CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG UWB Công nghệ băng siêu rộng là công nghệ đầy hứa hẹn cho các ứng dụng mới trong các lĩnh vực an ninh công cộng, kinh doanh và người tiêu dùng. Các ứng dụng tiềm năng này được triển khai nghiên cứu trong một loạt các ứng dụng rộng rãi như quét hình ảnh các vật thể bị chôn vùi dưới đất hoặc các vật bị che chắn sau các bức tường, truyền thông trong phạm vi ngắn, tốc độ cao [Theo FCC, 2002] [5]. Sự phân bố băng tần cho UWB tùy thuộc vào các ứng dụng đặc trưng được quy định trong [FCC, 2002]. Các nhà nghiên cứu quan tâm rất lớn về công nghệ mới này, đặc biệt là trong môi trường thông tin liên lạc, lý do lĩnh vực này được quan tâm, bởi lẽ nó là một ứng dụng tiềm năng cho truyền dữ liệu tốc độ cực kì cao, mức tiêu thụ điện năng thấp.
Công nghệ băng siêu rộng này thể hiện có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống băng hẹp. Vì vậy, với sự chấp thuận của FCC, một số các trường đại học và rất nhiều công ty lớn trên thế giới đã tham gia vào lĩnh vực đầy hứa hẹn này [23]. Trong chương này sẽ trình bày định nghĩa và chuẩn hóa về tín hiệu UWB, những ưu điểm và thách thức của UWB, ngoài ra chúng tôi cũng so sánh UWB với một số chuẩn truyền thông đang sử dụng rộng rãi trên thị trường, để qua đó có một cái nhìn tổng thể về UWB trong xu thế phát triển hiện nay. Định nghĩa và chuẩn hóa tín hiệu UWB [20] Tín hiệu đo lường và thông tin UWB được định nghĩa là tín hiệu có tỷ lệ băng thông lớn hơn 0.2 hoặc chiếm ít nhất 500 M Hz trong giới hạn phổ từ 3.
Tỷ lệ băng thông được cho bởi công thức: fh − fl 2 (1.1) fh + fl Trong đó: fh và fl lần lượt là tần số cao và thấp của điểm phát−10dB. Theo quy định, tín hiệu UWB được phép hoạt động với công suất phát giới hạn là−41.1: Mật độ phổ của tín hiệu UWB 1. Ưu điểm của UWB [11, 20] 1. Dung lượng kênh truyền lớn Ưu điểm chính của UWB vượt trội so với các công nghệ vô tuyến hiện nay đó là băng thông lớn của các xung UWB làm cải thiện đáng kể dung lượng kênh.
Dung lượng kênh được định nghĩa bằng tổng dữ liệu lớn nhất có thể được truyền mỗi giây qua kênh thông tin. Biểu thức dung lượng kênh lớn nhất Hartley-Shannon mô tả tốc độ dữ liệu lớn nhất mà một kênh có thể truyền.2) N Trong đó: C: Dung lượng kênh truyền (bps). B: Băng thông của kênh truyền (Hz). S/N : Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu.
Công thức Shannon chỉ ra rằng “C” tăng tuyến tính với băng thông “B”, và tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N. Băng thông khả dụng của tín hiệu UWB tầm vài GHz nên tốc độ dữ liệu đạt tới hàng Gbps là hoàn toàn có thể. Bên cạnh đó, UWB nếu được kết hợp với các kỹ thuật khác để nâng cao tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu thì cũng có thể tăng dung lượng kênh lên đáng kể. Tuy vậy, do giới hạn công suất hiện tại của FCC đối với truyền thông UWB nên tốc độ dữ liệu cao chỉ khả dụng z 13 đối với khoảng cách ngắn (khoảng 10m).
Điều này khiến cho hệ thống UWB trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng vô tuyến hoạt động trong khoảng cách ngắn với tốc độ cao. Hoạt động với mức công suất thấp FCC đưa ra quy định công suất giới hạn cho hệ thống UWB là −41.3 dBm/M Hz, do đó công suất hạn chế này hoạt động dưới nền nhiễu của bộ nhận băng hẹp và vì vậy mà tín hiệu UWB có thể cùng tồn tại với các tín hiệu vô tuyến khác mà không gây nhiễu tới chúng. Bên cạnh đó, hệ thống truyền thông UWB cũng có khả làm việc với tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp mà vẫn cho dung lượng kênh truyền rất lớn.2: Tín hiệu UWB hoạt động ở mức công suất thấp Bảng liệt kê giới hạn mức công suất và phổ tần của các ứng dụng trong mạng UWB Bảng 1.1: Giới hạn dải tần hoạt động trong các ứng dụng của UWB z 14 Ứng dụng Dải tần hoạt động ở Part.15 Giới hạn người dùng Đo lường và thông tin 3.6 GHz Không giới hạn Ra đa dò xuyên đất, y học 960 MHz hoặc 3.6 GHz Có giới hạn Hình ảnh xuyên tường 960 MHz hoặc 1.6 GHz Có giới hạn Giám sát hình ảnh 1.6 GHz Có giới hạn Phương tiện giao thông 22 đến 29 GHz Không giới hạn 1. Tính bảo mật cao Chính vì công suất truyền trung bình thấp nên hệ thống truyền thông UWB có khả năng ngăn chặn và tránh bị phát hiện bởi những hệ thống xâm nhập trái phép.
Với một công suất truyền thấp như thế thì người lấy trộm thông tin phải ở khoảng cách rất gần với bộ phát để có thể dò ra thông tin được truyền đi. Hơn nữa, xung UWB được điều chế theo thời gian với mã đơn lẻ tới mỗi cặp thu và phát, điều này khiến cho việc truyền UWB được an toàn hơn bởi vì việc dò các xung cỡ pico giây mà không biết khi nào chúng sẽ tới. Thật sự đây là một vấn đề khó để lấy cắp được thông tin. Chống lại hiện tượng đa đường Hiện tượng đa đường là hiện tượng mà tín hiệu phía thu thu được nhiều phiên bản khác nhau của cùng một tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khác nhau.
Nguyên nhân của hiệu ứng này là do phản xạ, hấp thụ, tán xạ và nhiễu xạ năng lượng điện từ bởi các vật thể ở giữa cũng như xung quanh bộ phát và bộ thu. Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu với thời gian trễ khác nhau, tỉ lệ với độ dài đường đi.3: Hiện tượng đa đường Hiện tượng đa đường không thể tránh khỏi trong truyền thông vô tuyến. Đường thẳng nối giữa bộ truyền và bộ nhận gọi là tầm nhìn thẳng (LOS), tín hiệu phản z 15 xạ từ bề mặt là tầm nhìn bị che khuất (NLOS). UWB hoạt động được trong cả 2 môi trường LOS và NLOS.
Chu kỳ xung tín hiệu UWB rất ngắn, thời gian truyền của xung UWB nhỏ hơn một nano giây do đó chúng ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường. Ngoài ra, khả năng kết hợp công nghệ UWB với một số công nghệ đã được phát triển rực rỡ trước đó như: MIMO, RAKE. thì khả năng này lại được tăng lên rất tốt. Cấu trúc bộ phát thu đơn giản Ngoài những ưu điểm được liệt kê trên thì UWB còn có một ưu điểm rất đáng phải bàn tới, đó là cấu trúc thiết bị phát và nhận đơn giản hơn, có được điều này là vì UWB truyền trong phạm vi ngắn, không cần dùng đến các bộ điều chế sóng mang phức tạp như trong hệ thống tín hiệu băng hẹp, điều này cũng đồng nghĩa là giá thành của thiết bị sẽ rẻ hơn rất nhiều.
Sau đây là bảng tóm tắt các ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB: Bảng 1.2: Ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB Ưu điểm Lợi ích Cùng tồn tại với các dịch vụ Không phải tốn phí đăng kí sử dụng băng tần vô tuyến băng rộng và băng hẹp Tốc độ dữ liệu rất lớn Băng thông rộng hỗ trợ tốt dịch vụ video chất lượng cao thời gian thực Công suất phát thấp Khó phát hiện và đánh chặn Hạn chế sự tắt nghẽn Đáng tin cậy trong các mội trường dễ xảy ra xung đột Hiệu suất cao trong kênh đa đường Truyền thông tin tốt hơn trong môi trường đa đường Cấu trúc bộ phát thu đơn giản Giảm giá thành sản phẩm 1. Những thách thức của UWB [10] Mặc dù công nghệ UWB có những tính chất ưu việt, được xem là công nghệ đầy hứa hẹn trong tương lai cho thông tin khoảng cách ngắn và tốc độ cao, nhưng để nó thật sự hoàn hảo hơn thì cần phải vượt qua một số thách thức đang tồn tại trong công nghệ mới này. Méo dạng xung Theo Friis, phương trình truyền sóng có dạng như sau: 2 c Pr = Pt Gt Gr (1.3) 4πdf Trong đó: Pt , Pr : lần lượt là công suất phát và công suất nhận (dBm) Gt , Gr : lần lượt là độ lợi anten phát và nhận (dB) c: là tốc độ ánh sáng (m/s) d: là khoảng cách giữa bộ truyền và bộ nhận (m) f : là tần số của tín hiệu (Hz) Phương trình Friis cho thấy công suất nhận sẽ giảm theo bình phương tần số tín hiệu. Đối với các tín hiệu băng hẹp thì sự thay đổi tần số rất nhỏ và hầu như có thể bỏ qua.
Tuy nhiên vì khoảng tần số tín hiệu UWB rất lớn nên công suất nhận thay đổi nhiều, điều này dẫn tới méo dạng xung ở bộ nhận lớn. Ước lượng kênh phức tạp Ước lượng kênh là vấn đề cốt lõi trong việc thiết kế bộ nhận cho một hệ thống truyền thông vô tuyến. Vì người ta không thể tính toán được mọi kênh vô tuyến nên việc ước lượng các tham số kênh truyền như suy hao và trễ của các đường truyền là rất quan trọng. Mặt khác, do băng thông rộng và sự suy giảm năng lượng tín hiệu nên các xung UWB phải chịu sự méo xung.
Do đó, việc ước lượng kênh truyền ở trong hệ thống truyền thông UWB càng trở nên phức tạp. Yêu cầu đồng bộ kênh cao Việc lấy mẫu và đồng bộ các xung cỡ nano giây là một hạn chế lớn trong thiết kế hệ thống UWB. Để lấy mẫu những xung hẹp thì cần phải có bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) rất nhanh và chính xác. Hơn thế nữa, sự hạn chế công suất nghiêm ngặt và chu kỳ xung ngắn khiến cho hoạt động của hệ z 17 thống UWB rất dễ bị lỗi nếu đồng bộ thời gian không tốt.
So sánh UWB với một số chuẩn truyền thông khác [9] Công nghệ UWB ra đời tại thời điểm phát triển rực rỡ của các công nghệ truyền thông không dây khác. Trong luận văn này sẽ chọn một vài công nghệ truyền thông đang nổi trội trên thị trường như: Bluetooth, Zigbee, Wifi để so sánh với công nghệ mới UWB. Tôi chỉ chọn ra 2 đặc điểm quan trọng để cho thấy ưu điểm của UWB so với các công nghệ được chọn làm so sánh. Đó là mức tiêu thụ công suất, tốc độ và phạm vi truyền dữ liệu.
Mức tiêu thụ công suất và năng lượng Bluetooth và ZigBee hướng đến các sản phẩm cầm tay đơn giản, phạm vi ngắn và năng lượng của pin bị hạn chế.