều này đã được thúc đẩy bởi một thực tế rằng, cho phép phát xạ tín hiệu UWB ở một mức công suất thấp, rất gần với mức sàn tạp âm. Trong các điều kiện này, điểm phát xạ -20 dB không thể đo được một cách tin cậy. Trong các tài liệu của FCC, một tín hiệu được coi là tín hiệu UWB nếu băng thông của nó tại điểm phát xạ -10 dB lớn hơn 500 MHz, mà không cần quan tâm đến băng thông phân đoạn FB.

Độ rộng băng tần 500 MHz là nhỏ hơn giới hạn băng thông tối thiểu 1,5 GHz được thiết lập bởi DAPRA. Việc giảm này được thúc đẩy bởi việc dùng băng thông -10 dB hơn là dùng băng thông -20 dB được chấp nhận trong (DAPRA, 1990). Cũng theo FCC, UWB là tín hiệu vô tuyến có phổ chiếm dải thông -10 dB của ít nhất 500 MHz trong băng tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz, với công suất phát cực đại -41,3 dBm/MHz (hay 0,5 mW) khi toàn bộ dải tần 7,5 GHz được dùng. Đối với hệ thống UWB, mặt nạ phổ tín hiệu theo FCC được minh họa như trên hình 1.

Báo cáo đầu tiên và các thiết bị UWB phải hoạt động trong dải tần 3,1 đến 10,6 GHz với giới hạn PSD là -41,3 dBm/MHz. Các ứng dụng truyền thông, mặt nạ phát xạ trong nhà và ngoài trời được thể hiện ở hình 1. Chỉ có thiết bị cầm tay là hoạt động ngoài trời. Cả hai trường hợp yêu cầu phát xạ rất nhỏ trong băng tần của hệ thống định vị toàn cầu (GPS).

Đủ để bảo vệ cho dịch vụ TV vệ tinh, PCS, và tế bào. Mặt nạ phát xạ ngoài trời có phần nghiêm ngặt hơn, nhằm bảo vệ các dịch vụ này. Ngoài truyền thông dữ liệu, báo cáo đầu tiên cũng cho phép UWB sử dụng các dịch vụ khác như hình ảnh, radar di chuyển. Một số ứng dụng cho thường dân và thương mại, trong khi đó một số khác cho quân đội.

Tương tự như truyền thông dữ liệu, mặt nạ phát xạ được đặc tả cho từng ứng dụng (hình 1.