Nghiên Cứu Thuật Toán Đồng Bộ và Giải Mã Dữ Liệu Trong Máy Thu UWB Tốc Độ Thấp

Khám phá luận án về thuật toán đồng bộ và giải mã dữ liệu trong máy thu UWB tốc độ thấp, ứng dụng trong công nghệ truyền thông hiện đại.

• Tác giả: Trần Mạnh Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Bình
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Nghiên cứu sinh
• Đề tài: Thuật Toán Đồng Bộ và Giải Mã Dữ Liệu UWB Tốc Độ Thấp
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. Mục lục
• 1. Danh mục từ viết tắt
• 1. Danh sách kí hiệu toán học
• 1. Danh sách hình vẽ
• 1. Danh sách bảng
• Phần mở đầu
• 1.1. Giới thiệu chung về UWB
• 1.1.1. Khái niệm UWB
• 1.2. Tình hình nghiên cứu UWB trên thế giới và ở Việt Nam
• 1. Chương 1: Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng
• 1.1. Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền thông băng siêu rộng
• 1.2. Các phương án triển khai hệ thống UWB
• 1.3. Chuẩn hóa và ứng dụng
• 1.4. Điều chế tín hiệu trong IR-UWB
• 1.5. Máy thu truyền tham chiếu
• 1.6. Kết quả mô phỏng
• 1.7. Những thách thức trong quá trình nghiên cứu IR-UWB
• 1.7.1. Thách thức khi triển khai trên phần cứng
• 1.7.2. Thách thức trong quá trình xử lý tín hiệu
• 1.8. Thuật toán SVD
• 1.9. Mô hình kênh vô tuyến UWB
• 1.9.1. Mô hình kênh đa đường tổng quát
• 1.9.2. Mô hình kênh Saleh-Valenzuela
• 1.9.3. Mô hình kênh UWB IEEE 802.6
• 1.10. Kết luận chương 1
• 2. Chương 2: Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trên FPGA
• 2.1. Thuật toán đồng bộ
• 2.2. Triển khai trên Simulink và HDL
• 2.2.1. Triển khai bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng
• 2.2.2. Tổng hợp và mô phỏng
• 2.3. Kết quả mô phỏng
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. Chương 3: Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB
• 3.1. Máy thu TR-UWB sử dụng SVD
• 3.1.1. Thuật toán máy thu cải tiến
• 3.1.2. Thuật toán tính SVD
• 3.2. SVD sử dụng phép quay Givens Rotation
• 3.3. Thuật toán CORDIC
• 3.4. Thuật toán CORDIC cải tiến
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. Chương 4: Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.1
• 4.1. Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.1
• 4.1.1. Tiêu đề đồng bộ
• 4.1.2. Khối giới hạn khung
• 4.1.3. Phần tiêu đề lớp vật lý và tải dữ liệu
• 4.2. Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu
• 4.3. Thuật toán đồng bộ tín hiệu
• 4.3.1. Đồng bộ thô
• 4.3.2. Đồng bộ tinh
• 4.4. Mô phỏng và kết quả
• 4.4.1. Đồng bộ thô
• 4.4.2. Đồng bộ tinh
• 4.5. Triển khai khối đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.1
• 4.5.1. Thiết kế khối đồng bộ bằng HDL
• 4.5.2. Tổng hợp và triển khai thử nghiệm trên FPGA
• 4.6. Kết luận chương 4
• Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo
• Danh mục các công trình đã công bố của luận án
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục

Tóm tắt

I. Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng

Truyền thông băng siêu rộng (UWB) là một công nghệ truyền tín hiệu vô tuyến sử dụng dải tần rộng mà không cần cấp phép. Công nghệ này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng thấp. UWB có khả năng đâm xuyên tốt, thích hợp cho các ứng dụng như định vị và mạng cảm biến không dây. Mặc dù đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20, nhưng chỉ gần đây, nhờ vào sự phát triển công nghệ, UWB mới thu hút được sự quan tâm của giới khoa học và công nghiệp. Các hệ thống UWB hiện nay chủ yếu được triển khai trong các mạng vô tuyến cá nhân (WPAN). Tuy nhiên, việc triển khai vẫn gặp nhiều thách thức như chi phí cao và độ phức tạp trong thiết kế máy thu. Một trong những giải pháp được đề xuất là sử dụng kĩ thuật truyền tham chiếu (TR) để giảm thiểu độ phức tạp và chi phí. Điều này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn và cải thiện độ chính xác trong môi trường truyền dẫn không ổn định.

1.1 Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền thông băng siêu rộng

Truyền thông băng siêu rộng (UWB) đã có lịch sử phát triển lâu dài, bắt đầu từ những năm 1900 với các thí nghiệm đầu tiên. Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ, UWB không được phát triển mạnh mẽ cho đến những năm gần đây. Sự phê duyệt của FCC và ECC đã mở ra cơ hội cho UWB hoạt động mà không cần cấp phép, thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này. UWB cho phép truyền tín hiệu với công suất thấp, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí sản xuất. Các ứng dụng của UWB rất đa dạng, từ truyền dữ liệu tốc độ cao đến các ứng dụng định vị và cảm biến. Đặc biệt, UWB có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường có nhiều tạp âm, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các mạng không dây hiện đại.

II. Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR UWB trên FPGA

Thuật toán đồng bộ là một phần quan trọng trong việc triển khai máy thu TR-UWB. Việc đồng bộ chính xác giúp cải thiện độ chính xác của tín hiệu nhận được. Các phương pháp đồng bộ hiện nay bao gồm đồng bộ thô và đồng bộ tinh, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Triển khai trên FPGA cho phép tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu độ phức tạp tính toán. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng thuật toán đồng bộ hiệu quả có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của máy thu TR-UWB. Việc áp dụng các kỹ thuật như SVD (phân tích trị riêng) trong quá trình đồng bộ cũng đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc giảm thiểu lỗi và tăng cường khả năng nhận diện tín hiệu trong môi trường có nhiều tạp âm.

2.1 Thuật toán đồng bộ

Thuật toán đồng bộ cho máy thu TR-UWB đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí bắt đầu của tín hiệu. Các phương pháp đồng bộ hiện tại bao gồm việc sử dụng ngưỡng và tìm kiếm năng lượng cực đại. Tuy nhiên, việc lựa chọn ngưỡng phù hợp là một thách thức lớn, vì nó phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR). Một số nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp mới để cải thiện độ chính xác của thuật toán đồng bộ, bao gồm việc sử dụng các mô hình kênh truyền và các thuật toán tối ưu hóa. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp này có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của máy thu TR-UWB trong các điều kiện thực tế.

III. Ứng dụng và triển khai thực tế của UWB

Công nghệ UWB có nhiều ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như truyền thông không dây, định vị và cảm biến. UWB cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và độ chính xác cao, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao. Việc triển khai UWB trong các mạng cá nhân không dây (WPAN) đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất truyền thông. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua, bao gồm chi phí sản xuất cao và độ phức tạp trong thiết kế hệ thống. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các giải pháp tối ưu hóa để giảm thiểu chi phí và cải thiện hiệu suất của các thiết bị UWB.

3.1 Thách thức trong ứng dụng UWB

Mặc dù UWB có nhiều ưu điểm, nhưng việc triển khai công nghệ này vẫn gặp nhiều thách thức. Chi phí sản xuất cao do yêu cầu sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số với tần số lấy mẫu cao là một trong những vấn đề lớn. Ngoài ra, độ phức tạp trong thiết kế máy thu cũng là một yếu tố cần xem xét. Các nghiên cứu hiện tại đang tìm kiếm các giải pháp thay thế để giảm thiểu chi phí và cải thiện hiệu suất. Việc phát triển các kiến trúc máy thu không đồng bộ và các phương pháp tự tương quan có thể là hướng đi tiềm năng để giải quyết những thách thức này.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu tập trung giải quyết các thách thức kỹ thuật cốt lõi trong việc thiết kế bộ xử lý băng gốc cho hệ thống thông tin vô tuyến xung băng siêu rộng (Impulse-Radio Ultra-Wideband - IR-UWB) tốc độ thấp. Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ sự phát triển của các thiết bị điện tử cá nhân (PDA) như điện thoại di động, thiết bị theo dõi sức khỏe cầm tay và thẻ thông minh, đòi hỏi các kết nối không dây có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, độ tin cậy cao và khả năng hoạt động song hành không gây can nhiễu lên các hệ thống vô tuyến truyền thống (GSM, WLAN, Bluetooth, GPS). Kỹ thuật IR-UWB phát các xung có độ rộng cực ngắn (cỡ nano-giây) ở mức công suất phát rất thấp (dưới ngưỡng quy định -41,3 dBm/MHz của FCC) trên dải tần không cấp phép 3,1 - 10,6 GHz. Tuy nhiên, việc thương mại hóa công nghệ này gặp trở ngại lớn do: yêu cầu bộ biến đổi tương tự - số (ADC) tốc độ lấy mẫu siêu cao (hàng gigasamples/giây), độ phức tạp tính toán lớn của máy thu RAKE trong môi trường kênh truyền đa đường dày đặc, cùng khó khăn trong việc ước lượng kênh truyền và đồng bộ tín hiệu ở tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thấp.

Luận án xác định hai vấn đề kỹ thuật trọng tâm cần giải quyết:

• Vấn đề 1: Phát triển thuật toán xử lý tín hiệu đơn giản và hiệu quả cho máy thu truyền tham chiếu (TR-UWB), có khả năng triển khai thành công trên phần cứng.
• Vấn đề 2: Phát triển thuật toán đồng bộ tín hiệu cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a, tiến tới việc thiết kế và chế tạo bộ xử lý băng gốc (Baseband DSP) cho máy thu trên phần cứng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung:

1. Đề xuất và cải tiến các thuật toán xử lý tín hiệu cho máy thu UWB sao cho có độ tin cậy cao, độ phức tạp tính toán thấp, phù hợp với các ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân (WPAN) tốc độ thấp.
2. Thiết kế, kiểm tra và triển khai thử nghiệm khối đồng bộ và giải mã dữ liệu trong bộ xử lý băng gốc UWB trên phần cứng mảng phần tử logic khả trình (FPGA).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thu/phát số IR-UWB tốc độ thấp, tập trung vào khối đồng bộ và giải mã dữ liệu trong bộ xử lý tín hiệu số băng gốc của máy thu. Phạm vi nghiên cứu về không gian và môi trường truyền dẫn được giới hạn trong môi trường truyền sóng trong nhà có đường truyền thẳng (mô hình kênh CM1 theo chuẩn IEEE 802.15.4a) với chiều dài kênh ngắn (60 - 70 ns). Phạm vi kỹ thuật bao quát từ nghiên cứu thuật toán lý thuyết, mô phỏng số đến khâu thiết kế kiến trúc logic bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) và thực nghiệm kiểm chứng trên kit FPGA Spartan 6 XC6SLX45 của Xilinx.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Kỹ thuật xung vô tuyến được khởi xướng từ các thí nghiệm của Heinrich Hertz (năm 1887) và Guglielmo Marconi (năm 1894), nhưng bị gián đoạn phát triển trong một thời gian dài do nhược điểm chiếm dụng băng thông lớn khi chưa có kỹ thuật đa truy nhập phù hợp. Đến năm 2002 và 2005, Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC) và Ủy ban Truyền thông Điện tử Châu Âu (ECC) lần lượt ban hành quy hoạch dải tần 3,1 - 10,6 GHz với mặt nạ phổ công suất phát giới hạn, tạo tiền đề thúc đẩy nghiên cứu UWB trên thế giới. Trong công nghiệp và học thuật, UWB phân hóa thành hai nhánh chính:

• Multiband OFDM (MB-OFDM): Do liên minh WiMedia Alliance (dẫn dắt bởi Intel cùng các công ty HP, Sony, Microsoft...) phát triển cho các ứng dụng tốc độ cao (IEEE 802.15.3a), chia phổ tần thành các băng phụ 500 MHz, tuy nhiên nhóm này đã ngừng hoạt động vào năm 2006 do bất đồng tiêu chuẩn.
• Impulse Radio UWB (IR-UWB): Do UWB Forum (khởi xướng bởi Freescale cùng Fujitsu, Siemens...) thúc đẩy và được nhóm tác vụ IEEE 802.15.4a chuẩn hóa cho các ứng dụng tốc độ thấp, tiêu thụ ít năng lượng trong mạng WPAN và mạng cảm biến.

Đối với máy thu IR-UWB, máy thu RAKE truyền thống được xem là bộ lọc phối hợp tối ưu về mặt lý thuyết nhưng đòi hỏi bộ ADC lấy mẫu tới 40 GHz và khối ước lượng kênh đa đường phức tạp. Để khắc phục, Hoctor và Tomlinson (năm 2002) đề xuất kiến trúc máy thu truyền tham chiếu (TR-UWB), sử dụng xung tham chiếu đi trước làm xung mẫu tương quan với xung mang tin trễ một khoảng $D$, loại bỏ hoàn toàn khối ước lượng kênh. Các công trình tiếp nối của nhiều nhóm tác giả đã mở rộng TR-UWB cho kịch bản đa người dùng và nhiều tuyến trễ, song vẫn dựa trên giả thiết lý tưởng là máy thu đã đồng bộ hoàn chỉnh hoặc đã biết trước công suất tạp âm. Một số công trình khác giải quyết bài toán đồng bộ nhưng lại giả thiết môi trường không có tạp âm, hoặc sử dụng mô hình Volterra với độ phức tạp tính toán tăng theo cấp số mũ khi phải biến đổi Fourier ma trận kích thước lớn.

Đối với dòng máy thu tách sóng năng lượng (Energy Detection - ED) theo chuẩn IEEE 802.15.4a, các nghiên cứu trước đây đề xuất kỹ thuật tìm kiếm năng lượng cực đại và tìm kiếm ngược, song mức ngưỡng phụ thuộc trực tiếp vào SNR tức thời - một tham số khó đo đạc chính xác tại máy thu. Một số nghiên cứu khác đề xuất phát hiện vị trí bắt đầu của tiêu đề lớp vật lý (PHR) nhưng độ chính xác suy giảm mạnh khi vùng tạp âm giữa hai ký tự tăng lên, hoặc chưa giải quyết được bài toán đo khoảng cách từ đỉnh năng lượng về vị trí bắt đầu xung. Nghiên cứu của tác giả khác (tài liệu [14]) sử dụng thuật toán tìm kiếm hai chiều kết hợp tìm kiếm ngược nhưng bắt buộc phải biết trước công suất tạp âm và giả định đoạn tín hiệu bắt được luôn nằm trong mào đầu đồng bộ (SYNC). Tại Việt Nam, các nghiên cứu về UWB trước đây chủ yếu tập trung vào thiết kế anten hoặc mạch phát xung hỗn loạn (chaotic UWB), chưa có công trình nào đi sâu vào việc phát triển thuật toán xử lý băng gốc kết hợp thiết kế phần cứng vi mạch số.

Luận án lựa chọn giải quyết các khoảng trống trên bằng cách: (1) Xây dựng thuật toán đồng bộ dựa trên cửa sổ trượt năng lượng cho TR-UWB; (2) Ứng dụng phép phân tích ma trận (SVD) kết hợp thuật toán CORDIC cải tiến trên FPGA để nâng cao độ chính xác máy thu TR-UWB mà không cần truyền tín hiệu dẫn đường; (3) Thiết lập thuật toán đồng bộ hai giai đoạn (đồng bộ thô và đồng bộ tinh) cho máy thu IEEE 802.15.4a với ngưỡng đề xuất mới $\lambda_0$, hoạt động độc lập với công suất tạp âm và tương thích với bộ ADC tốc độ thấp (62,5 - 125 MHz).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Tín hiệu UWB được định nghĩa là tín hiệu có băng thông tuyệt đối $B = f_H - f_L \ge 500\text{ MHz}$ hoặc băng thông tương đối lớn hơn 20% tần số trung tâm $f_c = (f_H + f_L)/2$. Dạng xung cơ bản là xung Gaussian đơn chu trình $g_0(t) = \exp[-2\pi(t/t_p)^2]$ và các đạo hàm bậc $k$ của nó: $$g_k(t) = \frac{d^k}{dt^k}\exp\left[-2\pi\left(\frac{t}{t_p}\right)^2\right]$$ Luận án sử dụng đạo hàm bậc hai của xung Gaussian với độ rộng xung $T_p = 2\text{ ns}$ (hoặc 1 ns trong các mô phỏng đối sánh), đáp ứng điều kiện băng thông 500 MHz tại tần số trung tâm. Hai phương thức điều chế chính trong IR-UWB được khảo sát là điều chế biên độ xung (PAM) và điều chế vị trí xung (PPM).

Kênh truyền vô tuyến đa đường tổng quát được biểu diễn qua đáp ứng xung: $$h(t) = \sum_{k} \beta_k e^{j\theta_k} \delta(t - \tau_k)$$ với $\beta_k$, $\theta_k$, $\tau_k$ lần lượt là hệ số khuếch đại, độ dịch pha và độ trễ của tia thứ $k$. Các tham số đặc trưng gồm chiều dài kênh $T_h = \max_i \tau_i - \min_i \tau_i$, trải trễ hiệu dụng $\tau_{\text{rms}} = \sqrt{\bar{\tau^2} - (\bar{\tau})^2}$ và hàm trễ công suất (PDP). Mô hình kênh Saleh-Valenzuela mô tả các tia đến theo từng cụm theo tiến trình Poisson với tốc độ cụm $\Lambda$ và tốc độ tia $\lambda$, năng lượng suy giảm theo hàm mũ: $$\overline{\beta_{k,l}^2} = \beta^2(0,0)e^{-T_l/\Gamma} e^{-\tau_{k,l}/\gamma}$$ Chuẩn IEEE 802.15.4a mở rộng mô hình này bằng cách tích hợp hai tiến trình Poisson kết hợp $(\lambda_1, \lambda_2, \beta)$, hằng số suy hao trong cụm phụ thuộc thời gian trễ $\gamma_l \propto k_\gamma T_l + \gamma_0$ và phân phối Nakagami-$m$ cho fading quy mô nhỏ. Bảng sau tổng hợp các tham số đặc trưng của mô hình kênh IEEE 802.15.4a qua các môi trường:

Tham số mô hình	Nhà ở LOS (CM1)	Nhà ở NLOS (CM2)	Văn phòng LOS (CM3)	Văn phòng NLOS (CM4)	Ngoài trời LOS (CM5)	Ngoài trời NLOS (CM6)	Công nghiệp LOS (CM7)	Công nghiệp NLOS (CM8)
Suy hao đường truyền $PL_0$ [dB]	43,51	48,70	35,30	45,90	48,96	45,40	56,70	47,30
Hệ số suy hao lũy thừa $n$	1,79	4,58	1,63	3,07	1,76	2,50	1,20	2,15
Độ lệch chuẩn che chắn $\sigma_S$ [dB]	2,22	3,51	3,63	3,10	3,96	4,30	6,00	4,00
Tốc độ đến của cụm $\Lambda$ [1/ns]	0,0233	0,098	0,016	0,019	0,0048	0,0273	0,095	0,012
Tốc độ đến của tia $\lambda_1, \lambda_2$ [1/ns]	0,61; 0,61	0,64; 0,64	0,45; 0,45	0,54; 0,54	0,82; 0,82	0,40; 0,40	0,51; 0,51	0,49; 0,49
Xác suất kết hợp $\beta$	0,095	0,017	0,035	0,024	0,014	0,078	0,000	0,000
Suy giảm cụm tia $\Gamma$ [ns]	22,61	26,27	14,00	17,00	31,70	104,70	8,00	89,00
Hệ số suy giảm tia $\gamma_0$ [ns]	12,53	17,50	5,21	6,40	3,70	9,30	5,60	6,30
Hệ số Nakagami trung bình $m_0$ [dB]	0,67	0,69	0,42	0,50	0,77	0,56	0,36	0,30

Lý thuyết phân tích ma trận SVD phân tích ma trận dữ liệu $X \in \mathbb{C}^{m \times n}$ thành tích $X = U \Sigma V^H$, với $U, V$ là các ma trận trực giao chứa các vector riêng của $XX^H$ và $X^H X$, còn $\Sigma$ chứa các giá trị suy biến $\sigma_i$. Để tính SVD trên phần cứng, phương pháp quay Givens được triển khai thông qua thuật toán CORDIC, thực hiện xoay vector qua các góc vi phân $\theta_i = \arctan(2^{-i})$ chỉ bằng các phép cộng, trừ và dịch bit.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp thiết kế dựa trên mô hình (Model-Based Design - MBD) và kỹ thuật đồng mô phỏng:

• Thuật toán được xây dựng và kiểm chứng hiệu năng bằng phương pháp Monte-Carlo (1000 vòng lặp, mỗi vòng 100 ký tự) trên môi trường MATLAB/Simulink.
• Các khối chức năng số được mô tả bằng ngôn ngữ HDL, kiểm tra chức năng bằng công cụ System Generator và ISE Simulator.
• Thiết kế hoàn chỉnh được tổng hợp, nạp thử nghiệm trực tiếp trên kit FPGA Spartan 6 XC6SLX45 (đóng gói CSG324) kết nối với môi trường máy tính để kiểm tra dạng sóng và tính đúng đắn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lịch sử, các văn bản pháp quy của FCC, ECC và phân tích kỹ thuật hai trường phái MB-OFDM và IR-UWB. Tác giả đi sâu phân tích hai cấu trúc máy thu điển hình cho IR-UWB: máy thu RAKE và máy thu truyền tham chiếu (TR-UWB). Máy thu RAKE hoạt động trên nguyên lý bộ lọc phối hợp, sử dụng một chuỗi các nhánh tương quan (finger) để thu gom năng lượng đa đường. Tuy nhiên, RAKE đòi hỏi phải biết trước dạng xung nhận được và yêu cầu tần số lấy mẫu lên đến 40 GHz. Luận án phân tích hai biến thể đơn giản hóa là Partial RAKE (PRAKE - chỉ thu $L$ tia đầu tiên) và Selective RAKE (SRAKE - thu $L$ tia có năng lượng lớn nhất). Ngược lại, máy thu TR-UWB phát đi cặp xung gồm xung tham chiếu $g(t)$ và xung mang tin trễ $s \cdot g(t-D)$. Máy thu thực hiện nhân tín hiệu với bản sao trễ $D$ của chính nó và tích phân: $$\hat{s} = \text{sign}\left{\int r(t)r(t-D)dt\right}$$ cho phép giải điều chế mà không cần ước lượng kênh và chỉ cần lấy mẫu 1 mẫu/khung.

Kết quả mô phỏng Monte-Carlo trên kênh CM1 với xung Gaussian bậc hai độ rộng 1 ns cho thấy:

• Đường cong BER của máy thu TR-UWB kém hơn máy thu RAKE lý tưởng khoảng 12 dB. Nguyên nhân là do khung TR-UWB có độ rộng $T_f = 3D = 210\text{ ns}$ (gấp 3 lần khung RAKE $T_f = 70\text{ ns}$), gây lãng phí công suất phát $20\log_{10}(3) \approx 9,5\text{ dB}$, đồng thời phép tự tương quan làm tăng phương sai tạp âm.
• Máy thu SRAKE luôn vượt trội hơn PRAKE: SRAKE với 3 nhánh tương quan cho chất lượng tương đương PRAKE với 7 nhánh. Khi số nhánh đạt $L = 7$ đến 10, hiệu năng của SRAKE chỉ còn cách trường hợp lý tưởng biết trước toàn bộ kênh truyền dưới 1 dB ở vùng SNR cao.

Phần cuối chương phân loại các thách thức phần cứng (biến dạng xung do anten, giới hạn tốc độ lấy mẫu ADC) và thách thức xử lý tín hiệu (định dạng xung, ước lượng kênh ở SNR thấp, đồng bộ nano-giây), đồng thời đặt nền móng lý thuyết về SVD và mô hình kênh IEEE 802.15.4a phục vụ các chương tiếp theo.

Chương 2: Thuật toán đồng bộ và triển khai máy thu TR-UWB trên FPGA

Chương 2 giải quyết bài toán đồng bộ cho máy thu TR-UWB khi tín hiệu sau bộ tương quan $x(t)$ chỉ chứa năng lượng có ích $s \cdot h^2(t)$ tại phân khung từ độ trễ $D$ đến $2D$, trong khi các khoảng thời gian còn lại hoàn toàn là nhiễu và thành phần tương quan chéo. Thuật toán đồng bộ đề xuất khai thác tính chất: các tích phân $\int_{(k-1)T_s}^{kT_s} s \cdot h^2(t)dt$ luôn có cùng dấu phụ thuộc vào bit $s$. Tác giả sử dụng một cửa sổ trượt có chiều dài bằng $1/3$ khung tín hiệu ($N_f/3$, tương ứng độ trễ $D$) để tích lũy năng lượng mẫu: $$s = \sum_{j=0}^{N_f/3 - 1} x_{i-j}$$ Cơ chế hoạt động gồm hai pha:

1. Chế độ Đồng bộ: Khi nhận mẫu đầu tiên, cửa sổ trượt kích thước $N_f/3$ bắt đầu tích lũy. Bộ đếm tăng dần; nếu $|s| > s_{\max}$, máy thu cập nhật $s_{\max} = |s|$ và thiết lập lại bộ đếm về 0. Khi bộ đếm đạt $N_f/3$ lần đầu, cửa sổ đã quét hết khung đầu tiên. Từ khung thứ hai, ngưỡng cực đại của bộ đếm đặt bằng $N_f$, máy thu ghi nhận vị trí $n_{\max}$ khi $|s|$ đạt cực đại. Vị trí đồng bộ hoàn chỉnh được tính bằng trung bình cộng qua $m$ bit mào đầu: $$n_{\text{sync}} = \frac{1}{m} \sum_{j=0}^{m-1} n_{\max,j}$$
2. Chế độ Dữ liệu: Máy thu kích hoạt bộ cộng dồn trong phân khung dữ liệu (gồm $N_f/3$ mẫu tính từ $n_{\text{sync}}$) và tách ký tự dựa vào dấu của tổng: $$\text{sum} = \sum_{j=0}^{N_f/3 - 1} x_{n_{\text{sync}} + j} \quad \longrightarrow \quad \hat{s} = \text{sign}(\text{sum})$$

Quy trình MBD được áp dụng để chuyển đổi thuật toán sang các khối chức năng số trên Simulink: sliding_window, accumulator, và detect_max_model. Thiết kế được mô tả bằng HDL và tổng hợp thành công trên kit FPGA Xilinx Spartan 6 XC6SLX45. Kết quả mô phỏng BER theo SNR xác nhận thuật toán đã hiệu chỉnh có khả năng chống chịu sai số định thời $\tau$, đảm bảo tính khả thi khi vận hành trên phần cứng thực tế.

Chương 3: Thuật toán SVD cho máy thu TR-UWB

Chương 3 đề xuất thuật toán máy thu TR-UWB cải tiến ứng dụng phép phân tích giá trị suy biến SVD nhằm khắc phục hiện tượng suy giảm phẩm chất do tương quan tạp âm mà không cần truyền tín hiệu dẫn đường (pilot). Bằng cách xếp các khung tín hiệu thu được sau bộ tương quan thành ma trận dữ liệu $X$, phép phân tích $X = U \Sigma V^H$ cho phép trích xuất thành phần không gian tín hiệu ứng với giá trị suy biến lớn nhất $\sigma_1$, loại bỏ các thành phần trực giao thuộc không gian tạp âm.

Để hiện thực hóa SVD trên FPGA với tài nguyên giới hạn, tác giả xây dựng quy trình tính toán gồm hai giai đoạn sử dụng phép quay Givens:

1. Đưa ma trận về dạng đường chéo kép (Bidiagonalization) bằng chuỗi các phép quay Givens tác động lên vector hàng và vector cột.
2. Chéo hóa hoàn toàn ma trận (Diagonalization) để rút ra các giá trị suy biến và vector suy biến tương ứng.

Thay vì sử dụng các khối CORDIC tạo sẵn từ thư viện của nhà sản xuất (chiếm dụng quá nhiều tài nguyên lát logic và bộ nhớ bảng tra), tác giả tự thiết kế khối CORDIC cải tiến dựa trên các phần tử logic cơ bản: bộ cộng/trừ và bộ dịch bit. Khối CORDIC cải tiến được tối ưu hóa số vòng lặp và định dạng dữ liệu dấu phẩy cố định (fixed-point), giảm thiểu sai số tính toán góc quay $\theta$ và tích lũy hệ số tỷ lệ $K_i$. Thiết kế phần cứng SVD tự thiết kế đạt tốc độ xử lý vượt trội về số phép toán SVD/giây, đáp ứng yêu cầu xử lý băng gốc thời gian thực trên kit Spartan 6 mà không cần bộ nhân phần cứng phức tạp.

Chương 4: Thuật toán đồng bộ cho máy thu UWB IEEE 802.15.4a

Chương 4 nghiên cứu giải pháp đồng bộ cho máy thu tách sóng năng lượng (ED) không đồng bộ theo chuẩn IEEE 802.15.4a. Khung tín hiệu gồm mào đầu đồng bộ SHR (phần SYNC có $N_{\text{sync}}$ ký tự và phần SFD có $N_{\text{sfd}}$ ký tự), tiêu đề PHR và tải dữ liệu PSDU. Chuỗi mào đầu được xây dựng từ chuỗi cân bằng hoàn hảo $c_k$ có độ dài $K_{\text{pbs}}$. Tín hiệu sau bộ lọc thông dải BPF được bình phương và lọc thông thấp LPF, tạo ra dạng sóng bao $q(t)$ và chuỗi mẫu rời rạc $y_i$ ở đầu ra bộ ADC tốc độ thấp.

Thuật toán đồng bộ hoàn chỉnh gồm hai bước:

• Đồng bộ thô (Coarse Synchronization): Gom nhóm các mẫu tín hiệu $y_i$ với hệ số nhóm $Q = 3$, tính toán mảng năng lượng $g_i$. Nhờ cấu trúc đặc biệt của chuỗi ${c_k}$ bổ sung 2 phần tử 0 ở cuối, mảng $g_i$ luôn xuất hiện một đỉnh cực đại duy nhất, cho phép phát hiện sự có mặt của khung tín hiệu. Khảo sát mô phỏng đánh giá xác suất lỗi đồng bộ thô theo hệ số lặp $K$, chu kỳ lấy mẫu $T_s$ và số bit lượng tử hóa của ADC.
• Đồng bộ tinh (Fine Synchronization): Ước lượng độ lệch thời gian $\tau$ và xác định vị trí biên của PHR. Luận án chỉ ra điểm hạn chế của công trình [14] khi sử dụng ngưỡng $\lambda$ phụ thuộc công suất tạp âm và giả thiết mẫu thu luôn nằm trong phần SYNC. Tác giả đề xuất ngưỡng mới $\lambda_0$ được tính toán trực tiếp từ dữ liệu đo nội bộ, loại bỏ nhu cầu đo công suất tạp âm và đảm bảo đồng bộ chính xác ngay cả khi điểm bắt đầu thu nằm ở vùng dữ liệu. Hiệu năng ước lượng trễ $\tau$ và phát hiện PHR được kiểm chứng qua các giá trị chu kỳ lấy mẫu $T_s \in {2, 4, 8, 16}\text{ ns}$, tương ứng tần số lấy mẫu 500 MHz, 250 MHz, 125 MHz và 62,5 MHz.

Toàn bộ hệ thống đồng bộ và giải mã được mô tả kiến trúc phần cứng bằng HDL, điều khiển bởi máy trạng thái hữu hạn (FSM). Quá trình đồng mô phỏng kết hợp Simulink và phần mềm ISE Simulator qua System Generator chứng minh thiết kế hoạt động ổn định. Thử nghiệm thực tế trên FPGA Spartan 6 XC6SLX45 hiển thị dạng sóng chính xác tại các mức $E_s/N_0 = 0\text{ dB}$ và $E_s/N_0 = 20\text{ dB}$.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể và đóng góp mới sau:

1. Đề xuất thuật toán máy thu TR-UWB cải tiến không cần sử dụng tín hiệu dẫn đường dựa trên phép phân tích giá trị suy biến (SVD), nâng cao độ chính xác giải mã so với máy thu TR truyền thống. Đồng thời, đề xuất và hiện thực hóa kiến trúc tính SVD trên FPGA thông qua các khối CORDIC cải tiến tự thiết kế (chỉ dùng bộ cộng/trừ và dịch bit), đạt tốc độ xử lý cao và tiết kiệm tài nguyên phần cứng.
2. Đề xuất thuật toán đồng bộ hai giai đoạn (đồng bộ thô và đồng bộ tinh) cho máy thu UWB tách sóng năng lượng IEEE 802.15.4a. Thuật toán áp dụng ngưỡng mới $\lambda_0$, loại bỏ yêu cầu đo công suất tạp âm phức tạp, cho phép hệ thống vận hành tin cậy với các bộ ADC tốc độ thấp (tần số 62,5 - 125 MHz) thay vì các bộ ADC gigasamples đắt đỏ.
3. Thiết kế hoàn chỉnh kiến trúc phần cứng bằng ngôn ngữ HDL, kiểm chứng thông qua quy trình đồng mô phỏng MBD (Simulink/ISE) và triển khai thử nghiệm thành công bộ xử lý băng gốc trên chip FPGA Spartan 6 XC6SLX45 của Xilinx.

Về mặt giải pháp kỹ thuật, luận án cung cấp quy trình thiết kế dựa trên mô hình (MBD) giúp rút ngắn thời gian phát triển từ thuật toán lý thuyết sang phần cứng vi mạch số, đồng thời mở ra khả năng chế tạo các nút mạng cảm biến không dây công suất thấp, giá thành rẻ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án gắn liền với phạm vi đã xác định trong văn bản:

• Các thuật toán đồng bộ và xử lý tín hiệu mới chỉ được mô phỏng và kiểm chứng trên mô hình kênh truyền trong nhà có đường truyền thẳng (IEEE 802.15.4a CM1) với chiều dài kênh ngắn (60 - 70 ns). Hiệu năng hệ thống chưa được đánh giá đầy đủ trên các môi trường không có đường truyền thẳng (NLOS như CM2, CM4, CM6, CM8) hoặc môi trường công nghiệp/ngoài trời.
• Luận án tập trung vào kịch bản đơn người dùng, chưa tích hợp các cơ chế khử giao thoa đa người dùng hoặc đa truy nhập phức tạp trong mạng mật độ cao.
• Khâu thực nghiệm phần cứng dừng lại ở mức kiểm chứng trên kit FPGA Spartan 6 thương mại, chưa tiến hành thiết kế vật lý và chế tạo chip vi mạch chuyên dụng (ASIC).

Các hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

• Mở rộng kiểm chứng và tối ưu hóa thuật toán đồng bộ cho các môi trường kênh UWB phức tạp hơn (NLOS, kênh ngoài trời và công nghiệp).
• Nghiên cứu thuật toán phối hợp xử lý đa người dùng trên nền tảng máy thu TR-UWB và máy thu ED.
• Tối ưu hóa kiến trúc RTL hướng tới quy trình thiết kế vi mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC) nhằm giảm tối đa diện tích chip và mức tiêu thụ năng lượng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông, Xử lý tín hiệu số và Thiết kế vi mạch số (SoC/ASIC/FPGA). Các nội dung về mô hình hóa kênh UWB IEEE 802.15.4a (Bảng 1.1) và thuật toán phân tích SVD là tài liệu tham khảo phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và vi mạch vô tuyến: Có thể tham khảo trực tiếp cấu trúc thuật toán CORDIC cải tiến trong Chương 3 để triển khai các phép biến đổi đại số tuyến tính trên FPGA mà không tốn tài nguyên bộ nhân; áp dụng thuật toán đồng bộ thô/tinh trong Chương 4 để hạ thấp yêu cầu tốc độ lấy mẫu của bộ ADC trong các thiết bị thu phát vô tuyến băng siêu rộng giá rẻ.
• Các nhà phát triển tiêu chuẩn mạng WPAN và mạng cảm biến IoT: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm về tính khả thi của máy thu tách sóng năng lượng không đồng bộ hoạt động với phần cứng đơn giản.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao máy thu TR-UWB lại có phẩm chất BER kém hơn máy thu RAKE khoảng 12 dB trong mô phỏng ở Chương 1?
Sự suy giảm phẩm chất này xuất phát từ hai nguyên nhân kỹ thuật được nêu rõ trong văn bản: thứ nhất, khung tín hiệu của TR-UWB được thiết kế có độ rộng $T_f = 3D = 210\text{ ns}$ (gấp ba lần độ rộng khung $T_f = 70\text{ ns}$ của máy thu RAKE nhằm tránh giao thoa liên khung và liên xung qua kênh CM1), dẫn đến hao phí công suất tương đương $20\log_{10}(3) \approx 9,5\text{ dB}$; thứ hai, cấu trúc máy thu TR thực hiện phép tự tương quan lên tín hiệu thu có chứa tạp âm, làm phát sinh tích chéo giữa tín hiệu với tạp âm và tạp âm với tạp âm, khiến mức nhiễu nền bị khuếch đại sau bộ tích phân.

2. Nguyên lý cơ bản của thuật toán đồng bộ máy thu TR-UWB trong Chương 2 là gì?
Nguyên lý cốt lõi dựa trên việc nhận diện phân khung dữ liệu (từ độ trễ $D$ đến $2D$ tính từ đầu khung) chứa năng lượng có ích $s \cdot h^2(t)$. Vì các giá trị $\int_{(k-1)T_s}^{kT_s} s \cdot h^2(t)dt$ luôn có cùng dấu phụ thuộc vào bit $s$, máy thu sử dụng một cửa sổ trượt kích thước bằng $1/3$ khung dữ liệu ($N_f/3$) để cộng dồn năng lượng mẫu. Vị trí đạt cực đại $|s_{\max}|$ trong khung được ghi nhận qua một bộ đếm. Sau $m$ bit mào đầu đồng bộ, máy thu lấy trung bình các vị trí cực đại để xác định mốc thời gian $n_{\text{sync}}$, từ đó cố định cửa sổ tích lũy giải mã dữ liệu.

3. Khối tính toán SVD trên FPGA trong Chương 3 được thiết kế như thế nào để tiết kiệm tài nguyên phần cứng?
Thay vì sử dụng các khối CORDIC dựng sẵn từ thư viện của nhà sản xuất FPGA vốn tiêu hao nhiều phần tử logic, tác giả tự thiết kế khối CORDIC từ các cổng logic cơ bản gồm bộ cộng, bộ trừ và bộ dịch bit. Khối này thực hiện các phép quay Givens cho hai giai đoạn Bidiagonalization và Diagonalization mà không cần dùng đến bộ nhân số học hay bảng tra hàm lượng giác, đồng thời được tối ưu hóa số vòng lặp và định dạng dấu phẩy cố định để giảm sai số tính toán góc quay $\theta$.

4. Điểm khác biệt căn bản giữa thuật toán đồng bộ tinh đề xuất trong Chương 4 và phương pháp của nghiên cứu [14] là gì?
Nghiên cứu trước (tài liệu [14]) sử dụng mức ngưỡng $\lambda$ đòi hỏi phải biết trước công suất tạp âm và giả định đoạn tín hiệu thu nhận luôn nằm trong phần mào đầu SYNC. Luận án đề xuất một mức ngưỡng mới $\lambda_0$ không phụ thuộc vào công suất tạp âm, đồng thời thuật toán cho phép máy thu xác định chính xác vị trí bắt đầu của tiêu đề PHR ngay cả khi điểm bắt đầu bắt tín hiệu rơi vào giữa khung hoặc nằm trong phần dữ liệu, hoạt động ổn định ở chu kỳ lấy mẫu lớn $T_s = 8\text{ ns}$ hoặc $16\text{ ns}$ (tần số lấy mẫu 62,5 - 125 MHz).

5. Mô hình kênh truyền vô tuyến nào được sử dụng xuyên suốt các mô phỏng của luận án và đặc điểm của nó là gì?
Luận án sử dụng mô hình kênh IEEE 802.15.4a CM1 (môi trường trong nhà khu dân cư, có đường truyền thẳng - Residential LOS). Đặc điểm của mô hình này là chiều dài kênh tương đối ngắn (khoảng 60 - 70 ns), thành phần tia đến đầu tiên là đường truyền thẳng có năng lượng lớn nhất, và đáp ứng xung bao gồm các cụm tia đến theo tiến trình Poisson với suy giảm năng lượng theo hàm mũ.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trần Mạnh Hoàng đã giải quyết trọn vẹn bài toán tối ưu hóa thuật toán xử lý tín hiệu băng gốc và đồng bộ cho hai kiến trúc máy thu IR-UWB tốc độ thấp (TR-UWB và máy thu tách sóng năng lượng IEEE 802.15.4a). Bằng việc kết hợp giữa mô phỏng toán học Monte-Carlo, lý thuyết phân tích SVD, thuật toán CORDIC cải tiến và quy trình thiết kế dựa trên mô hình (MBD), tác giả đã hiện thực hóa các thuật toán đề xuất trên phần cứng FPGA Spartan 6 mà không đòi hỏi các bộ ADC tốc độ siêu cao hay khối đo công suất tạp âm phức tạp. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật thực tiễn cho việc phát triển các bộ xử lý băng gốc vô tuyến công suất thấp, hướng tới tích hợp vi mạch chuyên dụng trong các mạng vô tuyến cá nhân và mạng cảm biến không dây.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan về truyền thông băng siêu rộng Mục tiêu chính của chương này là cung cấp một cái nhìn tổng quan nhất về kĩ thuật UWB từ những ý tưởng đầu tiên cho đến những tiến bộ gần đây nhất cũng như những vấn đề chính mà kĩ thuật đầy tiềm năng này hiện đang đối mặt. Những khái niệm quan trọng nhất liên quan đến UWB cũng lần lượt được trình bày chi tiết, bên cạnh đó là những ứng dụng thiết thực mà kĩ thuật này có thể đảm nhiệm được. Phần cuối của chương giới thiệu về SVD, một thuật toán xử lý tín hiệu kinh điển và được sử dụng nhiều trong quá trình thực hiện luận án.1 Lịch sử phát triển và định nghĩa của truyền thông băng siêu rộng Kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng (Ultra-wideband - UWB), hay còn gọi là xung vô tuyến, thực chất không phải là một khái niệm hoàn toàn mới. Trên thực tế, những thí nghiệm đầu tiên về xung vô tuyến đã được tiến hành vào năm 1887 bởi Heinrich Hertz, người đã sử dụng tia lửa điện giữa các điện cực carbon để tạo ra sóng điện từ ở dạng xung.

Bảy năm sau, dựa trên thí nghiệm của Hertz, Guglielmo Marconi nảy sinh ý tưởng áp dụng kĩ thuật xung vô tuyến này cho điện tín không dây. Máy phát mã Morse theo ý tưởng của Marconi ra đời và đánh dấu thời kì phát triển của thông tin không dây cũng như sự áp dụng rộng khắp của kĩ thuật xung vô tuyến. Tuy nhiên, người ta cũng sớm nhận ra những nhược điểm của kĩ thuật mới này. Một trong những hạn chế lớn nhất chính là băng thông của tín hiệu phát đi quá lớn so với tốc độ dữ liệu đạt được, dẫn đến một sự chiếm dụng băng tần khổng lồ dù chỉ có một người dùng.

Vì vậy, ở thời kì sơ khai này, kĩ thuật xung không thích hợp cho việc phát triển các hệ thống đa người dùng. Sự ra đời sau đó của kĩ thuật truyền tin sử dụng sóng mang với nhiều ưu điểm vượt trội khiến cho kĩ thuật xung dần bị quên lãng và chỉ còn được sử dụng trong các ứng dụng quân sự suốt một thời gian dài sau này cho đến những năm gần đây. 21 Một trong những tính năng nổi trội nhất của kĩ thuật UWB là khả năng triển khai tương đối đơn giản do không cần phải sử dụng sóng mang, từ đó loại bỏ được các khối nâng/hạ tần khỏi hệ thống, thích hợp cho việc phát triển các thiết bị thu/phát cầm tay giá rẻ. Sự phát triển không ngừng của công nghệ trong những năm cuối thế kỉ 20 khiến cho việc tạo ra những xung cực ngắn trong miền thời gian (cỡ ns) được sử dụng trong UWB không còn là vấn đề trở ngại nữa.

Thời điểm này, sự quan tâm của giới khoa học và công nghiệp dành cho UWB chuyển hướng sang việc nghiên cứu khả năng tồn tại của các hệ thống UWB song hành với những hệ thống băng hẹp hiện có cũng như phát triển những kịch bản thu/phát và thuật toán xử lý tín hiệu mới, tận dụng hết những ưu điểm và thích hợp hơn với kĩ thuật nhiều tiềm năng này. Một hệ thống truyền thông băng siêu rộng được đặc trưng bởi băng thông truyền tải B lớn hơn 500 MHz hay lớn hơn 20% so với tần số trung tâm fc , trong đó, B = fH − fL và fc = (fH − fL )/2, với fH , fL lần lượt là tần số cận trên và dưới (−10 dB) của hệ thống [18]. Theo định nghĩa này, một tín hiệu UWB phải có băng thông tối thiểu là 500 MHz tại tần số 2.5 GHz, hoặc 1 GHz tại tần số 5 GHz. Băng thông “siêu rộng” này (so với các hệ thống băng hẹp hay băng rộng truyền thống khác) hứa hẹn cung cấp một tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn nhiều cũng như một số tính năng nổi bật khác cho nhiều ứng dụng không dây hiện có.1 Các phương án triển khai hệ thống UWB Đến thời điểm hiện tại, có hai phương pháp chính để triển khai một hệ thống UWB trong công nghiệp: • Phương pháp Multiband (MB)-OFDM được ủng hộ bởi liên minh WiMedia Alliance do Intel Corporation lãnh đạo cùng với 214 thành viên là các nhà sản xuất thiết bị điện tử tiêu dùng và máy tính cá nhân như Hewlett-Packard, Sony, Nokia, Texas Instruments hay Microsoft.

Phương pháp này sử dụng kĩ thuật OFDM để phân chia toàn bộ băng thông thành các băng con có độ rộng xấp xỉ 500 MHz (Hình 1.1) và một kí tự dữ liệu sẽ được trải trên toàn bộ các băng con này, được điều chế và truyền đi đồng thời bởi tất cả các sóng mang con [34]. Liên minh WiMedia tập trung vào việc sử dụng kĩ thuật UWB cho các kết nối di động, trong các máy tính và thiết bị điện tử với vai trò như một lớp vật lý phổ thông và hướng đến phát triển các thế hệ USB kế tiếp, IEEE 1394 hay các ứng dụng Bluetooth. 22 • Phương pháp Impulse-Radio (IR)-UWB, hay còn được gọi là Direct-Sequence (DS)-UWB, được chấp thuận bởi UWB Forum, một diễn đàn ban đầu được lãnh đạo bởi Freescale (tiền thân của Motorola Semiconductor) cùng với 220 thành viên là các nhà cung cấp dịch vụ và sản xuất thiết bị viễn thông quốc tế như Fujitsu, Siemens hay Vodafone. Diễn đàn này đề xướng một kịch bản sử dụng xung vô tuyến, trong đó vấn đề đa truy nhập được thực hiện thông qua điều chế biên độ nhị phân các xung được truyền đi, tương tự như với các hệ thống trải phổ CDMA truyền thống.

Ý tưởng của phương pháp này xuất phát từ một đặc tính đối ngẫu rất cơ bản giữa thời gian và tần số. Cụ thể, băng thông siêu rộng (trong miền tần số) dẫn đến việc sử dụng các xung cực ngắn (trong miền thời gian). Trong IR-UWB, các xung này được truyền đi một cách rời rạc, không sử dụng sóng mang và ở mức công suất phát rất thấp. Các kịch bản thu-phát UWB trong luận án này đều dựa trên phương pháp IR-UWB.1: Quy hoạch dải tần trong MB-OFDM [34] Dạng xung được sử dụng nhiều nhất trong IR-UWB là các xung đơn chu trình Gaussian và các vi phân bậc cao của nó do sở hữu những đặc tính riêng có trong cả hai miền thời gian và tần số cũng như khả năng triển khai trên anten dễ dàng [53].

Một xung Gaussian đơn chu trình cơ bản được định nghĩa là: 2π( tt )2 g0 (t) = e p (1.1) và vi phân cấp k có dạng: dk 2π( ttp )2 gk (t) =  e (1.2) dtk 23 trong đó, tp là tham số xác định độ rộng Tp của xung (Tp ∼= 2 · tp ), và hệ số k được đưa vào để chuẩn hóa năng lượng của xung. Sở dĩ các vi phân bậc cao được sử dụng là vì ở dạng xấp xỉ bậc nhất, các anten hoạt động tương tự như các bộ vi phân [20, 44].2 minh họa các vi phân bậc cao của xung Gaussian có băng thông −10 dB lớn hơn 20% tần số trung tâm [50]. Trong luận án này, dạng xung UWB được lựa chọn sử dụng là vi phân bậc hai của xung Gaussian với độ rộng 2 ns và thỏa mãn mãn điều kiện có băng thông 500 MHz.2: Xung đơn chu trình Gaussian và các vi phân bậc 1, 2 [50] 1.2 Chuẩn hóa và ứng dụng Định nghĩa vừa nêu được đưa ra vào năm 1990, kéo theo sự phát triển của các hệ thống thông tin hoàn toàn không sử dụng sóng mang, đồng hành với sự ra đời của các công ty công nghệ như AetherWire, Time Domain Co., X-treme Spectrum hay Multi-Spectral Solutions Inc., những nhà tiên phong trong lĩnh vực phát triển các sản phẩm thương mại không sóng mang tốc độ cao. Tuy nhiên, ở thời điểm này vẫn chưa có bất kể một quy định nào dành cho việc phát tín hiệu UWB.

Điều này làm phát sinh những lo ngại về sự giao thoa của kĩ thuật UWB với các hệ thống không dây hiện đang tồn tại như GPS, GSM hay Wifi [37, 7]. Cho đến tháng 4-2002, sau rất nhiều nghiên cứu, phân tích cũng như tranh luận, một báo cáo hoàn chỉnh mới được công bố bởi FCC, quy định giới hạn về mặt công suất phát cho tín hiệu UWB nhằm tránh sự can nhiễu lên các hệ thống vô tuyến đã được cấp phép hoạt động [18]. Mặt nạ phổ công suất do FCC đề xuất dành cho các ứng dụng UWB trong các môi 24 trường khác nhau (trong nhà và ngoài nhà) được thể hiện trên Hình 1. Đến tháng 4-2005, một mặt nạ phổ công suất phát khác được đưa ra bởi ECC [17], quy định băng thông và mức giới hạn mới, chặt chẽ hơn so với mặt nạ được đề xuất vào năm 2002 [50].3: Mặt nạ phổ cho tín hiệu UWB do FCC và ECC đề xuất [50] Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của kĩ thuật UWB là trong các mạng vô tuyến cá nhân (Wireless Personal Area Network - WPAN), một lĩnh vực chịu sự quản lý của nhóm làm việc IEEE 802.15 thuộc tổ chức chuẩn hóa IEEE-SA.

Vì vậy, nhiệm vụ xây dựng bộ tiêu chuẩn thống nhất dành cho các ứng dụng WPAN sử dụng kĩ thuật UWB ở lớp vật lý được giao cho hai nhóm tác vụ độc lập thuộc IEEE-SA.3a hướng tới việc định nghĩa một lớp vật lý mới dành trong các mạng WPAN tốc độ cao liên quan đến lĩnh vực multimedia và hình ảnh. Tốc độ dữ liệu tối thiểu được thiết lập ở mức 100 Mbps trong phạm vi 10 m và lên đến 480 Mbps khi khoảng cách rút ngắn xuống còn 2 m. Mặc dù không được chỉ định rõ ràng là một nhóm tác vụ xây dựng chuẩn UWB, tuy nhiên 25 bản thân những yêu cầu về tốc độ dữ liệu đặt ra đã lựa chọn kĩ thuật UWB làm phương án triển khai các hệ thống mong muốn. Vì vậy, nhiệm vụ của nhóm bao gồm cả việc phân tích và xây dựng một mô hình kênh vật lý dành cho các hệ thống UWB theo yêu cầu đặt ra [19].

Tuy nhiên, do những bất đồng trong cách thức triển khai (giữa hai phương thức MB-OFDM và IR-UWB), nhóm tác vụ 802.3a chính thức ngừng hoạt động vào năm 2006.4a có nhiệm vụ xây dựng bộ tiêu chuẩn ở lớp vật lý cho các ứng dụng có tốc độ truyền dữ liệu và độ phức tạp thấp, hoạt động trong các dải tần quốc tế mà không cần cấp phép. Một trong những mục tiêu chính của nhóm là giải quyết các ứng dụng mới không chỉ đòi hỏi tốc độ dữ liệu ở mức trung bình mà còn tiêu thụ ít năng lượng để có thời gian hoạt động dài hơn (ví dụ như trong các mạng WPAN tốc độ thấp, mạng cảm biến, đồ chơi tương tác, điều khiển từ xa hay trong các ngôi nhà thông minh). Tương tự như với nhóm tác vụ 802.