Phân tích dung lượng kênh UWB sử dụng kỹ thuật đảo ngược miền thời gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






HỒ ĐỨC TÂM LINH




PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB
SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN




LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG








HÀ NỘI – 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




HỒ ĐỨC TÂM LINH




PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH UWB
SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN


Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.02.03


LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐẶNG XUÂN VINH





HÀ NỘI – 2013
1

Lời cảm ơn
Tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến TS. Đặng Xuân Vinh, một người thầy đáng
kính của tôi, thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho
tôi trong suốt thời gian tôi được cử đi học và cũng như trong thời gian hoàn thiện
luận văn này.
Tôi cũng xin gởi lời cám ơn chân thành đến tất cả các thầy cô giáo hiện đang công
tác tại Khoa Điện Tử - Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc
Gia Hà Nội đã tận tình chỉ dạy, trang bị cho tôi những kiến thức chuyên ngành
trong quá trình vào giảng dạy tại trường Đại học Khoa học.
Và cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến những người đã đồng hành, động
viên tôi trong suốt 2 năm qua, đây là khoảng thời gian tôi nhận được nhiều sự
quan tâm nhất của mọi người: đó là những người cùng tham gia đề tài này với tôi,
và những người thân trong gia đình của tôi, đặc biệt là vợ của tôi.
Tác giả luận văn
HỒ ĐỨC TÂM LINH
2
Lời cam đoan
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực. Các số liệu trích dẫn trong quá trình nghiên cứu đều được
ghi rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn
HỒ ĐỨC TÂM LINH
3
Mục lục
Lời cảm ơn 1
Lời cam đoan 2
Mục lục 3
Danh sách bảng 6
Danh sách hình vẽ 7
Danh mục các từ viết tắt 9

MỞ ĐẦU 9
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG UWB 11
1.1. Định nghĩa và chuẩn hóa tín hiệu UWB [20] . . . . . . . . . . . . . 11
1.2. Ưu điểm của UWB [11, 20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.1. Dung lượng kênh truyền lớn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2. Hoạt động với mức công suất thấp . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.3. Tính bảo mật cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.4. Chống lại hiện tượng đa đường . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.5. Cấu trúc bộ phát thu đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3. Những thách thức của UWB [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1. Méo dạng xung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2. Ước lượng kênh phức tạp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.3. Yêu cầu đồng bộ kênh cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4
1.4. So sánh UWB với một số chuẩn truyền thông khác [9] . . . . . . . . 17
1.4.1. Mức tiêu thụ công suất và năng lượng . . . . . . . . . . . . 17
1.4.2. Tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu . . . . . . . . . . . . . 20
1.5. Ứng dụng của UWB [4, 11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.1. Mạng cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.2. Mạng vô tuyến cá nhân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.3. Ra đa [19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 24
2.1. Kỹ thuật phân tập tần số [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2. Kỹ thuật phân tập không gian [1, 21] . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3. Kỹ thuật phân tập thời gian [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. Kỹ thuật phân tập phân cực [22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1. Lý thuyết đảo ngược thời gian [2, 7, 8, 11, 16] . . . . . . . . . . . . 30
3.2. Mô phỏng kỹ thuật đảo ngược thời gian . . . . . . . . . . . . . . . 31
CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG MU-UWB 35
4.1. Mô hình hệ thống MU-SISO-UWB-TR[7] . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.2. Mô hình hệ thống MU-MISO-UWB-TR[7] . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3. Mô hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] . . . . . . . . . . . . . 41
CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG KÊNH HỆ THỐNG
MU-UWB 50
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT ĐẢO NGƯỢC MIỀN THỜI GIAN 29
5
5.1. Dung lượng kênh hệ thống MU-UWB . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.1.1. Dung lượng kênh hệ thống MU-SISO-UWB-TR [7] . . . . . 50
5.1.2. Dung lượng kênh hệ thống MU-MISO-UWB-TR [7] . . . . . 51
5.1.3. Dung lượng kênh hệ thống MU-MIMO-UWB-TR [19] . . . . 52
5.2. Các kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.1. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-SISO-UWB-TR . . . . . . 53
5.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-MISO-UWB-TR . . . . . . 55
5.2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống MU-MIMO-UWB-TR . . . . . 57
KẾT LUẬN 67
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 68
Tài liệu tham khảo 69
6
Danh sách bảng
1.2.1 Giới hạn dải tần hoạt động trong các ứng dụng của UWB . . . . 14
1.2.2 Ưu điểm và lợi ích của truyền thông UWB . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.3 So sánh dòng tiêu thụ chipset của các giao thức . . . . . . . . . . 18
5.2.4 Các thông số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7
Danh sách hình vẽ
1.1.1 Mật độ phổ của tín hiệu UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 Tín hiệu UWB hoạt động ở mức công suất thấp . . . . . . . . . . 13
1.2.3 Hiện tượng đa đường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.4 Tiêu thụ công suất của một số chuẩn truyền thông không dây . . 19
1.4.5 Tiêu thụ năng lượng của một số chuẩn truyền thông không dây . 19

1.4.6 So sánh tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu của một số chuẩn
truyền thông không dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.7 Ứng dụng UWB trong mạng WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.8 Ứng dụng của UWB trong ra đa quân sự . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.9 Phân tập tần số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.10 Cấu hình anten trong hệ thống không dây . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.11 Phân tập thời gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.12 Kỹ thuật ghép xen kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.13 Phân tập phân cực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.14 Phân tập kết hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.15 Mô hình hệ thống UWB sử dụng kỹ thuật đảo ngược thời gian TR 31
3.2.16 Hình ảnh đáp ứng xung h(t) và đảo ngược thời gian của h
∗
(−t) . 32
3.2.17 Công suất tín hiệu được tập trung tại tap L - 1 hướng đến người
dùng mong muốn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.18 Mô hình hệ thống MU-SISO-UWB-TR . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.19 Mô hình hệ thống MU-MISO-UWB-TR . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.20 Mô hình hệ thống MU-MIMO-UWB-TR . . . . . . . . . . . . . . 42
8
5.2.21 SINR trung bình của hệ thống MU-SISO-UWB-TR . . . . . . . . 54
5.2.22 Dung lượng kênh của hệ thống MU-SISO-UWB-TR . . . . . . . . 55
5.2.23 SINR trung bình của hệ thống MU-MISO-UWB-TR . . . . . . . 56
5.2.24 Dung lượng kênh của hệ thống MU-MISO-UWB-TR . . . . . . . 57
5.2.25 SINR của kênh MIMO không tương quan . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.26 Dung lượng kênh MIMO không tương quan . . . . . . . . . . . . 59
5.2.27 SINR kênh MIMO tương quan phát = 0.3 và tương quan thu = 0.2 60
5.2.28 Dung lượng kênh MIMO tương quan phát = 0.3 và tương quan
thu = 0.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.29 Ảnh hưởng tương quan phát lên dung lượng kênh hệ thống MU-

UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.30 Ảnh hưởng tương quan thu lên dung lượng kênh hệ thống MU-UWB 62
5.2.31 So sánh dung lượng kênh không có sự tương quan . . . . . . . . . 63
5.2.32 Dung lượng kênh với tương quan phát lớn nhất . . . . . . . . . . 64
5.2.33 Dung lượng kênh với tương quan thu lớn nhất . . . . . . . . . . . 65
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• AWGN: Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gauss trắng cộng
• BS: Base Station - Trạm cơ sở/Trạm phát
• CIR: Channel Impulse Response - Đáp ứng xung kênh truyền
• FCC: Federal Communication Commission - Ủy ban truyền thông liên ban
Mỹ
• IR: Impulse Radio - Vô tuyến xung hẹp
• LOS: Line of Sight - Tầm nhìn thẳng
• MIMO: Multi Input Multi Output - Đa đầu vào đa đầu ra
• MISO: Multi Input Single Output - Đa đầu vào một đầu ra
• MU-UWB: Multi User Ultra Wideband - Băng siêu rộng đa người dùng
• MU-SISO-UWB-TR: Multi User Single Input Single Output Ultra Wideband
Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng một đầu vào một
đầu ra đa người dùng
• MU-MISO-UWB-TR: Multi User Multi Input Single Output Ultra Wide-
band Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đa đầu vào
một đầu ra đa người dùng
• MU-SIMO-UWB-TR: Multi User Single Input Multi Output Ultra Wide-
band Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đơn đầu vào
đa đầu ra đa người dùng
• MU-MIMO-UWB-TR: Multi User Multi Input Multi Output Ultra Wide-
band Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian băng siêu rộng đa đầu vào
đa đầu ra đa người dùng
• NLOS: Non-Line of Sight - Tầm nhìn bị che khuất
• LOS: Line of Sight - Tầm nhìn thẳng

• PSD: Power Spectral Density - Mật độ phổ công suất
• SIMO: Single Input Multi Output - Một đầu vào đa đầu ra
• SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio - Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và
liên nhiễu
9
• TR: Time Reversal - Đảo ngược miền thời gian
• TRM: Time Reversal Mirror - Bộ đảo ngược miền thời gian
• UWB: Ultra Wideband - Băng siêu rộng
• IAI: Inter Antenna Interference - Nhiễu liên anten
• IUI: Inter User Interference - Nhiễu liên người dùng
• ISI: Inter-Symbol Interference - Nhiễu liên ký tự
• WPAN: Wireless Personal Area Network - Mạng vô tuyến cá nhân
10
MỞ ĐẦU
Băng siêu rộng (Ultra Wideband - UWB) là công nghệ truyền thông không dây,
cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trên một phổ tần rộng lớn với công suất phát
rất thấp. Ngoài ra, UWB giải quyết một cách hoàn hảo các vấn đề về hạn chế băng
thông trong môi trường không dây, có thể đáp ứng được sự mong mỏi của các nhà
phát triển ứng dụng băng rộng và tốc độ cao [12, 13, 15]. Bên cạnh đó, UWB được
phát triển để có thể truyền tín hiệu ở cả hai môi trường không bị che chắn LOS
và bị che chắn NLOS (thậm chí có khả năng xuyên thấu các vật cản như tường xi
măng, đất đá )
Tuy nhiên, các kênh truyền trong thực tế đều là các kênh pha đinh [3, 6, 14], vì
thế các tác động của kênh pha đinh này sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng
truyền dẫn trong hệ thống UWB phục vụ đa người dùng. Hiện tại, đã có nhiều giải
pháp được ứng dụng để khắc phục vấn đề này, nhưng đa số các kỹ thuật đó đều
rất phức tạp, gây khó khăn cho việc thiết kế nhỏ gọn các thiết bị di động đầu cuối.
Một giải pháp có thể khắc phục vấn đề này là sự kết hợp giữa hệ thống UWB với
hai kỹ thuật là đa anten đầu vào - đa anten đầu ra MIMO và đảo ngược thời gian
TR (Time Reversal). Hai kỹ thuật này kết hợp vào trong công nghệ UWB được

đánh giá là hoàn hảo để cải thiện tốc độ truyền dẫn và giảm thiểu các ảnh hưởng
xấu của kênh truyền tới chất lượng tín hiệu thu trong hệ thống đa người dùng
UWB (MU-UWB)[2, 8, 16]. Kỹ thuật MIMO nổi bật với khả năng chống hiệu ứng
pha đinh cực kỳ tốt bằng cách sử dụng đa ăn-ten phát và đa ăn-ten thu để tăng
độ phân tập và đồng thời cũng giúp hệ thống cải thiện tốc độ truyền dẫn một cách
đáng kể [17, 18]. Kỹ thuật đảo ngược thời gian (TR) được ứng dụng trong UWB
để tận dụng các ưu điểm vốn có của nó là đơn giản nhưng lại có khả năng cực kỳ
mạnh trong việc giảm các tác động xấu lên tín hiệu người dùng mong muốn: như
nhiễu liên ký tự (Inter-Symbol Interference - ISI), nhiễu liên người dùng (Inter-User
Interference - IUI), nhiễu liên anten (Inter-anten Interference - IAI). Trong luận
văn này, tôi sẽ tập trung xây dựng mô hình hệ thống UWB đa người dùng kết hợp
sử dụng hai kỹ thuật MIMO và TR, từ đó tôi xây dựng mô hình toán học và đưa
ra đánh giá dung lượng kênh truyền của các mô hình: MU-SISO-UWB-TR, MU-
MISO-UWB-TR và MU-MIMO-UWB-TR. Tương ứng nội dung được phát thảo
trên đây, luận văn của tôi được trình bày trong 5 chương:
• Chương 1: Giới thiệu về truyền thông UWB
• Chương 2: Các kỹ thuật phân tập
• Chương 4: Mô hình hệ thống MU-UWB
• Chương 3: Kỹ thuật đảo ngược miền thời gian TR
11
• Chương 5: Phân tích dung lượng kênh hệ thống MU-UWB
12
11
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.
1.1. 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 MHz trong giới hạn phổ từ 3.1 GHz đến
10.6 GHz. Tỷ lệ băng thông được cho bởi công thức:
2
f
h
− f
l
f
h
+ f
l
(1.1)
Trong đó: f
h
và f
l
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−41.3 dBm/MHz.
12
Hình 1.1.1: Mật độ phổ của tín hiệu UWB
1.2. Ưu điểm của UWB [11, 20]
1.2.1. 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.
C = Blog
2
(1 +
S
N
) (1.2)
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
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.

1.2.2. Hoạt động với mức công suất thấp
FCC đưa ra quy định công suất giới hạn cho hệ thống UWB là −41.3 dBm/MHz,
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.
Hình 1.2.2: 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 1.2.1: Giới hạn dải tần hoạt động trong các ứng dụng của UWB
14
Ứng dụng Dải tần hoạt động ở Part.15 Giới hạn người dùng
Đo lường và thông tin 3.1 đến 10.6 GHz Không giới hạn
Ra đa dò xuyên đất, y học 960 MHz hoặc 3.1 đến 10.6 GHz Có giới hạn
Hình ảnh xuyên tường 960 MHz hoặc 1.99 đến 10.6 GHz Có giới hạn
Giám sát hình ảnh 1.99 đến 10.6 GHz Có giới hạn
Phương tiện giao thông 22 đến 29 GHz Không giới hạn
1.2.3. 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.
1.2.4. 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.
Hình 1.2.3: 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
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.
1.2.5. 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 1.2.2: 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
1.3. 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.
16
1.3.1. Méo dạng xung
Theo Friis, phương trình truyền sóng có dạng như sau:
P
r
= P
t
G
t
G
r

c
4πdf

2
(1.3)
Trong đó:
P
t
, P
r
: lần lượt là công suất phát và công suất nhận (dBm)

G
t
, G
r
: 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.
1.3.2. 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.
1.3.3. 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
17
thống UWB rất dễ bị lỗi nếu đồng bộ thời gian không tốt.
1.4. 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.
1.4.1. 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. Cho nên, nó đưa ra mức tiêu thụ công suất thấp
và không ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sống của thiết bị. UWB được đề xuất
cho khoảng cách ngắn và hỗ trợ ứng dụng tốc độ cao. Trong khi đó, Wi-Fi được
thiết kế có truyền thông khoảng cách dài hơn và hỗ trợ các thiết bị với công suất
tiêu thụ tương đối cao.
Để so sánh công suất tiêu thụ, ta so sánh bốn sản phẩm tiêu biểu cho bốn giao thức
gồm có XS110, BlueCore2, CC2430 và CX53111. Dòng tiêu thụ của việc truyền và
nhận đối với mỗi giao thức được chỉ ra ở bảng 1.3. Hình chỉ rõ công suất tiêu thụ
theo đơn vị mW đối với mỗi giao thức. Rõ ràng, Bluetooth và ZigBee tiêu tốn ít
năng lượng hơn ro với UWB và Wi-Fi. Hình 1.5 cho thấy kết quả so sánh năng
lượng tiêu thụ chuẩn hóa dựa trên tốc độ bit. Nếu xét theo đơn vị mJ/Mb thì
UWB và Wi-Fi tiêu thụ năng lượng hiệu quả hơn hai giao thức còn lại. Nói tóm
lại, Bluetooth và ZigBee phù hợp với các ứng dụng có tốc độ dữ liệu thấp với công
suất pin hạn chế (như các thiết bị di động và mạng cảm biến hoạt động nhờ pin),
bởi vì công suất tiêu thụ thấp dẫn đến thời gian sống dài. Mặt khác, với các ứng
dụng yêu cầu tốc độ dữ liệu cao (như các hệ thống giám sát âm thanh/hình ảnh)
thì UWB và Wi-Fi là lựa chọn ưu việt hơn bởi vì hai giao thức này có năng lượng
tiêu thụ thấp.
18
Bảng 1.4.3: So sánh dòng tiêu thụ chipset của các giao thức
Một ví dụ về tiêu thụ công suất giữa các chuẩn truyền thông: Bluetooth, Zigbee,
Wifi và UWB được cho dưới dạng biểu đồ hình cột.
Kết quả tiêu thụ công suất:
Hình 1.4.4: Tiêu thụ công suất của một số chuẩn truyền thông không dây
Kết quả tiêu thụ năng lượng:

19
Hình 1.4.5: Tiêu thụ năng lượng của một số chuẩn truyền thông không dây
Bluetooth và ZigBee thích hợp cho các ứng dụng tốc độ thấp với nguồn năng lượng
bị hạn chế (như các thiết bị di động và các mạng cảm biến hoạt động bằng pin),
bởi vì công suất tiêu thụ thấp dẫn đến thời gian sống dài. Mặt khác, để đáp ứng
cho các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao, UWB và Wifi sẽ là giải pháp tốt hơn bởi vì
năng lượng tiêu thụ chuẩn hóa thấp. Như vậy, dựa vào kết quả từ hình vẽ, UWB
là công nghệ hoạt động hiệu quả về mặt năng lượng nhất.
20
1.4.2. Tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu
Hình 1.4.6: So sánh tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu của một số chuẩn
truyền thông không dây
UWB không có lợi thế trong truyền khoảng cách xa, nó thích hợp trong truyền
thông khoảng cách ngắn, nhưng đổi lại UWB có tốc độ cực kì cao, nếu được kết
hợp các kỹ thuật thích hợp thì trong tương lai UWB có thể đạt đến tốc độ Gbps.
Đây là một tốc độ trong mơ dành cho các chuẩn truyền thông không dây.
1.5. Ứng dụng của UWB [4, 11]
UWB đã triển khai rất nhiều ứng dụng trong đời sống và trong quân sự. Theo dự
đoán của các chuyên gia, UWB sẽ tiếp tục phát triển rực rỡ trong các ứng dụng
khoảng cách ngắn, công suất thấp và tốc độ truyền cao. Trong phần này, chúng
tôi xin trình bày một số ứng dụng của UWB hiện đã và đang triển khai trên thực
tế: đó là mạng cảm biến, mạng vô tuyến cá nhân và Ra đa.
1.5.1. Mạng cảm biến
Một trong những lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của UWB là mạng cảm biến
với tốc độ dữ liệu thấp, bị hạn chế về kích thước cũng như mức tiêu thụ năng
lượng. Mạng cảm biến là mạng bao gồm nhiều node cảm biến có kích thước nhỏ,
21
có khả năng tính toán trải trên một vùng nào đó. Yêu cầu của một mạng cảm biến
là giá thành rẻ, tiêu tốn ít năng lượng và đa chức năng. Trong khi đó, các hệ thống
truyền thông UWB tốc độ cao cho phép trao đổi một lượng lớn thông tin cảm biến

trong thời gian ngắn. Ứng dụng công nghệ UWB vào mạng cảm biến vừa làm tăng
tốc độ trao đổi dữ liệu, vừa thỏa mãn được những yêu cầu về năng lượng và giá
thành. Nhờ khả năng cảm biến chính xác, mạng cảm biến thông minh sử dụng
UWB còn cho phép thực hiện các phép đo từ xa, các túi khí thông minh, dùng để
hỗ trợ điều khiển giao thông nhằm giảm thiểu tai nạn hay là tạo ra các bãi đỗ xe
thông minh.
1.5.2. Mạng vô tuyến cá nhân
Mạng vô tuyến cá nhân là mạng kết nối các thiết bị truyền thông, thiết bị di động
trong phạm vi ngắn lại với nhau. Nó cho phép truyền thông âm thanh và hình
ảnh thời gian thực với chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ. Đây
là một trong những lĩnh vực ứng dụng quan trọng của UWB. Đặc biệt hơn, các
thiết bị gần gũi trong gia đình: như ti vi, tủ lạnh, máy tính, các bộ cảm biến.
giao tiếp với nhau qua giao diện vô tuyến, đồng thời có thể xác định được vị trí
và thông số hoạt động của các thiết bị thông qua mạng cảm biến. Rõ ràng, việc
ứng dụng UWB vào mạng WPAN mang đến một tương lai đầy hứa hẹn trong việc
điều khiển từ xa các thiết bị trong nhà, kiểm soát hệ thống an ninh .
Hình 1.5.7: Ứng dụng UWB trong mạng WPAN