Ứng dụng xử lí tín hiệu cho truyền thông Ultra - Wideband

phát. Nói chung, để đạt được yêu cầu phổ công suất thông thường không cần hệ số khuyếch đại lớn và có thể bỏ qua. Đây là mẫu bộ thu phát cực kì đơn giản, nó bỏ qua phương pháp sửa lỗi trước, nó phục vụ mục đích mô tả các bộ thu phát tương đối đơn giản. 3.3 Các kĩ thuật đa truy nhập áp dụng trong UWB Xác suất có nhiều người dùng truy nhập vào hệ thống là vấn đề quan trọng trong truyền thông UWB, bởi vì các ứng dụng thực tế sẽ yêu cầu nhiều hơn một người sử dụng hoạt động trong môi trường ở một thời điểm. Mục này qua đó sẽ nghiên cứu các phương pháp khác nhau giải quyết vấn đề này. Cơ bản là có 3 phương pháp cho các người dùng riêng biệt họ sử dụng cùng một môi trường. ■ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): Các người sử dụng riêng biệt có node trung tâm gán cho một băng tần cố định cho mỗi người dùng. ■ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): Kênh được chia thành một số khoảng thời gian không chồng lấn gọi là khe thời gian, chúng có chu kì. Mỗi người dùng sau đó được gán một khe thời gian bởi node trung tâm. ■ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA): Mỗi người dùng có một mã duy nhất, để mã hoá truyền dẫn sao cho đầu thu có thể giải điều chế. Do đó mỗi người dùng phân biệt với nhau bởi mã của chúng. Có ba cách cơ bản thực hiện CDMA: ● Nhảy tần (FH): Hoạt động giống như FDMA ngoại trừ băng tần sử dụng được xác định bởi mã tại mỗi thời điểm truyền dẫn. ● Nhảy thời gian (TH): Hoạt động giống như TDMA ngoại trừ khe thời gian sử dụng được xác định bởi mã tại mỗi thời điểm truyền dẫn. ● Trải phổ trực tiếp (DS): Dữ liệu được nhân với mã ở cả hai phía phát và thu và các đặc tính mã cho phép người dùng thích hợp giải điều chế tín hiệu. Các hệ thống FH-CDMA không được quan tâm nhiều hơn trong đồ án này, bởi vì hiệu năng của FH tương đương với TH, nhưng sẽ cần hệ thống phức tạp hơn để thực hiện nhảy tần. Trọng tâm của đồ án là nghiên cứu các hệ thống đa truy nhập dựa trên CDMA TH và DS. Phối hợp các phương pháp đa truy nhập đưa ra ở trên có thể thực hiện phụ thuộc vào hệ thống. Một ví dụ là hệ thống TH phát một vài xung trên một bit và đồng thời mã hóa mỗi xung này như là một chip trong hệ thống DS. Sự phân biệt người dùng có thể thực hiện bằng cách sử dụng mã TH và DS hoặc cả hai. Phương pháp kết hợp có vẻ ngày càng được chấp nhận trong IEEE 802.15a. Ưu điểm của phương pháp kết hợp nằm ở thực tế là có thêm nhiều tham số để điều chỉnh dung lượng của hệ thống một cách mềm dẻo hơn. Bằng cách sử dụng phương pháp này một chuẩn có thể được tạo ra bao gồm nhiều cấu hình khác nhau của các hệ thống UWB có thể tương thích. Hiệu năng của các thiết bị UWB do đó có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu và giá cả của thị trường. Ví dụ một hệ thống với tầng vật lí đa băng được đưa ra bởi công ty General Atomics tới nhóm IEEE 802.15a [13]. Trong đề nghị này băng tần được chia thành 20 kênh trong FH và hệ thống UWB có thể được đánh giá dựa vào có bao nhiêu băng và loại điều chế nào là thích hợp. Giải pháp kết hợp không phải là giải pháp được trình bày trong đồ án này. Thực tế các giải pháp dựa vào TH hoặc DS CDMA trong mỗi piconet được nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu các hệ thống đa băng là nội dung tương lai. 3.3.1 Nhảy thời gian (TH) Nhảy thời gian (TH) thực hiện đa truy nhập bằng cách chia kênh thành khe thời gian không chồng lấn như ở hình 3.10. Hình 3.10: Chia các kênh thành các khe thời gian không chồng lấn Các người dùng được cho phép sử dụng khe thời gian gán cho họ bằng mã nhảy thời gian riêng. Nghĩa là không cần điều khiển tập trung nhưng điều này có thể dẫn đến các người dùng cố gắng sử dụng cùng một khe thời gian ở cùng một thời gian gây ra xung đột. Nói cách khác, nếu các người dùng không đồng bộ, xung đột có thể xảy ra, chồng lấn hai khe thời gian khi tham chiếu thời gian của các người dùng là khác nhau. Truyền dẫn chỉ diễn ra trong 1/SF phần của thời gian và công suất phát trong mỗi khe thời gian cho trước phải lớn hơn SF lần công suất phát trung bình. Do đó đây là bằng chứng về lợi ích so với hệ thống không trải phổ sử dụng mỗi xung trên một bit, độ lợi xử lí là PG=Ns.SF. Điều này đúng là vì công suất tín hiệu thu ở mạch quyết định tăng lên một lượng SF so với công suất trung bình trên kênh, trong khi công suất tạp âm thu được là tương đương. Xem xét xác suất xung đột và giả thiết rằng mã TH phân bố đều trên các khe thời gian xác suất ít nhất một người dùng xung đột với người dùng khác trong điều kiện hệ thống đồng bộ là (3.31) Trong đó K là tổng số người dùng trong hệ thống. Khi xung đột xảy ra truyền dẫn bị gián đoạn và tất cả người dùng thu được công suất tương đương, xấp xỉ BER của máy thu trở thành. (3.32) Do đó BER là ¼ khi xảy ra xung đột. Giá trị của BERnorm chỉ giá trị BER thông thường của phương pháp điều chế nhị phân. Có thể thấy từ biểu thức (3.32) xung đột ảnh hưởng mạnh đến hiệu năng của hệ thống TH và đó là lí do quan trọng cần giảm số lượng xung đột trong hệ thống. Trong trường hợp không đồng bộ xác suất xung đột là (3.33) Bởi vì bây giờ xuất hiện khả năng hai khe thời gian xung đột với người dùng cho trước trong trường hợp này. Đó là cơ sở để tin rằng BER của hệ thống dị bộ có thể cao hơn hệ thống đồng bộ, nhưng cần phải nhớ rằng BER phụ thuộc vào hàm tự tương quan chuẩn hóa của monocycle với độ dịch cho trước. BER trung bình trong hệ thống TH dị bộ do đó thường thấp hơn một ít so với hệ thống đồng bộ. Tuy nhiên, có thể ước lượng BER trung bình của hệ thống dị bộ như sau: (3.34) Giả thiết rằng sử dụng điều chế BPSKvà mã nhảy ngẫu nhiên. Kết quả ở biểu thức (3.34) chính xác với K=2, và rất khả quan với K>2 bởi vì giả thiết rằng chỉ có xung đột ảnh hưởng tới mạch quyết định. 3.3.2 Trải phổ trực tiếp (DS) Đối lập với TH trong đó truyền dẫn chỉ được thực hiện trong 1/SF thời gian, các xung được phát liên tục trong hệ thống trải phổ trực tiếp (DS). Các monocycle phát sau đó được mã hoá bằng cách nhân chúng với mã lưỡng cực có độ dài , để phía thu có thể phân biệt các tín hiệu đến từ các người dùng khác nhau. Ở đầu thu tín hiệu đến r(t) được nhân với các monocycle đã được mã hoá và được tích phân để hình thành thống kê đầy đủ của người thứ l (3.35) Trong đó z(t) là tạp âm Gaussian trắng cộng với phương sai . Ak là biên độ của người dùng thứ k. Giả thiết rằng monocycle thu được prx(t) chuẩn hoá: (3.36) Trong một hệ thống hoàn toàn đồng bộ hệ số tương quan giữa các người dùng l và k (3.37) Từ (3.35) có: (3.38) với z(l)(n) là mẫu tạp âm. Có thể dễ dàng nhận thấy là hệ số tương quan giữa một mã bất kì và bản thân nó là và . Ở phía phải của đẳng thức 3.41 các thành phần tham gia là: thành phần thứ nhất là tín hiệu mong muốn từ người dùng thứ l và tiếp theo là nhiễu từ các người dùng khác trong hệ thống. Để ý rằng nhiễu ở đầu thu được đánh giá bởi hệ số tương quan giữa người dùng khác và người dùng muốn thu tín hiệu. Điều này dẫn đến việc cần sử dụng các mã có hệ số tương quan chéo rất thấp. Sau một số biến đổi ta được: (3.39) với SNR kênh là . Từ biểu thức (3.39) có thể thấy rằng BER phụ thuộc vào hệ số trải phổ, phương sai tạp âm và tất nhiên biên độ của tín hiệu người dùng đang được thu. 3.3.3 Phổ của tín hiệu UWB Như đã đề cập trước đây PSD của monocycle là từ phương trình (1.6) , nhưng biểu thức này không bao gồm ảnh hưởng của điều chế và trải phổ tín hiệu. Các hệ thống UWB có công suất phát giới hạn do đó hiểu được ảnh hưởng của chúng lên PSD là rất quan trọng để tối đa công suất truyền dẫn mà không vượt qua giới hạn trong mặt nạ phổ công suất. Theo phụ lục F [11] PSD của tín hiệu TH-BPSKvới Ns=1 là (3.40) Trong đó Ptx(f) là biến đổi Fourier của ptx(t). PSD của tín hiệu DS-BPSKthu được là: (3.41) với là phổ của mã trải phổ: (3.42) Trong hệ thống TH, mã nhảy thời gian thường không ảnh hưởng đáng kể tới PSD của tín hiệu trong khi DS thì gây ảnh hưởng khá rõ rệt. Tuy nhiên nếu Ns>1 mã TH có thể ảnh hưởng tới PSD của tín hiệu. Các đặc tính phổ của tín hiệu UWB đã biết, từ đó có thể đưa ra một lựa chọn hợp lí độ rộng monocycle, tần số trung tâm và tốc độ lấy mẫu. Tham số đầu tiên để lựa chọn là băng tần và tần số trung tâm. Có thể sử dụng các biểu thức ở Phụ lục B [11] để tìm tần số trung tâm trong đó PSD là lớn nhất nhưng nó còn phụ thuộc vào việc lựa chọn monocyle. Chẳng hạn chọn monocycle p6(t) với độ rộng xung là 2/3 ns có phổ 4-6.5 GHz giới hạn bởi các tần số - 3 dB. Nó cũng đáp ứng yêu cầu về công xuất bức xạ lớn nhất. Lựa chọn monocycle này làm tín hiệu truyền dẫn tín hiệu thu được sẽ là đạo hàm của monocycle tức là p7(t) và tín hiệu đưa đến anten phát là p5(t). Lựa chọn tốc độ lấy mẫu do đó phải dựa vào như mô tả trong phụ lục B [11]. Hình 3.11: PSD của monocycle sử dụng Hình 3.11 chỉ ra PSD của p6(t) với PW=2/3 ns và Nsp=13 (mẫu/xung) với công suất truyền dẫn là 10-4W. Tấn số lấy mẫu do đó là GHz, khá cao ngay cả với hệ thống UWB. Trên hình 3.12 phổ của p6(t) trải phổ TH với SF=16 và hình 3.13 là chỉ của phổ của p6(t) sau khi trải phổ DS. Có thể thấy rõ là trong trường hợp hệ thống DS mã trải phổ ảnh hưởng rõ rệt lên phổ của tín hiệu. Điều này là không mong muốn vì các đỉnh phổ tạo thành sau trải phổ có thể vi phạm mặt nạ phổ công suất và do đó cần lựa chọn mã phù hợp để tối đa công suất truyền dẫn trong hệ thống DS. Hình 3.12 PSD của các monocycle bậc 6 và khi chưa trải phổ (a) và trải phổ TH (b) Hình 3.13: PSD của các mã trải phổ DS (a) và monocycle trải phổ DS (b) 3.4 Bộ thu 3.4.1 Khái niệm cơ bản Sơ đồ khối bộ thu UWB tổng quát được chỉ ra trong hình 3.14. Bộ thu thực hiện hoạt động ngược lại với bộ phát để khôi phục dữ liệu và đưa dữ liệu đến bất cứ ứng dụng “back end” nào cần nó. Có hai khác biệt chủ yếu giữa bộ thu và bộ phát. Điều thứ nhất là chắc chắn phần lớn bộ thu sẽ cần một bộ khuyếch đại để nâng công suất của các tín hiệu rất yếu thu được. Thứ nữa là bộ thu phải thực hiện chức năng dò và bắt tín hiệu để xác định các xung cần thiết trong số các xung thu được và sau đó tiếp tục bám những xung này để điều chỉnh sự mất cân đối xung đồng hồ của bộ thu và bộ phát. Hình 3.14: Sơ đồ khối chung của bộ thu UWB Trong truyền thông yêu cầu cả sự truyền và thu tín hiệu. Bây giờ sẽ giới thiệu qua về kĩ thuật tách tín hiệu; bắt và bám chuỗi xung. Tách tín hiệu Tạo được tín hiệu với các đặc tính phổ mong muốn, còn cần phải có hệ thống thu tối ưu. Kĩ thuật thu tối ưu, kĩ thuật thường được sử dụng trong UWB, là bộ thu tương quan, thường được gọi là bộ tương quan. Một bộ tương quan nhân tín hiệu RF thu được với tín hiệu mẫu và sau đó tích phân kết quả của tiến trình đó để tạo ra một thành phần một chiều. Tiến trình nhân và tích phân xảy ra trong một chu kì của xung và nó được thực hiện trong khoảng nhỏ hơn nanogiây. Với tín hiệu mẫu chính xác kết quả đầu ra của bộ tương quan đo đạc các vị trí thời gian tương đối của tín hiệu thu và tín hiệu mẫu. Nếu chúng ta giả thiết PPM là phương pháp điều chế bộ tương quan là một bộ tương quan tối ưu sớm/muộn. Lấy một ví dụ đơn giản nhất, khi xung thu sớm hơn cỡ là ¼ một xung kết quả bộ tương quan là +1, khi nó thu muộn hơn cỡ là ¼ một xung kết quả bộ tương quan là -1, và khi các xung đến trung trung tâm của cửa sổ tương quan kết quả đầu ra là 0. Qua đó, tín hiệu tạp âm trong băng thu được bởi tuyến UWB đầu ra của bộ tương quan có giá trị trung bình 0. Hơn nữa, chuẩn hoá hay căn trung bình bình phương (rms) của đầu ra bộ tương quan liên quan với công suất của các tín hiệu trong băng. Tích phân xung Khi một monocyle bị lấn át bởi tạp âm của các tín hiệu khác, sẽ vô cùng khó khăn để tách một xung UWB đơn và độ tin cậy thông tin thu được là thấp. Tuy nhiên, bằng việc cộng các mẫu bộ tương quan (ví dụ xung nhân), từ đó có thể thu được tín hiệu đã phát với độ tin cậy cao hơn. Tiến trình này được gọi là tích phân xung. Thông qua tích phân xung, các bộ thu có thể thu, bám và giải điều chế tín hiệu UWB có công suất thực sự thấp hơn nhiễu nền. Tính toán hiệu năng của bộ thu UWB ở khía cạnh các tín hiệu nhiễu trong băng được gọi là độ lợi xử lí. Bám Bám là tiến trình trong bộ thu có thể liên tục kiểm tra liệu các xung có đến tại các thời điểm mong muốn và nếu không điều chỉnh thời gian. Một ví dụ đơn giản là để xem xét tiến trình. Giả thiết rằng bộ thu và phát khởi đầu với các xung đồng hồ đã đồng bộ. Khi thời gian vượt qua các ảnh hưởng của nhiệt và sự khác biệt trong sản xuất tạo ta một trong các xung đồng hồ hoặc các bộ dao động để trở nên thực sự nhanh hơn. Nếu sự khác biệt này không đúng, thậm chí bộ thu sẽ không thể giải điều chế chính xác các xung. Sự dịch chuyển thời gian ở dưới nanogiây cần phải xem xét cẩn thận. 3.4.2 Các máy thu cải tiến Ở đầu thu thực hiện tách sóng có thể sử dụng các bộ thu cải tiến như bộ thu tối ưu (optimal receiver), bộ thu Rake, bộ thu giải tương quan (decorrelator receiver), bộ thu tuyến tính cực tiểu lỗi trung bình bình phương (LMMSE receiver) và bộ thu LMMSE thích ứng (adaptive LMMSE receiver). Trong nội dung đồ án này tôi chỉ tập trung xem xét ứng dụng bộ thu Rake và bộ thu giải tương quan vào truyền thông UWB. 3.4.2.1 Máy thu Rake Bộ thu Rake là bộ tách sóng đơn được thiết kế để thu thập năng lượng tối đa có thể từ các thành phần đa đường và sau đó gom chúng lại để ước tính kí hiệu được phát. Về mặt lí thuyết có thể thực hiện bằng cách sử dụng một bộ tương quan cho mỗi thành phần đa đường đã biết và nhân kết quả đầu ra của mỗi bộ tương quan một trọng số thích hợp. Một cách khác chính xác để làm việc này được chỉ ra trên hình 3.11 với khối tên là MF là bộ lọc thích ứng và với độ trễ Tl và trọng số wl của thành phần đa đường thứ l. Mỗi nhánh của L nhánh trong bộ thu được gọi là ngón. Bây giờ phải tính toán các trọng số tối ưu của máy thu cho mỗi người dùng trong mô hình kênh đa đường với tạp âm Gaussian. Giả thiết bộ thu có thông tin chính xác về đáp ứng xung của người dùng đó, số lượng ngón khi đó bằng với số lượng nhánh trong mô hình kênh đa đường nghĩa là L=N. Trong trường hợp này độ trễ Tl phù hợp với kênh (3.43) Hình 3.15 Kênh vô tuyến được mô hình bởi bộ lọc FIR với các trọng số ngẫu nhiên với TRAKE là độ trễ cố định qua môi trường kênh và các ngón của bộ thu Rake. Đầu ra của bộ thu Rake là (3.44) Đưa (2.3) vào (3.44) ta được (3.45) Với zRAKE là thành phần tạp âm tại đầu ra của bộ lọc thích ứng (3.46) (3.47) Lí do phía sau biểu thức phương sai tạp âm ở (3.47) là khi sử dụng DS, SF độc lập với các nguồn tạp âm có phương sai được tính vào ở bộ lọc thích ứng. Trong trường hợp TH, giá trị phương sai của nguồn tạp âm được nhân với ở bộ lọc thích ứng. Tiếp theo thành phần tích phân của biểu thức (3.45) có thể ước tính bằng cách sử dụng hàm tự tương quan của dạng sóng mẫu và để đơn giản hoá biểu thức, có thể giả thiết hàm tự tương quan là (3.48) Sự đơn giản hoá này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng các mã trải phổ có các đặc tính lí tưởng. Biểu thức (5.3) có thể đơn giản hoá là: (3.49) Và SNR ở đầu ra của bộ lọc thích ứng do đó là (3.50) Sử dụng bất đẳng thức Schawarz vào (3.50) dẫn đến (3.51) Và để có dấu đẳng thức trong (3.51) các trọng số được chọn là (3.52) Trong đó cMRC là hằng số tuỳ ý. Loại kết hợp này được gọi là Kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC- Maximal Ratio Combiner) bởi vì nó tối đa SNR ở đầu thu. Sử dụng MRC, SNR đạt được giá trị cực đại tương ứng với dấu đẳng thức của biểu thức (3.51) với: (3.53) Là năng lượng tổng cộng ở phía thu thu được từ các ngón của bộ thu Rake. 3.4.2.2 Bộ thu giải tương quan Bộ thu giải tương quan là bộ tách sóng nhiều người dùng dựa trên tương quan giữa các người dùng. Lấy hệ thống DS đồng bộ làm ví dụ bộ giải tương quan thực hiện điều này bằng cách nhân các giá trị đầu ra của bộ lọc thích ứng với ma trận tương quan đảo (3.54) Từ (3.57) có thể thấy rằng khi bộ giải tương quan sẽ trở thành máy thu tối ưu, bởi vì nó có thể hoàn toàn phân biệt các người dùng khác nhau với R đã biết. Tất nhiên để thực hiện điều này phải tồn tại, có thể chứng minh rằng R là xác định dương nếu các hệ số trải phổ là độc lập tuyến tính và do đó R-1 tồn tại [15]. Ma trận liên hợp của tạp âm trong biểu thức 3.54 là: (3.55) Và phương sai tạp âm của mỗi người dùng là với là thành phần đường chéo chính thứ k của R-1. BER của mỗi người dùng do đó được tính là: (3.56) Theo phụ lục H[11]: (3.57) Và được lấy trung bình qua K mã khác nhau và do đó: (3.58) Có thể thấy rằng bộ thu giải tương quan bị ảnh hưởng nhiều bởi tạp âm hơn là bởi MAI. Nhưng nó cũng cải tiến đáng kể so với bộ thu tương quan ở chỗ bộ thu tương quan bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu từ các người dùng khác. 3.5 Tổng kết Trong chương này tôi đã xem xét hệ thống truyền thông UWB. Thấy rõ những đặc điểm khác biệt so với hệ thống truyền thông UWB về phương pháp điều chế đánh giá hiệu năng của các các phương pháp điều chế, xem xét hai phương pháp trải phổ được sử dụng chủ yếu trong truyền thông UWB là TH và DS. Do nội dung được xem xét trên quan điểm xử lí tín hiệu nên đồ án không đi sâu vào cấu trúc của bộ thu và bộ phát mà chỉ trình bày nguyên lí hoạt động. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VỀ HỆ THỐNG UWB Trong chương này tôi sẽ xem xét một số khía cạnh đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB. Các vấn đề: như dung lượng của hệ thống UWB; ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến với hệ thống UWB; thực hiện so sánh hiệu năng hoạt động của hệ thống với một số hệ thống băng rộng khác; và nghiên cứu các trường hợp ứng dụng truyền thông UWB cụ thể. Những vấn đề này có ý nghĩa quyết định đến sự thành bại của hệ thống truyền thông UWB. Trước hết tôi đề cập đến vấn đề dung lượng của hệ thống UWB. 4.1 Dung lượng của các hệ thống UWB Xét trường hợp dạng xung đơn giản hoá và chỉ có thể áp dụng cho hệ thống điều chế vị trí xung, nó phục vụ mục đích minh hoạ về dung lượng hệ thống UWB. Thứ nhất, xây dựng một vài giả thiết. Để đơn giản mà không mất tổng quát, mỗi xung UWB được giả thiết biểu diễn một tín hiệu. Do đó, số xung trên một kí hiệu là Np=1. Điều này nghĩa là chu kì tín hiệu và chu kì xung là bằng nhau (tức là, Tf=Ts) và năng lượng mỗi xung Ep là giống với năng lượng trên một kí hiệu Es. Tiếp theo, tôi sử dụng công thức dung lượng Shanon C=Wlog2(1+SNR) để tính toán. Để đơn giản, dạng xung là chữ nhật p(t) trong đó (4.1) Và Tp là thời gian xung. Hàm tương quan cho p(t) là (4.2) Trong phân tích này tôi mô hình độ dịch thời gian khác biệt giữa các người dùng, với kí hiệu phân bố đều trong khoảng [-Tf, Tf]. Nó tuân theo công thức sau: (4.3) Trong đó là tỉ lệ trải phổ thay thế tham số SF thường sử dụng ở trên để biểu thức toán gọn hơn, được định nghĩa là tỉ số thời gian của khung chia cho thời gian của xung. Giá trị trung bình của có thể được tính như sau: (4.4) Phương sai của được kí hiệu là (4.5) Có thể xấp xỉ là (4.6) với giá trị hệ số trải phổ lớn. Phương sai của nhiễu đa truy nhập kí hiệu NI có thể tính (4.7) Trong đó v là chỉ số của người dùng và Nu chỉ tổng số người sử dụng. SNR ở đầu ra của bộ thu với mỗi kí hiệu có thể tính là: (4.8) Hình 4.1: Dung lượng người dùng với nhiều người sử dụng là hàm của số người sử dụng Nu với hệ số trải phổ ©IEEE 2002 Trong trường hợp kênh nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) và điều khiển công suất tốt, và có thể biểu diễn là: (4.9) Trong đó . Từ biểu thức này có thể thấy rằng với số lượng nhỏ của người sử dụng (ví dụ ) hiệu năng bị giới hạn bởi tạp âm, trong khi với nhiều người sử dụng (ví dụ ) hiệu năng bị giới hạn bởi nhiễu. Sử dụng biểu thức (4.9) dung lượng một người dùng CM-PPM là hàm của trạng thái kênh SNR là (4.10) được đo bằng số bit trên một kí hiệu. Ở đây, vm là giá trị ngẫu nhiên với m nằm trong khoảng 1 và M và có phân bố điều kiện trên tín hiệu phát x1 (4.11) Trên hình 4.1 các ảnh hưởng của nhiễu nhiệt được bỏ qua, chúng ta có thể coi như chỉ có nhiễu đa truy nhập. Kênh đa truy nhập sẽ đạt cung cấp dung lượng người dùng đủ khi số người dùng Nu<15, và khi người số người dùng tăng lên, dung lượng của người dùng có thể giảm. 4.2 So sánh với các hệ thống truyền thông băng rộng Trong mục này chúng ta sẽ đề cập một vài khác biệt và tương tự của các hệ thống truyền thông UWB với các hệ thống trải phổ (SS). Lí do là trong một khoảng cách rất ngắn (chẳng hạn phạm vi trong phòng) chúng ta không thể hi vọng sử dụng bất cứ dạng nào của truyền thông trải phổ hay OFDM. Cụ thể hơn các ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông trải phổ thông thường cũng như OFDM cũng không được sử dụng hay dự định sử dụng trong phạm vi này. Để đưa ra một số ví dụ, trải phổ được sử d0ụng trong hệ thống dịch vụ thông tin di động và số liệu thế hệ thứ ba (3G). Truyền thông từ trạm gốc đến thiết bị di động có thể nằm trong khoảng vài trăm mét đến hàng kilomét. Trong khi đó, OFDM đang được xem xét sử dụng trong hệ thống di động thế hệ thứ tư (4G). Thực tế OFDM cũng đang được sử dụng trong truyền hình số ở Nhật Bản. Các kĩ thuật UWB hiện nay thường ít được đề cập sử dụng truyền thông ngoài nhà, và các ứng dụng truyền thông khoảng cách lớn. Hình 4.2: So sánh các phạm vi ứng dụng của các công nghệ truyền thông vô tuyến khác nhau theo khoảng cách Tuy nhiên, các mạng LAN vô tuyến trong nhà có thể nằm trong cùng phạm vi ứng dụng của UWB và do đó sử dụng để so sánh và đánh giá nó với truyền thông UWB là hợp lí nhất. Chuẩn IEEE 802.11b áp dụng cho các mạng WLAN sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) có tần số trung tâm 2.4 GHz, và chuẩn 802.11a cho các mạng WLAN sử dụng OFDM có tần số trung tâm 5GHz. Sau đây tôi sẽ so sánh hệ thống UWB với hệ thống WLAN tuân theo chuẩn IEEE 802.11b. Đây là một trong những chuẩn phổ biến nhất cho truyền thông không dây trong nhà. Nó hoạt động ở dải tần không cấp phép 2.4-GHz. Trong 802.11b, các kĩ thuật trải phổ trực tiếp được sử dụng để chuyển tín hiệu dữ liệu băng hẹp lên toàn bộ dải tần cho trước, để loại bỏ nhiễu từ các người dùng khác hay các nguồn tạp âm. Băng tần 2.4 GHz được biết là băng tần ISM, nó dùng cho công nghiệp, khoa học và y tế. Hình 4.3: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ nhảy tần Hình 4.4: Quan hệ thời gian-tần số của hai người dùng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp. Hai người dùng phân biệt với nhau bởi hai mã khác nhau Có hai kĩ thuật trải phổ phổ biến là: trải phổ nhẩy tần (FHSS) và trải phổ nhẩy thời gian (THSS). Tổng quan về quan hệ tần số thời gian được chỉ ra trên hình 4.3 và 4.4. Trong hình 4.3 chúng ta có thể thấy hai người sử dụng chiếm một băng tần hẹp trong một khoảng thời gian ngắn. Có 79 kênh nhảy tần trong chuẩn IEEE 802.11 và mỗi kênh rộng 1 MHz. Các bước nhảy thực hiện mỗi 224 µs. Trái lại, hình 4.3 chỉ ra rằng mỗi người dùng chiếm toàn bộ dải tần tại mọi thời điểm và các người dùng khác nhau phân biệt bởi các mã giả ngẫu nhiên (PN). Do đó DSSS còn được gọi là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Cả DSSS và FHSS đều được mô tả trong các chuẩn WLAN IEEE 802.11, và gần đây là chuẩn IEEE 802.11b, DSSS mới chỉ định nghĩa được lớp vật lý. So sánh UWB với DSSS và FHSS So sánh giữa ba kĩ thuật điều chế: DSSS, FHSS, và UWB. Thiết lập cho mỗi phương pháp chiếm băng tần 3.2 MHz, truyền dẫn ở tốc độ 3.125 Mb/s, và cung cấp cho 30 người dùng đồng thời. Với hệ thống DSSS SNR có thể viết là: (4.12) Trong đó K là số người dùng và N là số chip trên một bit. BER có thể tính được từ (4.13) Trong đó “erfc” là hàm lỗi bù, được định nghĩa là: (4.14) Trong khi đó BER của FHSS tính được như sau: (4.15) Trong đó k là số khe nhẩy tần, M là số lượng của người dùng, S là công suất tín hiệu, và N là công suất tạp âm. Do đó, Si biểu diễn công suất nhiễu từ các người dùng. Với UWB, SNR đầu ra trung bình có thể được tính với giả thiết chuỗi nhảy thời gian ngẫu nhiên. Để số người dùng (được kích hoạt) là Nu. Từ [14] SNR là: (4.16) Trong đó là phương sai của thành phần tạp âm thu ở đầu ra bộ tích phân chuỗi xung. Các tham số phụ thuộc vào dạng sóng monocycle mp và được tính: (4.17) Và (4.18) Tương ứng, trong đó A1 là biên độ momocycle, Tf là chu kì khung giả thiết bằng 10 ns, và Ns là số xung trên một kí hiệu. Hình 4.5: So sánh BER của ba hệ thống băng rộng DSSS, FHSS, và UWB trong trường hợp một người dùng Kết quả thứ nhất được chỉ ra trong hình 4.5 với trường hợp một người dùng chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng cả ba phương pháp có cùng đường cong BER theo SNR. Khi 30 người dùng đồng thời phát tín hiệu sẽ thấy sự khác biệt. Điều này được minh hoạ trên hình 4.6. Hình 4.6: So sánh BER của ba hệ thống khi 30 người dùng đồng thời truyền dẫn Chi tiết hơn hình 4.6, hình 4.7 ta so sánh hiệu năng của hai phương pháp DSSS và UWB, có thể thấy rõ rằng về mặt lí thuyết với các giả thiết này hiệu năng của DSSS cao hơn của UWB. Hình 4.7: So sánh BER theo số người dùng với các hệ thống UWB và DSSS Tuy nhiên, băng tần chip giả thiết cho DSSS là 0.37 ns, có nghĩa là việc xử lí tín hiệu rất phức tạp (và do đó rất đắt) so với các hệ thống UWB. Do đó, chúng ta có thể tổng quát hoá với phát biểu rằng hiệu năng đạt được là tương tự nhau đối với các hệ thống băng rộng DSSS và UWB, với băng tần giống nhau. Tuy nhiên, trên thực tế UWB có thể thực hiện với giá cả thấp hơn, mặt khác nếu băng tần làm việc tăng lên thì xử lí tín hiệu đối với các hệ thống DSSS và FHSS sẽ phức tạp hơn, nên các hệ thống UWB hấp dẫn hơn. Hơn nữa chúng ta chú ý rằng băng tần giả thiết trong ví dụ này chỉ là 3 MHz, trong khi băng tần hoạt động thực tế của UWB lớn hơn rất nhiều: tối thiểu là 500 MHz. 4.3 Ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thông UWB và các hệ thống truyền thông khác Bởi vì các tín hiệu UWB có băng tần rất rộng, phổ tần hoạt động của chúng chồng lấn phổ tần với các phương pháp truyền thông không dây khác. Hình 4.8 chỉ ra một số hệ thống có thể gây khó khăn cho UWB. Vấn đề được gói gọn làm hai. Thứ nhất, UWB có thể hoạt động trong điều kiện xuất hiện những nhiễu này. Thứ hai, UWB phải không gây nhiễu đáng kể cho các người dùng thuộc các hệ thống này. Chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng một trong những lí do để tránh băng tần nhỏ là quá nhiều dịch vụ không dây mà UWB có thể đụng chạm tới. Dải tần giữa 3 GHz và 10 GHz là nguồn nhiễu cho các hệ thống không dây trong nhà chính được giả thiết là các mạng WLAN 5-GHz dựa trên OFDM. Hình 4.8: Các hệ thống truyền thông vô tuyến khác vận hành trên dải tần của hệ thống UWB gây nhiễu lên hệ thống UWB và ngược lại 4.3.1 Các mạng nội hạt không dây (WLAN) Với những hệ thống tần số trung tâm 5.2 GHz và tần số trung tâm hệ thống UWB ở 4.2 GHz, ảnh hưởng lên hiệu năng BER là tối thiểu khi công suất của tín hiệu 802.11a nhỏ hơn tín hiệu UWB 10 dB. Hệ thống UWB mô phỏng sử dụng dạng xung s0(t) điều chế bởi sóng dạng ở tần số f0 Hz và dẫn đến biểu thức (4.19) Mô phỏng với a=loge10 vàns. Các xung được gửi mỗi 5 ns và thực hiện điều pha hai trạng thái. Công suất của hệ thống UWB với Eb/N0 (năng lượng mỗi bit chia cho mật độ công suất tạp âm) và tỉ lệ mong muốn với không mong muốn (DU) được định nghĩa là công suất của một xung đơn để loại bỏ ảnh hưởng của khoảng cách giữa các xung. Khi tín hiệu 802.11a mạnh hơn, như khi bộ phát WLAN gần bộ thu UWB, xảy ra nhiễu đáng kể. Để loại bỏ nhiễu này, hai kĩ thuật được đề nghị. Một là sử dụng bộ lọc để loại bỏ nhiễu không mong muốn. Ví dụ, có thể sử dụng bộ lọc Chebyshev bậc sáu với tần số cắt ở 4 GHz, độ gợn nhỏ hơn 0.2 dB, và suy hao -20 dB ở 5.18 GHz. Bộ lọc này làm tổn hao 1-dB khi không có nhiễu; tuy nhiên nó cải thiện hiệu năng đáng kể khi không có nhiễu. Đề nghị thứ hai là sử dụng hệ thống UWB đa băng. Các sóng mang con tần số cao nhất bị loại bỏ bởi vì chúng chồng lấn với phổ tần 802.11a. Sử dụng một hệ thống với 11 sóng mang con với khoảng cách là 200 MHz từ 3.2 đến 5.2 GHz (4.20) Trong đó ns. Tóm lại, ở tỉ số DU là 0 dB, loại bỏ hai sóng mang lớn nhất được hiệu năng tốt nhất, trong khi với DU là -10 dB loại bỏ ba sóng mang thu được hiệu năng tốt nhất. Một thí nghiệm thực hiện được mô tả ở hình 4.9 để xác định hoạt động của card mạng WLAN với dưới tác dụng của các tín hiệu UWB công suất cao, và có thể tổng kết là 802.11b có thể chịu nhiễu từ UWB khi công suất truyền dẫn cao và khoảng cách gần giữa các máy phát UWB và bộ thu WLAN. Hình 4.9 Thiết lập thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của nhiễu từ các bộ phát UWB công suất cao tới card WLAN Trong thí nghiệm này, các xung với độ rộng 500 ps được tạo ra từ vài bộ phát UWB. Tần số lặp xung được cố định ở 87 MHz. Tần số trung tâm khoảng 1.8 GHz. Cường độ đỉnh-đỉnh để đo xung từ cổng ra của bảng mạch xấp xỉ 300mV. Các anten đẳng hướng được sử dụng và có EIRP từ -2 dBm tới 3 dBm phụ thuộc vào tần số lặp xung. Cấu hình này không phù hợp với quy định của FCC, phần mở rộng mặt nạ phổ cho truyền dẫn trong nhà cỡ 30 dB ở băng tần 2.4 GHz Các phép đo phổ trên kênh 1 (fc=2.412 GHz) chỉ ra đỉnh nhiễu UWB nhỏ hơn cỡ 20 dBmV đỉnh tín hiệu 802.11b với 20 bộ phát UWB ở khoảng cách 100 cm. Ở khoảng cách 15 cm từ anten đo đỉnh UWB thấp hơn đỉnh tín hiệu WLAN cỡ 5 dBmV. Các phép đo SNR được tiến hành, và kết quả là với nếu khoảng cách từ bộ thu WLAN đến các bộ phát UWB lớn hơn 50 cm, sẽ không có suy giảm đáng kể với SNR. Với khoảng cách nhỏ hơn 50 cm, SNR suy giảm cỡ 10-15 dB. Thông qua những phép đo chỉ ra một số xu hướng: với cách khoảng cách nhỏ hơn 30 cm, dung lượng WLAN giảm rõ rệt khi có 15 bộ phát UWB công suất cao hoặc nhiều hơn và nếu khoảng cách lớn hơn 40 cm ảnh hưởng có thể bỏ qua. 4.3.2 Bluetooth Hiệu năng của các mạng WLAN Bluetooth được xem xét dưới ảnh hưởng của các tín hiệu UWB công suất lớn. Có thể tổng kết là kết nối Bluetooth chịu ảnh hưởng ít hơn các kênh 802.11b tương ứng. Bởi vì các thiết bị Bluetooth có thể điều chỉnh trạng thái các kênh riêng để tránh các kênh “xấu”. Chỉ suy giảm dung lượng khoảng 530 kb/s xuống 490 kb/s các bộ thu phát Bluetooth cách nhau 10 m, và không suy giảm dung lượng khi các thiết bị Bluetooth đặt cách nhau cỡ 3 m, trong thí nghiệm các thiết bị UWB đặt cách bộ thu Bluetooth 15 cm. 4.3.3 GPS GPS đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như thương mại, quân sự, và xã hội. Ví dụ các hệ thống hàng không cũng như các thiết bị giao thông hiện đại, hàng hải v,v nhận thông tin dẫn đường từ hệ thống GPS. Các thiết bị thông tin di động trang bị bộ thu GPS cũng đang được thương mại hoá. Do đó ảnh hưởng của tín hiệu UWB lên tín hiệu GPS cần được đặc biệt quan tâm. Điều này cũng được thể hiện rõ trong mặt nạ phổ công suất do FCC đưa ra khi công suất phát được phép của tín hiệu UWB trong dải tần này là thấp nhất chỉ khoảng -76 dBm/MHz nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của tín hiệu UWB nên tín hiệu GPS. 4.3.4 Các hệ thống thông tin tế bào Xem lại hình 4.7 dễ thấy rằng phần lớn các hệ thống di động hoạt động ở dải tần dưới 1 GHz và do đó không nằm trong dải tần mà phần lớn các hệ thống truyền thông UWB sử dụng. Băng tần 1.5 GHz được bảo vệ mạnh bởi các điều lệ của FCC. Các dịch vụ ở dải tần 2 GHz có thể chịu một số ảnh hưởng; tuy nhiên nó nằm ở rìa của băng tần UWB trung tâm và không phổ biến như các dịch vụ di động tổ ong khác tại thời điểm hiện nay. Trong một số thí nghiệm về ảnh hưởng của hệ thống UWB (thoả mãn yêu cầu của FCC) lên dịch vụ di động PCS 1.9 GHz. Và nhận thấy không có ảnh hưởng rõ rệt của tín hiệu UWB đối với các dịch vụ thoại ở dải tần này. Trong thí nghiệm các thiết bị di động đặt ở khoảng cách 1.5 m so với anten phát UWB. 4.3.5 Kết luận Do đặc điểm băng tần trải rất rộng nên vấn đề ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa các hệ thống truyền thông vô tuyến băng hẹp khác với hệ thống UWB có ý nghĩa quyết định đến tính hiện thực của hệ thống UWB. Vấn đề này đã được xem xét khá chi tiết ở trên và có thể kết luận là các hệ thống UWB hoạt động thoả mãn mặt nạ phổ công suất của FCC thì có thể hoạt động đồng thời cùng các hệ thống băng hẹp khác mà không có hiện tường gây nhiễu đáng kể nào. Chỉ lưu ý đối với các hệ thống WLAN do hoạt động ở băng tần trung tâm của UWB nên các bộ thu và phát của hai hệ thống này không nên đặt quá gần nhau. 4.4 Các trường hợp ứng dụng UWB Ở phần này các phương pháp triển khai UWB được kiểm tra và đánh giá chặt chẽ hơn để xác định tính khả thi và tối đa hiệu năng hệ thống. Các dạng sử dụng hệ thống UWB khác nhau có thể phân chia thành ba loại tuỳ thuộc vào khoảng cách hoạt động tối đa rmax: ● Khoảng cách hoạt động khoảng cách rmax=1 m: Hoạt động ở khoảng cách rất ngắn, hệ thống UWB có khả năng cung cấp dịch vụ tốc độ rất cao như USB 2.0 hay kết nối WireFire với tốc độ lên đến 500 Mb/s. ● Khoảng cách ngắn hoạt động với rmax<10 m: Sử dụng cho các hệ thống WPAN/WLAN với tốc độ cỡ 100 Mb/s. ● Khoảng cách hoạt động trung bình với rmax<10 m-1000 m: Trong trường hợp này hệ thống được sử dụng với tốc độ thấp cỡ 10-100 b/s có thể kết hợp với khả năng xác định vị trí của các thiết bị đầu cuối UWB tạo thành hệ thống định tuyến multi-hop. Ví dụ, hệ thống có thể sử dụng cho các thiết bị cảm biến (sensor) kết nối với nhau chẳng hạn như các bộ cảm biến hỏa hoạn hay thay thế dây dẫn cho các thiết bị tự động hoá trong các nhà máy mà ở đó phải thiết lập rất nhiều dây cáp. Các hệ thống UWB từ các cách sử dụng trên được giả thiết hoạt động thoả mãn mặt nạ phổ công suất của FCC giới hạn công suất phát -41.3 dB/MHz hay 75 nW/MHz trong dải tần 3.1 GHz- 10.6 GHz. Tất cả các hệ thống được xem xét ở đây sẽ sử dụng công suất phát tối đa trong băng 3.1 GHz-6.1 GHz với tần số trung tâm fc=4.6 GHz và băng tần 3 dB B=3 GHz. Đây là lựa chọn cho thế hệ các hệ thống UWB đầu tiên và bởi vì suy hao là nhỏ nhất ở dải tần này. Một monocycle thoả mãn các yêu cầu trên là đạo hàm bậc 7 của xung Gaussian có độ rộng xung 2/3 ns tạo ra dung lượng tổng cộng 1.5 Gb/s sử dụng các phương pháp điều chế nhị phân. Một giả thiết khác về hiệu năng của anten và front-end RF. Anten được giả thiết vô hướng có hiệu suất 80 % [16] và front end RF có chỉ số tạp âm xấp xỉ 6 dB [13]. Nhiệt độ để tính tạp âm nền là 290 K. Suy hao đường là (4.21) Với c là tốc độ ánh sáng và r là khoảng cách. Số mũ n là hàm của môi trường và thường trong khoảng 1.5-6. Trong trường hợp truyền dẫn không gian tự do (FSP) thì n=2. Ba loại hệ thống UWB được xem xét chi tiết hơn dưới đây. 4.4.1 Hoạt động ở khoảng cách rmax<1m Do hệ thống này chỉ hoạt động trong khoảng cách 1 m, số lượng người dùng đồng thời mà hệ thống phải đáp ứng là rất ít và thường là từ 1 đến 4 người dùng (thiết bị) phụ thuộc vào điều kiện cụ thể. Chúng ta xem xét hệ thống phục vụ một người dùng. Một ứng dụng trong trường hợp này là USB 2.0 không dây. Lưu ý rằng ứng dụng USB 2.0/ WireFire có hệ số trải phổ là SF=2 nên tốc độ có thể là 750 Mb/s, là đủ để thoả mãn những dịch vụ kiểu này. Vấn đề rất quan trọng trong ước tính hiệu năng của bất kì hệ thống không dây nào là mô hình kênh. Mô hình kênh cho khoảng cách dưới 1 m không có và phải sử dụng mô hình gần đúng. Để giữ cho mô hình đơn giản, mô hình sử dụng cho trường hợp này là kênh AWGN với suy hao truyền sóng không gian tự do (FSP ) có đường nhìn thẳng (LOS) Dự trữ tuyến cho hệ thống có thể được thiết lập và nó được đưa ra ở bảng 4.1. Có thể thấy từ bảng là SNR của kênh là rất tốt và không cần các phép xử lí khác. Tuy nhiên cũng có thể sử dụng các phương pháp điều chế bậc cao để tăng tốc độ bit. Ngay cả khi giả thiết là kênh AWGN, sẽ là hợp lí để giả thiết rằng có mặt một số thành phần đa đường và nên sử dụng phương pháp TH để giảm ISI và giữ cho bộ thu đơn giản. Một phương pháp điều chế nhị phân, BPSK thường được ưa dùng trong trường hợp này. Do hệ thống được giả thiết là hoạt động trong kênh AWGN, bộ thu được sử dụng đơn giản là bộ thu giải tương quan. Bảng 4.1: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách rất ngắn rmax<1m, f=3.1- 6.1 GHz, fc=4.6 GHz, K=1, Kênh AWGN với suy hao FSP LOS Tx=B.75 nW/MHz -6.5 dBm Nhiễu nhiệt kTB -79.2 dBm Suy hao FSP , r=1 m -45.7 dBm Hiệu suất anten -1 dB SNR kênh -6 dB Độ lợi xử lí PG=2 20 dB SNR tách sóng 3 dB Mô phỏng hệ thống với các tham số đưa ra ở trên và kết quả thu được ở hình 4.10. Có thể các giả thiết ở trên là quá tối ưu, đáp ứng xung FSP lí tưởng trong trường hợp UWB không phải là xung delta được giả thiết khi sử dụng kênh AWGN. Thứ nhất là suy hao FSP phụ thuộc vào tần số trong khi các hệ thống UWB có băng tần lớn. Kết quả là xung bị biến đổi và công suất thu được có thể bị giảm đi. Thứ hai, giả thiết không có thành phần đa đường nào trong kênh có thể quá đơn giản và năng lượng thu được từ bộ thu tương quan có thể giảm đi. Trong trường hợp với một số ít ngón nên được sử dụng nhưng nói chung với khoảng cách rất ngắn như vậy có nhiều ưu điểm do SNR kênh cao và cấu trúc bộ thu phát tương đối đơn giản. Hình 4.10: Mô phỏng với hệ thống ở khoảng cách rất ngắn qua kênh AWGN 4.4.2 Hoạt động ở khoảng cách rmax<10 m Phục vụ chủ yếu cho WPAN/WLAN, số lượng người dùng tối đa có thể sử dụng hệ thống đồng thời trong bán kính 10 m khoảng 8-32 người dùng. Để ước lượng tôi quyết định cố định số người dùng tối đa là 16 với hệ số trải phổ với tốc độ xấp xỉ 100 Mb/s. Môi trường mà hệ thống hoạt động là môi trường trong nhà/công sở với các điều kiện LOS hay NLOS bởi vì tín hiệu có thể gặp vật cản và mô hình kênh sử dụng phải phản ánh điều này. Mô hình kênh được mô tả ở mục 2.2 sẽ được sử dụng làm nền tảng để ước lượng do nó hoạt động chính xác trong trường hợp này. Để có một một ý tưởng về khả năng của hệ thống, dự trữ tuyến được tính toán và đưa ra trên bảng 4.2. Suy hao đường được sử dụng dựa trên mô hình kênh biểu diễn suy hao đường gần với suy hao FSP trong khoảng 10 m. Một điều cần ghi nhớ là khi quan sát dự trữ tuyến là SNR đưa ra là tổng công suất khi tất cả các thành phần đa đường được thu lại. Dự trữ tuyến cũng không tính đến suy giảm hiệu năng xảy ra khi nhiều người dùng hoạt động trong hệ thống và do đó dự trữ tuyến trên chỉ có thể áp dụng chính xác cho hệ thống thực tế nếu năng lượng đa đường có thể được thu lại và có thể loại bỏ đáng kể nhiễu đa truy nhập. Như thấy trên bảng 4.2 SNR là tương đối nhỏ và đây là lí do tại sao chỉ có BPSK nên được sử dụng trong trường hợp này. Bảng 4.2: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách ngắn rmax<1m, f=3.1- 6.1 GHz, fc=4.6 GHz, K16, Kênh đa đường NLOS với suy hao FSP Tx=B.75 nW/MHz -6.5 dBm Nhiễu nhiệt kTB -79.2 dBm Suy hao FSP , r=1 m -45.7 dBm Hiệu suất anten -1 dB SNR kênh 0 dB Độ lợi xử lí PG=2 12 dB SNR tách sóng 12dB Có thể không thể đạt được tốc độ 100 Mb/s cho tất cả người dùng đồng thời, nếu khoảng cách là 10 m. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng các hệ số trải phổ biến thiên phụ thuộc vào điều kiện tín hiệu và dẫn đến các tốc độ khác nhau trong các điều kiện khác nhau Nói chung trường hợp truyền thông này rất hứa hẹn, bởi vì nó chỉ ra các liên kết tốc độ cao. Vấn đề chủ yếu của trường hợp này là sự phức tạp của máy thu. 4.4.3 Hoạt động ở khoảng cách từ trung bình đến lớn với rmax<10-1000 m Hệ thống giống như vậy có tốc độ bit trong khoảng 10-100kb/s được sử dụng cho truyền thông thoại và các loại truyền thông tốc độ thấp khác. Số lượng người dùng đồng thời trong hệ thống có thể lớn, nó có thể phục vụ 1000 người dùng. Trong bảng 4.3 chỉ ra hai trường hợp: Một với hệ số luỹ thừa suy hao đường bằng 2 và trường hợp kia là bằng 4. Lí do là không có mô hình kênh cho hệ thống với khoảng cách trung bình và lớn như vậy cho truyền thông UWB và chỉ có thể thử và đưa ra một phỏng đoán về giá trị của số mũ suy hao đường. Nhưng do bản chất của kênh này là kênh NLOS và các khoảng cách là tương đối lớn, nên giả thiết số mũ suy hao đường gần với 4 hơn là với 2 hợp lí hơn. Bảng bao gồm độ lợi xử lí là 105, có tốc độ bit là 10 kb/ s nếu truyền dẫn 1 tỉ xung/s và do đó đạt được độ lợi xử lí cao. Truyền thông ở các khoảng cách hơn 100 m do đó không thực tế và thậm chí ở khoảng cách 100 m SNR tách sóng có thể gần 0 dB. Hơn nữa, có thể thấy rằng năng lượng trải trên kênh sẽ kém hơn mô hình mô tả trong mục 2.2 bởi vì khoảng cách lớn hơn và để đạt được SNR như trong bảng 4.3 thì phải được thu thập tất cả năng lượng từ các thành phần đa đường đến. Bảng 4.3: Dự trữ tuyến cho truyền thông UWB khoảng cách từ trung bình đến lớn rmax<10-1000 m, f=3.1- 6.1 GHz, fc=4.6 GHz, K1000, Kênh đa đường NLOS n=2 n=4 Tx=B.75 nW/MHz -6.5 dB Nhiễu nhiệt kTB -79.2 dB Suy hao FSP , r=1 m -85.7 dB -125.7 dB Hiệu suất anten -1 dB Front end RF (NF=6 dB) -6 dB SNR kênh -20 dB -60 dB Độ lợi xử lí PG=2 12 dB SNR tách sóng 30 dB -10 dB Do đó có thể tổng kết rằng loại hệ thống UWB này không thực tế với với hạn công suất đã cho, do bộ thu sẽ rất phức tạp để thu được đủ năng lượng. Loại hệ thống này thích hợp hơn với các hệ thống băng hẹp hoạt động có mật độ phổ công suất cao hơn để có SNR tốt. 4.4.4 Kết luận Trong phần này các trường hợp sử dụng khác nhau được xem xét cùng với khả năng đáp ứng của hệ thống UWB và các mô phỏng để đánh giá hiệu năng của chúng. Có thể kết luận rằng các hệ thống UWB rất mạnh khi sử dụng trong các khoảng cách ngắn và cực ngắn. Hoạt động ở khoảng cách cỡ 1 m có thể sử dụng bộ thu phát đơn giản với tốc độ lên đến 500 Bb/s phù hợp cho các ứng dụng USB 2.0/ FireWire. Tăng khoảng cách lên 10 m, có thể cho phép tốc độ lên đến 100 Mb/s cho mỗi người dùng với 15 người dùng đồng thời. Cái giá phải trả cho việc tăng khoảng cách lên 10 m là tăng độ phức tạp của máy thu để thu được các thành phần đa đường và loại bỏ nhiễu đa truy nhập (MAI). Trường hợp cuối là khoảng cách hoạt động có thể lên tới 1000 m với tốc độ thấp nhưng cho phép nhiều người dùng hoạt động đồng thời. Từ dự trữ tuyến của trường hợp này, có thể kết luận là trường hợp này không thực tế do bộ thu sẽ vô cùng phức tạp để thu được năng lượng một cách hiệu quả. Hệ thống băng hẹp hoạt động tốt hơn trong những hệ thống kiểu này. Như vậy phạm vi hoạt động hiệu quả nhất của thiết bị UWB là trong khoàng 10m. 4.5 Tổng kết Chương này trình bày một số khía cạnh quan trọng của hệ thống truyền thông UWB. Thực hiện tính toán dung lượng hệ thống UWB trong điều kiện đơn giản; so sánh hiệu năng của hệ thống UWB với hệ thống WLAN chuẩn IEEE 802.11b; xem xét ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống UWB với các hệ thống vô tuyến khác đặc biệt là hệ thống WLAN IEEE 802.11a, và chứng minh khoảng cách hoạt động hiệu quả thực tế của hệ thống UWB là cỡ 10m. Những khía cạnh này là hết sức quan trọng khi triển khai hệ thống truyền thông UWB. Nó quyết định mức độ hiện thực hay thành công của hệ thống. Tuy nhiên trong nội dung đồ án này các khía cạnh này cũng chưa được xem xét thật sự tỉ mỉ.  Kết luận Trong đồ án này các hệ thống UWB đã được nghiên cứu và phân tích dưới quan điểm xử lí tín hiệu, với muc đích sử dụng cho kĩ thuật truyền thông không dây khoảng cách ngắn với các liên kết tốc độ cao. Chương 1 giới thiệu về các thuộc tính của tín hiệu và hệ thống UWB và phạm vi UWB có thể ứng dụng. Chương 2 đưa ra mô hình kênh trong nhà phù hợp để mô tả đặc tính truyền sóng đặc biệt của tín hiệu UWB. Mô hình kênh này là một cơ sở quan trọng cho những phân tích đánh giá hệ thống ở những chương tiếp theo. Chưong 3 nghiên cứu hệ thống truyền thông UWB. Chương 4 xem xét các khía cạnh đặc biệt quan trọng của hệ thống truyền thông UWB như ảnh hưởng nhiễu qua lại giữa hệ thống truyền thống UWB với các hệ thống truyền thông vô tuyến khác, tính toán đơn giản dung lượng của hệ thống. Có thể thấy trong đồ án là các hệ thống truyền thông UWB có thể đạt được các kết nối tốc độ cao và các cấu hình thích hợp cho truyền thông khoảng cách ngắn. Tuy nhiên, để làm các hệ thống UWB có tính thương mại thì cần phải giải quyết nhiều vấn đề khác: Để tăng tính hiệu quả của hệ thống UWB cần phải mở rộng khoảng cách hoạt động của nó, nhưng điều này lại dẫn đến tăng độ phức tạp của các máy thu; Các vấn đề thực sự khó khăn khác của hệ thống UWB mà nội dung đồ án chưa đề cập như lấy mẫu tín hiệu, đồng bộ. Để giải quyết những vấn đề trên, một xu hướng là sử dụng giải pháp UWB đa băng. Lí do là giải pháp đa băng rất mềm dẻo, do có thể điều chỉnh số lượng của các băng được sử dụng. Hơn nữa có thể loại bỏ các băng gây nhiễu mạnh đến các hệ thống khác. Mặt trái của phương pháp này là băng tần của mỗi băng nhỏ hơn và các lợi thế về băng tần siêu rộng của tín hiệu UWB giảm đi nhiều. Tài liệu tham khảo [1] Federal Communication Commission (FCC), “Revision of part 15 of the commission’s rule regarding ultra-wideband transmission systems”, Firsr report & order,11/2002. [2] C.E Shannon, “A mathematical theory of communication”,1948. [3] S.Zeisberg “PPM based UWB system thrughput optimisation” [4] Liuging Yang and Georgios B.Giannkis-“Ultra Wideband-An Idea Whose Time Has Come” [5] Q.Li, “Multiuser receivers for DS-CDMA UWB”, 2002. [6] J.Foerster, “The effects of multipath interference on th performance of UWB system in a indoor wireless channel”, 2001. [7] H.F. Engler, “Technical issues in ultra-wideband radar system”, 1994. [8] F. Ramirez-Mireles and R. A. Scholtz. Wireless multiple-access using SS timehopping and block waveform pulse position modulation, part 2: Multipleaccess [9] H. Kikuchi. UWB arrives in Japan. Nikkei Electronics, pages 95–122, February 2003 [10] John Wiley & Sons “Ultra wideband-signals and systems in communication engineering”, [11] Lars Puggaard Boglild Christensen “Signal processing for Ultra-Wideband systems”, Technical University of Denmark, 5-2003. [12] D. Cassioli, “The ultra-wideband indoor channel: from statistical model to simulations”, 2002. [13] General Atomics, “Overview of general atomics PHY proposal to IEEE 802.15.3a” [14] S.W.Golomb, “Construcstion and properties of Costas arrays”, 1984 [15] S.Verdu, “Multiuser detection”, 1998 [16] H.G.Schantz, “Ultra wideband technology gains a boost from new antennas”, Time Domain Corp. [17]J. G. Proakis. “Digital Communications”. Addison Wesley, 4th edition, 2000. [18] T. S. Rappaport. “Wireless Communications: Principles and Practice”. PrenticeHall, 1996. [19] TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Cơ sở truyền dẫn vi ba số”, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông,4-2001. [20] TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng “Đa truy nhập vô tuyến và lí thuyết trải phổ”, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông,10-2002. [21] TS. Hà Thu Lan, “Hệ thống thông tin và xử lí tín hiệu”, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, 2002. Phụ lục 1. Các hàm mật độ xác suất quan trọng Phần này sẽ trình bầy tổng kết một số các hàm mật độ xác suất quan trọng sẽ được sử dụng để lập mô hình kênh. Đồng thời cũng xét đến các thuộc tính thống kê của các hàm tương ứng như: giá trị kỳ vọng và phương sai. 1.1. Phân bố đồng đều Nếu cho q là một biến ngẫu nhiên giá trị thực có hàm mật độ xác suất sau: (1.1) Thì Pq(x) được gọi là phân bố đồng đều và q được coi là có phân bố đồng đều trong khoảng [-p,p]. Giá trị kỳ vọng và phương sai của q là E{q}=0 và Var{q}=p2/3. 1.2 Phân bố Gauss (hay phân bố chuẩn) Nếu cho m là một biến ngẫu nhiên giá trị thực có hàm mật độ xác suất , xÎIR (1.2) Thì pm (x) được gọi là phân bố Gauss (hay phân bố chuẩn) và m được coi là có phân bố Gauss (hay phân bố chuẩn). Trong phương trình (1.24), đại lượng mmÎIR ký hiệu cho giá trị kỳ vọng và là phương sai của m, nghĩa là: E{m}= mm (1.3a) (1.3b) Thường sử dụng ký hiệu rút gọn: ~N(mm,) để mô tả các thuộc tính phân bố của các biến ngẫu nhiên phân bố Gauss m thay cho biểu diễn đầy đủ theo (1.24). Đặc biệt khi mm=0 và =1, thì ~N(0,1) được gọi là phân bố chuẩn tắc. 1.3. Phân bố Gauss đa biến Nếu cho n biến ngẫu nhiên phân bố Gauss giá trị thực m1, m2... mn có các giá trị kỳ vọng mmi và các phương sai với i=1, 2,....., n. Phân bố Gauss đa biến (hay phân bố chuẩn đa biến, hàm mật độ xác suất của phân bố Gaussian đa biên) của các biến ngẫu nhiên m1, m2,...., mn được xác định bởi: (1.4) trong đó T ký hiệu cho chuyển vị của vectơ (hay ma trận). Trong biểu thức trên x và mm là các vectơ cột được xác định như sau: và ÎIRn´1 (1.5a,b) và detCm , ký hiệu cho định thức (đảo) của ma trận đồng phương sai ÎIRn´n (1.6) Các phần tử của ma trận đồng phương sai được xác định như sau: với mọi i,j=1,2,.. n (1.7) Þ Nếu n biến ngẫu nhiên mi có phân bố chuẩn và không tương quan từng đôi một, thì ma trận đồng phương sai Cm sẽ là ma trận đường chéo với các phần tử đường chéo . Trong trường hợp này hàm mật độ xác suất liên hợp (1.26) bằng tích của n phân bố Gauss (hàm mật độ xác suất phân bố Gaussian) của các biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn ~N(mmi,). Điều này có nghĩa là các biến ngẫu nhiên mi là các biến độc lập thống kê với " i=1,2,....,n. 1.4. Phân bố Rayleigh Nếu xét hai biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn và độc lập thống kê m1 và m2, đều có cùng phương sai , nghĩa là m1, m2~N(mmi,). Ngoài ra từ hai biến m1 và m2 ta rút ra một biến ngẫu nhiên mới: . Khi này z là biến ngẫu nhiên phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh pz(x) được xác dịnh như sau: (1.8) Các biến phân bố Rayleigh z có giá trị kỳ vọng và phương sai được xác định theo (1.31a) & (1.31b) như sau: E{z}= (1.9a) (1.9b) 1.5. Phân bố Rice Nếu cho m1, m2~N(0,) và rÎIR. Thì biến ngẫu nhiên được gọi là biến ngẫu nhiên có phân bố Rice có hàm mật độ xác suất px(x) được cho bởi (1.10) trong đó I0(.) ký hiệu cho hàm Bessel cải tiến bậc 0. Cho thấy khi r=0, phân bố Rice px(x) trở thành phân bố Rayleigh pz(x). Moment bậc một và hai của các biến phân bố Rice x được xác định bởi (1.33a) và (1.33b) như sau: (1.11a) (1.11b) trong đó In(.) ký hiệu cho hàm Bessel cải tiến bậc n. Từ (1.33a), (1.33b) và sử dụng = , ta có thể dễ dàng tính toán phương sai của các biến ngẫu nhiên phân bố Rice. 1.6. Phân bố log chuẩn Nếu cho m là một biến ngẫu nhiên Gauss m có giá trị kỳ vọng mm và phương sai , nghĩa là m~N(mm,), thì biến ngẫu nhiên được gọi là có phân bố chuẩn log. Hàm mật độ xác suất pl(x) của biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn log l được xác định như sau: (1.12) Giá trị kỳ vọng và phương sai của l được xác định theo (1.13a) & (1.13b) như sau: (1.13a) (1.13b) 1.7. Phân bố Suzuki Nếu cho (i) & (ii) như sau: (i) cho một biến ngẫu nhiên phân bố Rayleigh z có hàm mật độ xác suất pz(x) xác định theo (1.30) và một biến phân bố chuẩn log l có hàm mật độ xác suất pl(x) xác định theo (1.34) (ii) giả thiết z và l là các biến ngẫu nhiên độc lập thống kê. Thì biến ngẫu nhiên h=z.l. có hàm mật độ xác suất ph(z) được xác định theo (1.14) được gọi là có phân bố Suzuki. Các biến h phân bố Suzuki có giá trị kỳ vọng và phương sai được xác định theo (1.37) và (1.38) như sau: (1.15) (1.16)