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.