Nghiên cứu công nghệ truyền thông ultra wideband

LỜI CẢM ƠN!

Đồ án tốt nghiệp đã khép lại toàn bộ quá trình học đại học của em suốt 5 năm qua
tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên. Em
xin gửi lới cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo trong trường đã dạy dỗ chỉ bảo tận tình,
cung cấp kiến thức cần thiết làm cơ sở nền tảng cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp
này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Phạm Văn Ngọc và các thầy cô giáo
trong Khoa Công nghệ Điện tử Và Truyền thông đã giúp đỡ em nhiệt tình, luôn ân cần
chỉ bảo hướng dẫn em trong suốt thời gian qua để em hoàn thành đồ án này.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã cổ vũ động viên và tạo điều khiện để tôi hoàn thành
đồ án này.
Tuy em đã rất cố gắng để hoàn thành đồ án một cách tốt nhất nhưng cũng không thể
tránh khỏi những thiếu xót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo
và các bạn có quan tâm đến lĩnh vực Công nghệ truyền thông UWB để bản đồ án này
hoàn thiện hơn.

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Hoàng Ngọc Thái


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan tất cả các nội dung của đồ án này hoàn toàn được hình thành
và phát triển từ những quan điểm và nghiên cứu của chính cá nhân em, dưới sự hướng
dẫn khoa học của ThS. Phạm Văn Ngọc. Sản phẩm của đồ án là của chính bản thân em
xây dựng không sao chép từ bất kỳ tài liệu hay đồ án nào khác.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Hoàng Ngọc Thái

2


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN! ..................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 2
Thuật ngữ viết tắt................................................................................................................. 1
Lời nói đầu ............................................................................... Error! Bookmark not defined.
Chuơng 1 .............................................................................................................................. 6
Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB ...................................................................... 6
1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến .................................................................... 6
1.1.1 3G và WLAN ....................................................................................................................................... 7
1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB .............................................................................................. 8

1.2 Lịch sử của UWB......................................................................................................................... 9
1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB .................................................................................................... 10
1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao .......................................................................................... 10
1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp ................................................................................................................. 11
1.3.3 Khả năng chống đa đường.................................................................................................................. 11
1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu. ..................................................................................................................... 11
1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp ................................................................................................... 12

1.4 Nhược điểm ............................................................................................................................... 14
1.6 Các ứng dụng của UWB ........................................................................................................... 15
1.6.1 Truyền thông và cảm biến .................................................................................................................. 16
1.6.2 Định vị và bám ................................................................................................................................... 25

1.6.3 Radar ................................................................................................................................................. 27

Chuơng 2 Tín hiệu truyền thông trong UWB ..................................................................... 30
2.1 Định nghĩa tín hiệu UWB ......................................................................................................... 30
2.2 Các dạng xung đơn chu kỳ....................................................................................................... 30
2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian ................................................................................................................ 30
2.2.2 Xung Raised Cosin ............................................................................................................................. 31
2.2.3 Lựa chọn dạng xung ........................................................................................................................... 32

2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm.................................................................................................. 33
2.4 Các phương pháp điều chế trong UWB ................................................................................. 35
2.4.1 Điều chế vị trí xung ............................................................................................................................ 36
2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) ............................................ 38
2.4.3 Các phương pháp điều chế khác ......................................................................................................... 40
2.4.4 Tổng kết về các phương pháp điều chế .............................................................................................. 42

2.5 Ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn lên tín hiệu UWB ................................................... 47
2.5.1 Ảnh hưởng của đa đường ................................................................................................................... 47
2.5.2 Các ảnh hưởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx ........................................................... 47
2.5.3 Lựa chọn các kỹ thuật trong uwb ....................................................................................................... 48

2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập trong UWB................................................................................ 48
2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB ................................................................................. 48
2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian................................................................................................ 49
2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã ........................................................................................................ 49

Chương 3 ............................................................................................................................ 52

3

Bộ thu phát tín hiệu trong truyền thông UWB.................................................................... 52
3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB ........................................................................... 52
3.2 Kiến trúc bộ thu UWB ............................................................................................................. 53
3.2.1 Bộ thu tương quan (Bộ lọc thích ứng) ................................................................................................ 53
3.2.2 Máy thu Rake ..................................................................................................................................... 54
3.2.3 Các hệ số độ lợi xử lý ......................................................................................................................... 56
3.2.4 Thảo luận............................................................................................................................................ 57

Chương 4 ............................................................................................................................ 59
Công nghệ truyền thông UWB ............................................................................................ 59
4.1 CDMA ........................................................................................................................................ 59
4.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao ............................................................................ 60
4.2.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM .................................................................................................. 61
4.2.2 Các trường hợp ứng dụng của OFDM ................................................................................................ 61

Kết Luận ............................................................................................................................. 74
Phụ Lục............................................................................................................................... 75
Tài liệu tham khảo .............................................................................................................. 78

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến ............................ 6
Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF................................................................ 7
Hình 1-3: Thông lượng dữ liệu WLAN theo khoảng cách ................................ 8
Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến .............. 9
Hình 1-5: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp ........................................... 12
Hình 1-6: Một trường hợp của hiện tượng đa đường với ứng dụng trong nhà . 13

Hình 1-7: Đa đường trong tín hiệu UWB ....................................................... 14
Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ ..... 14
Hình 1-9: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp. .................. 16
Hình 1-10: Sự hội tụ của các loại thiết bị........................................................ 18
Hình 1-11: Các thiết bị tương tác với nhau thông qua USB ............................ 19
Hình 1-12: Kết nối các thiết bị trong lĩnh vực giải trí ..................................... 22
Hình 1-13: Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với nhau theo WUSB ....... 23
Hình 1-14: Phối hợp công nghệ tạo ra một kịch bản hấp dẫn .......................... 24
Hình 1-15: Các radar chống chộm, tránh xung đột và đo độ cao chính xác ..... 28
Hình 2-1: Xung đơn chu kỳ Gaussian và phổ tần của nó ................................ 31
Hình 2-2: Xung Raised Cosin và phổ năng lượng của nó................................ 32
Hình 2-3: Chuỗi xung tuần hoàn và phổ của nó .............................................. 34
Hình 2-4: Chuỗi xung có vị trí ngẫu nhiên và phổ tần .................................... 34
Hình 2-5: Phân loại các phương pháp điều chế trong UWB ............................ 35
Hình 2-6: So sánh kỹ thuật điều chế vị trí xung và điều pha hai mức trong
UWB .............................................................................................................. 37
Hình 2-7: Điều chế vị trí xung ........................................................................ 38
Hình 2-8: Mã hoá “0”, “1” trong UWB .......................................................... 40
Hình 2-9: Các phương pháp điều chế khác ..................................................... 41
Hình 2-10: Không gian tín hiệu của OOK, PPMvà BPM ................................ 43
Hình 2-11: Xác xuất lỗi theo lý thuyết đối với OOK, PPM, và BPM .............. 44
Hình 2-12: Các xung vị trí ngẫu nhiên với điều chế BPPM ............................ 45
Hình 3-1: Kiến trúc tổng quan của hệ thống UWB ......................................... 52
Hình 3-2: Bộ thu tương quan (bộ lọc thích ứng) cho UWB ............................ 53
Hình 3-3: Kiến trúc máy thu Rake (5 fingers) với một bộ tương quan ............ 54
Hình 3-4: Thông tin vắn tắt của các tín hiệu trong điều kiện không có tạp âm
trong máy thu Rake. ....................................................................................... 55
Hình 3-5: Thông tin vắn tắt về tín hiệu trong điều kiện có tạp âm bị giới hạn
băng trong máy thu Rake................................................................................ 56
Hình 3-6: Triển khai analog của bộ thu UWB ................................................ 58

Hình 3-7: Quan hệ trên miền tần số – thời gian đối với hai đối tượng dùng sử
dụng trải phổ nhảy tần. ................................................................................... 60
Hình 7-1: Minh hoạ cho phương trình A-5 ..................................................... 76

5


Thuật ngữ viết tắt
Viết tắt

Tiếng anh

Tiếng việt

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

ADC

Analog- to- Disgital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự
sang số

AGC

Automatic Gain Control

Điều khiển độ lợi tự
động

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gaussian trắng
cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ số lỗi bít

BPM

Bi-Phase Modulation

Điều chế pha cơ hai

CATV

Cable Television or Community Antenna

Truyền hình cáp hay

Television

truyền hình anten cộng
đồng

CE

Consummer Equipment

Thiết bị người dùng

CMOS

Complementary Metal-oxide-

Bán dẫn ôxít kim loại bổ

Semiconductor

xung

Direct Sequence-CDMA

Đa truy nhập phân chia

DSCDMA

theo mã - chuỗi trực tiếp

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DVD

Digital Video Disc, Digital Versatile Disc DVD

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Tốc độ số liệu tăng
cường để phát triển GSM

FCC

Federal Communications Commission

Uỷ ban truyền thông liên
bang

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia
theo thời gian

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo tần số

1


FH

Frequency Hopping

Nhảy tần

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum

Trải phổ dùng nhảy tần

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói
chung

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn
cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống toàn cầu cho

Communications

truyền thông di động

HDTV

High-Definition Television

Tivi có độ phân giải cao

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu giao thoa ký hiệu

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuyếch đại tạp âm
thấp

LOS

Line-of-Sight

Tầm nhìn thẳng

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập
phương tiện

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MB-

Multiband-OFDM

Ghép kênh phân chia

OFDM

theo tần số trực giao - đa
băng

MPEG

Moving Picture Experts Group

Nhóm các chuyên gia về
ảnh động

OFDM

Orthogonal Frequency-Division

Ghép kênh phân chia

Multiplexing

theo tần số trực giao

OOK

On-Off Keying

Khoá On-Off

PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PAN

Personal Area Network

Mạng khu vực cá nhân

PDA

Personal Digital Assistants

Trợ giúp số cá nhân
2


PN

Pseudo Noise

Giả tạp âm

PPM

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

SNR

Signal- to - Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SS

Spread Spectrum

Trải phổ

STB

Set-Top Box

Hộp kết nối từ nguồn nội
dung đến Tivi

SVGA

Super Video Graphics Array

Mảng đồ hoạ Video cấp
cao

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo thời gian

TH

Time Hopping

Nhảy thời gian

THSS

Time Hopping Spread Spectrum

Trải phổ dùng nhảy thời
gian

UMTS

Universal Mobile Telecommunications

Hệ thống viễn thông di

System

động toàn cầu

USB

Universal Serial Bus

Bus nối tiếp toàn cầu

UWB

Ultra WideBand

Băng tần siêu rộng

VGA

Video Graphics Array

Mảng đồ hoạ Video

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia

Access

theo mã băng rộng

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng nội bộ không dây

WPAN

Wireless PAN

Mạng nội bộ cá nhân
không dây

WUSB

Wireless USB

Bus nối tiếp toàn cầu vô
tuyến

XVGA

eXtended Video Graphics Array

Mảng đồ hoạ Video mở
rộng

3


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, công nghệ truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất
nhanh trên toàn thế giới, và các lĩnh vực của nó cũng đang thay đổi mạnh mẽ do
sự xuất hiện của các chuẩn mới từ sự phát triển nhanh chóng về các dịch vụ
thông tin của Internet, như là: các ứng dụng đa phương tiện bao gồm: MP3,
truyền dữ liệu băng thông rộng trong một số dịch vụ video đặc biệt. Một vài hệ
thống vô tuyến đã tồn tại hoặc đang còn được phát triển (3G và WLAN) được
thiết kế để hỗ trợ loại dịch vụ đa phương tiện này và truyền dẫn video chất lượng
thấp. Nhu cầu truyền thông dữ liệu với tốc độ bít lớn hơn qua mạng vô tuyến đã
xuất hiện, nó xuất phát từ việc sử dụng thiết bị điện tử trong nhà và ngoại vi máy
tính sao cho tiện lợi nhất. Các công nghệ vô tuyến như Bluetooth, hồng ngoại,…,
chưa đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với
tốc độ lớn. Công nghệ truyền thông UWB ra đời nhằm thoả mãn các yêu cầu về
truyền dẫn dữ liệu với tốc độ lớn, do đó nó có thể tạo ra một bước đột biến trong
lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ bởi một loạt các ứng dụng thú vị đã

được đề xuất. Ngoài ra, một lý do quan trọng làm xuất hiện công nghệ UWB là
yêu cầu hoạt động với độ chính xác cao của các radar trong quân sự. Các xung
UWB có những tính năng đặc biệt tốt cho những ứng dụng radar này. Xuất phát
từ tính hấp dẫn này mà em quyết định chọn công nghệ UWB làm đối tượng
nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp đại học của mình. Nhưng do sự hạn chế về thời
gian, nên trọng tâm của đồ án là nghiên cứu khía cạnh ứng dụng công nghệ UWB
trong lĩnh vực truyền thông, do vậy đồ án tốt nghiệp mà em chọn là:
“Nghiên cứu Công nghệ truyền thông Ultra Wideband”
Nội dung của đồ án tập chung vào các vấn đề cơ bản được phân ra thành từng
chương với những nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB.
Chương 2: Phân tích tín hiệu UWB
Chương 3: Bộ thu phát trong tín hiệu truyền thông UWB
Chương 4: Công nghệ truyền thông UWB
4


Do còn nhiều hạn chế về mặt nhận thức, và nội dung của đồ án cũng cần sự
hiểu biết sâu rộng về nhiều vấn đề của viễn thông, nên chắc chắn đồ án còn nhiều
điểm cần được chỉnh sửa. Em xin chân thành cảm ơn tất cả những ý kiến đóng
góp từ phía các thầy cô, bạn bè và tất cả những ai quan tâm đến công nghệ này để
đồ án có thể tiếp tục được phát triển hoàn thiện.

5


Chuơng 1

Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB
1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến

Hình vẽ 1-1dưới đây cho thấy một quá trình phát triển của công nghệ
truyền thông vô tuyến.

Hình 1-1: Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến
Theo hình vẽ này, chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng xu hướng phát
triển của các hệ thống cũ. Chúng được nâng cấp từng bước để có thể tiến lên
mạng băng rộng. Con đường đi lên mạng băng rộng của từng hệ thống là khác
nhau do công nghệ sử dụng trước đó là khác nhau. Xét về khía cạnh thay đổi để
có thể được nâng cấp lên thế hệ mạng băng rộng thì các hệ thống như GSM hay
TDMA thì phải thay đổi nhiều hơn do công nghệ TDMA được sử dụng ngay từ
đầu. Trái lại, các hệ thống CDMA lại tiến lên mạng thế hệ thứ ba với ít sự thay
đổi hơn cũng vì công nghệ CDMA đã được ứng dụng trước đó.

6


1.1.1 3G và WLAN
Trong hệ thống 3G, như UMTS hay CDMA-2000, tốc độ dữ liệu của
người dùng có thể được cung cấp lên tới 2 Mbps trong môi trường tĩnh, trong khi
đó khi di động thì tốc độ dữ liệu hỗ trợ sẽ thấp hơn. Với khả năng về thông lượng
như trên có thể hỗ trợ dịch vụ dữ liệu đa phương tiện hoặc truyền video chất
lượng thấp. Kích thước của một tế bào (cell) của hệ thống 3G nhỏ hơn hệ thống
2G hiện tại, như GSM, khoảng 300 mét trong khu vực đô thị và có thể lớn hơn
trong vùng nông thôn (xem thêm hình 1-2).

Hình 1-2: Phạm vi truyền dữ liệu RF
So với 3G,WLAN có thể cung cấp thông lượng dữ liệu cao hơn (xem hình
1-3). Ví dụ: các sản phẩm Wi-Fi (802.11b) đã sẵn sàng trên thị trường cung cấp
cho người dùng tốc độ dữ liệu lên đến 11 Mbps về lý thuyết và độ phủ sóng lên
đến 100 mét. Trong tương lai WLAN có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên dến 54

Mbps theo lý thuyết (802.11a/g), và giao thức MAC mới được thiết kế có làm
cho hệ thống hỗ trợ mạng ad-hoc, dịch vụ được đồng bộ hoá, và thích ứng liên
kết động với điều khiển QoS. Do vậy, toàn bộ hệ thống WLAN có thể trở thành
một nền tảng tốt cho truyền dẫn video.

7


1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB
Trong các hệ thống sau này, tốc độ dữ liệu ngày càng được đẩy (xem hình
1-4) lên và các ứng dụng trong truyền thông vô tuyến ngày càng quan trọng.
Tuy nhiên, khoảng cách giữa nhu cầu về tốc dộ truyền dẫn và tốc độ dữ liệu có
thể đáp ứng vẫn tồn tại. Trong bảng 1-1, cho ta thấy chúng ta cần các tuyến hơn
100 Mbps mới có thể đáp ứng truyền dẫn luồng dữ liệu MPEG-2, đó là yêu cầu
mới cho mạng gia đình hay mạng khu vực cá nhân (PAN). Trong khi đó, các hệ
thống đang tồn tại như 3G hay WLAN không thể đáp ứng được yêu cầu này. Do
đó, một công nghệ mới đã xuất hiện – UWB. 802.11 Thông lượng dữ liệu theo
khoảng cách

Hình 1-3: Thông lượng dữ liệu WLAN theo khoảng cách

8


Hình 1-4: So sánh tốc độ bit giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến
1.2 Lịch sử của UWB
Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc chủ yếu vào
bốn quy luật cơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lượt tương ứng với: Maxwell
và Hertz, Shannon, Moore, và Metcalfe.
Các chuẩn hiển thị

VGA

SVGA

XVGA

SXVGA

Số điểm ảnh ngang

640

800

1024

1280

Số điểm ảnh dọc

480

600

768

1024

Tổng điểm ảnh

307200

480000

786432

1310720

Tổng số bít (mầu 16 bít)

4915200

7680000

12582192

20971520

Tổng số bít (mầu 24 bít)

7372800

11520000

18874368

31457280

Mbps tại chuyển động tối

147

230

377

629

221

345

566

943

Mbps sau khi nén

6-32

15-50

20-70

30-100

Các ứng dụng

MPEG-2

Máy chiếu

Máy chiếu

Màn hình

xách tay

máy tính

thiểu 30 khung (mầu 16 bít)
Mbps tại chuyển động tối
thiểu 30 khung (mầu 24 bít)

DVD

Bảng 1-1: Dữ liệu mong đợi cho truyền dẫn video

9


Mặc dù thường được coi như là một bước đột phá trong truyền thông vô
tuyến, nhưng UWB cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ.Khá giống
với trải phổ hay đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đường
tương tự như vậy với việc thiết kế ban đầu dành cho radar và truyền thông trong
quân đội.
Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu
không còn là điều bí mật, UWB có được đà phát triển mạnh vào năm 1998.
Những mối quan tâm đến UWB chỉ được “châm ngòi” từ khi FCC phát hành một

báo cáo và quy định vào tháng 2 năm 2002 về việc cho phép triển khai mang tính
thương mại với yêu cầu mặt nạ phổ (xem 1.4) cho cả các ứng dụng trong nhà và
ngoài trời.
Như vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhưng
UWB xuất hiện với mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.110.6 GHz) đã được FCC cấp phát.
1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB
Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phương pháp
truyền tin cổ điển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không được coi như là một
phương tiện truyền thông mãi cho đến thời gian gần đây. Một vài đặc điểm của
hệ thống này có thể được nhấn mạnh, mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống
như các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại (như CDMA hoặc OFDM):
1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao
Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lượng tối đa có thể đạt được trong
một kênh với tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng
băng W là:

C  W log 2 1  SNR 

(1-1)

SNR không có thứ nguyên và W có đơn vị là Hz. Dung lượng tăng theo hàm
logarit với công suất (tương ứng với SNR) và tuyến tính với độ rộng băng. Điều
đó không có nghĩa là một hệ thống vô tuyến UWB sẽ hoạt động sát với dung
lượng kênh bởi vì một số tín hiệu đã sử dụng một phần băng tần đó. Nhưng do
10


tín hiệu UWB sử dụng một băng tần rất lớn nên cần ít công suất hơn để truyền
một tốc độ bit như nhau với một xác suất lỗi không đổi.
1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp

Đặc điểm này cũng giống với các hệ thống CDMA và OFDM. Cấu trúc
của tín hiệu UWB rất phức tạp về độ rộng băng (các xung rất hẹp) cũng như là
mã PN (cung cấp khả năng truy nhập đường truyền). Một quy tắc xác định đơn
giản cho thấy cả độ phức tạp cũng như là thời gian cần thiết để nghe lén một tín
hiệu tỉ lệ với bình phương công suất của cả độ rộng băng và chiều dài mã, làm
cho tín hiệu UWB trở nên vô cùng khó khăn trong việc khoá nếu như cấu trúc
của nó không được biết trước.
1.3.3 Khả năng chống đa đường
Trong truyền thông băng hẹp cổ điển, fading xuất hiện như là một khái
niệm có trạng thái cố định có liên quan đến đa đường. Đa đường xuất hiện khi
một hoặc nhiều hơn tiếng vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ
khác nhau (xem hình 1-6). Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian
của một ký hiệu thì nó chịu fading, do tại thời điểm quyết định ký hiệu, các thành
phần này tạo nên tính xây dựng hoặc phá vỡ và không thể được tách. Trong hình
1-5, một hình ảnh thể hiện 2 đường vọng của một tín hiệu hình sin và cách thức
chúng kết hợp.
Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và có thể
được nhận dạng tiếp theo là được thêm vào các ký hiệu tương ứng. Nếu như các
xung có độ rộng 1 ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đường đi mà độ
lệch về khoảng cách dưới 30 cm. Nếu như xung chỉ có độ rộng 0.2 ns thì các
đường này chỉ cách nhau 6 cm. Xác suất của sự xuất hiện này trong môi trường
trong nhà thì nhỏ hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu băng hẹp.
1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu.
Lời khẳng định này dựa trên một thực tế rằng UWB được phát minh như
là các hệ thống băng gốc. Một ADC có thể được đặt ngay sau bộ khuyếch đại tạp
âm thâp (LNA) và phần sau của hệ thống có thể được hoạt động trên miền tín
11


hiệu số. Không cần vòng khoá pha hay tần số. Sau khi FCC đưa ra một số quy

định thì điều này không còn hoàn toàn đúng vì loại tín hiệu được phép sử dụng
có một phổ tần bắt đầu tại 3.1 GHz. Có thể nói rằng phương pháp đơn giản nhất
để thực hiện giải điều chế loại tín hiệu này là sử dụng một bộ nhân tần, hoặc là
trong miền tương tự hoặc trong miền số.
1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp
Do độ rộng băng tần của tín hiệu UWB lớn hơn nhiều độ rộng băng của hệ
thống truyền thông vô tuyến cũ, một dung lượng kênh cao hơn có thể đạt được
thậm trí trong cả môi trường mà SNR thấp. Cũng theo lý thuyết của Shannon:

C  W log 2 1  SNR 

(1.2)

Trong trường hợp một hệ thống UWB sử dụng phổ tần 2 GHz hoạt động với
SNR là 0dB, dung lượng kênh có thể tính theo C=2.log2(1+1)=2 Gbps. Theo kết
quả này, chúng ta có thể thấy rằng một hệ thống UWB với công suất tín hiệu thấp
vẫn có thể duy trì tốc độ dữ liệu cao, và đặc điểm này sẽ khiến cho UWB là một
giải pháp lý tưởng cho lớp vật lý của mạng PAN.

Hình 1-5: Đa đường trong một tín hiệu băng hẹp
12


Vì công suất tín hiệu thấp (xem hình 1-8) và băng tần khả dụng lớn nên
các hệ thống UWB hoạt động tương tự như các hệ thống trải phổ. Tuy nhiên, so
với dạng trải phổ cơ bản như các hệ thống chuỗi trực tiếp và nhảy tần thì UWB
không dựa vào chuỗi trải phổ và chuỗi nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần rộng.
Thay vào đó, hệ thống UWB sử dụng các xung có độ rộng cực ngắn để tạo ra
băng tần hệ thống siêu rộng.
So với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác, hoạt động trong chế độ giới hạn

băng tần, UWB hoạt động trong chế độ giới hạn công suất (xem hình 1-9). Do
đó, công suất tín hiệu UWB trong bất kỳ kênh băng hẹp đơn nào cũng rất nhỏ và
nhiễu tới các thiết bị như đầu cuối 802.11a và điện thoại di động 3G có thể bỏ
qua về mặt nguyên lý.

Hình 1-6: Một trường hợp của hiện tượng đa đường với ứng dụng trong nhà

13


Hình 1-7: Đa đường trong tín hiệu UWB

Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ
1.4 Nhược điểm của hệ thống UWB
Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích
và hấp dẫn cho truyền thông trong tương lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn
14


một số thử thách cần phải vượt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến và có
mặt ở khắp nơi.Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển. Truyền thông vô
tuyến luôn luôn phải quy định sao cho tránh được nhiễu từ các người dùng khác
nhau trên cùng một phổ tần. Vì UWB chiếm một băng tần rất rộng nên có nhiều
đối tượng sử dụng mà phổ tần của nó sẽ bị ảnh hưởng và cũng cần đảm bảo rằng
UWB sẽ không gây nhiễu đến các hệ thống truyền thông vô tuyến đã tồn tại.
Trong nhiều trường hợp, các đối tượng sử dụng này phải trả tiền để có được
quyền sử dụng riêng phổ tần.
Một thử thách khác là việc thống nhất chuẩn hoá cho hoạt động kết hợp
giữa các thiết bị UWB. Tại thời điểm hiện tại, chưa có sự thống nhất rõ ràng và
khả năng của một vài chuẩn UWB đang cạnh tranh vẫn còn là điều rất được

mong đợi .
Ngoài ra còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai. Một số vấn đề
về mặt kỹ thuật có thể kể đến như: khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền
thông cũ, tạo ra tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp, thu tín hiệu đa đường,
nhiễu giao thoa ký hiệu đặc biệt trong môi trường tầm nhìn bị che khuất (nonline-of-sight), các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và
đồng bộ hoá. Lời hứa về các thiết bị giá thành thấp còn đó, nhưng độ phức tạp
tăng lên do phải giải quyết vấn đề nhiễu và hoạt động với công suất thấp có thể
sẽ đẩy giá thành lên tương tự như các thiết bị vô tuyến hiện tại.
1.6 Các ứng dụng của UWB
UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng
rộng rãi, hấp dẫn, như thể hiện trong hình 1-13.
Về cơ bản, các ứng dụng này có thể được chia thành 3 nhóm:
 Truyền thông và cảm biến
 Định vị và theo dõi
 Radar

15


Hình 1-9: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp.
1.6.1 Truyền thông và cảm biến
Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị
trường khách hàng. Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng
rộng lớn, theo đó hệ thống truyền thông có thể được cải thiện, tăng cường,nâng
cấp. Các ứng dụng trong truyền thông có thể được chia ra làm hai khu vực - tốc
độ dữ liệu thấp và cao. Cả hai đều yêu cầu công suất thấp và dung lượng cao,
chúng là các biểu tượng cho chất lượng của UWB.
1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp
Sự nổi lên của môi trường nhà số được cấu thành bởi nhiều thiết bị CE
khác nhau (như bộ nghe nhạc, xem video số), các thiết bị di động (như điện thoại

tổ ong và PDA), và các thiết bị máy tính cá nhân (như máy tính PC xách tay) sẽ
hỗ trợ một lượng lớn các ứng dụng. Các thiết bị này có thể phân chia ra làm 3
loại không hoàn toàn tách biệt (Xem hình 1-14):
 PC và Internet
 Các thiết bị điện tử cho người tiêu dùng (CE) và hệ thống quảng bá
16


 Các thiết bị cầm tay và di động
Các thiết bị này thông thường được đặt trong các phòng khác nhau và được
dùng cho nhiều chức năng khác nhau. Tuy nhiên, chủ nhân của chúng vẫn hy
vọng chúng có thể tương tác được với nhau-bộ chạy MP3 trao đổi file với PC, bộ
ghi hình số thông tin với STB,…. Sự hội tụ của các loại thiết bị này cần phải có
một công nghệ vô tuyến chung cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân
phối thông lượng dữ liệu cao cho nhiều ứng dụng, ứng dụng tốc độ cao.
Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ
liệu đỉnh của công nghệ Bluetooth 1Mbps, nó được sử dụng cho nhiều thiết bị để
có thể tạo ra WPAN như ngày hôm nay. Nhưng có nhiều thiết bị không thể đáp
ứng được giá thành và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/b/g cho Wi-Fi
Networking.
Trong khi Wi-Fi nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, nhưng nó vẫn không thể
phân phối hết được hiệu năng để cho phép sử dụng có hiệu quả nhiều luồng
video chất lượng cao đồng thời. Công nghệ UWB cung cấp một thông lượng như
đã được yêu cầu bởi thế hệ kế tiếp của các thiết bị đã hội tụ. Ngoài ra với sự hỗ
trợ của các hãng công nghiệp lớn, như WIMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn
sự hoạt động tương tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE 1394, USB, và
Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải pháp công
nghệ băng rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp, và công suất tiêu thụ
thấp.

17


Hình 1-10: Sự hội tụ của các loại thiết bị
Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có
thể liệt kê một số ứng dụng chính ở dưới đây:
 Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phương tiện, như máy ảnh số, máy
chạy MP3 xách tay, bởi kết nối vô tuyến.
 Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy
quét, và các thiết bị lưu trữ ngoài khác.
 Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế
tiếp, như điện thoại tổ ong 3G, cũng như là kết nối dựa trên IP/UpnP cho
thế hệ các thiết bị di động PC/CE dựa trên IP kế tiếp.
 Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các
thiết bị di động.
1.6.1.2 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC
Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đưa
hiệu năng và độ tiện lợi như đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo.
Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể như là sự lựa chọn cáp kết nối
cho nền tảng PC (hình 1-15). Nhưng cáp cũng chỉ có thể được sử dụng theo
18


phương thức này. Công nghệ Bluetooth đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ
nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và hoạt động tương tác. Một
giải pháp WUSB sử dụng UWB cung cấp cho đối tượng sử dụng có quyền hy
vọng về USB không cần dùng cáp. Điều đó đã giải thoát kết nối USB, UWB đã
có được một sự tăng trưởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC.
WUSB Working Group sẽ định nghĩa một đặc tả hứa hẹn cung cấp tốc độ lên đến
480 Mbps (tương đương với USB 2.0) trong phạm vi 10 m.

Với WUSB, một người sử dụng có thể mang một thiết bị di động, như là PMP
(Portable Media Player), tới gần nguồn nội dung, như một PC, máy tính xách tay,
hoặc một đĩa cứng bên ngoài, khi mà quá trình nhận thực và trao quyền hoàn
thành, video có thể được chuyển vào PMP để xem sau.

Hình 1-11: Các thiết bị tương tác với nhau thông qua USB

1.6.1.3 Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE
Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối đa phương tiện vô
tuyến cho thiết bị điện tử âm thanh và hình ảnh cho người tiêu dùng (CE). Lợi
ích mà các kết nối này đem lại về mặt tốc độ thì cũng không thua kém các kết nối
hữu tuyến, nhưng lợi ích to lớn nhất mà kết nối vô tuyến này đem lại là sự dễ
19


dàng trong khi sử dụng và hiệu quả truyền dữ liệu cao. Một lớp rộng lớn thiết bị
thuộc lĩnh vực giải trí (hình 1-16) bao gồm: Bộ đọc DVD, HDTV, STB, bộ ghi
video cá nhân (PVR), bộ chạy MP3 và Stereo, máy ảnh số, và các thiết bị CE
khác dễ thấy ở khắp gia đình. UWB có thể kết nối một màn hình plasma treo
tường hoặc HDTV đến một STB hoặc một bộ chạy DVD, mà không gặp khó
khăn gì và đảm bảo tính thẩm mỹ do không có cáp. UWB cũng có thể tạo ra đa
luồng tới đa thiết bị đồng thời. Điều này tạo ra nhiều điều vô cùng hấp dẫn ví như
khả năng xem nội dung cùng hoặc khác nhau trên nhiều thiết bị trong cả nhà.
UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và các thiết bị giải trí, như
máy quay xách tay số đến PC để sử dụng các trình xử lý ảnh số hoặc tới một
LCD cỡ lớn để xem. Kết nối một máy ảnh số đến một máy tính cá nhân xách tay
để chỉnh sửa, biên dịch, và gửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong
gia đình trong khi đang ngồi ở một hotspot công cộng. UWB đề xuất nhiều lợi
ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1-2). Với WPAN sử dụng UWB, khi
các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhau và trao đổi thông tin

xuất hiện khi người dùng bấm nút Play.
Đặc điểm

Lợi ích

Thông lượng tốc độ cao

Nhanh, truyền với chất lượng cao

Tiêu thụ công suất thấp

Tuổi thọ bin của các thiết bị cầm tay dài

Thiết bị vô tuyến được chuẩn hoá, Giá rẻ
dựa trên Silicon
Tuỳ chọn kết nối hữu tuyến

Tiện lợi và linh động

Bảng 1-2: Các đặc điểm và lợi ích của UWB trong môi trường PC và giải trí
Các thiết bị CE xách tay, như máy quay số, máy ảnh số, bộ chạy MP3, và
bộ chạy video cá nhân được mong đợi sẽ tạo ra một thị trường chính của UWB
thời kỳ đầu.

20