Nghiên cứu hệ thống băng cực rộng UWB và ứng dụng luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00

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 Ni - 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 thut vụ tuyn v thụng tin liờn lc
: 2.07.00

Luận văn thạc sĩ

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

H Ni - 2006


iii


iv

MỤC LỤC
MỤC LỤC.........................................................................................................i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.............................................................................vii
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................. ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................xii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................xiii
CHƯƠNG 1..................................................................................................... 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB......................................1
1.1 Giới thiệu chung....................................................................................1
1.2 Lịch sử ra đời.........................................................................................1
1.3 Phạm vi hoạt động của UWB...............................................................3
1.4 Công nghệ UWB....................................................................................4
1.5 Ứng dụng của UWB..............................................................................6

1.6 Các vấn đề kỹ thuật cần lưu ý..............................................................9
1.7 Kết luận................................................................................................10
CHƯƠNG 2................................................................................................... 12
NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU VÀ
CÔNG NGHỆ UWB..................................................................................... 12
2.1 Giới thiệu............................................................................................. 12
2.2 Mật độ phổ năng lượng...................................................................... 12
2.3 Dạng xung............................................................................................14
2.4 Dãy xung.............................................................................................. 17
2.5 Mặt nạ phổ...........................................................................................19
2.6 Khả năng chống đa đường................................................................. 20
2.7 Khả năng truyền qua vật chất........................................................... 23
2.8 Dung lượng không gian và phổ..........................................................23
2.9 Tốc độ truyền dữ liệu..........................................................................24
2.10 Tiêu thụ năng lượng..........................................................................25
2.11 Tổng kết..............................................................................................26
CHƯƠNG 3................................................................................................... 27
NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU
BĂNG CỰC RỘNG TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN....................................... 27
Mở đầu.......................................................................................................27
3.1 Giới thiệu chung..................................................................................27
3.1.1 Hệ thống đơn băng........................................................................30
3.1.2 Hệ thống đa băng..........................................................................30
a. Đa băng xung.................................................................................30
b. Đa băng dựa trên OFDM.............................................................. 31
3.2 Tạo tín hiệu UWB............................................................................... 33
U

U

v

3.2.1 Đặc điểm của tín hiệu UWB.........................................................33
a. Định nghĩa......................................................................................33
b. Mẫu xung đơn................................................................................35
3.2.2 Thiết kế tín hiệu UWB.................................................................. 37
a. Nguyên tắc......................................................................................38
b. Thiết kế tín hiệu............................................................................. 39
c. Tính toán công suất cho các xung được phát lặp.........................43
3.3 Các phương thức điều chế UWB....................................................... 45
3.3.1 Điều chế vị trí xung.......................................................................47
3.3.2 Điều chế khoá lưỡng trực giao M mức (M-BOK)....................... 49
3.3.3 Điều chế phân cực xung, BPSK và QPSK...................................50
3.3.4 Điều chế biên độ xung.................................................................. 51
3.3.5 Điều chế tham chiếu phát.............................................................51
3.3.6 Nhận xét........................................................................................ 53
3.4 Dãy xung.............................................................................................. 54
3.4.1 Chuỗi xung Gaussian................................................................... 54
3.4.2 Mã PN............................................................................................55
3.4.3 Hệ thống UWB PPM nhảy thời gian........................................... 57
3.5 Bộ phát UWB.......................................................................................59
3.5.1 Quá trình phát xạ xung hẹp..........................................................59
a. Trường xa của một anten bất kỳ....................................................62
b. Trường xa của một nguồn phát xạ nhỏ lý tưởng..........................64
3.5.2 Sơ đồ bộ phát.................................................................................65
3.6 Truyền sóng tín hiệu UWB trong môi trường vô tuyến...................66
3.6.1 Truyền tín hiệu UWB trong không gian tự do.............................68
3.6.2 Truyền sóng với sự phản xạ mặt đất............................................ 69
a. Tín hiệu UWB và tín hiệu điều hoà theo thời gian với một lần

phản xạ mặt đất..................................................................................71
3.6.3 Truyền sóng UWB trong trường hợp đa đường vô tuyến............72
a. Truyền xung UWB qua một toà nhà.............................................73
3.6.4 Mô hình truyền sóng và các tham số............................................76
3.7 Bộ thu UWB.........................................................................................77
3.7.1 Nguyên tắc.....................................................................................77
a. Thu tín hiệu UWB..........................................................................78
b. Tạp âm và nhiễu.............................................................................78
3.7.2 Sơ đồ khối bộ thu.......................................................................... 80
a. Tách tín hiệu.................................................................................. 81
b. Tích phân xung.............................................................................. 81
c. Bám.................................................................................................81
3.7.3 Hiệu suất bộ thu và tách tín hiệu................................................. 82


vi

3.8 Đa truy cập trong UWB......................................................................85
3.8.1 Nhảy thời gian (TH)......................................................................86
3.8.2 Trải phổ trực tiếp (DS)..................................................................88
3.9 Các giới hạn và dung lượng hệ thống UWB.....................................89
3.9.1 Các giới hạn trong thông tin........................................................ 90
a. Tạp âm............................................................................................90
b. Công thức dung lượng của Shannon............................................91
c. Hiệu suất thông tin của các phương pháp điều chế khác nhau .. 94
3.9.2 Các giới hạn cơ bản của hệ thống UWB......................................95
a. Giới hạn cơ bản đối với hệ thống UWB........................................96
b. Giới hạn cơ bản so với các hệ thống vô tuyến thông thường.......99
3.10 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB......101
3.10.1 Các mạng nội hạt không dây (WLAN).....................................101

3.10.2 Bluetooth................................................................................... 103
3.10.3 GPS............................................................................................104
3.10.4 Các hệ thống thông tin tế bào...................................................104
Kết luận....................................................................................................105
CHƯƠNG 4................................................................................................. 106
TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI CÁC ỨNG DỤNG BĂNG CỰC RỘNG.. .106
Mở đầu.....................................................................................................106
4.1 Ứng dụng trong quân sự...................................................................106
4.1.1 Hệ thống định vị chính xác........................................................ 106
4.2 Các ứng dụng trong thương mại......................................................107
4.2.1 Time Domain PulsON 200..........................................................108
4.2.2 Bộ tạo tín hiệu UWB của Time Domain.................................... 109
4.2.3 XtremSpectrum............................................................................110
4.2.4 Tập đoàn Intel.............................................................................110
4.2.5 Motorola...................................................................................... 111
4.2.6 Phòng thí nghiệm nghiên cứu truyền thông (CRL)..................111
4.2.7 General atomics...........................................................................112
4.2.8 Wisair...........................................................................................112
4.2.9 Mạng gia đình và các thiết bị điện tử dân dụng........................113
4.2.10 Hệ thống định vị chính xác...................................................... 115
Kết luận....................................................................................................116
KẾT LUẬN..................................................................................................118
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................119


vii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
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 MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sự hội tụ của các thiết bị...................................................................3
Hình 1.2: So sánh các tín hiệu băng hẹp NB, trải phổ SS và UWB..................4
Hình 1.3: Các kết nối PC qua UWB................................................................. 6
Hình 1.4: Hệ thống thiết bị giải trí....................................................................7
Hình 1.5: Lớp giao thức và ứng dụng cho UWB............................................10
Hình 2.1: Các hệ thống mật độ năng lượng thấp và cao.................................14
Hình 2.2: Xung UWB lý tưởng.......................................................................15
Hình 2.3: Mạch đơn giản để tạo xung Gaussian kép...................................... 16
Hình 2.4: Chi tiết các xung được tạo ra trong hệ thống UWB điển hình........17
Hình 2.5: (a)Dãy xung UWB (b) Phổ của dãy xung UWB.............................18
Hình 2.6: Phổ của dãy xung đã bị dịch về phía trước và sau so với danh định
19
Hình 2.7: Mặt nạ phổ qui định bởi FCC cho hệ thống UWB trong nhà.........20
Hình 2.8: Xung được truyền bị phản xạ tạo ra các xung đến phía thu với các
thời gian trễ khác nhau....................................................................................21

Hình 2.9: Khoảng cách hai xung lớn hơn độ rộng xung sẽ không gây can
nhiễu................................................................................................................21
Hình 2.10: (a) Hai xung UWB chồng lấn (b) Dạng sóng thu được gồm các
xung bị chồng lấp............................................................................................22
Hình 3.1: Mặt nạ phổ hệ thống UWB trong nhà theo quy định của FCC.......28
Hình 3.2 : Phổ của hệ thống UWB so với các hệ thống hiện có.....................28
Hình 3.3: Tín hiệu và phổ của UWB đơn băng và đa băng............................ 29
Hình 3.4: Sử dụng băng tần để tránh nhiễu không mong muốn..................... 30
Hình 3.5: Truyền dẫn thông tin cho hệ thống đa băng dựa vào xung.............31
Hình 3.6: Ảnh hưởng của chu kỳ lặp xung đối với nhiễu xung tại bộ thu......32
Hình 3.7: Mô hình tổng quát hệ thống truyền thông.......................................32
Hình 3.8: Một số giới hạn thiết kế đối với hệ thống UWB.............................34
Hình 3.9: Các điểm thiết kế tín hiệu UWB.....................................................35
Hình 3.10: Mô hình đơn giản tạo tín hiệu Gaussian double........................... 37
Hình 3.11: Chi tiết trong hệ thống truyền thông UWB...................................37
(a) Chuỗi xung chữ nhật (b) Chuỗi xung dạng Gaussian................................37
(c) Xung đạo hàm bậc 1 (d) Các xung Gaussian double.................................37
Hình 3.12: Các xung hẹp có thể tạo tín hiệu UWB.........................................38
Hình 3.13: Đầu ra của một mạch logic tạo tín hiệu UWB, sử dụng một bộ lọc
thông dải nhằm thu được băng mong muốn....................................................39
Hình 3.14: Các biểu diễn theo miền thời gian và tần số của một xung dựa trên
cặp biến đổi Fourier........................................................................................ 40


x

Hình 3.15: Các tín hiệu miền thời gian càng trơn công suất nằm ngoài băng
tần mong muốn càng bé.................................................................................. 41
Hình 3.16: Các tín hiệu miền thời gian khác nhau có cùng băng thông, nhưng
công suất nằm ngoài băng thông đó thì khác nhau......................................... 42

Hình 3.17: Công suất khả dụng đối với băng UWB và với một tín hiệu UWB
trên thực tế...................................................................................................... 44
Hình 3.18: Các xung chưa điều chế được phát với một tần số cụ thể tạo thành
các vạch phổ....................................................................................................45
Hình 3.19: Các phương thức điều chế UWB.................................................. 46
Hình 3.20: So sánh điều chế PPM và điều chế BPSK trong UWB.................47
Hình 3.21: Các dạng xung PPM với các bit 0 và 1.........................................48
Hình 3.22: Xác suất lỗi với các loại điều chế khác nhau................................ 50
Hình 3.23: Xác suất lỗi với điều chế PAM..................................................... 51
Hình 3.24: Bộ phát và thu TR-UWB.............................................................. 52
Hình 3.25: Xác suất lỗi đối với điều chế TR...................................................53
Hình 3.26: Một bộ phát xung UWB................................................................53
Hình 3.27: Chuỗi xung Gaussian kép trong miền thời gian và tần số............55
Hình 3.28: Xung Gaussian, đơn, kép trong miền thời gian và tần số.............56
Hình 3.29: Đầu ra của hệ thống điều chế vị trí xung nhị phân, nhảy thời gian
58
Hình 3.30: Anten chấn tử với dòng điện mặt J(r,,τ)........................................61
Hình 3.31: Một chấn tử băng rộng..................................................................63
Hình 3.32: Trường phát tại anten và trường phát tại các hướng khác nhau....64
Hình 3.33: Anten phát vô cùng nhỏ................................................................ 65
Hình 3.34: Sơ đồ khối phát UWB...................................................................66
Hình 3.35: Trải năng lượng của một tín hiệu theo hình cầu............................68
Hình 3.36:........................................................................................................70
(a) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB tới trực tiếp...............................................70
(b) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB bị phản xạ................................................ 70
(c) Tia tín hiệu băng hẹp và UWB tới trực tiếp và bị phản xạ trong mô hình
truyền sóng hai tia...........................................................................................70
Hình 3.37: Các xung chồng lên nhau và không chồng lên nhau.....................71
Hình 3.38: Đặc tính suy hao truyền sóng UWB (đường in đậm) và sóng điều
hoà gần mặt đất............................................................................................... 72

Hình 3.39: Minh hoạ một nguồn UWB truyền sóng trong toà nhà.................73
Hình 3.40: Mô phỏng thời điểm bắt đầu phát xạ của một tín hiệu.................74
Hình 3.41 : Mô phỏng truyền xung xuyên qua các bức tường........................74
Hình 3.42: Mô phỏng tiếng vọng đa đường....................................................74
Hình 3.43: Mô phỏng tiếng vọng đa đường sau khi mặt sóng truyền qua......75
Hình 3.44: Mô phỏng xung UWB chạm tới một vật chắn..............................75


xi

Hình 3.45: Mô phỏng phản xạ đa đường sau khi mặt sóng truyền gốc qua....75
Hình 3.46 : Tạp âm biến đổi theo tần số......................................................... 79
Hình 3.47: Sơ đồ khối bộ thu UWB................................................................80
Hình 3.48 : Hệ thống báo hiệu UWB kém hiệu quả dựa trên công nghệ vô
tuyến truyền thống.......................................................................................... 82
Hình 3.49: Hệ thống máy thu..........................................................................83
Hình 3.50: Một hệ thống báo hiệu UWB hiệu quả sử dụng bộ thu thích hợp 85
Hình 3.51a: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn............88
Hình 3.51b: Khái niệm hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp............................... 88
Hình 3.52: Chỉ tiêu kênh lý tưởng.................................................................. 92
Hình 3.53: Giới hạn độ lợi cơ bản của hệ thống UWB...................................96
Hình 3.54: Dung lượng tối lớn nhất theo giới hạn cơ bản của hệ thống UWB
tuân theo các quy định khác nhau...................................................................98
Hình 3.55: So sánh hệ thống UWB và hệ thống băng hẹp..............................99
Hình 3.56: Các giới hạn cơ bản của hệ thống băng hẹp và UWB................100
Hình 3.57: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần 101
của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại...................101
Hình 3.58: Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ
phát UWB công suất cao tới card WLAN.....................................................103
Hình 4.1: PulsON 200 Evaluation Kit radios................................................108

Hình 4.2: Bộ tạo tín hiệu UWB PulsON 200................................................109
Hình 4.3a: Một ví dụ mạng gia đình dùng UWB..........................................113
Hình 4.3b: Kết nối vô tuyến giữa các thiết bị trong nhà sử dụng công nghệ
UWB............................................................................................................. 114
Hình 4.4: Tổng quan các ứng dụng do UWB cung cấp................................117


xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Đặc trưng và ưu điểm của UWB trong PC và thiết bị giải trí..........8
Bảng 2.1: Mật độ phổ công suất của một số hệ thống truyền thông...............13
Bảng 2.2: So sánh dung lượngkhông gian của các hệ thống vô tuyến trong nhà
24
Bảng 2.3: So sánh tốc độ bit của UWB với các chuẩn vô tuyến khác............25
Bảng 2.4: Tiêu thụ năng lượng của UWB và các chipset mobile khác...........26
Bảng 3.1: So sánh EIRP tổng và các mức búp bên cho các dạng xung bới 10
dB BW của 2 GHz...........................................................................................43
Bảng 3.2: Giá trị tối ưu cho mỗi dạng sóng....................................................49
Bảng 3.3: Các mô hình truyền sóng và ứng dụng của chúng..........................76
Bảng 3.4: Các tham số mô hình truyền sóng.................................................. 77
Bảng 3.5: Hiệu suất điều chế.......................................................................... 95
Bảng 3.6: Hiệu suất điều chế so với trường hợp điều chế lý tưởng................95
Bảng 3.7:Giới hạn cơ bản của hệ thống UWB dưới quy định của các tổ chức
khác nhau........................................................................................................ 97
Bảng 3.8: So sánh tốc độ bit UWB với các chuẩn vô tuyến và cố định khác. 99
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của PulsON 200 Evaluation Kit......................109
Bảng 4.2: Các thông số chi tiết của TRYNITY chipset................................110
Bảng 4.3: Tham số chipset UBlink...............................................................112
Bảng 4.4: Vài nội dung cho mạng máy tính và giải trí gia đình, tốc độ dữ liệu

cần thiết và yêu cầu đặc tính thời gian thực..................................................115


xiii

MỞ ĐẦU
Trong xã hội thông tin phát triển nhanh như hiện nay, khi đời sống ngày càng
được nâng cao, con người ngày càng mong muốn được sử dụng nhiều tiện ích. Để
đáp ứng nhu cầu, phục vụ cho con người trong xã hội công nghiệp hoá thì việc ứng
dụng các công nghệ mới đang được thúc đẩy mạnh mẽ.
Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB còn gọi là vô tuyến không sóng mang,
vô tuyến dạng xung hay vô tuyến băng gốc được nghiên cứu phát triển từ rất sớm
trong các hệ thống thông tin quân sự vào những năm 60 của thế kỷ trước. Trong vài
năm gần đây, thông tin UWB đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu, phát triển và
ứng dụng trên phạm vi toàn cầu. So với hệ thống băng hẹp thông thường, UWB có
thể cung cấp tốc độ dữ liệu lớn hơn với công suất phát xạ rất thấp trong một phạm
vi hẹp, không gây nhiễu cho các hệ thống hiện có trên cùng dải tần. Các ứng dụng
truyền thông tốc độ cực cao sử dụng công nghệ UWB đang từng bước được hiện
thực hoá.
Nhận thấy tầm quan trọng của công nghệ UWB và định hướng của giáo viên
hướng dẫn tôi đã thực hiện đề tài: ”Nghiên cứu hệ thống băng cực rộng UWB và
ứng dụng”.
Nội dung luận văn được chia làm 4 chương, cụ thể như sau:
•

Chương 1: Tổng quan về công nghệ UWB

•

Chương 2: Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của công nghệ và tín hiệu UWB

•

Chương 3: Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật truyền tín hiệu băng cực rộng

trên kênh vô tuyến
•

Chương 4: Tình hình triển khai các ứng dụng UWB
Đề tài đã hoàn thành cơ bản về nội dung, tuy nhiên do hạn chế về thời gian và

khả năng nên tôi chưa có điều kiện nghiên cứu sâu và chi tiết hơn; một số phần diễn
đạt còn chưa mạch lạc do được dịch từ tài liệu tiếng nước ngoài; nhiều thông tin
muốn được đề cập thêm nhưng phạm vi luận văn không cho phép.


xiv

Nhân đây xin được cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trần Hồng Quân đã tận
tình giúp đỡ tôi trong việc nghiên nội dung đề tài cũng như tìm và lựa chọn tài liệu;
Các thầy cô giáo trong Bộ môn, Khoa ĐT-VT của trường đã tạo mọi điều kiện tốt
nhất để tôi hoàn thành luận văn này.


1

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB
1.1 Giới thiệu chung
Công nghệ vô tuyến [5] dùng trong mạng điện thoại tế bào và PC đã mang lại

nhiều tiện lợi cho người sử dụng. Nó làm nảy sinh đòi hỏi tương tự cho các thiết bị
tiêu dùng khác. Người tiêu dùng ngày càng ưa chuộng các kết nối không dây. Trong
tương lai không xa, thiết bị số sẽ trở thành phổ biến trong gia đình. Đó là các thiết bị
ghi và lưu trữ hình ảnh, dòng dữ liệu AV thời gian thực, game online, và các dịch vụ
hội nghị AV.
Nhiều công nghệ được sử dụng trong căn nhà số, chẳng hạn như dòng dữ liệu
AV số, đòi hỏi truyền với băng thông lớn. Nếu tính đến số lượng các thiết bị sử
dụng trong căn nhà số thì băng thông cần để kết nối vô tuyến giữa chúng sẽ thực sự
là rất lớn. Các công nghệ mạng không dây hiện nay dùng cho kết nối PCs như Wifi
và Bluetooth không tối ưu khi dùng cho đa truy nhập băng rộng trong căn nhà số.
Mặc dù tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 54Mbps đối với Wifi, nhưng công nghệ này còn
nhiều hạn chế trong mảng điện tử dân dụng về năng lượng tiêu thụ và băng thông.
Khi kết nối vô tuyến nhiều thiết bị điện tử dân dụng (CE) trong một mạng phạm vi
hẹp, hay mạng vô tuyến cá nhân (WPAN), đòi hỏi một công nghệ truyền các dòng
số liệu tốc độ cao, tiêu thụ ít năng lượng và giá bảo dưỡng thấp mà vẫn đảm bảo
kích thước vật lý nhỏ, như PDA hay điện thoại di động. Công nghệ không dây mới
UWB kết hợp với công nghệ silicon đang là một giải pháp đầy thuyết phục.

1.2 Lịch sử ra đời
Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB sử dụng băng thông siêu rộng để
truyền dẫn thông tin đã được phát triển từ rất sớm trong các hệ thống thông tin quân
sự vào thập niên 60 của thế kỷ trước. Công nghệ vô tuyến UWB còn được gọi là vô
tuyến không sóng mang, vô tuyến dạng xung hoặc vô tuyến băng gốc do sử dụng
phương pháp phát xạ trực tiếp các xung tín hiệu rất hẹp. Trong vài năm gần đây,
công nghệ này được nghiên cứu ứng dụng trong thông tin vô tuyến cự ly ngắn, cho


2

phép tốc độ truyền dẫn rất cao, lên tới 500Mbps, đặc biệt trong hệ thống thông tin

vô tuyến cá nhân (WPAN). Hiện nay, IEEE là tổ chức tiêu chuẩn chính trong việc đề
xuất các tiêu chuẩn liên quan tới lớp vật lý vô tuyến UWB cho hệ thống WPAN.
Người ta còn tìm thấy rất nhiều các ứng dụng khác của UWB, như trong thông tin
radar, thông tin xuyên tường, cảm biến, thông tin định vị với độ chính xác rất cao.
Ngày 14/2/2002, FCC Mỹ phát hành bản báo cáo đầu tiên và đơn đặt hàng,
theo đó cho phép triển khai thương mại công nghệ UWB. Kể từ đó tới nay, hệ thống
UWB đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu và phát triển trên phạm vi toàn
cầu. Theo định nghĩa của FCC: UWB là tín hiệu vô tuyến có phổ nằm trong phạm
vi từ 3,1 – 10,6 GHz, năng lượng phát xạ cho phép là -41,3dBm/MHz hay 0,5mW
nếu sử dụng toàn bộ dải tần 7,5GHz. Mức năng lượng rất thấp này giúp hệ thống
không gây nhiễu cho các hệ thống hiện có trên cùng dải tần và nó chỉ được sử dụng
trong khoảng cách truyền thông nhỏ (dưới 100m). Lưu ý là định nghĩa này áp dụng
đối với các hệ thống UWB sử dụng trong thị trường thông tin vô tuyến công cộng.
Gần đây, thông tin UWB đã thu hút rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng
dụng. So với hệ thống băng hẹp thông thường, UWB có thể cung cấp tốc độ dữ liệu
lớn hơn với công suất phát xạ rất thấp (bé hơn -41 dBm/MHz theo quy định của
FCC) trong phạm vi hẹp. Ngoài ra UWB cũng có thể hỗ trợ đa truy nhập. Những
tính năng trên cho phép công nghệ UWB đặc biệt phù hợp các ứng dụng truyền
thông đa phương tiện trong phạm vi mạng thông tin vô tuyến cá nhân WPAN. Hiện
nay, nhóm công tác IEEE 802.15.3 đang nghiên cứu sử dụng UWB như một trong
các lựa chọn ở lớp vật lý vô tuyến của mạng WPAN. Ở châu âu, ETSI cũng đang
đẩy mạnh nghiên cứu chuẩn hoá công nghệ UWB, về cơ bản dựa trên nền tảng quy
định của FCC.
Tháng 7/2002, ITU cũng đã thành lập nhóm chuyên trách ITU-R TG 1/8
nghiên cứu về công nghệ UWB và các tiêu chuẩn, khuyến nghị liên quan tới hệ
thống UWB. Có thể nói, các ứng dụng truyền thông tốc độ cực cao sử dụng công
nghệ UWB đang từng bước được hiện thực hoá.


3

1.3 Phạm vi hoạt động của UWB
Căn nhà số có thể có nhiều các thiết bị điện tử dân dụng khác nhau (như máy
nghe nhạc, video số), thiết bị di động (như điện thoại di động, PDAs) và máy tính cá
nhân (như máy xách tay) và nó phải hỗ trợ vô số các ứng dụng trên đó. Các thiết bị
này rơi vào 3 chủng loại như hình 1.1:

Hình 1.1: Sự hội tụ của các thiết bị
- PC và Internet
- Điện tử dân dụng và hệ thống quảng bá
- Thiết bị di động và thiết bị cầm tay
Các thiết bị này được đặt ở các phòng khác nhau và được sử dụng cho các
chức năng khác nhau. Tuy nhiên người ta mong muốn chúng có thể thông tin được
với nhau- máy nghe nhạc MP3 trao đổi file với PC, máy quay video số kết nối với
STBs, v.v.v. Sự hội tụ của các thiết bị này đòi hỏi có một công nghệ không dây
chung, cho phép chúng có thể cùng hoạt động và phân phối thông lượng dữ liệu cao
cho nhiều ứng dụng và ứng dụng tốc độ cao. Hiện nay, các loại thông tin không dây
này đang sử dụng các giao diện và định dạng dữ liệu khác nhau.


4

Thế hệ PC, thiết bị điện tử dân dụng và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ
kết nối cỡ 1 Mbps (lớn hơn tốc độ dữ liệu tối đa của công nghệ Bluetooth), hiện nay
nhiều thiết bị sử dụng công nghệ này để tạo nên mạng thông tin vô tuyến cá nhân
WPANs. Nhưng nhiều thiết bị điện tử dân dụng không thể đáp ứng được về giá
thành và công suất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/g cho mạng Wifi.
Mặc dù công nghệ Wifi nhanh hơn Bluetooth nhiều, nó vẫn không đủ khả năng
cho phép truyền đồng thời nhiều luồng video chất lượng cao một cách hiệu quả.
Công nghệ UWB hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về truyền thông trong môi

trường tích hợp và hội tụ công nghệ như WPAN. Thêm vào đó, cùng với sự hỗ trợ
của các tập đoàn công nghiệp lớn, như WiMedia Alliance, sẽ đảm bảo chắc chắn sự
hoạt động tương tác qua các tập giao thức 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.

1.4 Công nghệ UWB
UWB khác hẳn so với sóng vô tuyến băng hẹp thông thường (RF) và kỹ thuật
trải phổ (SS), cũng như công nghệ Bluetooth và chuẩn 802.11 a/g. UWB dùng một
băng tần cực rộng để truyền dữ liệu (Hình 1.2). Và như vậy, UWB có thể truyền
nhiều dữ liệu hơn so với các công nghệ truyền thống trong cùng một khoảng thời
gian.

Hình 1.2: So sánh các tín hiệu băng hẹp NB, trải phổ SS và UWB


5

Tốc độ dữ liệu truyền qua một kênh vô tuyến tỷ lệ với băng thông của kênh và
loga của tỉ số S/N (Định lý Shanoon). Các kỹ sư vô tuyến đã phải điều chỉnh tham
số của băng thông đôi chút vì quy định của FCC với băng tần được phép sử dụng
cho các loại tín hiệu vô tuyến và ứng dụng. Bluetooth, Wifi 802.11a/g, bộ đàm và
một số thiết bị khác được dành cho một dải tần không cấp phép từ 900MHz-2,4Ghz
và 5,1GHz. Mỗi kênh vô tuyến chỉ chiếm một băng tần hẹp, liên quan đến tần số
của UWB.
UWB là trường hợp đầu tiên sử dụng phổ tần số hợp pháp. UWB có thể sử
dụng tần số từ 3,1GHz-10,6GHz - một băng tần rộng hơn 7GHz. Mỗi kênh vô tuyến
có thể có băng thông trên 500MHz, tuỳ thuộc vào tần số trung tâm của nó. Để cho
phép băng thông tín hiệu rộng như thế, FCC đã đưa ra một vài ràng buộc về năng
lượng. Bằng cách đó, các thiết bị UWB có thể tận dụng một băng tần siêu rộng

trong khi không phát xạ năng lượng ảnh hưởng đến các thiết bị băng hẹp hơn, như
là chuẩn 802.11a/g. Việc quy hoạch phổ tần này cho phép các thiết bị truyền dòng
dữ liệu tốc độ rất cao, nhưng phải trong phạm vi không gian hẹp.
Sự hạn chế chặt chẽ về năng lượng có nghĩa là tiêu thụ ít năng lượng. Do đòi
này thì sự hỗ trợ của công nghệ CMOS là rất khả thi. Với đặc tính là tiêu thụ ít năng
lượng, giá rẻ và tốc độ truyền dữ liệu cao trong phạm vi hẹp, UWB được chủ yếu
phục vụ chủ yếu cho mạng WPAN tốc độ cao.
Công nghệ UWB cũng sử dụng lại tần số. Nhóm thiết bị trong khoảng cách
gần (ví như hệ thống giải trí trong phòng khách) có thể thông tin trên cùng một kênh
giống như nhóm thiết bị khác trong phòng khác (ví dụ như hệ thống game trong
phòng ngủ). Mạng vô tuyến cá nhân WPAN sử dụng công nghệ UWB thì các nhóm
thiết bị gần nhau có thể sử dụng cùng một kênh mà không gây can nhiễu. Giải pháp
WLAN sử dụng hết băng thông dữ liệu sẵn có cho một nhóm thiết bị riêng và không
thể sử dụng lại kênh vô tuyến trong nhà. Do sự hạn chế về khoảng cách của UWB,
802.11 WLAN là phần bổ sung hiệu quả cho WPAN, truyền dữ liệu giữa các toà
nhà.


6

1.5 Ứng dụng của UWB
Công nghệ UWB có thể cung cấp các ứng dụng đa dạng và rộng khắp của
WPAN. Gồm có:
-Thay thế cáp IEEE 1394 nối giữa các thiết bị điện tử đa phương tiện dân
dụng, như là máy quay, camera số và máy nghe nhạc MP3 bằng các kết nối vô
tuyến.
-Kết nối giao diện WUSB tốc độ cao giữa PC và ngoại vi như máy in, scanners
và thiết bị lưu trữ ngoài.
-Thay thế các loại cáp trong các thiết bị công nghệ Bluetooth thế hệ sau, như
điện thoại tế bào 3G cũng như kết nối IP/UPnP của các thiết bị di động/ điện tử dân

dụng/PC trên nền IP.
-Tạo ra kết nối vô tuyến tốc độ cao Ad-hoc cho thiết bị CE/PC/di động.
Kết nối vô tuyến ngoại vi PC
Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi với PC, công nghệ UWB cho phép
cung cấp chất lượng và độ tiện lợi còn lớn hơn so với chuẩn USB vốn đã rất thành
công hiện nay. Hiện tại, USB hữu tuyến có một thị phần đáng kể và là chuẩn kết nối
rất linh hoạt và thuận tiện của PC (Hình 1.3).

Hình 1.3: Các kết nối PC qua UWB
Ngoài ra, công nghệ Bluetooth cũng đã giải quyết vấn đề này ở một mức độ
nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về chỉ tiêu tốc độ, phạm vi hoạt động tương tác.


7

Một giải pháp WUSB sử dụng UWB mở ra khả năng sử dụng chuẩn USB không
cần dùng cáp. Điều đó đã tăng tính linh hoạt và tiện lợi của chuẩn USB, UWB đã
cos được một sự tăng trưởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC.
WUSB Working Group đang đề xuất một tiêu chuẩn hứa hẹn cung cấp tốc độ lên
đến 480 Mbps (tương đương với USB 2.0) trong phạm vi 10m.
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.

Kết nối vô tuyến đa phương tiện cho các thiết bị điện tử gia dụng audio
và video (AV CE)
Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối vô tuyến đa phương tiện
cho thiết bị điện tử gia dụng audio và video. Lợi ích tương tự như PC và ngoại vi;
sự tiện dụng vô tuyến và truyền số liệu là thế mạnh chính. Các thiết bị giải trí rất đa

dạng (Hình 1.4): DVD, HDTV, STB, máy quay video cá nhân (PVR), MP3, máy
quay và máy ghi số, các thiết bị điện tử dân dụng khác trong nhà.

Hình 1.4: Hệ thống thiết bị giải trí


8

Ví dụ, UWB có thể kết nối một màn hình plasma treo tường hay HDTV với
một STB hoặc đầu DVD mà không bị vướng víu cũng như mất thẩm mỹ bởi những
sợi cáp. UWB có thể truyền đồng thời nhiều dòng dữ liệu tới nhiều thiết bị. Điều
này cho phép thực hiện chức năng ảnh trong ảnh hoặc khả năng để hiển thị cùng
một nội dung hay những nội dung khác nhau trên nhiều thiết bị trong nhà.
UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và nhóm thiết bị giải trí, như
máy quay xách tay với một PC chuyên dụng để tạo chương trình video số hoặc tới
một màn LCD rộng. Kết nối một camera số với một máy tính xách tay để soạn thảo,
biên tập và gửi những bức ảnh thông qua email tới người thân trong khi đang ở một
điểm truy cập công cộng. UWB đã đem lại những lợi ích đáng kể, xem bảng 1.1.

Đặc trưng

Ưu điểm

Tốc độ cao

Nhanh, truyền chất lượng cao

Tiêu thụ năng lượng thấp

Thời gian sử dụng pin được lâu

Công nghệ Silicon, tiêu chuẩn hoá

Giá thành hạ

Lựa chọn kết nối dây

Thuận tiện và linh động

Bảng 1.1: Đặc trưng và ưu điểm của UWB trong PC và thiết bị giải trí
Mạng WPAN sử dụng công nghệ UWB, các thiết bị trong phạm vi gần, chúng
có thể nhận ra nhau, và các dòng truyền dữ liệu xuất hiện khi người sử dụng bấm
nút Play. Các thiết bị AV CE di động, như máy quay xách tay, camera số, máy MP3,
và đầu đọc video cá nhân được mong đợi là đất dụng võ của UWB.
Thay thế cáp và thiết bị truy nhập mạng điện toán di động
Đối với nhiều người, khi sử dụng các thiết bị di động, cáp gây ra nhiều bất tiện
khi mà chúng cần kết nối với nhau. Nhiều thiết bị, chẳng hạn như các thiết bị hỗ trợ
cá nhân số, kết nối thông qua cổng USB; nhưng với các thiết bị khác, chẳng hạn
như điện thoại tế bào 3G, có thể yêu cầu jack chuyển đổi đối với cáp USB. Công
nghệ UWB cho phép các thiết bị này làm việc với nhau mà không cần cáp ngay khi
chúng ở phạm vi gần. UWB cũng có thể được sử dụng truy cập mạng tốc độ cao,
năng lượng thấp trong phạm vi của hotspot.


9

Phạm vi của hotspot tạo nên một vùng rộng cho truy nhập internet băng rộng
đối với các thiết bị điện toán di động ở vị trí xa. Hiện nay, có 2 công nghệ là WLAN
802.11a/g và Bluetooth cho WPAN. Cả 2 công nghệ này đều có những hạn chế giải
quyết đồng thời các đòi hỏi của kết nối băng thông rộng: mật độ không gian cao để

nhiều người có thể truy cập trong một không gian xác định và tiêu thụ ít năng
lượng. UWB hứa hẹn sẽ vượt qua thách thức này và có thể cung cấp thói quen cải
thiện đáng kể ngay khi nó được triển khai.

Kết nối Ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng công nghệ UWB
Giống như công nghệ Bluetooth, mỗi thiết bị công nghệ UWBcó thể vừa là
nguồn dữ liệu và vừa là thiết bị nhận. Thiết bị này tập hợp dữ liệu của tất cả các
thiết bị nối vào một mạng. Có thể bao gồm việc kết nối một camera số trực tiếp với
một máy in để in ảnh.

1.6 Các vấn đề kỹ thuật cần lưu ý
Để công nghệ UWB trở thành một giải pháp vô tuyến kế tiếp được ứng dụng
rộng rãi, một số vấn đề cơ bản cần giải quyết như sau:
-Thực hiện (tốc độ dữ liệu trong không gian, năng lượng tiêu thụ, tồn tại song
song với các thiết bị vô tuyến khác, tránh can nhiễu và liên kết chặt).
-Khả năng liên kết hoạt động
-Dễ dàng tích hợp sản phẩm và chuẩn hoá
-Giá cho giải pháp toàn bộ
-Chuyển giao và hỗ trợ
-Chất lượng dịch vụ
-Xác định dải phổ trên toàn cầu


10

Hình 1.5: Lớp giao thức và ứng dụng cho UWB
Hình 1.5 biểu diễn mô hình phân lớp đầy đủ yêu cầu để tạo UWB. Ở lớp vật lý
và MAC, MBOA đang làm việc với các thành viên khác để lập ra chuẩn cho cả lớp
PHY và lớp MAC. Sự cố gắng này sẽ giải quyết được yêu cầu QoS và khả năng liên
kết hoạt động giữa UWB, độc lập với nhà sản xuất. WiMedia Alliance, một tập đoàn

công nghiệp tập trung vào phát triển lớp hội tụ để cho phép UWB MAC giao tiếp
với một số giao thức chuẩn khác, như là USB, WUSB, IEEE 1394 và UPnP.
Cuối cùng, các công ty đang phát triển các giao thức để tận dụng triệt để thế
mạnh của công nghệ UWB. Kỹ thuật WUSB được phát triển thông qua nhóm làm
việc USB không dây và UPnP được thực hiện thông qua Nhóm làm việc về ngôi nhà
số (DHWG).

1.7 Kết luận
UWB và những cố gắng giao thức mạng kết hợp đang ở giai đoạn đầu phát
triển, và một vài hạng mục triển khai chủ yếu đang được định nghĩa và định lượng.
UWB đang triển khai mạng vô tuyến trong WLAN, thêm vào đó tăng tốc độ bit, kết
nối đa phương tiện cho WPAN hỗ trợ PC và các thiết bị CE. Điều này cho ta sự hội
tụ thật sự của máy tính và các thiết bị điện tử dân dụng.

Ưu điểm:
-Không cần giấy phép phổ tần

-Tốc độ truyền dẫn cao
-Công suất phát thấp


11

-Là phương tiện kết nối hữu hiệu giữa các thiết bị ngoại vi, thiết bị điện tử và
thiết bị di động trong phạm vi một căn phòng.