công nghệ truyền thông ultra wideband

Thuật ngữ viết tắt
Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt
3G Third Generation Thế hệ thứ ba
ADC Analog- to- Disgital Converter Bộ chuyển đổi tương tự
sang số
AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự
động
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng
cộng
BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít
BPM Bi-Phase Modulation Điều chế pha cơ hai
CATV Cable Television or Community
Antenna Television
Truyền hình cáp hay
truyền hình anten cộng
đồng
CE Consummer Equipment Thiết bị người dùng
CMOS Complementary Metal-oxide-
Semiconductor
Bán dẫn ôxít kim loại
bổ xung
DS-
CDMA
Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia
theo mã - chuỗi trực
tiếp
DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số
DVD Digital Video Disc, Digital Versatile
Disc
DVD
EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution
Tốc độ số liệu tăng
cường để phát triển
GSM
FCC Federal Communications Commission Uỷ ban truyền thông
liên bang
FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia
theo thời gian
FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia
theo tần số
FH Frequency Hopping Nhảy tần
FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy tần
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói
chung
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn
i
cầu
GSM Global System for Mobile
Communications
Hệ thống toàn cầu cho
truyền thông di động
HDTV High-Definition Television Tivi có độ phân giải cao
IP Internet Protocol Giao thức Internet
ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu
LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng
LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm
thấp
LOS Line-of-Sight Tầm nhìn thẳng
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập
phương tiện

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập
MB-
OFDM
Multiband-OFDM Ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao -
đa băng
MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia
về ảnh động
OFDM Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao
OOK On-Off Keying Khoá On-Off
PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung
PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân
PDA Personal Digital Assistants Trợ giúp số cá nhân
PN Pseudo Noise Giả tạp âm
PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung
PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp
âm
SS Spread Spectrum Trải phổ
STB Set-Top Box Hộp kết nối từ nguồn
nội dung đến Tivi
SVGA Super Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video cấp
cao
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia
theo thời gian
TH Time Hopping Nhảy thời gian

THSS Time Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy thời
ii
gian
UMTS Universal Mobile Telecommunications
System
Hệ thống viễn thông di
động toàn cầu
USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp toàn cầu
UWB Ultra WideBand Băng tần siêu rộng
VGA Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video
WCDMA Wideband Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia
theo mã băng rộng
WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây
WPAN Wireless PAN Mạng nội bộ cá nhân
không dây
WUSB Wireless USB Bus nối tiếp toàn cầu vô
tuyến
XVGA eXtended Video Graphics Array Mảng đồ hoạ Video mở
rộng
iii
Lời nói đầu
Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh
trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do sự
xuất hiện của các chuẩn mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ thông
tin của Internet, như là: các ứng dụng đa phương tiện bao gồm: MP3, truyền dữ
liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc biệt. Một vài hệ thống vô
tuyến đã tồn tại hoặc đang còn được phát triển (3G và WLAN) được thiết kế để
hỗ trợ loại dịch vụ đa phương tiện này và truyền dẫn video chất lượng thấp. Nhu

cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã xuất hiện,
nó xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy tính sao
cho tiện lợi nhất. Các công nghệ vô tuyến như Bluetooth, hồng ngoại,…, chưa
đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc
độ lớn. Công nghệ truyền thông UWB ra đời nhằm thoả mãn các yêu cầu về
truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một bước đột biến trong
lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị đã
được đề xuất. Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là
yêu cầu hoạt động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự. Các xung
UWB có những tính năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này. Xuất phát
từ tính hấp dẫn này mà em quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tượng
nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học của mình. Nhưng do sự hạn chế về
thời gian, nên trọng tâm của đề tài là nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ
UWB trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là:
“công nghệ truyền thông ultra wideband”
Nội dung của đề tài tập chung vào các vấn đề cơ bản được phân ra thành từng
chương với những nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB.
Chương 2: Phân tích tín hiệu UWB
Chương 3: Bộ thu phát tín hiệu UWB. Trong đó tập chung chính vào vấn đề bộ
thu tín hiệu UWB.
1
Chương 4: So sánh UWB với các công nghệ truyền thông vô tuyến băng rộng
khác.
Chương 5: Phân tích nhiễu.
Chương 6: Kết luận.
Chương 7: Phụ lục.
Đồ án đã làm rõ được các vấn đề cơ bản liên quan đến công nghệ truyền thông
này.
Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự hiểu

biết sâu rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều
điểm cần được chỉnh sửa. Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng
góp từ phía các thầy cô, bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này
để đồ án có thể tiếp tục được phát triển hoàn thiện.
2
Chương 1
Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến
Hình vẽ 1-1dưới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ
truyền thông vô tuyến.
Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến
Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hướng phát
triển của các hệ thống cũ. Chúng được nâng cấp từng bước để có thể tiến lên
mạng băng rộng. Con đường đi lên mạng băng rộng của từng hệ thống là khác
nhau do công nghệ sử dụng trước đó là khác nhau. Xét về khía cạnh thay đổi để
có thể được nâng cấp lên thế hệ mạng băng rộng thì các hệ thống như GSM hay
TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn do công nghệ TDMA được sử dụng ngay từ
đầu. Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay
đổi hơn cũng vì công nghệ CDMA đã được ứng dụng trước đó.
1.1.1 3G và WLAN
Trong hệ thống 3G, như UMTS hay CDMA-2000, tốc độ dữ liệu của
người dùng có thể được cung cấp lên tới 2 Mbps trong môi trường tĩnh, trong
3
khi đó khi di động thì tốc độ dữ liệu hỗ trợ sẽ thấp hơn. Với khả năng về thông
lượng như trên có thể hỗ trợ dịch vụ dữ liệu đa phương tiện hoặc truyền video
chất lượng thấp. Kích thước của một tế bào (cell) của hệ thống 3G nhỏ hơn hệ
thống 2G hiện tại, như GSM, khoảng 300 mét trong khu vực đô thị và có thể lớn
hơn trong vùng nông thôn (xem thêm hình 1-2).
Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF
So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lượng dữ liệu cao hơn (xem hình

1-3). Ví dụ: các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trường cung cấp
cho người dùng tốc độ dữ liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên
đến 100 mét. Trong tương lai WLAN có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54
Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức MAC mới được thiết kế có làm
cho hệ thống hỗ trợ mạng ad-hoc, dịch vụ được đồng bộ hoá, và thích ứng liên
kết động với điều khiển QoS. Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở thành
một nền tảng tốt cho truyền dẫn video.
1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB
Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng được đẩy (xem hình
1-4) lên và các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng.
Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có
thể đáp ứng vẫn tồn tại. Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn
100 Mbps mới có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu
4
mới cho mạng gia đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN). Trong khi đó, các hệ
thống đang tồn tại như 3G hay WLAN không thể đáp ứng được yêu cầu này. Do
đó, một công nghệ mới đã xuất hiện – UWB.
802.11 Thông lượng dữ liệu theo khoảng cách
Hình 1-3: Thông lượng dữ liệu WLAN theo khoảng cách
Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến
1.2 Lịch sử của UWB
Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà
nghiên cứu truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong một điều
kiện khái quát nhất. Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc
5
chủ yếu vào bốn quy luật cơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lượt tương ứng
với: Maxwell và Hertz, Shannon, Moore, và Metcalfe. Quy luật đầu tiên là quy
luật tự nhiên, trong khi hai quy luật cuối cùng là quy luật hoạt động. Thứ tự của
chuỗi những quy luật theo đúng thời điểm khám phá và tầm quan trọng của
chúng. Khi mà lĩnh vực truyền thông vô tuyến đã trưởng thành, những mối quan

tâm chính và liên quan trực tiếp được nâng lên dần dần theo hướng về phía sau
danh sách những quy luật cơ bản. Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của
Maxwell và Hertz, thì không thể có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ
được điều khiển. Nếu không có hiểu biết về các lý thuyết của Shannon, thì việc
sử dụng hiệu quả phổ tần thông qua xử lý tín hiệu phức tạp sẽ không thể thành
công. Ultra-wideband đang đối mặt với thay đổi này, có lẽ từ hai quy luật đầu
tiên, trong khi truyền thông băng hẹp đã chuyển sang hai quy luật cuối cùng.
Các chuẩn hiển thị VGA SVGA XVGA SXVGA
Số điểm ảnh ngang 640 800 1024 1280
Số điểm ảnh dọc 480 600 768 1024
Tổng điểm ảnh 307200 480000 786432 1310720
Tổng số bít (mầu 16 bít) 4915200 7680000 12582192 20971520
Tổng số bít (mầu 24 bít) 7372800 11520000 18874368 31457280
Mbps tại chuyển động tối
thiểu 30 khung (mầu 16
bít)
147 230 377 629
Mbps tại chuyển động tối
thiểu 30 khung (mầu 24
bít)
221 345 566 943
Mbps sau khi nén 6-32 15-50 20-70 30-100
Các ứng dụng MPEG-2
DVD
Máy chiếu Máy chiếu
xách tay
Màn hình
máy tính
Bảng 1-1: Dữ liệu mong đợi cho truyền dẫn video
Mặc dù thường được coi như là một bước đột phá trong truyền thông vô

tuyến, nhưng UWB cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ. Nền tảng
lớp vật lý cho truyền dẫn xung UWB đã được thiết lập bởi Sommerfeld một thế
kỷ trước (1901) khi ông muốn ngăn chặn sự tán xạ của xung trong miền thời
6
gian bằng cách dùng một cái nêm dẫn hoàn hảo. Trong thực tế, có người đã cho
rằng UWB xuất phát từ thiết kế truyền dẫn khoảng đánh lửa của Marconi và
Hertz vào cuối những năm 1890. Nói một cách đơn giản hơn, hệ thống truyền
thông vô tuyến đầu tiên đã dựa trên UWB. Do những hạn chế về công nghệ, nên
truyền thông băng hẹp được quan tâm nhiều hơn UWB. Khá giống với trải phổ
hay đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đường tương tự
như vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và truyền thông trong quân đội.
Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu
không còn là điều bí mật, UWB có được đà phát triển mạnh vào năm 1998.
Những mối quan tâm đến UWB chỉ được “châm ngòi” từ khi FCC phát hành
một báo cáo và quy định vào tháng 2 năm 2002 về việc cho phép triển khai
mang tính thương mại với yêu cầu mặt nạ phổ (xem 1.4) cho cả các ứng dụng
trong nhà và ngoài trời.
Như vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhưng
UWB xuất hiện với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1-
10.6 GHz) đã được FCC cấp phát.
1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB
Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phương pháp
truyền tin cổ điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không được coi như là một
phương tiện truyền thông mãi cho đến thời gian gần đây. Một vài đặc điểm của
hệ thống này có thể được nhấn mạnh, mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống
như các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại (như CDMA hoặc OFDM):
1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao
Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lượng tối đa có thể đạt được trong
một kênh với tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng
băng W là:

( )
SNRWC
+=
1log
2
(1-1)
SNR không có thứ nguyên và W có đơn vị là Hz. Dung lượng tăng theo
hàm logarit với công suất (tương ứng với SNR) và tuyến tính với độ rộng băng.
Điều đó không có nghĩa là một hệ thống vô tuyến UWB sẽ hoạt động sát với
7
dung lượng kênh bởi vì một số tín hiệu đã sử dụng một phần băng tần đó.
Nhưng do tín hiệu UWB sử dụng một băng tần rất lớn nên cần ít công suất hơn
để truyền một tốc độ bit như nhau với một xác suất lỗi không đổi.
1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp
Đặc điểm này cũng giống với các hệ thống CDMA và OFDM. Cấu trúc
của tín hiệu UWB rất phức tạp về độ rộng băng (các xung rất hẹp) cũng như là
mã PN (cung cấp khả năng truy nhập đường truyền). Một quy tắc xác định đơn
giản cho thấy cả độ phức tạp cũng như là thời gian cần thiết để nghe lén một tín
hiệu tỉ lệ với bình phương công suất của cả độ rộng băng và chiều dài mã, làm
cho tín hiệu UWB trở nên vô cùng khó khăn trong việc khoá nếu như cấu trúc
của nó không được biết trước.
1.3.3 Khả năng chống đa đường
Trong truyền thông băng hẹp cổ điển, fading xuất hiện như là một khái
niệm có trạng thái cố định có liên quan đến đa đường. Đa đường xuất hiện khi
một hoặc nhiều hơn tiếng vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ
khác nhau (xem hình 1-6). Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian
của một ký hiệu thì nó chịu fading, do tại thời điểm quyết định ký hiệu, các
thành phần này tạo nên tính xây dựng hoặc phá vỡ và không thể được tách.
Trong hình 1-5, một hình ảnh thể hiện 2 đường vọng của một tín hiệu hình sin
và cách thức chúng kết hợp.

Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và
có thể được nhận dạng tiếp theo là được thêm vào các ký hiệu tương ứng. Nếu
như các xung có độ rộng 1 ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đường
đi mà độ lệch về khoảng cách dưới 30 cm. Nếu như xung chỉ có độ rộng 0.2 ns
thì các đường này chỉ cách nhau 6 cm. Xác suất của sự xuất hiện này trong môi
trường trong nhà thì nhỏ hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu băng hẹp. Hình 1-
7 minh hoạ cho điều này trong trường hợp các xung là đơn chu kỳ. Lưu ý rằng
đa đường được tách và phân biệt một cách dễ dàng, một máy thu RAKE được
triển khai đơn giản để tận dụng ưu điểm đó. Xem thêm phần 2.5.1.
8
1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu.
Lời khẳng định này dựa trên một thực tế rằng UWB được phát minh như
là các hệ thống băng gốc. Một ADC có thể được đặt ngay sau bộ khuyếch đại
tạp âm thâp (LNA) và phần sau của hệ thống có thể được hoạt động trên miền
tín hiệu số. Không cần vòng khoá pha hay tần số. Sau khi FCC đưa ra một số
quy định thì điều này không còn hoàn toàn đúng vì loại tín hiệu được phép sử
dụng có một phổ tần bắt đầu tại 3.1 GHz. Có thể nói rằng phương pháp đơn giản
nhất để thực hiện giải điều chế loại tín hiệu này là sử dụng một bộ nhân tần,
hoặc là trong miền tương tự hoặc trong miền số.
1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp
Do độ rộng băng tần của tín hiệu UWB lớn hơn nhiều độ rộng băng của
hệ thống truyền thông vô tuyến cũ, một dung lượng kênh cao hơn có thể đạt
được thậm trí trong cả môi trường mà SNR thấp. Cũng theo lý thuyết của
Shannon:
( )
SNRWC
+=
1log
2
(1.2)

Trong trường hợp một hệ thống UWB sử dụng phổ tần 2 GHz hoạt động với
SNR là 0dB, dung lượng kênh có thể tính theo C=2.log
2
(1+1)=2 Gbps. Theo kết
quả này, chúng ta có thể thấy rằng một hệ thống UWB với công suất tín hiệu
thấp vẫn có thể duy trì tốc độ dữ liệu cao, và đặc điểm này sẽ khiến cho UWB là
một giải pháp lý tưởng cho lớp vật lý của mạng PAN.
9
Hình 1-5: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp
Vì công suất tín hiệu thấp (xem hình 1-8) và băng tần khả dụng lớn
nên các hệ thống UWB hoạt động tương tự như các hệ thống trải phổ. Tuy
nhiên, so với dạng trải phổ cơ bản như các hệ thống chuỗi trực tiếp và nhảy tần
thì UWB không dựa vào chuỗi trải phổ và chuỗi nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần
rộng. Thay vào đó, hệ thống UWB sử dụng các xung có độ rộng cực ngắn để tạo
ra băng tần hệ thống siêu rộng.
So với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ giới
hạn băng tần, UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất (xem hình 1-9).
Do đó, công suất tín hiệu UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng rất
nhỏ và nhiễu tới các thiết bị như đầu cuối 802.11a và điện thoại di động 3G có
thể bỏ qua về mặt nguyên lý.
10
Hình 1-6: Một trường hợp của hiện tượng đa đường với ứng dụng trong
nhà
Hình 1-7: Đa đường trong tín hiệu UWB
11
Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ
1.4 Thách thức đối với UWB
Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích
và hấp dẫn cho truyền thông trong tương lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng
còn một số thử thách cần phải vượt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến

và có mặt ở khắp nơi.
Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển. Truyền thông vô tuyến
luôn luôn phải quy định sao cho tránh được nhiễu từ các người dùng khác nhau
trên cùng một phổ tần. Vì UWB chiếm một băng tần rất rộng nên có nhiều đối
tượng sử dụng mà phổ tần của nó sẽ bị ảnh hưởng và cũng cần đảm bảo rằng
UWB sẽ không gây nhiễu đến các hệ thống truyền thông vô tuyến đã tồn tại.
Trong nhiều trường hợp, các đối tượng sử dụng này phải trả tiền để có được
quyền sử dụng riêng phổ tần.
Một thử thách khác là việc thống nhất chuẩn hoá cho hoạt động kết hợp
giữa các thiết bị UWB. Tại thời điểm hiện tại, chưa có sự thống nhất rõ ràng và
khả năng của một vài chuẩn UWB đang cạnh tranh vẫn còn là điều rất được
mong đợi (xem thêm 1.5).
Ngoài ra còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai. Một số vấn đề
về mặt kỹ thuật có thể kể đến như: khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền
thông cũ, tạo ra tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp, thu tín hiệu đa đường,
12
nhiễu giao thoa ký hiệu đặc biệt trong môi trường tầm nhìn bị che khuất (non-
line-of-sight), các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và
đồng bộ hoá. Lời hứa về các thiết bị giá thành thấp còn đó, nhưng độ phức tạp
tăng lên do phải giải quyết vấn đề nhiễu và hoạt động với công suất thấp có thể
sẽ đẩy giá thành lên tương tự như các thiết bị vô tuyến hiện tại.
Hình 1-9: Mặt nạ phổ được đưa ra bởi FCC cho các hệ thống UWB trong nhà
1.5 Chuẩn hoá
Nhóm tác nhiệm IEEE 802.15.3a, nghiên cứu nhằm tìm ra lớp vật lý PAN
thế hệ kế tiếp, đang coi UWB là một giải pháp tốt nhất cho lớp vật lý. Mặc dù
nhiều đề xuất được đưa ra, hai trong số đó là DS-CDMA và MB-OFDM, chúng
đang là những ứng cử viên đầy hứa hẹn và vẫn tiếp tục ganh đua nhằm đạt được
sự chấp thuận từ phía uỷ ban chuẩn hoá.
Đề xuất DS-CDMA, được đưa ra bởi Freescale ( trước kia là Xtreme
Spectrum) và kết hợp với các công ty khác, chia toàn bộ phổ tần được cấp phát

thành hai băng. Mặc dù đề xuất ban đầu bao chùm toàn bộ băng tần 7.5 GHz,
nhưng phiên bản sau đã vượt ra ngoài phổ tần đó. Dải tần cho đề xuất này là từ
13
3.2 – 5.15 GHz và 5.825 – 10.6 GHz. Sơ đồ DS-CDMA sử dụng M-ary Bi-
Orthogonal Keying và một sơ đồ mã hoá CDMA cho việc ghép kênh và phân
kênh. Hình 1-10 sẽ giải thích thêm về vấn đề này.
Hình 1-10: Dạng sóng ở miền thời gian và tần số của đề xuất DS-CDMA.
Đề xuất MB-OFDM được đưa ra bởi một nhóm các công ty lớn như Intel,
TI …. Theo đề xuất này thì phổ tần được chia thành 14 băng ( mỗi băng có độ
rộng là 528 MHz) và các thiết bị được phép lựa chọn băng tần động hoặc tĩnh để
sử dụng cho việc truyền dẫn. Hơn nữa, OFDM được sử dụng cho từng băng một.
Dữ liệu được điều chế một cách thích hợp và sử dụng băng tần của nó. Toàn bộ
phổ tần được chia thành 4 nhóm riêng biệt. chỉ nhóm A được dự định cho các
thiết bị thế hệ đầu tiên bởi vì sự giới hạn về mặt công nghệ hiện tại. Các nhóm
còn lại được dự phòng cho nhu cầu sử dụng trong tương lai. Hình 1-11, hình 1-
12 sẽ giải thích thêm về vấn đề này.
14
Sơ đồ mà DS-CDMA đưa ra nhằm đạt được tốc độ cao, công suất tiêu thụ
thấp, giá thành thấp và kích thước nhỏ. Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu ở tốc độ
cao cỡ 100Mbps và trong miền số là mối quan tâm chính cho các nhà thiết kế hệ
thống. Đồng bộ thời gian, sự lựa chọn về mặt công nghệ (SiGe hay CMOS) và
mức độ ISI (inter symbol interference) là các vấn đề quan trọng trong đề xuất
này. Trái lại, MB-OFDM được xem như một giải pháp thực tế hơn như: giảm
được độ nhạy trong việc đồng bộ thời gian và có thể dễ dàng sử dụng CMOS.
Tuy nhiên, một câu hỏi lớn đặt ra cho hệ thống này là độ phức tạp của mạch
điện, MAI và sự đồng ý của FCC. Trước khi sự bế tắc này có thể được giải
quyết bởi uỷ ban chuẩn hoá, cả hai nhóm đã quyết định triển khai các đề xuất
của mình và xác minh lại tính khả dụng của nó.
Hình 1-11: Dạng sóng trên miền thời gian và tần số của đề xuất MB-OFDM
15

Hình 1-12: Kế hoạch phân chia băng tần của đề xuất MB-OFDM.
1.6 Các ứng dụng của UWB
UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng
rộng rãi, hấp dẫn, như thể hiện trong hình 1-13.
Về cơ bản, các ứng dụng này có thể được chia thành 3 nhóm:
• Truyền thông và cảm biến
• Định vị và theo dõi
• Radar
Hình 1-13: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp.
1.6.1 Truyền thông và cảm biến
Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị
trường khách hàng. Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng
rộng lớn, theo đó hệ thống truyền thông có thể được cải thiện, tăng cường,nâng
16
cấp. Các ứng dụng trong truyền thông có thể được chia ra làm hai khu vực - tốc
độ dữ liệu thấp và cao. Cả hai đều yêu cầu công suất thấp và dung lượng cao,
chúng là các biểu tượng cho chất lượng của UWB.
1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp
Các thiết bị tốc độ dữ liệu thấp xung quanh chúng ta trong thế giới công nghệ -
nhưng chúng thường được nối bởi dây dẫn hoặc cáp. Chúng ta sử dụng các thiết
bị này để nhập dữ liệu vào hoặc lấy dữ liệu từ các máy tính, để phát hiện những
kẻ đột nhập vào nhà, và để cho vô vàn mục đích khác. Theo cách thức có hiệu
quả, các thiết bị dữ liệu tốc độ thấp có thể là không dây, nhưng giải pháp trên thị
trường ngày nay bị ràng buộc bởi nhiễu tầm nhìn thẳng với các thiết bị khác, các
vấn đề công suất, ngoài ra các vấn đề khác thì không quan trọng lắm trong việc
đạt được một thoả hiệp hoàn hảo. UWB không bị giới hạn bởi tầm nhìn thẳng
đột ngột như là ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài sóng lớn khi so sánh và có thể
uốn cong hoặc truyền xuyên qua các đối tượng mà không gặp trở ngại gì về kết
nối. Nó cũng bị ảnh hưởng bởi các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan
khác nhưng ít hơn trường hợp ánh sáng hồng ngoại. Vì UWB hoạt động ở mức

công suất rất thấp và theo phương thức không liên tục, nhiễu cũng không đáng
kể - điều đó có nghĩa là hàng trăm thiết bị có thể hoạt động trong cùng một
không gian mà không xâm phạm đến mỗi thiết bị khác. Trước hết chúng ta xét
chi tiết hơn ứng dụng đầu tiên mà cũng là ứng dụng quan trọng nhất của UWB,
WPAN, một lĩnh vực đang tạo ra cho UWB những lợi thế to lớn trên thị trường
thiết bị.
Sự nổi lên của môi trường nhà số được cấu thành bởi nhiều thiết bị CE khác
nhau (như bộ nghe nhạc, xem video số), các thiết bị di động (như điện thoại tổ
ong và PDA), và các thiết bị máy tính cá nhân (như máy tính PC xách tay) sẽ hỗ
trợ một lượng lớn các ứng dụng. Các thiết bị này có thể phân chia ra làm 3 loại
không hoàn toàn tách biệt (Xem hình 1-14):
 PC và Internet
 Các thiết bị điện tử cho người tiêu dùng (CE) và hệ thống quảng bá
 Các thiết bị cầm tay và di động
17
Các thiết bị này thông thường được đặt trong các phòng khác nhau và được
dùng cho nhiều chức năng khác nhau. Tuy nhiên, chủ nhân của chúng vẫn hy
vọng chúng có thể tương tác được với nhau-bộ chạy MP3 trao đổi file với PC,
bộ ghi hình số thông tin với STB,…. Sự hội tụ của các loại thiết bị này cần phải
có một công nghệ vô tuyến chung cho phép chúng có thể cùng hoạt động và
phân phối thông lượng dữ liệu cao cho nhiều ứng dụng, ứng dụng tốc độ cao.
Hiện tại, các loại thiết bị này sử dụng các giao diện và và khuôn dạng nội dung
khác nhau.
Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ
liệu đỉnh của công nghệ Bluetooth 1Mbps, nó được sử dụng cho nhiều thiết bị để
có thể tạo ra WPAN như ngày hôm nay. Nhưng có nhiều thiết bị không thể đáp
ứng được giá thành và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/b/g cho Wi-
Fi Networking.
Trong khi Wi-Fi nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, nhưng nó vẫn không thể
phân phối hết được hiệu năng để cho phép sử dụng có hiệu quả nhiều luồng

video chất lượng cao đồng thời. Công nghệ UWB cung cấp một thông lượng
như đã được yêu cầu bởi thế hệ kế tiếp của các thiết bị đã hội tụ. Ngoài ra với sự
hỗ trợ của các hãng công nghiệp lớn, như WIMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc
chắn sự hoạt động tương tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE 1394, USB,
và Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải pháp
công nghệ băng rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp, và công suất tiêu
thụ thấp.
18
Hình 1-14: Sự hội tụ của các loại thiết bị
Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có
thể liệt kê một số ứng dụng chính ở dưới đây:
 Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phương tiện, như máy ảnh số, máy
chạy MP3 xách tay, bởi kết nối vô tuyến.
 Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy
quét, và các thiết bị lưu trữ ngoài khác.
 Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế
tiếp, như điện thoại tổ ong 3G, cũng như là kết nối dựa trên IP/UpnP cho
thế hệ các thiết bị di động PC/CE dựa trên IP kế tiếp.
 Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các
thiết bị di động.
1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC
Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đưa
hiệu năng và độ tiện lợi như đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo.
Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể như là sự lựa chọn cáp kết nối
cho nền tảng PC (hình 1-15). Nhưng cáp cũng chỉ có thể được sử dụng theo
phương thức này. Công nghệ Bluetooth đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ
19
nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt động tương tác. Một
giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp cho đối tượng sử dụng có quyền hy
vọng về USB không cần dùng cáp. Điều đó đã giải thoát kết nối USB, UWB đã

có được một sự tăng trưởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC.
WUSB Working Group sẽ định nghĩa một đặc tả hứa hẹn cung cấp tốc độ lên
đến 480 Mbps (tương đương với USB 2.0) trong phạm vi 10 m.
Với WUSB, một người sử dụng có thể mang một thiết bị di động, như là PMP
(Portable Media Player), tới gần nguồn nội dung, như một PC, máy tính xách
tay, hoặc một đĩa cứng bên ngoài, khi mà quá trình nhận thực và trao quyền
hoàn thành, video có thể được chuyển vào PMP để xem sau.
Hình 1-15: Các thiết bị tương tác với nhau thông qua USB
1.6.1.1.2 Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE
Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối đa phương tiện vô
tuyến cho thiết bị điện tử âm thanh và hình ảnh cho người tiêu dùng (CE). Lợi
ích mà các kết nối này đem lại về mặt tốc độ thì cũng không thua kém các kết
nối hữu tuyến, nhưng lợi ích to lớn nhất mà kết nối vô tuyến này đem lại là sự
dễ dàng trong khi sử dụng và hiệu quả truyền dữ liệu cao. Một lớp rộng lớn thiết
bị thuộc lĩnh vực giải trí (hình 1-16) bao gồm: Bộ đọc DVD, HDTV, STB, bộ
ghi video cá nhân (PVR), bộ chạy MP3 và Stereo, máy ảnh số, và các thiết bị
20
CE khác dễ thấy ở khắp gia đình. UWB có thể kết nối một màn hình plasma treo
tường hoặc HDTV đến một STB hoặc một bộ chạy DVD, mà không gặp khó
khăn gì và đảm bảo tính thẩm mỹ do không có cáp. UWB cũng có thể tạo ra đa
luồng tới đa thiết bị đồng thời. Điều này tạo ra nhiều điều vô cùng hấp dẫn ví
như khả năng xem nội dung cùng hoặc khác nhau trên nhiều thiết bị trong cả
nhà.
UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và các thiết bị giải trí, như
máy quay xách tay số đến PC để sử dụng các trình xử lý ảnh số hoặc tới một
LCD cỡ lớn để xem. Kết nối một máy ảnh số đến một máy tính cá nhân xách tay
để chỉnh sửa, biên dịch, và gửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong
gia đình trong khi đang ngồi ở một hotspot công cộng. UWB đề xuất nhiều lợi
ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1-2). Với WPAN sử dụng UWB,
khi các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhau và trao đổi thông

tin xuất hiện khi người dùng bấm nút Play.
Đặc điểm Lợi ích
Thông lượng tốc độ cao Nhanh, truyền với chất lượng cao
Tiêu thụ công suất thấp Tuổi thọ bin của các thiết bị cầm
tay dài
Thiết bị vô tuyến được chuẩn hoá,
dựa trên Silicon
Giá rẻ
Tuỳ chọn kết nối hữu tuyến Tiện lợi và linh động
Bảng 1-2: Các đặc điểm và lợi ích của UWB trong môi trường PC và giải trí
Các thiết bị CE xách tay, như máy quay số, máy ảnh số, bộ chạy MP3, và
bộ chạy video cá nhân được mong đợi sẽ tạo ra một thị trường chính của UWB
thời kỳ đầu.
1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di
động
Đối với những người sử dụng nhiều loại thiết bị di động, quản lý cáp có
thể là một sự bất tiện lớn nhất là khi các thiết bị này cần phải kết nối với nhau.
21
Nhiều thiết bị, như là thiết bị trợ giúp cá nhân số, kết nối thông qua cổng USB,
nhưng các thiết bị khác, như điện thoại tổ ong 3G, có thể yêu cầu một bộ đấu nối
đặc biệt hoặc một bộ thích ứng cho cáp USB. Công nghệ UWB cho phép các
thiết bị này vận hành cùng nhau-không cần cáp-ngay khi chúng đặt gần nhau.
UWB cũng có thể được sử dụng để tạo ra truy nhập mạng công suất thấp, tốc độ
cao trong các khu vực hotspot.
Vùng phủ Internet Hotspot đang tạo ra một điểm hấp dẫn về một thị
trường rộng mở cho truy nhập Internet băng thông rộng đối với các thiết bị máy
tính di động tại một vùng xa xôi. Ngày nay, hai công nghệ đang tạo ra những
Hotspot là: WLAN 802.11a/b/g và WPAN dựa trên công nghệ Bluetooth. Cả hai
đều có những giới hạn về đánh địa chỉ cho các nhu cầu hỗn hợp về kết nối băng
thông rộng: dung lượng không gian cao nhằm phục vụ nhiều người trong một

không gian cho trước và tiêu thụ công suất thấp. UWB sẽ giúp vượt qua những
khó khăn này và có thể tạo ra cho một người được cải thiệnđáng kể khi lĩnh vực
này trưởng thành.
Hình 1-16: Kết nối các thiết bị trong lĩnh vực giải trí
22