CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1. GIỚI THIỆU Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và của các sản phẩm truyền thông không dây trong thương mại đã và đang ảnh hưởng rất lớn đến cuộc sống của chúng ta ngày nay. Sự chuyển đổi từ truyền thông tế bào tương tự sang số, sự gia tăng của các hệ thống truyền thông thế hệ thứ ba và thứ tư, và sự thay thế của các kết nối WiFi, Bluetooth cho các mạng có dây đã cho phép người sử dụng có thể truy cập giới hạn rộng lớn của thông tin ở mọi lúc, mọi nơi. Do nhu cầu dung lượng cao, dịch vụ nhanh, và tăng cường bảo mật cho các kết nối không dây vì vậy các kĩ thuật mới cải tiến cần phải tìm ra một giải pháp thích hợp để sử dụng băng thông một cách hợp lý trong dải tần số có hạn.
Trong truyền thông mỗi dịch vụ sẽ được cấp phát một dải thông cố định chẳng hạn như các dịch vụ TV, radio, cell phones sẽ truyền dữ liệu theo các tần số khác nhau để tránh nhiễu lẫn nhau. Do đó với việc ra đời các dịch vụ mới làm cho giới hạn về phổ ngày càng trở thành một vấn đề lớn đối với các hệ thống truyền thông. 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 nhiễu hoặc gây ra nhiễu nhỏ không đáng kể. Sự tồn tại này với các hệ thống truyền thông khác đã mang lại lợi ích kinh tế lớn do không phải đăng kí dải phổ với các tổ chức quản lý tần số.
Chương này sẽ cung cấp cho chúng ta cái nhìn tổng quan về truyền thông trong mạng băng siêu rộng, bắt đầu cùng với bối cảnh lịch sử. Sau đó là các khái niệm trong công nghệ UWB và các cơ hội, thách thức đối với truyền thông không dây, phân tích sự khác nhau giữa UWB và trải phổ, các ưu và nhược điểm của UWB so với các mạng băng hẹp. Cuối cùng là hai công nghệ chính của UWB đó là đơn băng và đa băng theo tiêu chuẩn của IEEE. Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB 2 Nguyễn Xuân Quyền 1.
BỐI CẢNH LỊCH SỬ Truyền thông trong mạng băng siêu rộng khác với tất cả các kĩ thuật truyền thông khác do nó sử dụng các xung RF rất hẹp để truyền thông tin giữa máy phát và máy thu. Do việc sử dụng các xung có chu kì hẹp đã tạo cho UWB rất nhiều ưu điểm chẳng hạn như lưu lượng thông tin lớn, tính bảo mật cao, chống lại nhiễu, tồn tại cùng các hệ thống truyền thông hiện tại. Trong thực tế truyền thông băng siêu rộng không phải là một công nghệ mới, nó đã được sử dụng bởi Guglielmo Marconi vào năm 1901 để truyền các mã Mode qua Đại Tây Dương, bằng việc dùng các máy phát khe đánh lửa. Tuy nhiên thời điểm đó người ta chưa thấy hết được các ưu điểm mà UWB mang lại như dải thông lớn và khả năng triển khai các hệ thống đa truy nhập.
Gần 50 năm sau Marconi, việc truyền đi các xung mới được sử dụng trở lại trong các radar xung. Một trong những người đi tiên phong trong công nghệ UWB ở Mĩ trong những năm 1960 là Henning Harmuth của đại học Catholic, và Gerald Ross cùng cộng sự là K. Robin của công ty Sperry Rand. Từ 1960 cho tới những năm 1990 công nghệ UWB chỉ được sử dụng phổ biến trong quân sự dưới các chương trình ví dụ như truyền thông bảo mật cao.
Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong các bộ vi xử lý và các chuyển mạch điện tử có tốc độ cao trong công nghệ bán dẫn đã mang lại cho UWB khả năng ứng dụng trong thương mại. Chính vì vậy UWB chỉ là một cái tên mới trong một công nghệ mà đã tồn tại từ lâu. Khi UWB được sử dụng trong thương mại trong suốt nhiều năm trở lại đây, các nhà phát triển hệ thống UWB bắt đầu gây sức ép cho FCC phê chuẩn các ứng dụng thương mại. Tháng 2 năm 2003, FCC đã phê chuẩn một bản báo cáo đầu tiên có tên là “the First Report and Oder” cho các ứng dụng thương mại của công nghệ UWB với việc hạn chế mức công suất phát cho các thiết bị khác nhau.10 sẽ trình bày chi tiết hơn về các chuẩn và các qui định của FCC đối với công nghệ UWB.1 tổng kết chu kỳ phát triển của hệ thống UWB.
Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB 3 Nguyễn Xuân Quyền Hình 1.1 Lịch sử sơ lược của sự phát triển hệ thống UWB 1. CÁC KHÁI NIỆM UWB Các hệ thống truyền thông truyền thống điều chế tín hiệu RF liên tục trong dạng sóng (CW: continuous waveform) bằng một tần số sóng mang xác định để truyền và nhận thông tin. Các tín 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.2 biểu diễn một tín hiệu băng hẹp trong miền thời gian và trong miền tần số.2 Tín hiệu băng hẹp (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số Trong phần trước chúng ta đã biết rằng hệ thống UWB không dùng sóng mang, các xung có thời gian tồn tại 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.3 và phương trình 1.1 trình bày định nghĩa của thời gian tồn tại xung Ton = Ton + Toff Duty Cycle (1.1) Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB 4 Nguyễn Xuân Quyền Hình 1.3 Xung có thời gian tồn tại nhỏ.
Ton là thời gian tồn tại xung, Toff 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. Do đó, công suất phát trung bình của UWB trở nên rất thấp trong các thiết bị cầm tay.
Chúng ta biết rằng tần số và thời gian là tỉ lệ nghịch với nhau nên xung có chu kì tồn tại nhỏ sẽ làm cho tần số trải ra 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.4 biểu diễn các xung UWB trong miền thời gian và trong miền tần số.4 Một xung UWB (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB 5 Nguyễn Xuân Quyền 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 a a (1.2) Vế trái của phương trình 1.2 biểu diễn tín hiệu x(t) với hệ số tỉ lệ trong miền thời gian là a. Vế phải là biểu diễn trong miền tần số, X(f) tỉ lệ nghịch với hệ số tỉ lệ trong miền thời gian a. Ví dụ như một xung có chu kì là T=500ps có thể phát ra một tần số trung tâm là 2GHz. CÁC TÍN HIỆU UWB Theo qui định trong “First Report and Order”, 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.
Phân bố dải thông FB (Fractional Bandwidth) là một hệ số để phân biệt mạng băng hẹp, băng rộng và băng siêu rộng được định nghĩa bởi tỷ số ở các điểm mà dải thông suy giảm 10dB với tần số trung tâm. Phương trình 1.4 biểu diễn mối quan hệ này.4) Trong đó fh và fl là các tần số cắt cao nhất và thấp nhất (ở các điểm 10dB) của phổ xung UWB. 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.5 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 τ (1.5) Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB 6 Nguyễn Xuân Quyền Hình 1.5 Xung Gaussian đơn chu kì 500ps (a) trong miền thời gian (b) trong miền tần số Trong đó t là thời gian, còn τ là một hằng số thời gian trễ biểu thị độ rộng về thời gian của xung.5, các xung 500ps phát ra trong một dải tần rộng với tần số trung tâm là 2GHz.5b là tần số cắt cao nhất và tần số cắt thấp nhất của tần số ở 10dB lần lượt là 1.8GHz khi đó ta tính được FB là 80% lớn hơn rất nhiều so với Bf tối thiểu được qui định bởi FCC.6) Trong đó người ta đã 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% Ví dụ 802.11 và Bluetooth có FB lần lượt là 0.
Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB – Thiết kế chế tạo anten vi dải UWB 7 Nguyễn Xuân Quyền 1. CÁC ƯU ĐIỂM Các loại xung có chu kì ngắn được sử dụng trong công nghệ UWB cho ta rất nhiều ưu điểm so với truyền thông trong mạng băng hẹp. Trong phần này ta sẽ trình bày các lợi ích chính mà mạng UWB mang lại trong truyền thông không dây. Khả năng chia sẻ phổ tần Trong qui định của FCC về yêu cầu công suất trong mạng UWB là 41.3 dBm/MHz tương ứng với 71.3 nw/MHz, công suất này được xếp vào loại mức công suất của các bộ phát xạ không gây ra một tác hại nào, như tivi hoặc màn hình máy vi tính.