Xử lý tín hiệu trong truyền thông băng siêu rộng và ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu và thực
hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quang Hiếu.
Học viên
Dương Tấn Nghĩa

1


Mục lục
Lời cam đoan

1

Danh mục từ viết tắt

5

Danh sách hình vẽ

6

Danh sách bảng

9

Lời mở đầu

10

1 Giới thiệu chung

13

1.1

Khái niệm UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.1.1

Định nghĩa UWB và vấn đề quy chuẩn . . . . . . . . . . . . .

13

1.2

Phân loại máy thu UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.3

Chuẩn IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

1.3.1

Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . .

21

1.3.2

Phần tiêu đề lớp vật lý (PHR) và tải dữ liệu (PSDU) . . . . .

24

Đặt vấn đề và phạm vi luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

1.4

2 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a
2.1

27

Mô hình kênh Saleh-Valenzuela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.1.1

Nguyên lý chung về kênh đa đường . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.1.2

Mô hình kênh đa đường do Saleh và Valenzuela đề xuất . . . .

31

2


MỤC LỤC

2.2

2.1.3

Các tham số cơ bản của mô hình S-V . . . . . . . . . . . . . .

34

2.1.4

Quy trình mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

2.2.1

Những đặc điểm và tham số chính của mô hình kênh UWB
IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

2.2.2

Môi trường hoạt động của thiết bị UWB IEEE 802.15.4a . . .

40

2.2.3

Tham số hóa mô hình kênh UWB cho dải tần 2 − 10GHz . . .

41

2.2.4

Một số lưu ý về quy trình đo kênh UWB IEEE 802.15.4a . . .

42

2.2.5

Cách thức xác định các thông số của môi trường . . . . . . . .

44

3 Thuật toán trong máy thu UWB IEEE 802.15.4a

49

3.1

Mô hình tín hiệu và kiến trúc máy thu . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

3.2

Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

3.3

Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.3.1

Ước lượng giá trị của τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3.3.2

Xác định phần PHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

Mô phỏng và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

3.4.1

Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

3.4.2

Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

Nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

3.4

3.5

4 Đa người dùng trong IEEE 802.15.4a

76

4.1

Vấn đề đa người dùng trong UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

4.2

Đa người dùng cho tuyến xuống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

4.2.1

Đặt vấn đề

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

4.2.2

Thuật toán giải mã . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

4.2.3

Mô phỏng và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

Nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

4.3

3


MỤC LỤC

5 Triển khai bộ xử lý băng gốc UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink

84

5.1

Hệ thống thu-phát UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink . . . . . . . .

85

5.2

Khối đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

5.3

Khối đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

5.4

Khối giải mã tín hiệu đa người dùng tuyến xuống . . . . . . . . . . .

90

5.5

Kết quả triển khai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

Kết luận và hướng phát triển

97

Tài liệu tham khảo

99

4

Danh mục từ viết tắt
ADC
BPF
BPM-BPSK
CM
CMOS
DARPA
DSP
ETSI
FCC
FET
FPGA
GPS
HDL
IEEE
LPF
PDP
PHR
PSDU
SFD
SHR
SYNC
VLSI
WPAN
UWB

Analog to Digital Converter
Band-Pass Filter
Burst Position Modulation - Binary Phase-Shift Keying
Channel Model

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
Defense Advanced Research Projects Agency
Digital Signal Processor
European Telecommunications Standards Institute
Federal Communications Commission
Field-Effect Transistor
Field Programmable Gate Arrays
Global Positioning System
Hardware Description Language
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Low-Pass Filter
Power Delay Profile
Physical-layer HeadeR
PHY Service Data Unit
Start of Frame Delimiter
Synchronization HeadeR
SYNChronization preamble
Very-Large-Scale Integration
Wireless Personal Area Network
Ultra-WideBand

5


Danh sách hình vẽ
Hình 1.1

Mặt nạ phổ UWB do tổ chức FCC quy định dành cho các ứng
dụng trong nhà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

Hình 1.2

Xung Gauss bậc 2 có độ rộng 2ns . . . . . . . . . . . . . . . .

19

Hình 1.3

Cấu trúc phần SHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

Hình 1.4

Cấu trúc của một kí tự dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a . .

24

Hình 2.1

Sơ đồ tầng 1 Phòng thí nghiệm AT&T Bell và các vị trí đặt
máy thu-phát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

Hình 2.2

Mô hình tiến hành thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

Hình 2.3

Mô hình đơn giản kênh Saleh-Valenzuela. a) Sự suy giảm công
suất theo hàm mũ của tia và cụm tia b) Một ví dụ về đáp ứng
xung của kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 2.4

33

Hàm phân phối xác suất tích lũy của hệ số khuếch đại đường
truyền chuẩn hóa (nét liền) và phân phối luật mũ thích hợp
nhất (nét gạch) [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Hình 3.1

Sơ đồ khối của một máy thu dò năng lượng non-coherent . . .

51

Hình 3.2

Quy trình đồng bộ tín hiệu ở máy thu . . . . . . . . . . . . .

52

Hình 3.3

Quá trình xác định mảng gi ứng với từng nhóm mẫu yi

. . .

54

Hình 3.4

Sơ đồ các bước thực hiện thuật toán đồng bộ tinh . . . . . . .

56

Hình 3.5

Cách thức ước lượng τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

6


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 3.6

Minh họa dạng xung q(t) (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . .

58

Hình 3.7

Dạng sóng của S(m,
˜ ε˜) (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . .

59

Hình 3.8

Giá trị của S[m,
˜ n
˜ ε ] đạt cực đại khi m
˜ = m và n
˜ ε = nε . . . .

60

Hình 3.9

Dạng sóng của S [m, n
˜ ε ] (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . . .

61

Hình 3.10

Dạng của S [m, n
˜ ε ] với Ts = 2ns và Ts = 16ns . . . . . . . . .

63

Hình 3.11

So sánh giữa ngưỡng mới λ với λ trong [1] khi Ts = 16ns . . .

64

Hình 3.12

So sánh giữa ngưỡng mới λ với λ trong [1] khi Ts = 2ns . . .

65

Hình 3.13

So sánh công suất giữa các phần của một khung tín hiệu UWB
IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 3.14

Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị
khác nhau của K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 3.15

69

Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị

khác nhau của Ts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 3.16

66

69

Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị
khác nhau của số bit lượng tử hóa . . . . . . . . . . . . . . .

70

Hình 3.17

Xác suất lỗi của thuật toán ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {4, 2}ns 71

Hình 3.18

Xác suất lỗi của bước ước lượng giá trị τ với Ts ∈ {16, 8}ns .

Hình 3.19

Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác
nhau của f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 3.20

73

Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác
nhau của Ts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 4.1

72

74

Cấu trúc của một kí tự dữ liệu PHR/PSDU trong trường hợp
8 người dùng tuyến xuống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

Hình 4.2

Giải mã dữ liệu đa người dùng khi sai lệch đồng bộ bằng Tburst /2 79

Hình 4.3

Giải mã dữ liệu đa người dùng (giả thiết đồng bộ chính xác) .

7

81


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 4.4

Xác suất lỗi của thuật toán giải mã dữ liệu cho trường hợp 8
người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 5.1

82

Sơ đồ hệ thống UWB IEEE 802.15.4a đơn người dùng trên
Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

Hình 5.2

Sơ đồ khối đồng bộ thô trên Simulink

. . . . . . . . . . . . .

88

Hình 5.3

Sơ đồ khối đồng bộ tinh trên Simulink . . . . . . . . . . . . .

88

Hình 5.4

Hệ thống thu-phát UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng . .

91

Hình 5.5

Khối giải mã UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng . . . . .

92

Hình 5.6

Khối phát UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng . . . . . .

93

Hình 5.7

Đồng mô phỏng hệ thống UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink
và HDL/FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

Hình 5.8

Kết quả của quá trình đồng mô phỏng . . . . . . . . . . . . .

95

Hình 5.9

Mức độ tiêu thụ tài nguyên phần cứng của bộ xử lý số băng
gốc trên kit FPGA của Atlys . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

96


Danh sách bảng
Bảng 1.1

Độ rộng xung tham chiếu theo chuẩn IEEE 802.15.4a . . . . .

Bảng 2.1

Các tham số của mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a trong các

Bảng 3.1

18

môi trường khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

Tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

9

Lời mở đầu
Trong những năm cuối thế kỉ 20, đầu thế kỉ 21, thế giới chứng kiến sự bùng nổ mạnh
mẽ của các kĩ thuật truyền thông vô tuyến cũng như sự phổ biến rộng rãi của các
ứng dụng không dây trong mọi mặt của đời sống. Có thể liệt kê ra hàng loạt những
công nghệ vô tuyến đã trở nên rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày của chúng
ta như hệ thống thông tin di động (GSM/3G/4G-LTE), hệ thống định vị toàn cầu
(GPS/Galileo/Glonass) hay công nghệ wifi (802.11a/b/g/n/ac). . . Tuy nhiên, những
yêu cầu của cuộc sống hiện đại đối với các hệ thống thông tin vô tuyến luôn gia tăng
không ngừng. Ngày nay, chúng ta luôn mong muốn sở hữu những hệ thống không
dây với độ linh hoạt cao, có khả năng truyền tải dữ liệu ở tốc độ lớn hay có thể định
vị chính xác tới mức cm nhưng đồng thời phải có công suất tiêu thụ thấp (kéo dài
thời gian sử dụng pin của thiết bị hay góp phần làm “xanh” môi trường) và giá thành
triển khai rẻ để dễ dàng đưa ứng dụng vào cuộc sống. Không những vậy, với nguồn
tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm và chật chội, việc phát triển một công nghệ
không dây mới thỏa mãn các tiêu chí trên mà không gây ảnh hưởng đến các hệ thống
vô tuyến hiện hành luôn nhận được sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu không chỉ của
giới khoa học mà còn của các tổ chức, tập đoàn công nghiệp trên khắp thế giới.
Kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng (UWB - Ultra-WideBand ) là một công nghệ
mới có khả năng giải quyết đồng thời các yêu cầu trên nhờ vào những đặc tính riêng
có của nó. Tuy nhiên, ngoài những lợi thế đặc biệt của mình, kĩ thuật UWB cũng gặp
phải không ít rào cản kĩ thuật cần phải vượt qua nếu muốn đưa vào ứng dụng rộng
10


DANH SÁCH BẢNG

rãi trong thực tế. Việc sử dụng các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ
ns) để truyền tín hiệu không chỉ đòi hỏi máy thu cần sử dụng bộ ADC tốc độ cao (cỡ

GHz) mà còn khiến cho vấn đề đồng bộ tín hiệu trở nên rất khó khăn, đặc biệt khi
mong muốn triển khai một hệ thống UWB cho đa người dùng.
Trong luận văn này, tôi xin phép được lựa chọn đề tài “Xử lý tín hiệu trong
truyền thông băng siêu rộng và ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân”
với trọng tâm chính là phát triển một thuật toán đồng bộ tín hiệu hoàn chỉnh cho
máy thu UWB IEEE 802.15.4a với mục tiêu xác định chính xác vị trí của phần dữ
liệu trong khung tín hiệu để phục vụ cho quá trình giải mã. Khả năng hoạt động của
các thuật toán sẽ lần lượt được kiểm chứng trên phần mềm mô phỏng MATLAB và
công cụ mô hình hóa Simulink kết hợp với FPGA.
Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương:
• Chương 1 trình bày khái quát về kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng nói chung
và chuẩn IEEE 802.15.4a nói riêng dành cho các ứng dụng truyền dữ liệu tốc
độ thấp và tiết kiệm năng lượng .
• Chương 2 giới thiệu vê mô hình kênh Saleh-Valenzuela, từ đó đưa ra mô hình
kênh đa đường dành riêng cho chuẩn IEEE 802.15.4a.
• Chương 3 đề xuất một thuật toán đồng bộ gồm hai bước dành cho máy thu
UWB IEEE 802.15.4a đơn người dùng và mô phỏng trên MATLAB để xem xét
hiệu suất hoạt động của thuật toán.
• Chương 4 phát triển một thuật toán giải mã tín hiệu ở máy thu UWB IEEE
802.15.4a trong trường hợp đa người dùng tuyến xuống.
• Chương 5 thể hiện quá trình triển khai một hệ thống thu-phát UWB IEEE
802.15.4a hoàn chỉnh trên Simulink và đồng mô phỏng kết hợp HDL/FPGA để

11


DANH SÁCH BẢNG

kiểm chứng lại một lần nữa khả năng hoạt động của các thuật toán được đề
xuất.

12


Chương 1
Giới thiệu chung
Chương đầu của luận văn được dành để trình bày những khái niệm cơ bản về truyền
thông băng siêu rộng (UWB) và các kiểu máy thu UWB thường được triển khai trên
thực tế. Ngoài ra, cấu trúc khung tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a dành
cho mạng vô tuyến cá nhân (WPAN - Wireless Personal Area Network ) cũng sẽ được
mô tả một cách chi tiết. Phần cuối cùng của chương sẽ đề cập đến bài toán mà luận
văn này mong muốn giải quyết cũng như phạm vi triển khai của luận văn.

1.1
1.1.1

Khái niệm UWB
Định nghĩa UWB và vấn đề quy chuẩn

Định nghĩa đầu tiên về một tín hiệu băng siêu rộng (UWB -Ultra-WideBand ) được
đưa ra vào năm 1990 bởi DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) [6].
Theo định nghĩa này, một tín hiệu được xem là băng siêu rộng khi có băng thông
tương đối Wf rac lớn hơn 0.25, với

Wf rac = 2

fH − fL
fH + fL

13

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

trong đó, fH và fL lần lượt là tần số cao nhất và thấp nhất của tín hiệu đo tại phổ
tần −3dB.
Sau thời điểm này, một số công ty và tập đoàn công nghiệp trên thế giới như
AetherWire, Time Domain Co., Multi-Spectral Solution Inc., X-treme Spectrum hay
Pulse-Link Inc. đã tiên phong trong việc nghiên cứu và phát triển những sản phẩm
thương mại có tốc độ truyền tải dữ liệu cao, không sử dụng sóng mang trên nền tảng
công nghệ UWB. Tuy nhiên, thời điểm đó vẫn chưa có một quy định ràng buộc nào
đối với phổ tần và công suất phát của tín hiệu UWB dù đã có những lo ngại về sự
can nhiễu của UWB gây ra cho những hệ thống hiện đang tồn tại như GPS [10],
[5]. Do đó, cần phải đưa ra một giới hạn chính thức đối với tín hiệu UWB để có thể
phát triển và xây dựng một hệ thống thông tin băng siêu rộng có khả năng tồn tại
đồng thời với những hệ thống băng hẹp hiện có. Sau một thời gian dài thảo luận và
nghiên cứu, một quy chuẩn cho tín hiệu UWB đã được đưa ra vào năm 2002 bởi FCC
(Federal Communications Commission). Theo quy định của FCC, hệ thống UWB có
thể hoạt động trên một dải tần không cấp phép trong khoảng 3.1-10.6GHz với mặt
nạ phổ công suất phát được thể hiện trên Hình 1.1 [7].
Ngoài giới hạn về phổ tần và công suất phát, báo cáo cuối cùng của FCC còn đưa
ra một thay đổi nhỏ với định nghĩa tín hiệu UWB của DARPA. Cụ thể, băng thông
tương đối yêu cầu với tín hiệu UWB được giảm xuống còn 0.2 và tần số cao nhất và
thấp nhất của tín hiệu được tính tại phổ tần −10dB. Ngoài ra, một tín hiệu cũng có
thể được xem là UWB nếu băng thông tuyệt đối của nó lớn hơn hoặc bằng 500MHz.
Kí hiệu fc = (fH − fL )/2 là tần số trung tâm và W = fH − fL là băng thông tuyệt
đối của tín hiệu. Có thể tóm tắt lại định nghĩa mới về UWB của FCC như sau:
Một tín hiệu được xem là băng siêu rộng UWB khi có
• Băng thông tương đối Wf rac > 0.2 nếu fc > 2.5GHz, hoặc
• Băng thông tuyệt đối W ≥ 500MHz nếu fc < 2.5GHz.

14


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

Hình 1.1: Mặt nạ phổ UWB do tổ chức FCC quy định dành cho các ứng dụng trong
nhà
Kĩ thuật UWB dựa trên việc phát đi các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời
gian (cỡ ns hoặc nhỏ hơn nữa) với mật độ phổ công suất rất thấp. Do những đặc tính
riêng có này, UWB có một số ưu điểm so với các hệ thống băng hẹp truyền thống.
Có thể liệt kê ra một vài tính năng quan trọng của kĩ thuật UWB như:
• Truyền dữ liệu tốc độ cao trong phạm vi trung bình và ngắn: điều này
đạt được bằng cách phát đi các xung cực hẹp trong miền thời gian sử dụng các
mạch đóng-ngắt tốc độ rất cao và đồng bộ chính xác ở máy thu.
• Triển khai các thiết bị có độ phức tạp thấp với chi phí rẻ: dựa trên
việc phát các xung trực tiếp từ antenna, bỏ qua bước trộn tần RF [18], nhờ đó
15


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

hệ thống có thể triển khai trên nền tảng CMOS với những ưu thế vượt trội về
công suất tiêu thụ và chi phí so với nền tảng SiGe khi phải sử dụng các thành
phần cao tần RF [17]. Như vậy, các hệ thống UWB không sóng mang cho phép
chế tạo các bộ thu-phát đơn giản và giá thành rẻ cho các ứng dụng như mạng
cảm biến, định vị - dò đường,... [12], [15].
• Loại bỏ nhiễu đa đường: xuất phát từ bản chất của UWB là sử dụng các
xung cực hẹp trong miền thời gian với băng thông siêu rộng, nhờ đó có khả
năng chống lại hiệu ứng đa đường hay giao thoa từ các hệ thống khác.
Bên cạnh FCC của Mỹ, tại châu Âu cũng có một số tổ chức độc lập đưa ra những

ràng buộc đối với hệ thống UWB để có thể đưa vào sản xuất thương mại như CEPT
(The European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) hay
ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Những yêu cầu kĩ thuật
mới được đặt ra tại châu Âu có sự khác biệt nhất định với quy định của FCC ở
Mỹ, khiến cho trong suốt một thời gian dài việc thống nhất quy chuẩn đối với tín
hiệu UWB gặp nhiều khó khăn. Ngay cả khi IEEE-SA (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) chính thức công bố chuẩn chính thức IEEE 802.15.4a vào năm
2007 [8], những tranh cãi xung quanh vấn đề thống nhất tiêu chuẩn kĩ thuật cho
UWB vẫn không thể chấm dứt do xung đột giữa các tổ chức công nghiệp đã đầu tư
nghiên cứu và phát triển những hệ thống UWB theo tiêu chuẩn của riêng họ. Chính
điều này đã hạn chế việc nghiên cứu, phát triển và đưa các hệ thống UWB vào sản
xuất thương mại. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, việc phát triển hệ thống UWB
dựa theo chuẩn IEEE 802.15.4a ngày càng nhận được sự quan tâm của đông đảo giới
khoa học. Do đó, trong phần còn lại của luận văn, những tham số kĩ thuật đối với
tín hiệu UWB và các thuật toán được phát triển cho hệ thống UWB sẽ dựa trên tiêu
chuẩn IEEE 802.15.4a này.
Chuẩn IEEE 802.15.4a ra đời vào năm 2007 đề xuất cấu trúc lớp vật lý UWB cho
16


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

các ứng dụng trong mạng vô tuyến cá nhân (WPAN) tốc độ thấp. Trên thực tế, có
hai loại ứng dụng WPAN tốc độ thấp sử dụng lớp vật lý UWB IEEE 802.15.4a:
1. Định vị/đo đạc/theo dõi: với các ứng dụng này, hệ thống UWB cần sử dụng
các bộ ADC tốc độ rất cao (cỡ GHz) để thỏa mãn yêu cầu chính xác cao của
ứng dụng. Hiển nhiên, việc sử dụng bộ ADC với tần số lấy mẫu đến GHz sẽ gia
tăng độ phức tạp của phần cứng và chi phí triển khai thiết bị.
2. Truyền dữ liệu tốc độ thấp: một ví dụ điển hình cho kiểu ứng dụng này là các
mạng cảm biến, một dạng hệ thống luôn đặt các tiêu chí giá thành rẻ và tiết

kiệm năng lượng lên hàng đầu. Với yêu cầu đặt ra, các giải thuật xử lý tín hiệu
ở máy thu dạng này thường không cần sử dụng các bộ ADC tốc độ cao, rất
thích hợp để triển khai cho các sensor (các node) trong mạng.
Dù được định nghĩa như thế nào, xuất phát từ tên gọi "băng siêu rộng", có thể
nhận thấy tín hiệu UWB là các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ ns).
Theo chuẩn IEEE 802.15.4a, dạng xung của tín hiệu UWB được truyền đi p(t) chịu
sự ràng buộc bởi dạng hàm tương quan chéo của nó với một xung tham chiếu r(t).
Cụ thể, hàm tương quan chéo chuẩn hóa giữa hai dạng xung này được định nghĩa là

φ(τ ) =

1
Re
Er Ep

∞

r(t)p∗ (t + τ )dt

−∞

trong đó, Er và Ep lần lượt là năng lượng của xung r(t) và p(t). Xung tham chiếu
r(t) được sử dụng trong công thức trên có dạng
sin[(1−β)πt/Tp ]

4β cos[(1 + β)πt/Tp +
4β(t/Tp )
r(t) =
2
(4βt/Tp ) − 1

π Tp

]

với β = 0.6 và Tp là độ rộng của xung. Bảng 1.1 quy định những yêu cầu đối với một
xung p(t) để thỏa mãn chuẩn IEEE 802.15.4a cho từng kênh được cấp phép [8]:
17


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

Kênh UWB

Độ rộng xung

Độ rộng búp sóng chính

Tp (ns)

Tw (ns)

{0:3, 5:6, 8:10, 12:14}

2.00

0.5

7

0.92

0.2

{4, 11 }

0.75

0.2

15

0.74

0.2

Bảng 1.1: Độ rộng xung tham chiếu theo chuẩn IEEE 802.15.4a
Để một máy phát UWB tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4a, xung p(t) phải
thỏa mãn búp sóng chính của |φ(τ )| ≥ 0.8 trong một đoạn có độ rộng tối thiểu Tw
được chỉ ra trong Bảng 1.1 và không có búp sóng phụ nào vượt quá 0.3. Về mặt lý
thuyết, có khá nhiều dạng xung thỏa mãn quy định của IEEE 802.15.4a. Tuy nhiên,
trên thực tế được sử dụng phổ biến nhất trong UWB là hai dạng: xung Butterworth
bậc 8 và xung Gauss (cùng các dạng vi phân của nó) có băng thông 3dB là 500MHz.
Trong luận văn này, dạng xung p(t) được lựa chọn là vi phân bậc 2 của xung Gauss
do tính đơn giản và tiện lợi trong quá trình tạo xung [2]. Phương trình (1.1) mô tả
một xung Gauss với hệ số tỉ lệ thời gian σ.

g(t) = √

1
2πσ 2

t2

e− 2σ2

(1.1)

Hình 1.2 minh họa một xung p(t) là vi phân bậc 2 của xung Gauss và có độ rộng
2ns (thỏa mãn băng thông 500MHz) sẽ được sử dụng trong luận văn này.

1.2

Phân loại máy thu UWB

Khác với các hệ thống thông tin băng hẹp truyền thống, tín hiệu UWB phải chịu sự
suy hao đáng kể trong quá trình truyền tải từ máy phát đến máy thu. Nguyên nhân
chính là do đáp ứng kênh truyền tổng thể giữa các thiết bị thu phát biến dạng mạnh

18


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

0.06
0.05
0.04

Amplitude

0.03

0.02
0.01
0
−0.01
−0.02
−0.03

0

0.5

1
Time (ns)

1.5

2

Hình 1.2: Xung Gauss bậc 2 có độ rộng 2ns
bởi các hiệu ứng đa đường và lựa chọn tần số xuất phát từ những đặc tính vật lý
riêng biệt của tín hiệu UWB [11], [9]. Ngoài ra, những hiệu ứng từ antenna cũng gây
ra hiện tượng tán xạ xung khiến cho cao độ và góc phương vị thay đổi [3], [2]. Do
những yếu tố trên, phương pháp tương quan truyền thống sử dụng bộ lọc phối hợp
trên các máy thu băng hẹp gặp rất nhiều khó khăn khi triển khai cho UWB, trừ phi
trên máy thu có sử dụng các khối tính toán phức tạp được thiết kế riêng cho mục
đích đo đạc và ước lượng kênh truyền, từ đó xác định được dạng sóng của tín hiệu
UWB đến máy thu để phục vụ cho quá trình tách sóng.
Dựa vào việc có sử dụng những thông tin về trạng thái kênh truyền trong quá
trình tách sóng hay không, người ta chia máy thu UWB ra thành hai loại:
1. Máy thu coherent là loại máy thu tối ưu xét trên khía cạnh độ chính xác của

quá trình tách sóng do có sử dụng những thông tin đầy đủ về trạng thái kênh

19


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

truyền để thực hiện tương quan tín hiệu. Với những hiểu biết chính xác về kênh
truyền, máy thu coherent có kiến trúc như một máy thu tương quan truyền
thống, trong đó sử dụng bản sao của xung được truyền đi để triển khai một
máy thu lọc phối hợp hay máy thu RAKE [16], [19].
2. Máy thu non-coherent là loại máy thu không sử dụng các thông tin về trạng
thái kênh truyền cho quá trình tách sóng, do đó không cần sử dụng các kĩ
thuật ước lượng kênh truyền phức tạp như máy thu coherent. Kiến trúc máy
thu non-coherent thích hợp cho mục đích phát triển các hệ thống thu phát chi
phí thấp, tiết kiệm năng lượng và có hàm lượng tính toán cũng như độ phức
tạp phần cứng thấp [4]. Khả năng tiết kiệm tài nguyên phần cứng của máy thu
non-coherent có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong nhiều trường hợp vì các thao
tác tính toán và ước lượng kênh truyền thường tiêu tốn đến 60% tổng số cổng
logic khi triển khai trên phần cứng FPGA với máy thu coherent [17].
Việc lựa chọn kiến trúc coherent hay non-coherent cho máy thu UWB phụ thuộc
nhiều vào nhu cầu và ứng dụng mà nhà thiết kế hướng tới. Với tiêu chí độ chính xác
đặt lên hàng đầu, máy thu coherent hiển nhiên là sự lựa chọn tối ưu như đã trình bày
ở trên. Ngược lại, khi mong muốn xây dựng một hệ thống đơn giản, dễ dàng triển
khai trên phần cứng, giá thành rẻ và công suất tiêu thụ thấp, máy thu non-coherent
sẽ là sự lựa chọn thích hợp. Phần cuối của chương sẽ trình bày kiến trúc máy thu
được lựa chọn để triển khai trong luận văn và giải thích lí do cho quyết định này.

1.3

Chuẩn IEEE 802.15.4a

Các chuẩn cho truyền thông băng siêu rộng UWB được xây dựng bởi tổ chức IEEESA, trong đó, phổ biến nhất là hai chuẩn IEEE 802.15.3a (dành cho các ứng dụng
tốc độ cao) và IEEE 802.15.4a (dành cho các ứng dụng tốc độ thấp). Đến thời điểm
20


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

hiện tại, việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống tương thích với chuẩn tốc độ cao
IEEE 802.15.3a gặp rất nhiều khó khăn do những rào cản về mặt kĩ thuật. Ngược
lại, chuẩn tốc độ thấp IEEE 802.15.4a hiện đang nhận được sự quan tâm và đầu tư
nghiên cứu rất lớn của nhiều nhà khoa học và các tổ chức công nghiệp do tính khả
thi của nó trong việc triển khai các hệ thống UWB đơn giản với tốc độ, chi phí và
công suất tiêu thụ thấp. Năm 2007, nhóm xây dựng chuẩn IEEE 802.15.4a đã công
bố tài liệu chính thức quy định cấu trúc lớp vật lý tiêu chuẩn cho các thiết bị UWB
hoạt động trong mạng vô tuyến cá nhân tốc độ thấp (low-rate WPANs), trong đó
định nghĩa cấu trúc của một khung tín hiệu UWB và những yêu cầu về dạng xung
được phép sử dụng. Các đặc tả kĩ thuật về lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4a sẽ
được trình bày chi tiết hơn trong phần tiếp theo của Chương 1.

1.3.1

Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a

Theo [8], tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a được phát đi dưới dạng các khung
tín hiệu, mỗi khung được cấu tạo gồm ba phần:
• Tiêu đề đồng bộ (SHR - Synchronization HeadeR): gồm hai đoạn mào đầu
đồng bộ (SYNC - SYNChronization preamble) và giới hạn khung (SFD - Start
of Frame Delimiter), được phát đi đầu tiên và có chức năng hỗ trợ cho máy

thu thực hiện các thao tác đồng bộ, định thời, khôi phục tần số và ước lượng
kênh.
• Tiêu đề lớp vật lý (PHR - Physical-layer HeadeR): được gắn ngay sau phần
SHR và truyền tải những thông tin cần thiết giúp máy thu giải mã thành công
tín hiệu được phát đi như độ rộng phần mào đầu, tốc độ truyền tải dữ liệu,
kích thước phần tải tin (chứa dữ liệu) và các bit sửa sai.
• Phần dữ liệu (PSDU - PHY Service Data Unit): được truyền đi sau cùng và
mang dữ liệu mong muốn.
21


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

SHR

PHR

PSDU

SYNC
16,64,1024,or 4096 symbols

...

Si Si S i

SFD
8 or 64 symbols

Si Si Si 0 Si 0 -Si Si 0 0 -Si

C0

C1

0

C1

...

K=31 or 127

C K -1

2ns

C0

0

0

...

L chips (16 or 64)

0

0

...

0

...

C K -1

0

0

...

0

Symbols Si of durations Tpsym

Hình 1.3: Cấu trúc phần SHR
Tiêu đề đồng bộ (SHR)
Cấu trúc của phần SHR được thể hiện trên Hình 1.3. Theo chuẩn IEEE 802.15.4a,
SHR được chia nhỏ thành hai đoạn khác nhau với chức năng riêng biệt: mào đầu
đồng bộ (SYNC) thực hiện chức năng đồng bộ, giám sát và ước lượng kênh, và khối
giới hạn khung (SFD) có nhiệm vụ chỉ thị điểm kết thúc phần tiêu đề đồng bộ.
Đoạn SYNC có thể chứa 16, 64, 1024 hoặc 4096 kí tự mào đầu Si như Hình 1.3.
Mỗi kí tự mào đầu Si được tạo ra bằng cách trải chuỗi cân bằng hoàn hảo {ck } bởi
hàm δL (n) có kích thước L kí tự, trong đó,

22

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

• {ck } với ck ∈ {−1, 0, +1} là một chuỗi kí tự tam phân có đặc tính tự tương
quan hoàn hảo và được dùng để định danh cho mỗi mạng PAN hoạt động ở
một kênh vật lý UWB với băng tần cho phép,
• δL (n) gồm một kí tự ’1’ và L − 1 kí tự ’0’ như sau

 1 n=0
δL (n) =
 0 n = 1, 2, . . . , L − 1

Phép trải chuỗi cân bằng hoàn hảo {ck } với hàm δL (n) được mô hình hóa bởi
phương trình toán học

Si = {ck } ⊗ δL (n)

(1.2)

trong đó, toán tử ⊗ chỉ thị cho tích Kronecker. Phương trình 1.2 tương đương với
việc mỗi kí tự mào đầu Si được hình thành bằng cách chèn L − 1 kí tự ’0’ vào giữa
mỗi kí tự của chuỗi {ck } như Hình 1.3.
Khối giới hạn khung (SFD)
Khác với đoạn SYNC, khối giới hạn khung (SFD) không hình thành từ một chuỗi
các kí tự mào đầu giống hệt nhau mà được cấu tạo bằng trải chuỗi mã gồm 8 kí tự
[0 +1 0 −1 +1 0 0 −1] (dành cho các ứng dụng truyền tải dữ liệu ở tốc độ mặc định
và trung bình) hoặc 64 kí tự [0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0
−1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0
+1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1] (với các ứng dụng truyền tải dữ liệu tốc

độ thấp) bởi kí tự mào đầu Si (phép trải tương đương với toán tử Kronecker như ở
đoạn SYNC). Cấu trúc của phần tiêu đề đồng bộ gồm hai đoạn SYNC và SFD (với
trường hợp 8 kí tự) được minh họa như trên Hình 1.3.

23


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

1.3.2

Phần tiêu đề lớp vật lý (PHR) và tải dữ liệu (PSDU)

Theo [8], phần PHR/PSDU được điều chế sử dụng phương pháp BPM-BPSK (Burst
Position Modulation - Binary Phase-Shift Keying), trong đó, mỗi kí tự dữ liệu có
khả năng truyền tải hai bit thông tin: một bit được dùng để xác định vị trí của burst
trong kí tự dữ liệu và bit còn lại dùng để điều chế pha (sự phân cực) của chính burst
này. Hình 1.4 thể hiện cấu trúc của một kí tự dữ liệu thuộc phần PHR/PSDU.
TBPM
Vị trí nhóm xung

TBPM
Vị trí nhóm xung

Khoảng bảo vệ

Khoảng bảo vệ

Tburst

Tc

Hình 1.4: Cấu trúc của một kí tự dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a
Mỗi kí tự dữ liệu được chia làm hai nửa BPM có độ rộng bằng nhau TBP M =
Tdsym /2 với Tdsym là chiều dài của một kí tự dữ liệu. Nếu burst dữ liệu nằm ở nửa
BPM thứ nhất, bit đầu tiên được truyền đi là bit ’0’; ngược lại, nếu burst nằm ở nửa
BPM thứ hai, bit đầu tiên là bit ’1’. Ngoài ra, pha của chính burst này (−1 hoặc +1)
sẽ được dùng để chỉ thị bit thứ hai được truyền đi.

1.4

Đặt vấn đề và phạm vi luận văn

Với một hệ thống thông tin vô tuyến bất kỳ, quá trình tách sóng hay giải mã tín hiệu
luôn đòi hỏi một sự đồng bộ nhất định giữa máy phát và máy thu. Như đã trình bày
ở trên, xung tín hiệu được dùng trong UWB có độ rộng rất hẹp (cỡ ns). Điều này
khiến cho vấn đề đồng bộ trong các hệ thống UWB trở nên rất phức tạp và là một
thách thức lớn cần phải vượt qua để triển khai các hệ thống UWB rộng khắp trên
24


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

thực tế. Ngoài ra, việc truyền tín hiệu bằng các xung rất hẹp đòi hỏi máy thu phải sử
dụng bộ ADC (Analog to Digital Converter) tốc độ cao (cỡ GHz), làm cho chi phí để
xây dựng một hệ thống UWB trở nên rất đắt đỏ. Do vậy, việc phát triển một thuật
toán đồng bộ cho máy thu UWB thỏa mãn các tiêu chí đơn giản, hiệu quả để việc
triển khai trên phần cứng là khả thi và không đắt đỏ luôn nhận được sự quan tâm
của đông đảo các nhà khoa học trong và ngoài nước.
Kết thúc quá trình đồng bộ, máy thu thực hiện nhiệm vụ cuối cùng là giải mã tín

hiệu, cụ thể, khôi phục lại dòng bit được truyền đi ban đầu, trước khi cung cấp làm
dữ liệu đầu vào cho các hệ thống khác. Theo [8], mỗi kí tự dữ liệu có khả năng truyền
tải hai bit thông tin, trong đó có một bit được mã hóa thông qua sự phân cực (’+1’
hay ’-1’) của burst dữ liệu. Tuy nhiên, với những máy thu dò năng lượng (kiến trúc
một máy thu dò năng lượng non-coherent điển hình được thể hiện ở Hình 3.1 trong
Chương 3), tín hiệu đưa vào bộ xử lý số (DSP) là tín hiệu đã được bình phương. Như
vậy, tính phân cực của các burst dữ liệu lúc này không còn nữa. Nói cách khác, kiểu
máy thu dò năng lượng này không cho phép khôi phục lại được bit thông tin thứ hai
mà máy phát đã truyền đi.
Một vấn đề nữa được đặt ra là cấu trúc khung dữ liệu của tín hiệu UWB theo
chuẩn IEEE 802.15.4a được trình bày ở trên là dành cho trường hợp đơn người dùng
(một máy phát - một máy thu). Trong trường hợp hệ thống gồm một máy phát nhiều máy thu (tức hệ thống đa người dùng tuyến xuống), cấu trúc của khung dữ
liệu, chính xác hơn, của kí tự dữ liệu, sẽ có sự thay đổi. Quá trình giải mã tín hiệu
trong trường hợp này sẽ phức tạp hơn nhiều so với khi chỉ có một người dùng (một
máy thu). Lí do là vì một kí tự dữ liệu lúc này sẽ chứa đồng thời nhiều burst dữ liệu
tương ứng với nhiều người dùng thay vì chỉ có duy nhất một burst được truyền đi
trong mỗi kí tự như với trường hợp đơn người dùng (chi tiết về cấu trúc khung tín
hiệu đa người dùng sẽ được trình bày trong Chương 4).
Mục tiêu của luận văn là thiết kế và triển khai một bộ xử lý số băng gốc (baseband
25