Nghiên cứu hệ thống băng cực rộng UWB và ứng dụng

i

Đại học quốc gia Hà nội
Trờng đại học công nghệ

Tô Hồng Nam

NGHIÊN CứU Hệ THốNG BĂNG CựC RộNG UWB
V ứng dụng

Luận văn thạc sĩ

H N i - 2006


ii

Đại học quốc gia Hà Nội
trờng đại học công nghệ

Tô Hồng Nam

NGHIÊN CứU Hệ THốNG BĂNG CựC RộNG UWB
V ứng dụng

Ngành
Chuyên ngành
Mã số

: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
: K thu t vụ tuy n v thụng tin liờn l c

: 2.07.00

Luận văn thạc sĩ

Ngời hớng dẫn khoa học
PGS.TS. Trần Hồng Quân

H N i - 2006


iii


iv

M CL C
M C L C......................................................................................................... i
THU T NG VI T T T ............................................................................ vii
DANH M C HÌNH V ................................................................................. ix
DANH M C B NG BI U ........................................................................... xii
M
U .......................................................................................................xiii
CH
NG 1...................................................................................................... 1
GI I THI U T NG QUAN CÔNG NGH UWB ..................................... 1
1.1 Gi i thi u chung .................................................................................... 1
1.2 L ch s ra đ i......................................................................................... 1
1.3 Ph m vi ho t đ ng c a UWB ............................................................... 3
1.4 Công ngh UWB.................................................................................... 4
1.5 ng d ng c a UWB .............................................................................. 6

1.6 Các v n đ k thu t c n l u ý.............................................................. 9
1.7 K t lu n ................................................................................................ 10
CH
NG 2.................................................................................................... 12
NGHIÊN C U CÁC
C TR NG C B N C A TÍN HI U VÀ
CÔNG NGH UWB ..................................................................................... 12
2.1 Gi i thi u.............................................................................................. 12
2.2 M t đ ph n ng l ng....................................................................... 12
2.3 D ng xung ............................................................................................ 14
2.4 Dãy xung............................................................................................... 17
2.5 M t n ph ........................................................................................... 19
2.6 Kh n ng ch ng đa đ ng ................................................................. 20
2.7 Kh n ng truy n qua v t ch t ........................................................... 23
2.8 Dung l ng không gian và ph .......................................................... 23
2.9 T c đ truy n d li u.......................................................................... 24
2.10 Tiêu th n ng l ng.......................................................................... 25
2.11 T ng k t.............................................................................................. 26
CH
NG 3.................................................................................................... 27
NGHIÊN C U CÁC GI I PHÁP K THU T TRUY N TÍN HI U
B NG C C R NG TRÊN KÊNH VÔ TUY N ....................................... 27
M đ u ....................................................................................................... 27
3.1 Gi i thi u chung .................................................................................. 27
3.1.1 H th ng đ n b ng........................................................................ 30
3.1.2 H th ng đa b ng .......................................................................... 30
a. a b ng xung ................................................................................. 30
b. a b ng d a trên OFDM .............................................................. 31
3.2 T o tín hi u UWB................................................................................ 33
U

U


v

3.2.1 c đi m c a tín hi u UWB ......................................................... 33
a. nh ngh a...................................................................................... 33
b. M u xung đ n ................................................................................ 35
3.2.2 Thi t k tín hi u UWB .................................................................. 37
a. Nguyên t c ...................................................................................... 38
b. Thi t k tín hi u.............................................................................. 39
c. Tính toán công su t cho các xung đ c phát l p......................... 43
3.3 Các ph ng th c đi u ch UWB ....................................................... 45
3.3.1 i u ch v trí xung....................................................................... 47
3.3.2 i u ch khoá l ng tr c giao M m c (M-BOK) ....................... 49
3.3.3 i u ch phân c c xung, BPSK và QPSK................................... 50
3.3.4 i u ch biên đ xung .................................................................. 51
3.3.5 i u ch tham chi u phát ............................................................. 51
3.3.6 Nh n xét......................................................................................... 53
3.4 Dãy xung............................................................................................... 54
3.4.1 Chu i xung Gaussian ................................................................... 54
3.4.2 Mã PN ............................................................................................ 55
3.4.3 H th ng UWB PPM nh y th i gian ........................................... 57
3.5 B phát UWB....................................................................................... 59
3.5.1 Quá trình phát x xung h p.......................................................... 59
a. Tr ng xa c a m t anten b t k ................................................... 62
b. Tr ng xa c a m t ngu n phát x nh lý t ng ......................... 64
3.5.2 S đ b phát ................................................................................. 65
3.6 Truy n sóng tín hi u UWB trong môi tr ng vô tuy n .................. 66

3.6.1 Truy n tín hi u UWB trong không gian t do ............................ 68
3.6.2 Truy n sóng v i s ph n x m t đ t ............................................ 69
a. Tín hi u UWB và tín hi u đi u hoà theo th i gian v i m t l n
ph n x m t đ t .................................................................................. 71
3.6.3 Truy n sóng UWB trong tr ng h p đa đ ng vô tuy n ........... 72
a. Truy n xung UWB qua m t toà nhà ............................................. 73
3.6.4 Mô hình truy n sóng và các tham s ........................................... 76
3.7 B thu UWB......................................................................................... 77
3.7.1 Nguyên t c ..................................................................................... 77
a. Thu tín hi u UWB .......................................................................... 78
b. T p âm và nhi u............................................................................. 78
3.7.2 S đ kh i b thu .......................................................................... 80
a. Tách tín hi u................................................................................... 81
b. Tích phân xung .............................................................................. 81
c. Bám ................................................................................................. 81
3.7.3 Hi u su t b thu và tách tín hi u ................................................. 82


vi

3.8 a truy c p trong UWB...................................................................... 85
3.8.1 Nh y th i gian (TH)..................................................................... 86
3.8.2 Tr i ph tr c ti p (DS).................................................................. 88
3.9 Các gi i h n và dung l ng h th ng UWB ..................................... 89
3.9.1 Các gi i h n trong thông tin ........................................................ 90
a. T p âm ............................................................................................ 90
b. Công th c dung l ng c a Shannon............................................ 91
c. Hi u su t thông tin c a các ph ng pháp đi u ch khác nhau .. 94
3.9.2 Các gi i h n c b n c a h th ng UWB ..................................... 95
a. Gi i h n c b n đ i v i h th ng UWB........................................ 96

b. Gi i h n c b n so v i các h th ng vô tuy n thông th ng ...... 99
3.10 nh h ng nhi u qua l i gi a h th ng truy n thông UWB...... 101
3.10.1 Các m ng n i h t không dây (WLAN)..................................... 101
3.10.2 Bluetooth.................................................................................... 103
3.10.3 GPS ............................................................................................ 104
3.10.4 Các h th ng thông tin t bào................................................... 104
K t lu n .................................................................................................... 105
CH
NG 4.................................................................................................. 106
TÌNH HÌNH TRI N KHAI CÁC NG D NG B NG C C R NG... 106
M đ u ..................................................................................................... 106
4.1 ng d ng trong quân s ................................................................... 106
4.1.1 H th ng đ nh v chính xác ........................................................ 106
4.2 Các ng d ng trong th ng m i ..................................................... 107
4.2.1 Time Domain PulsON 200.......................................................... 108
4.2.2 B t o tín hi u UWB c a Time Domain .................................... 109
4.2.3 XtremSpectrum............................................................................ 110
4.2.4 T p đoàn Intel ............................................................................. 110
4.2.5 Motorola ...................................................................................... 111
4.2.6 Phòng thí nghi m nghiên c u truy n thông (CRL) .................. 111
4.2.7 General atomics........................................................................... 112
4.2.8 Wisair ........................................................................................... 112
4.2.9 M ng gia đình và các thi t b đi n t dân d ng ........................ 113
4.2.10 H th ng đ nh v chính xác ...................................................... 115
K t lu n .................................................................................................... 116
K T LU N .................................................................................................. 118
TÀI LI U THAM KH O .......................................................................... 119


vii

THU T NG

VI T T T

CEPT

European Conference of Postal and Telecommunications

CE

Consumer electronics

DAN

Device Area Network

dB

decibel

dBi

antenna gain, dB referenced to isotropic radiation

dBm

dB relative to one milliwatt

DPSK

Differential Phase Shift Keying

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

Eb

Bit energy

eb

Communication efficiency, relative efficiency, dB

Eb/N0

Bit energy to noise-density ratio

EIRP

Effective Isotropically Radiated Power

ETSI

European Technical Standards Institute

FDMA

Frequency Division Multiple Access

FFT

Fast Fourier Transform

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP

Internet protocol

ISO

International Standards Organization

ITU

International Telecommunication Union

LAN

Local Area Network

LLC

Logical Link Control

LOS

Line of Sight (propagation)

MAC

Medium Access Control

MAN

Metropolitan Area Network

M-BOK

M-ary Bi-Orthogonal Keying

N0

Noise density, W/Hz

NLOS

Non-line of sight (propagation)


viii

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OOK

On–Off keying

PAM

Pulse Amplitude Modulation

PAN

Personal Area Network

Pd

Power density, W/m2

PHY

Physical layer

PN

Pseudo-random Noise

PPM

Pulse Position Modulation

PR

Pseudo Random

PRF

Pulse Repetition Frequency

PRI

Pulse Repetition Interval

PSD

Power Spectral Density

PSM

Pulse Shape Modulation

PVT

Process, power supply Voltage and Temperature

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RF

Radio Frequency

RFIC

Radio Frequency Integrated Circuit

RMS

Root Mean Square

RX

Receiver, Receiver port

SINR

Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio

SNR

Signal-to-Noise Ratio

TCP/IP

Terminal Control Protocol/Internet Protocol

TDMA

Time Division Multiple Access

UWB

Ultra-WideBand

WAN

Wide Area Network

WLAN

Wireless Local Area Network


ix

DANH M C HÌNH V
Hình 1.1: S h i t c a các thi t b ................................................................... 3
Hình 1.2: So sánh các tín hi u b ng h p NB, tr i ph SS và UWB ................. 4
Hình 1.3: Các k t n i PC qua UWB ................................................................. 6
Hình 1.4: H th ng thi t b gi i trí .................................................................... 7
Hình 1.5: L p giao th c và ng d ng cho UWB............................................ 10
Hình 2.1: Các h th ng m t đ n ng l ng th p và cao................................. 14
Hình 2.2: Xung UWB lý t ng....................................................................... 15
Hình 2.3: M ch đ n gi n đ t o xung Gaussian kép ...................................... 16

Hình 2.4: Chi ti t các xung đ c t o ra trong h th ng UWB đi n hình ....... 17
Hình 2.5: (a)Dãy xung UWB (b) Ph c a dãy xung UWB ............................ 18
Hình 2.6: Ph c a dãy xung đã b d ch v phía tr c và sau so v i danh đ nh
......................................................................................................................... 19
Hình 2.7: M t n ph qui đ nh b i FCC cho h th ng UWB trong nhà......... 20
Hình 2.8: Xung đ c truy n b ph n x t o ra các xung đ n phía thu v i các
th i gian tr khác nhau .................................................................................... 21
Hình 2.9: Kho ng cách hai xung l n h n đ r ng xung s không gây can
nhi u ................................................................................................................ 21
Hình 2.10: (a) Hai xung UWB ch ng l n (b) D ng sóng thu đ c g m các
xung b ch ng l p ............................................................................................ 22
Hình 3.1: M t n ph h th ng UWB trong nhà theo quy đ nh c a FCC ...... 28
Hình 3.2 : Ph c a h th ng UWB so v i các h th ng hi n có..................... 28
Hình 3.3: Tín hi u và ph c a UWB đ n b ng và đa b ng ............................ 29
Hình 3.4: S d ng b ng t n đ tránh nhi u không mong mu n ..................... 30
Hình 3.5: Truy n d n thông tin cho h th ng đa b ng d a vào xung............. 31
Hình 3.6: nh h ng c a chu k l p xung đ i v i nhi u xung t i b thu...... 32
Hình 3.7: Mô hình t ng quát h th ng truy n thông....................................... 32
Hình 3.8: M t s gi i h n thi t k đ i v i h th ng UWB............................. 34
Hình 3.9: Các đi m thi t k tín hi u UWB ..................................................... 35
Hình 3.10: Mô hình đ n gi n t o tín hi u Gaussian double ........................... 37
Hình 3.11: Chi ti t trong h th ng truy n thông UWB .................................. 37
(a) Chu i xung ch nh t (b) Chu i xung d ng Gaussian................................ 37
(c) Xung đ o hàm b c 1 (d) Các xung Gaussian double................................. 37
Hình 3.12: Các xung h p có th t o tín hi u UWB ........................................ 38
Hình 3.13: u ra c a m t m ch logic t o tín hi u UWB, s d ng m t b l c
thông d i nh m thu đ c b ng mong mu n.................................................... 39
Hình 3.14: Các bi u di n theo mi n th i gian và t n s c a m t xung d a trên
c p bi n đ i Fourier ........................................................................................ 40

x

Hình 3.15: Các tín hi u mi n th i gian càng tr n công su t n m ngoài b ng
t n mong mu n càng bé .................................................................................. 41
Hình 3.16: Các tín hi u mi n th i gian khác nhau có cùng b ng thông, nh ng
công su t n m ngoài b ng thông đó thì khác nhau ......................................... 42
Hình 3.17: Công su t kh d ng đ i v i b ng UWB và v i m t tín hi u UWB
trên th c t ....................................................................................................... 44
Hình 3.18: Các xung ch a đi u ch đ c phát v i m t t n s c th t o thành
các v ch ph .................................................................................................... 45
Hình 3.19: Các ph ng th c đi u ch UWB .................................................. 46
Hình 3.20: So sánh đi u ch PPM và đi u ch BPSK trong UWB ............... 47
Hình 3.21: Các d ng xung PPM v i các bit 0 và 1......................................... 48
Hình 3.22: Xác su t l i v i các lo i đi u ch khác nhau ................................ 50
Hình 3.23: Xác su t l i v i đi u ch PAM .................................................... 51
Hình 3.24: B phát và thu TR-UWB ............................................................. 52
Hình 3.25: Xác su t l i đ i v i đi u ch TR .................................................. 53
Hình 3.26: M t b phát xung UWB................................................................ 53
Hình 3.27: Chu i xung Gaussian kép trong mi n th i gian và t n s ............ 55
Hình 3.28: Xung Gaussian, đ n, kép trong mi n th i gian và t n s ............. 56
Hình 3.29: u ra c a h th ng đi u ch v trí xung nh phân, nh y th i gian
......................................................................................................................... 58
Hình 3.30: Anten ch n t v i dòng đi n m t J(r,, )........................................ 61
Hình 3.31: M t ch n t b ng r ng .................................................................. 63
Hình 3.32: Tr ng phát t i anten và tr ng phát t i các h ng khác nhau ... 64
Hình 3.33: Anten phát vô cùng nh ................................................................ 65
Hình 3.34: S đ kh i phát UWB .................................................................. 66
Hình 3.35: Tr i n ng l ng c a m t tín hi u theo hình c u ........................... 68
Hình 3.36:........................................................................................................ 70

(a) Tia tín hi u b ng h p và UWB t i tr c ti p .............................................. 70
(b) Tia tín hi u b ng h p và UWB b ph n x ................................................ 70
(c) Tia tín hi u b ng h p và UWB t i tr c ti p và b ph n x trong mô hình
truy n sóng hai tia ........................................................................................... 70
Hình 3.37: Các xung ch ng lên nhau và không ch ng lên nhau .................... 71
Hình 3.38: c tính suy hao truy n sóng UWB (đ ng in đ m) và sóng đi u
hoà g n m t đ t ............................................................................................... 72
Hình 3.39: Minh ho m t ngu n UWB truy n sóng trong toà nhà ................ 73
Hình 3.40: Mô ph ng th i đi m b t đ u phát x c a m t tín hi u ................. 74
Hình 3.41 : Mô ph ng truy n xung xuyên qua các b c t ng ....................... 74
Hình 3.42: Mô ph ng ti ng v ng đa đ ng.................................................... 74
Hình 3.43: Mô ph ng ti ng v ng đa đ ng sau khi m t sóng truy n qua...... 75
Hình 3.44: Mô ph ng xung UWB ch m t i m t v t ch n.............................. 75


xi

Hình 3.45: Mô ph ng ph n x đa đ ng sau khi m t sóng truy n g c qua ... 75
Hình 3.46 : T p âm bi n đ i theo t n s ......................................................... 79
Hình 3.47: S đ kh i b thu UWB................................................................ 80
Hình 3.48 : H th ng báo hi u UWB kém hi u qu d a trên công ngh vô
tuy n truy n th ng........................................................................................... 82
Hình 3.49: H th ng máy thu.......................................................................... 83
Hình 3.50: M t h th ng báo hi u UWB hi u qu s d ng b thu thích h p 85
Hình 3.51a: Chia các kênh thành các khe th i gian không ch ng l n ............ 88
Hình 3.51b: Khái ni m h th ng tr i ph chu i tr c ti p ............................... 88
Hình 3.52: Ch tiêu kênh lý t ng................................................................... 92
Hình 3.53: Gi i h n đ l i c b n c a h th ng UWB................................... 96
Hình 3.54: Dung l ng t i l n nh t theo gi i h n c b n c a h th ng UWB
tuân theo các quy đ nh khác nhau. .................................................................. 98

Hình 3.55: So sánh h th ng UWB và h th ng b ng h p. ............................ 99
Hình 3.56: Các gi i h n c b n c a h th ng b ng h p và UWB ................ 100
Hình 3.57: Các h th ng truy n thông vô tuy n khác v n hành trên d i t n 101
c a h th ng UWB gây nhi u lên h th ng UWB và ng c l i ................... 101
Hình 3.58: Thi t l p thí nghi m đ xác đ nh nh h ng c a nhi u t các b
phát UWB công su t cao t i card WLAN .................................................... 103
Hình 4.1: PulsON 200 Evaluation Kit radios................................................ 108
Hình 4.2: B t o tín hi u UWB PulsON 200................................................ 109
Hình 4.3a: M t ví d m ng gia đình dùng UWB.......................................... 113
Hình 4.3b: K t n i vô tuy n gi a các thi t b trong nhà s d ng công ngh
UWB.............................................................................................................. 114
Hình 4.4: T ng quan các ng d ng do UWB cung c p ................................ 117


xii

DANH M C B NG BI U
B ng 1.1: c tr ng và u đi m c a UWB trong PC và thi t b gi i trí .......... 8
B ng 2.1: M t đ ph công su t c a m t s h th ng truy n thông............... 13
B ng 2.2: So sánh dung l ngkhông gian c a các h th ng vô tuy n trong nhà
......................................................................................................................... 24
B ng 2.3: So sánh t c đ bit c a UWB v i các chu n vô tuy n khác............ 25
B ng 2.4: Tiêu th n ng l ng c a UWB và các chipset mobile khác .......... 26
B ng 3.1: So sánh EIRP t ng và các m c búp bên cho các d ng xung b i 10
dB BW c a 2 GHz........................................................................................... 43
B ng 3.2: Giá tr t i u cho m i d ng sóng .................................................... 49
B ng 3.3: Các mô hình truy n sóng và ng d ng c a chúng ......................... 76
B ng 3.4: Các tham s mô hình truy n sóng .................................................. 77
B ng 3.5: Hi u su t đi u ch ........................................................................... 95
B ng 3.6: Hi u su t đi u ch so v i tr ng h p đi u ch lý t ng................ 95

B ng 3.7:Gi i h n c b n c a h th ng UWB d i quy đ nh c a các t ch c
khác nhau......................................................................................................... 97
B ng 3.8: So sánh t c đ bit UWB v i các chu n vô tuy n và c đ nh khác. 99
B ng 4.1: Thông s k thu t c a PulsON 200 Evaluation Kit ..................... 109
B ng 4.2: Các thông s chi ti t c a TRYNITY chipset................................ 110
B ng 4.3: Tham s chipset UBlink ............................................................... 112
B ng 4.4: Vài n i dung cho m ng máy tính và gi i trí gia đình, t c đ d li u
c n thi t và yêu c u đ c tính th i gian th c.................................................. 115


xiii

M

U

Trong xã h i thông tin phát tri n nhanh nh hi n nay, khi đ i s ng ngày càng
đ

c nâng cao, con ng

i ngày càng mong mu n đ

đáp ng nhu c u, ph c v cho con ng
d ng các công ngh m i đang đ

c s d ng nhi u ti n ích.

i trong xã h i công nghi p hoá thì vi c ng

c thúc đ y m nh m .

Công ngh vô tuy n b ng siêu r ng UWB còn g i là vô tuy n không sóng mang,
vô tuy n d ng xung hay vô tuy n b ng g c đ

c nghiên c u phát tri n t r t s m

trong các h th ng thông tin quân s vào nh ng n m 60 c a th k tr

c. Trong vài

n m g n đây, thông tin UWB đã thu hút nhi u s quan tâm nghiên c u, phát tri n
và ng d ng trên ph m vi toàn c u. So v i h th ng b ng h p thông th

ng, UWB

có th cung c p t c đ d li u l n h n v i công su t phát x r t th p trong m t
ph m vi h p, không gây nhi u cho các h th ng hi n có trên cùng d i t n. Các ng
d ng truy n thông t c đ c c cao s d ng công ngh UWB đang t ng b

cđ

c

hi n th c hoá.
Nh n th y t m quan tr ng c a công ngh UWB và đ nh h
h

ng c a giáo viên

ng d n tôi đã th c hi n đ tài: ”Nghiên c u h th ng b ng c c r ng UWB và
ng d ng”.
N i dung lu n v n đ

c chia làm 4 ch

ng, c th nh sau:

•

Ch

ng 1: T ng quan v công ngh UWB

•

Ch

ng 2: Nghiên c u các đ c tr ng c b n c a công ngh và tín hi u UWB

•

Ch

ng 3: Nghiên c u các gi i pháp k thu t truy n tín hi u b ng c c r ng

trên kênh vô tuy n
•

Ch

ng 4: Tình hình tri n khai các ng d ng UWB

tài đã hoàn thành c b n v n i dung, tuy nhiên do h n ch v th i gian và
kh n ng nên tôi ch a có đi u ki n nghiên c u sâu và chi ti t h n; m t s ph n di n
đ t còn ch a m ch l c do đ
mu n đ

c d ch t tài li u ti ng n

c ngoài; nhi u thông tin

c đ c p thêm nh ng ph m vi lu n v n không cho phép.


xiv

Nhân đây xin đ

c c m n Th y giáo h

ng d n PGS.TS Tr n H ng Quân đã

t n tình giúp đ tôi trong vi c nghiên n i dung đ tài c ng nh tìm và l a ch n tài
li u; Các th y cô giáo trong B môn, Khoa T-VT c a tr
t t nh t đ tôi hoàn thành lu n v n này.

ng đã t o m i đi u ki n

1

CH
NG 1
GI I THI U T NG QUAN CÔNG NGH UWB
1.1 Gi i thi u chung
Công ngh vô tuy n [5] dùng trong m ng đi n tho i t bào và PC đã mang l i
nhi u ti n l i cho ng
tiêu dùng khác. Ng
t

i s d ng. Nó làm n y sinh đòi h i t

ng t cho các thi t b

i tiêu dùng ngày càng a chu ng các k t n i không dây. Trong

ng lai không xa, thi t b s s tr thành ph bi n trong gia đình.

ó là các thi t

b ghi và l u tr hình nh, dòng d li u AV th i gian th c, game online, và các d ch
v h i ngh AV.
Nhi u công ngh đ

c s d ng trong c n nhà s , ch ng h n nh dòng d li u

AV s , đòi h i truy n v i b ng thông l n. N u tính đ n s l

ng các thi t b s

d ng trong c n nhà s thì b ng thông c n đ k t n i vô tuy n gi a chúng s th c s
là r t l n. Các công ngh m ng không dây hi n nay dùng cho k t n i PCs nh Wifi
và Bluetooth không t i u khi dùng cho đa truy nh p b ng r ng trong c n nhà s .
M c dù t c đ d li u có th đ t t i 54Mbps đ i v i Wifi, nh ng công ngh này còn
nhi u h n ch trong m ng đi n t dân d ng v n ng l

ng tiêu th và b ng thông.

Khi k t n i vô tuy n nhi u thi t b đi n t dân d ng (CE) trong m t m ng ph m vi
h p, hay m ng vô tuy n cá nhân (WPAN), đòi h i m t công ngh truy n các dòng
s li u t c đ cao, tiêu th ít n ng l
kích th

ng và giá b o d

ng th p mà v n đ m b o

c v t lý nh , nh PDA hay đi n tho i di đ ng. Công ngh không dây m i

UWB k t h p v i công ngh silicon đang là m t gi i pháp đ y thuy t ph c.

1.2 L ch s ra đ i
Công ngh vô tuy n b ng siêu r ng UWB s d ng b ng thông siêu r ng đ
truy n d n thông tin đã đ

c phát tri n t r t s m trong các h th ng thông tin quân

s vào th p niên 60 c a th k tr

c. Công ngh vô tuy n UWB còn đ

c g i là vô

tuy n không sóng mang, vô tuy n d ng xung ho c vô tuy n b ng g c do s d ng
ph

ng pháp phát x tr c ti p các xung tín hi u r t h p. Trong vài n m g n đây,

công ngh này đ

c nghiên c u ng d ng trong thông tin vô tuy n c ly ng n, cho


2

phép t c đ truy n d n r t cao, lên t i 500Mbps, đ c bi t trong h th ng thông tin
vô tuy n cá nhân (WPAN). Hi n nay, IEEE là t ch c tiêu chu n chính trong vi c
đ xu t các tiêu chu n liên quan t i l p v t lý vô tuy n UWB cho h th ng WPAN.
Ng

i ta còn tìm th y r t nhi u các ng d ng khác c a UWB, nh trong thông tin

radar, thông tin xuyên t

ng, c m bi n, thông tin đ nh v v i đ chính xác r t cao.

Ngày 14/2/2002, FCC M phát hành b n báo cáo đ u tiên và đ n đ t hàng,
theo đó cho phép tri n khai th
UWB đã thu hút đ

ng m i công ngh UWB. K t đó t i nay, h th ng

c nhi u s quan tâm nghiên c u và phát tri n trên ph m vi toàn

c u. Theo đ nh ngh a c a FCC: UWB là tín hi u vô tuy n có ph n m trong ph m
vi t 3,1 – 10,6 GHz, n ng l

ng phát x cho phép là -41,3dBm/MHz hay 0,5mW

n u s d ng toàn b d i t n 7,5GHz. M c n ng l

ng r t th p này giúp h th ng

không gây nhi u cho các h th ng hi n có trên cùng d i t n và nó ch đ
trong kho ng cách truy n thông nh (d

c s d ng

i 100m). L u ý là đ nh ngh a này áp d ng

đ i v i các h th ng UWB s d ng trong th tr

ng thông tin vô tuy n công c ng.

G n đây, thông tin UWB đã thu hút r t nhi u s quan tâm nghiên c u và ng
d ng. So v i h th ng b ng h p thông th

ng, UWB có th cung c p t c đ d li u

l n h n v i công su t phát x r t th p (bé h n -41 dBm/MHz theo quy đ nh c a
FCC) trong ph m vi h p. Ngoài ra UWB c ng có th h tr đa truy nh p. Nh ng
tính n ng trên cho phép công ngh UWB đ c bi t phù h p các ng d ng truy n
thông đa ph

ng ti n trong ph m vi m ng thông tin vô tuy n cá nhân WPAN. Hi n

nay, nhóm công tác IEEE 802.15.3 đang nghiên c u s d ng UWB nh m t trong
các l a ch n

l p v t lý vô tuy n c a m ng WPAN.

châu âu, ETSI c ng đang

đ y m nh nghiên c u chu n hoá công ngh UWB, v c b n d a trên n n t ng quy
đ nh c a FCC.
Tháng 7/2002, ITU c ng đã thành l p nhóm chuyên trách ITU-R TG 1/8
nghiên c u v công ngh UWB và các tiêu chu n, khuy n ngh liên quan t i h
th ng UWB. Có th nói, các ng d ng truy n thông t c đ c c cao s d ng công
ngh UWB đang t ng b

cđ

c hi n th c hoá.


3

1.3 Ph m vi ho t đ ng c a UWB
C n nhà s có th có nhi u các thi t b đi n t dân d ng khác nhau (nh máy

nghe nh c, video s ), thi t b di đ ng (nh đi n tho i di đ ng, PDAs) và máy tính
cá nhân (nh máy xách tay) và nó ph i h tr vô s các ng d ng trên đó. Các thi t
b này r i vào 3 ch ng lo i nh hình 1.1:

Hình 1.1: S h i t c a các thi t b

- PC và Internet
- i n t dân d ng và h th ng qu ng bá
- Thi t b di đ ng và thi t b c m tay
Các thi t b này đ

cđ t

các phòng khác nhau và đ

ch c n ng khác nhau. Tuy nhiên ng

c s d ng cho các

i ta mong mu n chúng có th thông tin đ

v i nhau- máy nghe nh c MP3 trao đ i file v i PC, máy quay video s

c

k tn iv i

STBs, v.v.v. S h i t c a các thi t b này đòi h i có m t công ngh không dây
chung, cho phép chúng có th cùng ho t đ ng và phân ph i thông l

ng d li u cao

cho nhi u ng d ng và ng d ng t c đ cao. Hi n nay, các lo i thông tin không dây
này đang s d ng các giao di n và đ nh d ng d li u khác nhau.


4

Th h PC, thi t b đi n t dân d ng và các ng d ng di đ ng yêu c u t c đ
k t n i c 1 Mbps (l n h n t c đ d li u t i đa c a công ngh Bluetooth), hi n nay
nhi u thi t b s d ng công ngh này đ t o nên m ng thông tin vô tuy n cá nhân
WPANs. Nh ng nhi u thi t b đi n t dân d ng không th đáp ng đ

c v giá

thành và công su t theo các thi t b vô tuy n 802.11a/g cho m ng Wifi.
M c dù công ngh Wifi nhanh h n Bluetooth nhi u, nó v n không đ kh
n ng cho phép truy n đ ng th i nhi u lu ng video ch t l
qu . Công ngh UWB hoàn toàn đáp ng đ
môi tr

ng cao m t cách hi u

c các yêu c u v truy n thông trong

ng tích h p và h i t công ngh nh WPAN. Thêm vào đó, cùng v i s h

tr c a các t p đoàn công nghi p l n, nh WiMedia Alliance, s đ m b o ch c ch n
s ho t đ ng t

ng tác qua các t p giao th c IEEE 1394, USB, và Universal Plug

and Play (UPnP), khi n cho UWB tr thành m t gi i pháp công ngh b ng r ng t o
ra WPAN t c đ cao, giá thành th p và công su t tiêu th th p.

1.4 Công ngh UWB
UWB khác h n so v i sóng vô tuy n b ng h p thông th

ng (RF) và k thu t

tr i ph (SS), c ng nh công ngh Bluetooth và chu n 802.11 a/g. UWB dùng m t
b ng t n c c r ng đ truy n d li u (Hình 1.2). Và nh v y, UWB có th truy n
nhi u d li u h n so v i các công ngh truy n th ng trong cùng m t kho ng th i
gian.

Hình 1.2: So sánh các tín hi u b ng h p NB, tr i ph SS và UWB


5

T c đ d li u truy n qua m t kênh vô tuy n t l v i b ng thông c a kênh và
loga c a t s S/N ( nh lý Shanoon). Các k s vô tuy n đã ph i đi u ch nh tham
s c a b ng thông đôi chút vì quy đ nh c a FCC v i b ng t n đ

c phép s d ng

cho các lo i tín hi u vô tuy n và ng d ng. Bluetooth, Wifi 802.11a/g, b đàm và
m t s thi t b khác đ

c dành cho m t d i t n không c p phép t 900MHz-2,4Ghz

và 5,1GHz. M i kênh vô tuy n ch chi m m t b ng t n h p, liên quan đ n t n s
c a UWB.
UWB là tr

ng h p đ u tiên s d ng ph t n s h p pháp. UWB có th s

d ng t n s t 3,1GHz-10,6GHz - m t b ng t n r ng h n 7GHz. M i kênh vô tuy n
có th có b ng thông trên 500MHz, tu thu c vào t n s trung tâm c a nó.

cho

phép b ng thông tín hi u r ng nh th , FCC đã đ a ra m t vài ràng bu c v n ng
l

ng. B ng cách đó, các thi t b UWB có th t n d ng m t b ng t n siêu r ng

trong khi không phát x n ng l

ng nh h

ng đ n các thi t b b ng h p h n, nh

là chu n 802.11a/g. Vi c quy ho ch ph t n này cho phép các thi t b truy n dòng
d li u t c đ r t cao, nh ng ph i trong ph m vi không gian h p.
S h n ch ch t ch v n ng l

ng có ngh a là tiêu th ít n ng l

ng. Do đòi

này thì s h tr c a công ngh CMOS là r t kh thi. V i đ c tính là tiêu th ít n ng
l

ng, giá r và t c đ truy n d li u cao trong ph m vi h p, UWB đ

c ch y u

ph c v ch y u cho m ng WPAN t c đ cao.
Công ngh UWB c ng s d ng l i t n s . Nhóm thi t b trong kho ng cách
g n (ví nh h th ng gi i trí trong phòng khách) có th thông tin trên cùng m t kênh
gi ng nh nhóm thi t b khác trong phòng khác (ví d nh h th ng game trong
phòng ng ). M ng vô tuy n cá nhân WPAN s d ng công ngh UWB thì các nhóm
thi t b g n nhau có th s d ng cùng m t kênh mà không gây can nhi u. Gi i pháp
WLAN s d ng h t b ng thông d li u s n có cho m t nhóm thi t b riêng và không
th s d ng l i kênh vô tuy n trong nhà. Do s h n ch v kho ng cách c a UWB,
802.11 WLAN là ph n b sung hi u qu cho WPAN, truy n d li u gi a các toà
nhà.


6

1.5

ng d ng c a UWB

Công ngh UWB có th cung c p các ng d ng đa d ng và r ng kh p c a
WPAN. G m có:
-Thay th cáp IEEE 1394 n i gi a các thi t b đi n t đa ph

ng ti n dân

d ng, nh là máy quay, camera s và máy nghe nh c MP3 b ng các k t n i vô
tuy n.
-K t n i giao di n WUSB t c đ cao gi a PC và ngo i vi nh

máy in,

scanners và thi t b l u tr ngoài.
-Thay th các lo i cáp trong các thi t b công ngh Bluetooth th h sau, nh
đi n tho i t bào 3G c ng nh k t n i IP/UPnP c a các thi t b di đ ng/ đi n t dân
d ng/PC trên n n IP.
-T o ra k t n i vô tuy n t c đ cao Ad-hoc cho thi t b CE/PC/di đ ng.
K t n i vô tuy n ngo i vi PC
i v i k t n i vô tuy n thi t b ngo i vi v i PC, công ngh UWB cho phép
cung c p ch t l

ng và đ ti n l i còn l n h n so v i chu n USB v n đã r t thành

công hi n nay. Hi n t i, USB h u tuy n có m t th ph n đáng k và là chu n k t n i
r t linh ho t và thu n ti n c a PC (Hình 1.3).

Hình 1.3: Các k t n i PC qua UWB
Ngoài ra, công ngh Bluetooth c ng đã gi i quy t v n đ này

m tm cđ

nh t đ nh, ngo i tr v n đ gi i h n v ch tiêu t c đ , ph m vi ho t đ ng t

ng tác.

7

M t gi i pháp WUSB s d ng UWB m ra kh n ng s d ng chu n USB không
c n dùng cáp.
cos đ

cm ts

i u đó đã t ng tính linh ho t và ti n l i c a chu n USB, UWB đã
t ng tr

ng đáng k v th ph n thi t b k t n i ngo i vi PC.

WUSB Working Group đang đ xu t m t tiêu chu n h a h n cung c p t c đ lên
đ n 480 Mbps (t

ng đ

ng v i USB 2.0) trong ph m vi 10m.

V i WUSB, m t ng

i s d ng có th mang m t thi t b di đ ng, nh là PMP

(Portable Media Player), t i g n ngu n n i dung, nh m t PC, máy tính xách tay,
ho c m t đ a c ng bên ngoài, khi mà quá trình nh n th c và trao quy n hoàn thành,
video có th đ

c chuy n vào PMP đ xem sau.

K t n i vô tuy n đa ph

ng ti n cho các thi t b đi n t gia d ng audio và

video (AV CE)
Liên quan m t thi t v i k t n i ngo i vi PC là k t n i vô tuy n đa ph
cho thi t b đi n t gia d ng audio và video. L i ích t

ng ti n

ng t nh PC và ngo i vi;

s ti n d ng vô tuy n và truy n s li u là th m nh chính. Các thi t b gi i trí r t đa
d ng (Hình 1.4): DVD, HDTV, STB, máy quay video cá nhân (PVR), MP3, máy
quay và máy ghi s , các thi t b đi n t dân d ng khác trong nhà.

Hình 1.4: H th ng thi t b gi i trí


8

Ví d , UWB có th k t n i m t màn hình plasma treo t
m t STB ho c đ u DVD mà không b v

ng hay HDTV v i

ng víu c ng nh m t th m m b i nh ng

s i cáp. UWB có th truy n đ ng th i nhi u dòng d li u t i nhi u thi t b .

i u

này cho phép th c hi n ch c n ng nh trong nh ho c kh n ng đ hi n th cùng
m t n i dung hay nh ng n i dung khác nhau trên nhi u thi t b trong nhà.
UWB c ng có th k t n i các thi t b gi a PC và nhóm thi t b gi i trí, nh
máy quay xách tay v i m t PC chuyên d ng đ t o ch

ng trình video s ho c t i

m t màn LCD r ng. K t n i m t camera s v i m t máy tính xách tay đ so n th o,
biên t p và g i nh ng b c nh thông qua email t i ng

i thân trong khi đang

m t

đi m truy c p công c ng. UWB đã đem l i nh ng l i ích đáng k , xem b ng 1.1.

T c đ cao

u đi m

c tr ng

Nhanh, truy n ch t l

Tiêu th n ng l

ng cao

Th i gian s d ng pin đ

ng th p

Công ngh Silicon, tiêu chu n hoá

Giá thành h

L a ch n k t n i dây

Thu n ti n và linh đ ng

B ng 1.1:

c lâu

c tr ng và u đi m c a UWB trong PC và thi t b gi i trí

M ng WPAN s d ng công ngh UWB, các thi t b trong ph m vi g n, chúng
có th nh n ra nhau, và các dòng truy n d li u xu t hi n khi ng

i s d ng b m

nút Play. Các thi t b AV CE di đ ng, nh máy quay xách tay, camera s , máy
MP3, và đ u đ c video cá nhân đ

c mong đ i là đ t d ng võ c a UWB.

Thay th cáp và thi t b truy nh p m ng đi n toán di đ ng
i v i nhi u ng

i, khi s d ng các thi t b di đ ng, cáp gây ra nhi u b t ti n

khi mà chúng c n k t n i v i nhau. Nhi u thi t b , ch ng h n nh các thi t b h tr
cá nhân s , k t n i thông qua c ng USB; nh ng v i các thi t b khác, ch ng h n
nh đi n tho i t bào 3G, có th yêu c u jack chuy n đ i đ i v i cáp USB. Công
ngh UWB cho phép các thi t b này làm vi c v i nhau mà không c n cáp ngay khi
chúng

ph m vi g n. UWB c ng có th đ

n ng l

ng th p trong ph m vi c a hotspot.

c s d ng truy c p m ng t c đ cao,


9

Ph m vi c a hotspot t o nên m t vùng r ng cho truy nh p internet b ng r ng
đ i v i các thi t b đi n toán di đ ng

v trí xa. Hi n nay, có 2 công ngh là WLAN

802.11a/g và Bluetooth cho WPAN. C 2 công ngh này đ u có nh ng h n ch gi i
quy t đ ng th i các đòi h i c a k t n i b ng thông r ng: m t đ không gian cao đ
nhi u ng

l

i có th truy c p trong m t không gian xác đ nh và tiêu th ít n ng

ng. UWB h a h n s v

thi n đáng k ngay khi nó đ

t qua thách th c này và có th cung c p thói quen c i
c tri n khai.

K t n i Ad-hoc gi a các thi t b s d ng công ngh UWB
Gi ng nh công ngh Bluetooth, m i thi t b công ngh UWBcó th v a là
ngu n d li u và v a là thi t b nh n. Thi t b này t p h p d li u c a t t c các
thi t b n i vào m t m ng. Có th bao g m vi c k t n i m t camera s tr c ti p v i
m t máy in đ in nh.

1.6 Các v n đ k thu t c n l u ý
công ngh UWB tr thành m t gi i pháp vô tuy n k ti p đ

c ng d ng

r ng rãi, m t s v n đ c b n c n gi i quy t nh sau:
-Th c hi n (t c đ d li u trong không gian, n ng l

ng tiêu th , t n t i song

song v i các thi t b vô tuy n khác, tránh can nhi u và liên k t ch t).
-Kh n ng liên k t ho t đ ng
-D dàng tích h p s n ph m và chu n hoá

-Giá cho gi i pháp toàn b
-Chuy n giao và h tr
-Ch t l

ng d ch v

-Xác đ nh d i ph trên toàn c u


10

Hình 1.5: L p giao th c và ng d ng cho UWB
Hình 1.5 bi u di n mô hình phân l p đ y đ yêu c u đ t o UWB.

l p v t lý

và MAC, MBOA đang làm vi c v i các thành viên khác đ l p ra chu n cho c l p
PHY và l p MAC. S c g ng này s gi i quy t đ

c yêu c u QoS và kh n ng liên

k t ho t đ ng gi a UWB, đ c l p v i nhà s n xu t. WiMedia Alliance, m t t p
đoàn công nghi p t p trung vào phát tri n l p h i t đ cho phép UWB MAC giao
ti p v i m t s giao th c chu n khác, nh là USB, WUSB, IEEE 1394 và UPnP.
Cu i cùng, các công ty đang phát tri n các giao th c đ t n d ng tri t đ th
m nh c a công ngh UWB. K thu t WUSB đ
vi c USB không dây và UPnP đ

c phát tri n thông qua nhóm làm

c th c hi n thông qua Nhóm làm vi c v ngôi

nhà s (DHWG).

1.7 K t lu n
UWB và nh ng c g ng giao th c m ng k t h p đang
tri n, và m t vài h ng m c tri n khai ch y u đang đ

giai đo n đ u phát

c đ nh ngh a và đ nh l

ng.

UWB đang tri n khai m ng vô tuy n trong WLAN, thêm vào đó t ng t c đ bit, k t
n i đa ph

ng ti n cho WPAN h tr PC và các thi t b CE. i u này cho ta s h i

t th t s c a máy tính và các thi t b đi n t dân d ng.

u đi m:
-Không c n gi y phép ph t n
-T c đ truy n d n cao
-Công su t phát th p


11

-Là ph

ng ti n k t n i h u hi u gi a các thi t b ngo i vi, thi t b đi n t và

thi t b di đ ng trong ph m vi m t c n phòng.