Công nghệ UWB và WPAN trong chuẩn IEEE 802 15 4a

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................................... 7
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 9
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ UWB, WPAN ............................................ 10
1.1 Lịch sử phát triển...................................................................................................... 10
1.2 Định nghĩa tín hiệu UWB ........................................................................................ 11
1.3 Ƣu nhƣợc điểm......................................................................................................... 13
1.3.1 Ƣu điểm: ............................................................................................................ 13
1.3.2 Nhƣợc điểm ....................................................................................................... 14
1.4 Mạng WPAN và ứng dụng của UWB trong mạng WPAN...................................... 15
1.4.1 Khái niệm mạng WPAN .................................................................................... 15
1.4.2 Phân loại mạng WPAN ...................................................................................... 15
1.4.3 Ứng dụng của UWB trong mạng WPAN .......................................................... 16
1.5 Truyền thông UWB .................................................................................................. 17
1.5.1 Các phƣơng pháp điều chế trong truyền thông UWB ....................................... 17
1.5.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM) ............................................................................. 18
1.5.1.2 Điều chế pha hai trạng trạng thái BPSK ......................................................... 20
1.5.1.3 Điều chế dạng xung (PSM)............................................................................. 21
1.5.1.4 Điều chế biên độ xung .................................................................................... 22
1.5.2 Các kỹ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB ................................................ 22
1.5.2.1 Nhảy thời gian (TH) ....................................................................................... 23
1.5.2.2 Trải phổ trực tiếp (DS).................................................................................... 25
1.5.3 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống UWB ................................................................. 26

1


CHƢƠNG II: CHUẨN IEEE 802.15.4A ....................................................................... 29

2.1 Mục đích................................................................................................................... 29
2.2 Mô hình tín hiệu ....................................................................................................... 29
2.2.1 Tín hiệu phát đi theo phƣơng pháp điều chế PAM ............................................ 30
2.2.2 Tín hiệu phát đi theo phƣơng pháp điều PPM ................................................... 31
2.3 Cấu trúc khung vật lý UWB ..................................................................................... 31
2.4 Quá trình mã hóa PPDU ........................................................................................... 31
2.4.1 Mã hóa Reed-Solomon ...................................................................................... 33
2.4.2 Các bit kiểm tra SECDED ................................................................................. 34
2.4.3 Mã chập.............................................................................................................. 34
2.5 Phần dữ liệu PSDU .................................................................................................. 35
2.5.1 Các thông số PSDU ........................................................................................... 36
2.5.2 Điều chế PSDU .................................................................................................. 40
2.6 Phần mở đầu SHR .................................................................................................... 43
2.6.1 Cấu trúc phần mở đầu SHR ............................................................................... 43
2.6.2 Thông số định thời mã mở đầu .......................................................................... 48
2.7 Phần vật lý PHR .................................................................................................... 51
2.8 Một số kiến trúc máy thu ......................................................................................... 53
2.8.1 Máy thu noncoherent ......................................................................................... 53
2.8.2 Máy thu coherent ............................................................................................... 54
CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU ĐỊNH VỊ VỚI ĐỘ CHUẨN XÁC CAO SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ UWB/ IEEE 802.15.4A ......................................................................... 56
3.1 Nguyên lý định vị ..................................................................................................... 56
3.2 Các loại phép đo ....................................................................................................... 56
3.2.1 Cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc (RSS).................................................................. 57
3.3.2 Góc đến (AOA).................................................................................................. 60
3.2.3 Thời gian đến (TOA) ......................................................................................... 63

2

3.2.4 Độ lệch thời gian đến (TDOA) ......................................................................... 65
3.3. Sử dụng tín hiệu UWB trong định vị ...................................................................... 67
3.3.1 Định vị dựa trên thời gian .................................................................................. 67
3.3.2 Các lỗi trong việc xác định vị trí dựa vào thời gian .......................................... 69
3.3.2.1 Tín hiệu truyền đa đƣờng................................................................................ 69
3.3.2.2 Nhiễu đa truy nhập.......................................................................................... 72
3.3.2.3 Đƣờng truyền bị cản trở tầm nhìn thẳng......................................................... 73
3.3.3 Phép đo khoảng cách dựa vào thời gian ............................................................ 73
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 78

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo
viên hƣớng dẫn TS. Đặng Quang Hiếu. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề
tài này là trung thực. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích,
đánh giá đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi trong phần tài liệu
tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
trƣớc Hội đồng, cũng nhƣ kết quả luận văn của mình.
Tác giả

Đoàn Minh Đức

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AOA
BPM-BPSK

Angle of arrival
Burst position ModulationBinarry phase shift keying

FCC
IR-UWB
LR-PAN
LOS
LFSR

Federal Communications
Commission
Impulse radio Ultra-WideBand
Low rate personal area network
Light of sight
Linear feedback shift register

MPC
NLOS
PAM
PPM
PPDU
PSDU
PHR
PRF
SYNC
SFD

SHR
RSS

Multiple path component
Non-Light of sight
Pulse amplitude Modulation
Pulse Position Modulation
PHY Protocol data unit
PHY service data unit
PHY header
Pulse repetition frequency
Synchronistion
Start of frame delimiter
Synchronisation Header
Received signal strength

TOA
TDOA
RN
TN
UWB
WPAN

Time of arrival
Time difference of arrival
Refference Node
Target Node
Ultra-WideBand
Wireless personal area network

5

Góc đến
Kết hợp điều chế vị trí
nhóm xung và khóa dịch
pha nhị phân
Ủy ban truyền thông liên
Bang Mỹ
Mạng cá nhân tốc độ thấp
Tầm nhìn thẳng
Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến
tính
Thành phần đa đƣờng
Môi trƣờng có vật chắn
Điều chế biên độ
Điều chế vị trí xung
Đơn vị dữ liệu tầng vật lý
Đơn vị dữ liệu
Phần thông tin vật lý
Tần số lặp lại xung
Phần đồng bộ
Phần kết thúc SHR
Phần đồng bộ đủ
Cƣờng độ tín hiệu nhận
đƣợc
Thời gian đến
Chênh lệch thời gian đến
Nút tham chiếu
Nút mục tiêu
Băng tần siêu rộng

Mạng cá nhân không dây


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Các tham số liên quan PSDU ........................................................................ 37
Bảng 2.2: Ví dụ trạng thái khởi tạo LFSR cho mã mở đầu ........................................... 42
Bảng 2.3: Chuỗi mã chiều dài 31 ................................................................................... 45
Bảng 2.4: Chuỗi mã chiều dài 127 ................................................................................. 46
Bảng 2.5: Thông số mở đầu lớp vật lý UWB................................................................. 48
Bảng 2.6: Các tham số phụ thuộc khung vật lý UWB ................................................... 49
Bảng 2.7: Bit PHR.......................................................................................................... 51
Bảng 2.8: Tốc độ dữ liệu trung bình .............................................................................. 51
Bảng 2.9: Độ dài mở đầu ............................................................................................... 51
Bảng 3.1: Ảnh hƣởng môi trƣờng đối với phép đo RSS ................................................ 59

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bề rộng băng thông của tín hiệu UWB. ......................................................... 11
Hình 1.2: Minh họa một xung Gauss có độ rộng 2ns. ................................................... 12
Hình 1.3: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB. ................ 13
Hình 1.4: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB ................................................................. 17
Hình 1.5: Phân loại các phƣơng pháp điều chế trong truyền thông UWB .................... 18
Hình 1.6: Hàm tự tƣơng quan chuẩn hóa của các dạng sóng khác nhau ....................... 20
Hình 1.7: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn ............................... 24
Hình 1.8: Sơ đồ khối bộ phát UWB tổng quát ............................................................... 27
Hinh 1.9: Sơ đồ khối bộ thu UWB tổng quát. ................................................................ 27
Hình 2.1: Mô hình tín hiệu UWB PHY ......................................................................... 29
Hình 2.2: Tín hiệu phát đi điều chế PAM ...................................................................... 30

Hình 2.3: Tín hiệu phát đi điều chế PPM ....................................................................... 31
Hình 2.4 Quá trình mã hóa PPDU .................................................................................. 32
Hình 2.5: Bộ tạo mã chập ............................................................................................... 35
Hình 2.6: Cấu trúc của symbol UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a ............................... 35
Hình 2.7: Sơ đồ mã hóa dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a ........................................ 40
Hình 2.8: Điều chế symbol............................................................................................. 41
Hình 2.9: Thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính LFSR....................................................... 42
Hình 2.10: Cấu trúc phần mở đầu SHR ......................................................................... 45
Hình 2.11: Sơ đồ khối máy thu TR-UWB đơn giản ...................................................... 53
Hình 2.12: Sơ đồ khối máy thu ED-UWB đơn giản ...................................................... 54
Hình 2.13: Sơ đồ khối máy thu Rake ............................................................................. 55
Hình 3.1: Vị trí có thể của nút mục tiêu ......................................................................... 57
Hình 3.2: Vùng vị trí có thể xác định của nút mục tiêu ................................................. 57
Hinh 3.3 Giới hạn lý thuyết để ƣớc tính khoảng cách dựa trên các phép đo RSS ở
những khoảng cách khác nhau cho các mô hình kênh khác nhau. ................................. 59
7


Hình 3.4: Góc đến giữa nút tham khảo và nut mục tiêu ................................................ 60
Hình 3.5: Sự khác biệt giữa thời gian đến và góc đến AOA ......................................... 61
Hình 3.6: CRLB so với SNR cho độ rộng xung khác nhau ........................................... 63
Hình 3.7: Độ lệch chuẩn tối thiểu so với SNR cho độ rộng xung khác nhau ................ 65
Hình 3.8: Vị trí nút mục tiêu qua phép đo TDOA ......................................................... 66
Hình 3.9: Liên hệ đo phạm vi và xác định vị trí với số nút tham chiếu Nm=3 .............. 68
Hình 3.10: Minh họa vấn đề của ƣớc lƣợng TOA trong một kênh đa đƣờng. ............... 70
Hình 3.11 Bốn trƣờng hợp đơn giản liên quan đến trạng thái LOS và NLOS. ............. 70
Hình 3.12: Mô phỏng nhiễu SLI .................................................................................... 71

8

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày này, việc trao đổi thông tin, giao tiếp từ xa trở thành nhu
cầu không thể thiếu. Các hệ thống truyền dẫn liên tục ra đời với mong muốn truyền
thông tin đi xa hơn, tốc độ nhanh hơn và dung lƣợng lớn hơn nhằm đáp ứng mọi nhu
cầu của con ngƣời. Trong đó truyền thông không dây là một lĩnh vực có nhiều tiềm
năng đặc biệt trong mảng băng tần siêu rộng. Công nghệ băng tần siêu rộng UWB là
một công nghệ mới ở Việt Nam và là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng cao. Các
ứng dụng phổ biến của công nghệ UWB là: quản lý tài sản trong kho, ngôi nhà thông
minh, quản lý bệnh nhân trong bệnh viện… dựa trên việc định vị với độ chính xác cao,
tiêu thụ năng lƣợng thấp.
Với mong muốn tìm hiểu công nghệ mới và các ứng dụng của nó trong luận văn
này sẽ tìm hiểu về công nghệ UWB, ứng dụng của UWB, ƣu nhƣợc điểm của công
nghệ UWB, mô hình UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a và ứng dụng của UWB trong
định vị. Luận văn đƣợc chia làm 3 phần chính. Trong đó, phần 1 giới thiệu tổng quan
về công nghệ UWB và nói đến lịch sử phát triển, ƣu nhƣợc điểm, các sơ đồ khối hệ
thống máy thu, phát tổng quát. Phần 2 đề cập đến chuẩn IEEE 802.15.4a, mô hình tín
hiệu của UWB theo chuẩn. Phần 3 đề cập đến ứng dụng cụ thể của công nghệ UWB là
định vị với độ chuẩn xác cao.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Đặng Quang Hiếu đã nhiệt tình hƣớng dẫn tôi
trong suốt quá trình làm luận văn. Các góp ý của thầy rất quan trọng giúp tôi hiểu rõ
thêm về lý thuyết hệ thống siêu băng rộng và từng bƣớc hoàn thành luận văn. Tôi cũng
cảm ơn bạn Dƣơng Tấn Nghĩa đã giúp đỡ tôi trong việc mô phỏng hệ thống, giúp tôi
làm sáng tỏ các vấn đề khúc mắc trong quá trình làm luận văn.

9


CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ UWB, WPAN
1.1 Lịch sử phát triển

Ngày nay, phƣơng pháp chiếm ƣu thế trong truyền thông vô tuyến dựa vào các
sóng dạng sin. Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nên phổ biến đến nỗi
nhiều ngƣời không biết rằng hệ thông truyền thông đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu
dạng xung. Năm 1893 Heirich Hertz sử dụng một bộ phát xung để tạo sóng điện tử cho
thí nghiệm của ông. Các sóng đó hiện nay có thể đƣợc gọi là các tạp âm màu. Trong
khoảng 20 năm sau những thí nghiệm đầu tiên của Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là
các bộ phát tia lửa điện giữa các điện cực cacbon.
Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông chủ
yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới đƣợc khởi động lại một cách
nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và truyền thông. Ứng
dụng trên lĩnh vực rada đƣợc chú ý rất nhiều vì có thể đạt đƣợc các kết quả chính xác
với các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn. Các thành phần tần số thấp
của tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo cơ sở để phát triển các loại rada
quan sát những vật thể che khuất nhƣ rada lòng đất. Năm 1973 có bằng sáng chế đầu
tiên cho truyền thông UWB. Lĩnh vực ứng dụng UWB đã chuyển theo hƣớng mới. Các
ứng dụng khác nhƣ điều khiển giao thông, các hệ thống định vị, đo mực nƣớc và độ
cao cũng đƣợc phát triển. Phần lớn các ứng dụng và phát triển diễn ra trong lĩnh vực
quân sự hay nghiên cứ đƣợc tài trợ bởi chính phủ Mỹ dƣới các chƣơng trình bí mật.
Trong quân đội các chƣơng trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ UWB nhƣ rada
chính xác hoạt động dƣới danh nghĩa các chƣơng trình nghiên cứu và phát triển. Điều
chú ý là trong những năm đầu, UWB đƣợc gọi là kỹ thuật băng gốc, kỹ thuật sóng
mang và kỹ thuật xung. Bộ Quốc phòng Mỹ đƣợc coi là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ
ultra wideband.
Những năm cuối thập kỷ 90 bắt đầu thƣơng mại hóa các hệ thống và thiết bị
truyền thông UWB. Đến tháng 2 năm 2002, tổ chức FCC (Federal Communication
10


Commission) phát hành bản báo cáo và quy định cho phép triển khai thƣơng mại với
yêu cầu mặt nạ phổ, quy định công suất phát tƣơng ứng với dải tần số cho các ứng

dụng trong nhà và ngoài trời. Đó là tiền đề cho các hoạt động nghiên cứu. Nhƣng năm
gần đây, công nghệ UWB tập trung vào truyền thông không dây và điện tử tiêu dùng.
1.2 Định nghĩa tín hiệu UWB
UWB viết tắt của từ Ultra Wide-Band để chỉ một kỹ thuật truyền thông sử dụng
tín hiệu có bề rộng phổ tần rất lớn so với tín hiệu băng hẹp truyền thống. Hai thông số
chính định nghĩa cho một tín hiệu đƣợc gọi là UWB là tỷ lệ băng thông Bfrac trên 0.2
hoặc là độ rộng băng thông tuyệt đối của tín hiệu lớn hơn 500 MHz. Độ rộng băng
thông là chênh lệch tần số cao nhất fH và tần số thấp nhất fL có nghĩa là fH – fL . Tỷ lệ
băng thông đƣợc tính theo công thức:
(1.1)
Với

là tần số trung tâm. Theo tổ chức FCC của Mỹ thì những tín

hiệu có fc lớn hơn 2.5GHz thì phải có độ rộng băng thông tuyệt đối B lớn hơn
500MHz, còn với tín hiệu có fc nhỏ hơn 2.5GHz thì phải có Bfrac lớn hơn 0.2 mới đƣợc
gọi là tín hiệu UWB.

Hình 1.1: Bề rộng băng thông của tín hiệu UWB.

11


Tín hiệu UWB có thể đƣợc biểu diễn theo nhiều dạng khác nhau: đáp ứng xung bậc 8
của bộ lọc Butterworth, hoặc dạng xung Gauss và các đạo hàm của xung Gauss.
Thƣờng chúng ta sử dụng đạo hàm bậc 2 của xung Gauss có biểu thức toán học nhƣ
sau:
(1.2)
Với A, ζ lần lƣợt đại diện cho biên độ và độ rộng của xung. Hình 1.2 minh họa hình
dạng của xung Gauss vẽ theo phƣơng trình (1.2).

Hình 1.2: Minh họa một xung Gauss có độ rộng 2ns.
Với đặc điểm bề rộng phổ tần quá lớn nhƣ vậy chúng cần phải tồn tại đƣợc trong môi
trƣờng với các băng tần hẹp khác của hệ thống khác. Để tránh nhiễu cho các hệ thống
đang hiện hành cần phải có quy định mức phát công suất đƣợc phép ứng với một dải
tần số nào đó. Một số nơi giới han này đƣợc đƣa ra nhƣ ở Mỹ do ủy ban truyền thông
liên bang Mỹ (FCC), sau đó là Ủy ban truyền thông Châu âu (ECC) và một số nơi khác

12


trên thế giới nhƣ Nhật bản. Theo tổ chức FCC thì với tần số 3.1 – 10 GHz mức công
suất tối đa cho phép là -41.3dBm/ MHz.

Hình 1.3: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB.
1.3 Ƣu nhƣợc điểm
1.3.1 Ƣu điểm:
* Tốc độ dữ liệu cao:
Theo công thức Shannon:
(

)
(1.3)

Trong đó C là dung lƣợng tối đa của kênh, B là băng tần của kênh [Hz]; S là
công suất tín hiệu [W] và N là công suất tạp âm [W].
Từ biểu thức ta thấy để tăng dung lƣợng của kênh thì ta có thể tăng băng thông,
tăng công suất tín hiệu hay giảm tạp âm. Do độ rộng băng thông của UWB khoảng vài
GHz do vậy tốc độ dữ liệu khá cao
* Độ chính xác cao:

13


Do xung UWB cực ngắn nên các hệ thống UWB có thể sử dụng trong ứng dụng
định vị và tìm kiếm
* Có khả năng chống đa đƣờng:
Hiện tƣợng đa đƣờng xuất hiện khi tín hiệu truyền từ máy phát sang bên máy
thu do tác động của phản xạ, khúc xa, tán xạ… mà tín hiệu đến theo nhiều đƣờng với
thời gian trễ khác nhau. Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian của một
ký hiệu thì nó chịu tác động của fading. Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai đƣờng liên
tiếp không xung đột và có thể nhận dạng đƣợc. Do đó, có thể nói rằng UWB có thể
chống lại hiện tƣợng đa đƣờng
* Có thể thực thi máy thu giá thấp:
Do công suất của tín hiệu UWB thấp, chip RF và chip baseband có thể đƣợc
tích hợp thành một chip sử dụng công nghệ CMOS. Bộ chuyển đổi tần số bộ khếch đại
công suất đƣợc sử dụng trong hệ thống băng hẹp là không cần thiết cho hệ thống
UWB. Do đó, UWB có máy thu phát giá cả thấp trong khi tốc độ phát dữ liệu cao
* Bảo mật:
Tín hiệu UWB có mật độ phổ công suất rất thấp. Các hệ thống UWB hoạt động
gần nền nhiễu, do đó nó cực kỳ khó cho nhận biết các ngƣời dùng và dò tín hiệu UWB
1.3.2 Nhƣợc điểm
Một số thách thức mà các nhà nghiên cứu và phát triển cần phải vƣợt qua để trở
thành công nghệ phổ biến và ứng dụng khắp mọi nơi.
Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa các
ngƣời dùng khác nhau. Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều ngƣời cũng sử
dụng có băng tần nằm trong dải tần này có thể bị ảnh hƣởng và cần phải chắc chắn
rằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ. Đặc biệt là trong
trƣờng hợp những ngƣời dùng này đƣợc độc quyền sử dụng dải tần của họ. Do đó giải
quyết vấn đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ thống UWB.

14


Những thách thức khác bao gồm cả việc các nhà sản xuất chấp nhận các tiêu
chuẩn để đảm bảo sự tƣơng thích giữa các thiết bị UWB. Hiện nay chƣa có sự nhất trí
hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũng nhƣ các
thiết bị là rất rõ ràng.
Giá thành thấp nhƣng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại bỏ
nhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên tƣơng
đƣơng với các thiết bị vô tuyến hiện tại.
Ngoài ra, còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai về hệ thống. Có thể
kể đến một số vấn đề nhƣ: tạo ra xung UWB là khó do xung rất hẹp, khả năng tồn tại
với các hệ thống thông tin, chế tạo bộ ADC phải lấy mẫu tốc độ cao, việc đồng bộ
hóa…
1.4 Mạng WPAN và ứng dụng của UWB trong mạng WPAN
1.4.1 Khái niệm mạng WPAN
Mạng cá nhân không dây WPAN (wireless Personal Area Network) đƣợc sử
dụng để phục vụ truyền thông tin trong những khoảng cách tƣơng đối ngắn. Không
giống mạng WLAN (mạng cục bộ không dây) nhằm thỏa mãn nhu cầu của các vùng tế
bào nhỏ hơn nhƣng lại có lƣu lƣợng dữ liệu và mật độ ngƣời dùng cao, khoảng cách
tƣơng đối xa (khoảng 100m), mạng WPAN tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển
dữ liệu trong những khoảng không gian nhỏ hơn.
Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lƣợng nhỏ, tiêu tốn ít năng
lƣợng, vận hành trong vùng không gian nhỏ. Chính vì thế mà nó tận dụng đƣợc tốt nhất
ƣu điểm của kỹ thuật sử dụng lại kênh tần số, đó là giải quyết đƣợc vấn đề về băng tần
nhƣ hiện nay.
1.4.2 Phân loại mạng WPAN
IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN, chúng đƣợc phân biệt
thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lƣợng và chất lƣợng dịch vụ.

15


- WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa
phƣơng tiện yêu cầu chất lƣợng dịch vụ cao.
- WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1/ Bluetooth) đƣợc ứng dụng
trong các mạng điện thoại tế bào đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA có chất lƣợng dịch
vụ phù hợp cho thông tin thoại.
- WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4a/ LR-WPAN) dùng trong các sản phẩm
công nghiệp dùng có thời hạn, các ứng dụng y học đòi hỏi mức tiêu hao năng lƣợng
thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và chất lƣợng dịch vụ. Chính tốc độ thấp
truyền dữ liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lƣợng. Trong chuẩn này thì
công nghệ UWB/IEEE802.15.4a là một ví dụ điển hình.
1.4.3 Ứng dụng của UWB trong mạng WPAN
Ứng dụng UWB trong các mạng WPAN là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của
UWB. Trong một khoảng cách ngắn (thƣờng là từ 10-20 m) giữa các thiết bị di động,
các thiết bị truyền thông, cho phép truyền thông video và audio thời gian thực chất
lƣợng cao, truyền file giữa các hệ thống lƣu trữ, có thể xây dựng hệ thống với các thiết
bị toàn số trong nhà trong tƣơng lai gần. Một điểm khác nữa là tất cả các thiết bị có thể
đƣợc kết nối tốc độ cao với nhau qua giao diện vô tuyến. Nó kết nối tất cả các loại thiết
bị đa dạng nhƣ: các PDA, máy di động, TV, tủ lạnh, máy tính và tất cả các bộ cảm biến
đồng thời các thiết bị này có thể biết đƣợc vị trí của các thiết bị khác do khả năng định
vị của tín hiệu UWB. Điều này mở ra một loạt các khả năng áp dụng các dịch vụ mới.
Chẳng hạn nhƣ điều khiển từ xa từ thiết bị di động các ứng dụng trong nhà hay hệ
thống an ninh thực hiện nhận diện và mở cửa cho bạn v.v. Do đó, kĩ thuật UWB phát
triển có thể xây dựng lớp vật lí đầy hứa hẹn cho các hệ thống WPAN do đặc điểm tốc
độ cao trên khoảng cách ngắn, với giá thấp, công suất thấp và tỉ lệ thời gian chiếm thấp.

16

TV

Điện thoại cầm tay

Computer

Dịch vụ băng rộng: cáp
quang, vệ tinh, xDSL, v,v

Home gateway

Máy in

Máy fax
PDA

Bàn phím
Lactop

Máy ảnh số
Chuột

Hình 1.4: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB
1.5 Truyền thông UWB
1.5.1 Các phƣơng pháp điều chế trong truyền thông UWB
Một xung UWB đơn bản thân nó không chứa thông tin. Chúng ta cần đƣa thông
tin số vào các xung bằng các phƣơng pháp điều chế. Trong hệ thống UWB có một vài
phƣơng pháp điều chế cơ bản đƣợc phân thành hai loại: các kỹ thuật dựa trên thời gian

và dựa trên dạng xung.
Phƣơng pháp điều chế phổ biến nhất trong lý thuyết về UWB là điều chế vị trí
xung (PPM) trong đó mỗi xung có độ trễ đƣợc điều chỉnh lệch so với vị trí truyền dẫn
danh định một khoảng thời gian chính xác. Do đó có thể thiết lập hệ thống truyền thông

17


nhị phân bằng cách dịch các xung chính xác lên phía trƣớc hoặc về phía sau. Mặt khác
bằng việc xác định độ trễ xác định cho mỗi xung, có thể tạo hệ thống điều chế M trạng
thái.
Kỹ thuật dựa trên dạng xung
Kỹ thuật dựa trên
thời gian
Điều chế pha hai
trạng thái

Điều chế vị trí
xung (PPM)

Điều chế
dạng xung
(PSM)

Điều chế
biên độ
xung

Hình 1.5: Phân loại các phƣơng pháp điều chế trong truyền thông UWB
1.5.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM)

Xét trƣờng hợp điều chế nhị phân, trong khi bit ‘0’ đƣợc biểu diễn bởi một xung
ở thời điểm quy định, bit ‘1’ đƣợc trễ một khoảng thời gian tƣơng đối δ so với thời
điểm quy định (bit ‘0’).
Về mặt toán học có thể biểu diễn tín hiệu là
(1.4)
Trong đó wtr (t) là dạng xung và:

(1.5)
Giá trị của δ có thể chọn tùy thuộc vào đặc điểm tự tƣơng quan của xung. Hàm
tự tƣơng quan của xung có thể định nghĩa

(1.6)
18


Chẳng hạn khi chúng ta muốn cải thiện PPM chuẩn với các tín hiệu trực giao,
gía trị tối ƣu của giá trị δ (chúng ta gọi là δopt) là giá trị thỏa mãn

(1.7)
Trƣờng hợp đặc biệt trong đó bit dữ liệu ‘1’ đƣợc phát ở thời điểm trễ so với
thời điểm danh định một lƣợng τ danh định. Hệ số điều chế tối ƣu thay đổi khi sử dụng các dạng xung khác nhau. Hiệu
năng lý thuyết trong kênh AWGN có thể đạt đƣợc với xung không chồng lấn, trực giao
với hệ số điều chế δ ≥ 1. Tuy nhiên hiệu năng BER và tốc độ dữ liệu cao đạt đƣợc nếu
hệ số điều chế δ < 1 với τ= δ.TP tại những giá trị của độ trễ làm cho hàm tự tƣơng quan
cực tiểu. Hệ số điều chế tối ƣu δotp không phụ thuộc vào độ rộng xung bởi vì định
nghĩa của tỉ lệ tƣơng đối của độ rộng xung. Khi bậc đạo hàm tăng lên, giá trị BER cực
tiểu đạt đƣợc với giá trị δ nhỏ hơn, và do đó đạt đƣợc hiệu năng BER tốt hơn.
Bảng 1.1 Các giá trị độ dịch thời gian tối ƣu τ với BPPM trong kênh AWGN
Dạng sóng

τ tối ƣu

Đạo hàm bậc hai

0.292683Tp

Đạo hàm bậc ba

0.243902Tp

Đạo hàm bậc bốn

0.219512Tp

Đạo hàm bậc năm

0.195122Tp

Hai đặc điểm đặc biệt của PPM:
+ Các hệ số tự tƣơng quan của các dạng sóng Gaussian có cả các giá trị dƣơng
và âm. Điều này giải thích tại sao nó có thể đạt đƣợc hiệu năng BER tốt hơn với giá trị
τ<Tp so với trƣờng hợp điều chế các xung trực giao về thời gian có τ >Tp (δ ≥ 1 ngụ ý
các tín hiệu trực giao thời gian do giá trị của hàm tự tƣơng quan coi nhƣ bằng 0, hình
1.6)
+ Các hệ số tự tƣơng quan cực tiểu tại một số giá trị τ , tƣơng ứng với các
trƣờng hợp hiệu năng BER cực đại.

19

Dạng của hàm tự tƣơng quan cung cấp phƣơng pháp lựa chọn giá trị tối ƣu của δ
trong trƣờng hợp kênh AWGN. Giá trị của δ có thể cố định một giá trị ƣu tiên với một
dạng xung UWB đƣợc chọn. Giá trị tốt nhất để sử dụng δ có thể xác định khi tính toán
hệ số tự tƣơng quan của xung đã chọn. Giá trị tối ƣu của δ cho mỗi dạng sóng đƣợc chỉ
ra trên bảng 1.1

Hình 1.6: Hàm tự tƣơng quan chuẩn hóa của các dạng sóng khác nhau
và với một độ rộng xung khác nhau
1.5.1.2 Điều chế pha hai trạng trạng thái BPSK
Điều chế pha hai trạng thái có thể định nghĩa nhƣ là một phƣơng pháp điều chế
dạng xung. Do pha trong hệ thống truyền thông sóng sin kết hợp với độ trễ của sóng
sin sử dụng thƣờng xuyên thuật ngữ pha trong UWB có thể gây nhầm lẫn. Tuy nhiên
sử dụng thuật ngữ BPSK đã trở nên phổ biến trong lý thuyết UWB, do đó nó vẫn đƣợc
tiếp tục sử dụng ở đây. Điều chế pha hai trạng thái dễ hiểu bởi nó đƣợc điều chế bằng
cách đảo dạng xung của một xung nào đó, do đó có công thức sau:
(1.8)

20


Để tạo hệ thống nhị phân dựa vào phƣơng pháp đảo xung cơ bản p(t). Tham số
σ thƣờng đƣợc biết là trọng số xung, nhƣng ở đây nó đƣợc gọi là tham số dạng. Với
một hệ thống nhị phân hai dạng xung s1 , s2 đƣợc định nghĩa đơn giản là s1=p(t) và
s2=-p(t).
Bởi vì PPM luôn luôn phải trễ các xung, trong khi giới hạn khi các xung đƣợc
phát liên tục PPM sẽ luôn lãng phí thời gian khi xung không đƣợc phát. Nếu PPM trễ
một xung thì BPSK có thể phát lƣợng xung gấp đôi và do đó gấp đôi lƣợng thông tin,
qua đó với một hệ thống với mọi yếu tố khác tƣơng đƣơng hệ thống điều chế BPSK có
tốc độ gấp đôi.

Một lợi ích khác của BPSK là giá trị trung bình của σ bằng không. Điều này có
lợi lớn trong việc loại bỏ các đƣờng răng lƣợc hay đỉnh phổ mà không cần ngẫu nhiên
hóa.
Điều chế pha hai trạng thái trong hệ thống UWB có một số ƣu điểm:
- Thứ nhất nó cho thấy tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình nhỏ hơn 8 dB. Do đó
điều pha hai trạng thái không cần bất cứ diod tunnel hay mạch khuyếch đại công suất
nào. Thay vào đó nó có thể hoạt động trực tiếp từ IC CMOS tốc độ cao, công suất thấp.
- cuối cung lý do của đồng bộ, điều chế pha hai trạng thái giảm các yêu cầu về
rung pha. Trong PPM quá trình đồng bộ phải bao gồm các phần tử điều khiển nhanh và
chính xác để phù hợp với các thời điểm xung đến tùy ý. Nhƣng hệ thống điều pha hai
trạng thái cần chỉ một đồng hồ ổn định, nhiễu pha thấp vì xung xuất hiện ở các thời
điểm cách nhau cố định. Kết quả là công suất thấp hơn và mạch đơn giản hơn.
BPSK và PPM đã đề cập ở trên tạo thành các phƣơng pháp chủ yếu để thực hiện
điều chế trong các hệ thống truyền thông UWB.
1.5.1.3 Điều chế dạng xung (PSM)
Trong truyền thông sóng dạng sin băng hẹp, các hàm sin và cos trực giao tạo
nền tảng cho truyền sóng. Trong UWB chúng ta tạo các dạng xung có đặc tính trực
giao với nhau. Điều chế dạng xung PSM sử dụng các dạng sóng khác nhau trực giao để

21


biểu diễn bit ‘0’ và ‘1’ . Giả sử sử dụng hai dạng sóng trực giao để điều chế tín hiệu.
Xung phát đi có thể biểu diễn là:
(1.9)
Trong đó

Với W(0)tr và W(1)tr biểu diễn hai dạng sóng khác nhau.
Dạng sóng W(0)tr và W(1)tr gọi là trực giao nếu chúng thỏa mãn:
(1.10)

1.5.1.4 Điều chế biên độ xung
Điều chế biên độ xung PAM cho hệ thống UWB có thể đƣợc biểu diễn trong
biểu thức:
(1.11)
Trong đó tham số dạng xung σ có giá trị dƣơng. Ví dụ chúng ta đặt σi = 1,2 và có tập
hợp xung nhị phân s1=p(t), s2=2p(t)
Nói chung điều chế biên độ xung là phƣơng pháp không đƣợc ƣa dùng trong
truyền thông khoảng cách cực ngắn. Lý do chủ yếu bao gồm thực tế là tín hiệu điều chế
biên độ có biên độ nhỏ hơn thƣờng bị ảnh hƣởng bởi tạp âm nhiều hơn so với tín hiệu
có biên độ lớn. Hơn nữa, công suất cần thiết để phát xung càng lớn với xung có biên độ
càng lớn, trong khi công suất phát rất giới hạn trong hệ thống UWB.
1.5.2 Các kỹ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB
Xác suất có nhiều ngƣời dùng truy nhập vào hệ thống là vấn đề quan trọng trong
truyền thông UWB, bởi vì các ứng dụng thực tế sẽ yêu câu nhiều hơn một ngƣời sử
dụng hoạt động trong môi trƣờng ở một thời điểm. Cơ bản có 3 phƣơng pháp cho các
ngƣời dùng riêng biệt họ sử dụng cùng một môi trƣờng:

22


-Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): ngƣời sử dụng riêng biệt có node
trung tâm gán cho một băng tần cố định cho mỗi ngƣời dùng.
- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): kênh đƣợc chia thành một số
khoảng thời gian không chồng lấn gọi là khe thời gian, chúng có chu kỳ. Mỗi ngƣời
dùng sau đó đƣợc gán một khe thời gian bởi node trung tâm.
- Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA): Mỗi ngƣời dùng có một mã duy
nhất để mã hóa truyền dẫn sao cho đầu thu có thể giải điều chế. Do đó mỗi ngƣời dùng
phân biệt với nhau bởi mã của chúng. Có ba cách cơ bản thực hiện CDMA:
+ Nhảy tần (FH): hoạt động giống FDMA ngoại trừ băng tần sử dụng đƣợc xác
định bởi mã tại mỗi thời điểm truyền dẫn.

+ Nhảy thời gian (TH): Hoạt động giống nhƣ TDMA ngoại trừ khe thời gian sử
dụng đƣợc xác định bởi mã tại mỗi thời điểm truyền dẫn.
+ Trải phổ trực tiếp (DS): Dữ liệu đƣợc nhân với mã ở cả hai phía phát và thu và
các đặc tính mã cho phép ngƣời dùng thích hợp giải điều chế tín hiệu.
Các hệ thống FH-CDMA không đƣợc quan tâm nhiều bởi vì hiệu năng của FH
tƣơng đƣơng với TH nhƣng sẽ cần hệ thống phức tạp hơn để thực hiện nhảy tần. Trong
luận văn này chỉ nói đến các hệ thống đa truy nhập dựa trên CDMA TH và DS.
1.5.2.1 Nhảy thời gian (TH)
Nhảy thời gian thực hiện đa truy nhập bằng cách chia kênh thành SF khe thời gian
không chồng lấn với

23


Hình 1.7: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn
Các ngƣời dùng đƣợc cho phép sử dụng khe thời gian gán cho họ bằng mã nhảy
thời gian riêng. Nghĩa là không cần điều khiển tập trung nhƣng điều này có thể dẫn đến
các ngƣời dùng cố gắng sử dụng cùng một khe thời gian ở cùng một thời gian gây xung
đột. Nói cách khác, nếu ngƣời dùng không đồng bộ, xung đột có thể xảy ra, chồng lấn
hai khe thời gian khi tham chiếu thời gian của các ngƣời dùng là khác nhau. Truyền
dẫn chỉ diễn ra trong 1/SF phần của thời gian và công suất phát trong mỗi khe thời gian
cho trƣớc phải lớn hơn SF lần công suất phát trung bình. Do đó đây là bằng chứng về
lợi ích so với hệ thống không trải phổ sử dụng mỗi xung trên một bit, độ lợi xử lý là
PG=NSSF. Điều này đúng là vì công suất tín hiệu thu ở mạch quyết định tăng lên một
lƣợng SF so với công suất trung bình trên kênh, trong khi công suất tạp âm thu đƣợc là
tƣơng đƣơng.
Xem xét xác suất xung đột và giả thiết rằng mã TH phân bố đều trên các khe
thời gian xác suất ít nhất một ngƣời dùng xung đột với ngƣời dùng khác trong điều
kiện hệ thống đồng bộ là
(

)

(1.12)

Trong đó K là tổng số ngƣời dùng trong hệ thống. Khi xung đột xảy ra truyền
dẫn bị gián đoạn và tất cả ngƣời dùng thu đƣợc công suất tƣơng đƣơng, xấp xỉ BER
của máy thu
(1.13)
Do đó BER là ¼ khi xảy xung đột. Giá trị của BERnorm chỉ giá trị BER thông
thƣờng của phƣơng pháp điều chế nhị phân. Có thể thấy từ biểu thức (1.13) xung đột
ảnh hƣởng mạnh đến hiệu năng của hệ thống TH và đó là lí do quan trọng cần giảm số
lƣợng xung đột trong hệ thống.
Trong trƣờng hợp không đồng bộ xác suất xung đột là
(

)
24

(1.14)


Bởi vì bây giờ xuất hiện khả năng hai khe thời gian xung đột với ngƣời dùng
cho trƣớc trong trƣờng hợp này. Đó là cơ sở để tin rằng BER của hệ thống dị bộ có thể
cao hơn hệ thống đồng bộ, nhƣng cần phải nhớ rằng BER phụ thuộc vào hàm tự tƣơng
quan chuẩn hóa ρ(δ) của monocyle với độ dịch δ cho trƣớc. BER trung bình trong hệ
thống TH dị bộ do đó thƣờng thấp hơn một ít so với hệ thống đồng bộ. Tuy nhiên, có
thể ƣớc lƣợng BER trung bình của hệ thống dị bộ nhƣ sau:
*

∫

(

√

)

(

√

)+

(1.15)

Giả thết rằng sử dụng điều chế BPSK và mã nhảy ngẫu nhiên. Kết quả ở biểu thức
(1.15) chính xác với K=2, và rất khả quan với K>2 bởi vì giả thiết rằng chỉ có xung đột
ảnh hƣởng tới mạch quyết định.
1.5.2.2 Trải phổ trực tiếp (DS)
Đối với TH trong đó truyền dẫn chỉ đƣợc thực hiện trong 1/SF thời gian, các
xung đƣợc phát liên tục trong hệ thống trải phổ trực tiếp (DS). Các monocycle phát sau
đó đƣợc mã hóa bằng cách nhân chúng với mã lƣỡng cực có độ dài SF=Tf /Tmono , để
phía thu có thể phân biệt các tín hiệu đến từ các ngƣời dùng khác nhau.
Ở đầu thu tín hiệu đến r(t) đƣợc nhân với các monocycle đã đƣợc mã hóa φ(l)(t)
và đƣơc tích phân để hình thành thống kê đầy đủ y(l)(t) của ngƣời thứ l:

(1.16)
Trong đó z(t) là tạp âm Gaussian trằng cộng với phƣơng sai σ2 . Ak là biên độ
của ngƣời dùng thứ k. Giả thiế rằng monocycle thu đƣợc prx(t) chuẩn hóa:

(1.17)
Trong một hệ thống hoàn toàn đồng bộ hệ số tƣơng quan giữa ngƣời dùng l va k là

(1.18)

25