Công nghệ UWB và WPAN trong chuẩn IEEE 802 15 4a

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ UWB, WPAN 10 1.1 Lịch sử phát triển 10 1.2 Định nghĩa tín hiệu UWB 11 1.3 Ƣu nhƣợc điểm 13 1.3.1 Ƣu điểm: 13 1.3.2 Nhƣợc điểm 14 1.4 Mạng WPAN ứng dụng UWB mạng WPAN 15 1.4.1 Khái niệm mạng WPAN 15 1.4.2 Phân loại mạng WPAN 15 1.4.3 Ứng dụng UWB mạng WPAN 16 1.5 Truyền thông UWB 17 1.5.1 Các phƣơng pháp điều chế truyền thông UWB 17 1.5.1.1 Điều chế vị trí xung (PPM) 18 1.5.1.2 Điều chế pha hai trạng trạng thái BPSK 20 1.5.1.3 Điều chế dạng xung (PSM) 21 1.5.1.4 Điều chế biên độ xung 22 1.5.2 Các kỹ thuật đa truy nhập áp dụng UWB 22 1.5.2.1 Nhảy thời gian (TH) 23 1.5.2.2 Trải phổ trực tiếp (DS) 25 1.5.3 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống UWB 26 CHƢƠNG II: CHUẨN IEEE 802.15.4A 29 2.1 Mục đích 29 2.2 Mơ hình tín hiệu 29 2.2.1 Tín hiệu phát theo phƣơng pháp điều chế PAM 30 2.2.2 Tín hiệu phát theo phƣơng pháp điều PPM 31 2.3 Cấu trúc khung vật lý UWB 31 2.4 Q trình mã hóa PPDU 31 2.4.1 Mã hóa Reed-Solomon 33 2.4.2 Các bit kiểm tra SECDED 34 2.4.3 Mã chập 34 2.5 Phần liệu PSDU 35 2.5.1 Các thông số PSDU 36 2.5.2 Điều chế PSDU 40 2.6 Phần mở đầu SHR 43 2.6.1 Cấu trúc phần mở đầu SHR 43 2.6.2 Thông số định thời mã mở đầu 48 2.7 Phần vật lý PHR 51 2.8 Một số kiến trúc máy thu 53 2.8.1 Máy thu noncoherent 53 2.8.2 Máy thu coherent 54 CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU ĐỊNH VỊ VỚI ĐỘ CHUẨN XÁC CAO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ UWB/ IEEE 802.15.4A 56 3.1 Nguyên lý định vị 56 3.2 Các loại phép đo 56 3.2.1 Cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc (RSS) 57 3.3.2 Góc đến (AOA) 60 3.2.3 Thời gian đến (TOA) 63 3.2.4 Độ lệch thời gian đến (TDOA) 65 3.3 Sử dụng tín hiệu UWB định vị 67 3.3.1 Định vị dựa thời gian 67 3.3.2 Các lỗi việc xác định vị trí dựa vào thời gian 69 3.3.2.1 Tín hiệu truyền đa đƣờng 69 3.3.2.2 Nhiễu đa truy nhập 72 3.3.2.3 Đƣờng truyền bị cản trở tầm nhìn thẳng 73 3.3.3 Phép đo khoảng cách dựa vào thời gian 73 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, có hỗ trợ từ giáo viên hƣớng dẫn TS Đặng Quang Hiếu Các nội dung nghiên cứu kết đề tài trung thực Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, đánh giá đƣợc tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi phần tài liệu tham khảo Nếu phát có gian lận nào, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng, nhƣ kết luận văn Tác giả Đồn Minh Đức DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AOA BPM-BPSK Angle of arrival Burst position ModulationBinarry phase shift keying FCC IR-UWB LR-PAN LOS LFSR Federal Communications Commission Impulse radio Ultra-WideBand Low rate personal area network Light of sight Linear feedback shift register MPC NLOS PAM PPM PPDU PSDU PHR PRF SYNC SFD SHR RSS Multiple path component Non-Light of sight Pulse amplitude Modulation Pulse Position Modulation PHY Protocol data unit PHY service data unit PHY header Pulse repetition frequency Synchronistion Start of frame delimiter Synchronisation Header Received signal strength TOA TDOA RN TN UWB WPAN Time of arrival Time difference of arrival Refference Node Target Node Ultra-WideBand Wireless personal area network Góc đến Kết hợp điều chế vị trí nhóm xung khóa dịch pha nhị phân Ủy ban truyền thông liên Bang Mỹ Mạng cá nhân tốc độ thấp Tầm nhìn thẳng Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính Thành phần đa đƣờng Mơi trƣờng có vật chắn Điều chế biên độ Điều chế vị trí xung Đơn vị liệu tầng vật lý Đơn vị liệu Phần thông tin vật lý Tần số lặp lại xung Phần đồng Phần kết thúc SHR Phần đồng đủ Cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc Thời gian đến Chênh lệch thời gian đến Nút tham chiếu Nút mục tiêu Băng tần siêu rộng Mạng cá nhân không dây DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Các tham số liên quan PSDU 37 Bảng 2.2: Ví dụ trạng thái khởi tạo LFSR cho mã mở đầu 42 Bảng 2.3: Chuỗi mã chiều dài 31 45 Bảng 2.4: Chuỗi mã chiều dài 127 46 Bảng 2.5: Thông số mở đầu lớp vật lý UWB 48 Bảng 2.6: Các tham số phụ thuộc khung vật lý UWB 49 Bảng 2.7: Bit PHR 51 Bảng 2.8: Tốc độ liệu trung bình 51 Bảng 2.9: Độ dài mở đầu 51 Bảng 3.1: Ảnh hƣởng môi trƣờng phép đo RSS 59 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Bề rộng băng thơng tín hiệu UWB 11 Hình 1.2: Minh họa xung Gauss có độ rộng 2ns 12 Hình 1.3: Mặt nạ phổ FCC áp đặt cho hệ thống truyền thông UWB 13 Hình 1.4: Kết nối thiết bị sử dụng UWB 17 Hình 1.5: Phân loại phƣơng pháp điều chế truyền thơng UWB 18 Hình 1.6: Hàm tự tƣơng quan chuẩn hóa dạng sóng khác 20 Hình 1.7: Chia kênh thành khe thời gian không chồng lấn 24 Hình 1.8: Sơ đồ khối phát UWB tổng quát 27 Hinh 1.9: Sơ đồ khối thu UWB tổng quát 27 Hình 2.1: Mơ hình tín hiệu UWB PHY 29 Hình 2.2: Tín hiệu phát điều chế PAM 30 Hình 2.3: Tín hiệu phát điều chế PPM 31 Hình 2.4 Quá trình mã hóa PPDU 32 Hình 2.5: Bộ tạo mã chập 35 Hình 2.6: Cấu trúc symbol UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a 35 Hình 2.7: Sơ đồ mã hóa liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a 40 Hình 2.8: Điều chế symbol 41 Hình 2.9: Thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính LFSR 42 Hình 2.10: Cấu trúc phần mở đầu SHR 45 Hình 2.11: Sơ đồ khối máy thu TR-UWB đơn giản 53 Hình 2.12: Sơ đồ khối máy thu ED-UWB đơn giản 54 Hình 2.13: Sơ đồ khối máy thu Rake 55 Hình 3.1: Vị trí nút mục tiêu 57 Hình 3.2: Vùng vị trí xác định nút mục tiêu 57 Hinh 3.3 Giới hạn lý thuyết để ƣớc tính khoảng cách dựa phép đo RSS khoảng cách khác cho mơ hình kênh khác 59 Hình 3.4: Góc đến nút tham khảo nut mục tiêu 60 Hình 3.5: Sự khác biệt thời gian đến góc đến AOA 61 Hình 3.6: CRLB so với SNR cho độ rộng xung khác 63 Hình 3.7: Độ lệch chuẩn tối thiểu so với SNR cho độ rộng xung khác 65 Hình 3.8: Vị trí nút mục tiêu qua phép đo TDOA 66 Hình 3.9: Liên hệ đo phạm vi xác định vị trí với số nút tham chiếu Nm=3 68 Hình 3.10: Minh họa vấn đề ƣớc lƣợng TOA kênh đa đƣờng 70 Hình 3.11 Bốn trƣờng hợp đơn giản liên quan đến trạng thái LOS NLOS 70 Hình 3.12: Mơ nhiễu SLI 71 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày này, việc trao đổi thông tin, giao tiếp từ xa trở thành nhu cầu thiếu Các hệ thống truyền dẫn liên tục đời với mong muốn truyền thông tin xa hơn, tốc độ nhanh dung lƣợng lớn nhằm đáp ứng nhu cầu ngƣời Trong truyền thơng khơng dây lĩnh vực có nhiều tiềm đặc biệt mảng băng tần siêu rộng Công nghệ băng tần siêu rộng UWB công nghệ Việt Nam cơng nghệ có tiềm ứng dụng cao Các ứng dụng phổ biến công nghệ UWB là: quản lý tài sản kho, nhà thông minh, quản lý bệnh nhân bệnh viện… dựa việc định vị với độ xác cao, tiêu thụ lƣợng thấp Với mong muốn tìm hiểu cơng nghệ ứng dụng luận văn tìm hiểu cơng nghệ UWB, ứng dụng UWB, ƣu nhƣợc điểm cơng nghệ UWB, mơ hình UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a ứng dụng UWB định vị Luận văn đƣợc chia làm phần Trong đó, phần giới thiệu tổng quan cơng nghệ UWB nói đến lịch sử phát triển, ƣu nhƣợc điểm, sơ đồ khối hệ thống máy thu, phát tổng quát Phần đề cập đến chuẩn IEEE 802.15.4a, mơ hình tín hiệu UWB theo chuẩn Phần đề cập đến ứng dụng cụ thể công nghệ UWB định vị với độ chuẩn xác cao Tôi xin chân thành cảm ơn TS Đặng Quang Hiếu nhiệt tình hƣớng dẫn tơi suốt q trình làm luận văn Các góp ý thầy quan trọng giúp hiểu rõ thêm lý thuyết hệ thống siêu băng rộng bƣớc hoàn thành luận văn Tôi cảm ơn bạn Dƣơng Tấn Nghĩa giúp đỡ việc mô hệ thống, giúp làm sáng tỏ vấn đề khúc mắc trình làm luận văn CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ UWB, WPAN 1.1 Lịch sử phát triển Ngày nay, phƣơng pháp chiếm ƣu truyền thông vô tuyến dựa vào sóng dạng sin Truyền thơng dựa vào sóng điện từ dạng sin trở nên phổ biến nhiều ngƣời hệ thông truyền thơng thực tế dựa tín hiệu dạng xung Năm 1893 Heirich Hertz sử dụng phát xung để tạo sóng điện tử cho thí nghiệm ơng Các sóng đƣợc gọi tạp âm màu Trong khoảng 20 năm sau thí nghiệm Hertz, tạo sóng chủ yếu phát tia lửa điện điện cực cacbon Tuy nhiên, truyền thông dựa sóng dạng sin trở thành dạng truyền thơng chủ yếu đến năm 1960 ứng dụng UWB đƣợc khởi động lại cách nghiêm túc tập trung chủ yếu vào phát triển thiết bị rada truyền thông Ứng dụng lĩnh vực rada đƣợc ý nhiều đạt đƣợc kết xác với hệ thống rada dựa truyền dẫn xung cực ngắn Các thành phần tần số thấp tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo sở để phát triển loại rada quan sát vật thể che khuất nhƣ rada lịng đất Năm 1973 có sáng chế cho truyền thông UWB Lĩnh vực ứng dụng UWB chuyển theo hƣớng Các ứng dụng khác nhƣ điều khiển giao thông, hệ thống định vị, đo mực nƣớc độ cao đƣợc phát triển Phần lớn ứng dụng phát triển diễn lĩnh vực quân hay nghiên đƣợc tài trợ phủ Mỹ dƣới chƣơng trình bí mật Trong qn đội chƣơng trình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ UWB nhƣ rada xác hoạt động dƣới danh nghĩa chƣơng trình nghiên cứu phát triển Điều ý năm đầu, UWB đƣợc gọi kỹ thuật băng gốc, kỹ thuật sóng mang kỹ thuật xung Bộ Quốc phịng Mỹ đƣợc coi nơi sử dụng thuật ngữ ultra wideband Những năm cuối thập kỷ 90 bắt đầu thƣơng mại hóa hệ thống thiết bị truyền thông UWB Đến tháng năm 2002, tổ chức FCC (Federal Communication 10 UWB dựa phép đo TOA Hơn nữa, băng thông cao hơn, tƣơng đƣơng độ rộng xung ngắn hơn, dẫn đến ƣớc tính khoảng cách tốt Hình 3.7: Độ lệch chuẩn tối thiểu so với SNR cho độ rộng xung khác 3.2.4 Độ lệch thời gian đến (TDOA) Thông thƣờng, phép đo TOA dựa yêu cầu đồng hóa mục tiêu nút tham khảo Tuy nhiên, phép đo TDOA (Time difference of arrival) thu đƣợc trƣờng hợp không đồng nút mục tiêu nút tham khảo, có đồng nút tham khảo Trong trƣờng hợp này, khác biệt thời gian đến hai tín hiệu qua lại nút mục tiêu nút tham khảo đƣợc ƣớc tính Điều đặt nút mục tiêu hyperbol, với trọng tâm nút tham khảo, nhƣ thể hình 3.8 Một cách để có đƣợc phép đo TDOA ƣớc tính TOA nút tham chiếu sau để có đƣợc khác biệt hai ƣớc tính Cụ thể, tín hiệu nhận đƣợc cho r1(t) r2(t) nhƣ (3.5), τ1 đƣợc ƣớc tính từ r1(t) τ2 đƣợc ƣớc tính từ r2(t) Kể từ nút mục tiêu nút tham khảo khơng đƣợc đồng bộ, dự tốn TOA nút tham khảo bao gồm thời gian bù thêm vào thời gian truyền 65 Nhƣ nút tham khảo đƣợc đồng bộ, thời gian bù nhƣ cho ƣớc tính TOA Do đó, phép đo TDOA đƣợc thực nhƣ sau: (3.14) Trong τ1 τ2 biểu thị ƣớc tính TOA tƣơng ứng nút thứ hai Kể từ đƣợc hiển thị xác phép đo TOA tăng với băng thông SNR, kết luận tƣơng tự với phép đo TDOA, chúng đƣợc ƣớc tính từ phép đo TOA nhƣ cơng thức (3.14) Hình 3.8: Vị trí nút mục tiêu qua phép đo TDOA Trong hình 3.8, đo lƣờng TDOA định nghĩa hyperbol qua thông qua nút mục tiêu (nút màu xám) với trọng tâm nút tham khảo (nút màu đen) Một cách khác để có đƣợc phép đo TDOA để thực qua tƣơng quan tín hiệu r1(t) r2(t) nhận đƣợc, để tính tốn trễ tƣơng ứng với giá trị tƣơng quan chéo lớn Các chức tƣơng quan chéo đƣợc thể nhƣ [10] (3.15) Trong T khoảng thời gian quan sát, ƣớc tính TDOA đƣợc cho (3.16) Mặc dù ƣớc tính TDOA dựa tƣơng quan chéo cơng thức (3.16) hoạt động tốt cho kênh đơn đƣờng mơ hình nhiễu trắng nhƣ (3.5), hiệu giảm đáng kể kênh đa đƣờng nhiễu màu Để cải thiện hiệu suất 66 chƣơng trình tƣơng quan chéo, kỹ thuật tƣơng quan chéo tổng quát (GCC) đƣợc đề xuất [11] Trong phép đo ƣớc tính TDOA dựa vào GCC, phiên lọc tín hiệu nhận đƣợc qua tƣơng quan, tƣơng ứng với việc hình thành mật độ phổ cơng suất chéo (cross-PSD) tín hiệu truyền Các chức định hình đƣợc xem xét để cải thiện mạnh mẽ chống nhiễu màu [12] 3.3 Sử dụng tín hiệu UWB định vị Vị trí nút di động mạng khơng dây đƣợc ƣớc tính dựa AOA, RSS, TOA, TDOA tín hiệu nhận đƣợc Do băng thơng lớn, tín hiệu UWB có độ phân giải thời gian cao, thành phần đa đƣờng riêng (MPCs) đƣợc xử lý máy thu Trong AOA, TOA, TDOA tiếp cận tất lợi ích từ độ phân giải cao này, việc triển khai dựa AOA có độ phức tạp cao Do đó, định vị dựa ƣớc tính TOA (hoặc TDOA) phƣơng pháp đƣợc lựa chọn hệ thống định vị dựa UWB (trái ngƣợc với AOA RSS phƣơng pháp tiếp cận có độ xác định vị thấp) 3.3.1 Định vị dựa thời gian Xem xét mạng khơng dây, có Nm nút tham khảo (RN) Nút tham khảo thứ i đƣợc đặt (xi, yi), nút mục tiêu (TN) vị trí (x, y) Khoảng cách đo ̂ TN RN thứ i thƣờng đƣợc mơ hình hóa nhƣ sau [13]: ̂ i=1, 2,…, Nm (3.17) Trong ti thời điểm ƣớc tính truyền (đo lƣờng) tín hiệu nút tham khảo thứ i, c vận tốc ánh sáng, di khoảng cách thực TN RN thứ i, đo tạp âm Gaussian với biến ei độ chệch khoảng cách tầm nhìn thẳng bị chặn (3.18) khoảng cách thực tế di TN RN thứ i xác định vòng tròn trung tâm (xi, yi), vòng tròn tƣơng ứng với tất địa điểm TN Giải pháp chung vòng tròn thứ Nm mang lại vị trí TN Tuy nhiên, tạp âm 67 độ chệch tầm nhìn khơng thẳng, vịng trịn khơng giao điểm (xem hình 3.9), kết ̂ , i=1,2,…, Nm (3.19) Có nhiều cách để ƣớc tính vị trí nút mục tiêu TN Ví dụ, giải pháp đơn giản đƣợc sử dụng kỹ thuật hình vng phi tuyến tính (NLS) ̂ ̂ (̂ {∑ √ { ) } } Trong εres(x, y) lỗi tƣơng ứng với vị trí TN (x, y), (3.20) i đặc trƣng cho độ tin cậy phép đo TOA estimates Hình 3.9: Liên hệ đo phạm vi xác định vị trí với số nút tham chiếu Nm=3 Rõ ràng từ công thức (3.17), (3.19), hình 3.9, có phạm vi xác ƣớc tính RN quan trọng cho việc định vị xác Thời gian xử lý tín hiệu UWB tốt làm cho việc xác định xác MPC Tuy nhiên, điều khơng đƣợc dễ dàng nhiều tình việc truyền NLOS số lƣợng lớn MPCs 68 3.3.2 Các lỗi việc xác định vị trí dựa vào thời gian Có số nguồn lỗi làm suy giảm nghiêm trọng tính xác ƣớc lƣợng khoảng cách 3.3.2.1 Tín hiệu truyền đa đƣờng Truyền đa đƣờng thách thức định vị UWB, số lƣợng lớn MPCs trễ tƣơng đối dài vƣợt so với thời gian xung truyền Trong trƣờng hợp khơng có truyền đa đƣờng, ƣớc lƣợng thời gian đến tín hiệu tƣơng đối dễ dàng: tƣơng quan chéo tín hiệu nhận đƣợc với mẫu vị trí thu đƣợc, TOA đƣợc đƣa đỉnh tƣơng quan Trong thực tế, phản xạ từ tán xạ môi trƣờng đến máy thu nhƣ tín hiệu truyền với mức độ suy giảm trễ khác Sự chậm trễ mức tối đa tín hiệu lan truyền đa đƣờng nhận đƣợc vào khoảng trăm nano giây, thành phần đa đƣờng MPC mạnh đến muộn nhiều so với thành phần Đối với tín hiệu nhƣ vậy, TOA khơng cịn đƣợc đƣa đỉnh tƣơng quan, thuật toán phát thành phần bắt buộc Trong kênh UWB điển hình, thành phần yếu đáng kể so với thành phần mạnh (xem hình 3.10), đến sớm vài chục nano giây so với thành phần mạnh Nhƣ minh họa tình đơn giản khác hình 3.11, thành phần yếu so với thành phần sau tín hiệu truyền NLOS hiệu ứng ăng-ten Ngƣời nhận đƣợc đồng hóa với MPC mạnh cố gắng để xác định đặt chân MPC sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu khác (tạp âm máy thu khơng đƣợc hiển thị) 69 Hình 3.10: Minh họa vấn đề ƣớc lƣợng TOA kênh đa đƣờng Hình 3.11 Bốn trƣờng hợp đơn giản liên quan đến trạng thái LOS NLOS (a) Các đƣờng dẫn trực tiếp không bị cản trở (LOS) (b) Các đƣờng dẫn trực tiếp không bị cản trở, nhƣng suy giảm mơ hình ăng-ten (LOS) (c) Các 70 đƣờng dẫn trực tiếp bị che khuất Sự suy giảm tắc nghẽn làm cho đƣờng dẫn trực tiếp yếu so với đƣờng mạnh Sự chậm trễ tắc nghẽn bị bỏ qua không đáng kể (NLOS) (d) Các đƣờng dẫn trực tiếp bị che khuất Tắc nghẽn suy giảm trì hỗn đƣờng dẫn trực tiếp Lƣu ý số trƣờng hợp đƣờng dẫn trực tiếp hoàn tồn biến (NLOS) Một vấn đề quan trọng kênh đa đƣờng là, MPCs không đƣợc giải (tức trƣờng hợp đủ thời gian trễ cần thiết hai MPCs liên tiếp), có nhiễu từ xung nhận khác Do đó, thành phần đến thành phần khác chồng chéo lên nhau, mà thay đổi ƣớc tính TOA từ TOA Hình 3.12: Mơ nhiễu SLI Trong hình 3.12, mô nhiễu bên sƣờn SLI (side-lobe Interference) đặc điểm tự tƣơng quan khơng hồn hảo mở đầu tín hiệu định vị độ trễ trải lớn kênh đa đƣờng Một nguồn lỗi liên quan đến truyền đa đƣờng đƣợc kết hợp với đặc điểm tƣơng quan chuỗi trải phổ thực định vị Trong máy thu UWB điển hình mà sử dụng tƣơng quan (hoặc lọc phù hợp), máy thu sử dụng chuỗi trải phổ ngƣời sử dụng mong muốn để giải trải phổ dạng sóng nhận đƣợc Sau khóa đỉnh tƣơng quan, cố gắng để xác định thành phần đa đƣờng MPC đến trƣớc đỉnh tƣơng quan Nếu dạng sóng truyền có đặc điểm tự tƣơng quan khơng hồn hảo, tƣơng quan sƣờn phụ xuất đỉnh tƣơng quan Trong hình 3.12, chẳng hạn tƣơng quan định kỳ khơng hồn hảo chuỗi trải truyền đƣợc minh họa Các đỉnh tƣơng quan 71 đƣợc lặp lặp lại theo định kỳ với chiều dài symbol ta quan sát tƣơng quan sƣờn phụ chúng Trong diện đa đƣờng, thuộc tính kênh đƣợc nhân rộng đỉnh tƣơng quan nhƣ tƣơng quan sƣờn phụ Nếu vùng tƣơng quan không trƣớc đỉnh tƣơng quan khơng đủ lớn, thuộc tính mở rộng kênh từ tƣơng quan phụ thùy nhiễu vào MPCs tƣơng ứng với đỉnh tự tƣơng quan Ở đây, nhƣ hiệu ứng đƣợc gọi nhiễu sƣờn phụ (SLI) yếu tố hạn chế độ xác định vị Để ngăn chặn SLI, đặc điểm tự tƣơng quan định kỳ dạng sóng truyền nên có khu vực tƣơng quan khơng đủ lớn (ZCZ) so với trễ mức tối đa kênh 3.3.2.2 Nhiễu đa truy nhập Thực định vị dƣới nhiễu đa truy cập (MAI- multiple access interference) vấn đề thách thức Tính xác định vị dựa vào TOA bị suy giảm đáng kể diện MAI Ảnh hƣởng MAI đƣợc giảm thiểu cách định kênh trực giao cho ngƣời sử dụng khác nhau, thời gian, tần số, mã, tên miền không gian mạng lƣới Tuy nhiên, với kênh trực giao, cịn có nhiễu từ ngƣời dùng khác mạng hoạt động đồng thời (SON) Trong trƣờng hợp này, thuật toán giảm thiểu MAI đƣợc sử dụng Ví dụ nhƣ kỹ thuật lọc phi tuyến tính đƣợc đề xuất để cải thiện độ xác khác nhau, cho máy thu non-coherent diện ngƣời dùng khác mạng hoạt động đồng thời SON Đặc điểm tự tƣơng quan dạng sóng truyền quan trọng để giảm thiểu tác động truyền đa đƣờng, chúng cần phải có ZCZ lớn Mặt khác, đặc tính tƣơng quan chéo dạng sóng truyền quan trọng để giảm thiểu ảnh hƣởng MAI Đặc biệt, dạng sóng định vị đƣợc sử dụng ngƣời dùng khác nên có giá trị tƣơng quan chéo thấp MAI 72 3.3.2.3 Đƣờng truyền bị cản trở tầm nhìn thẳng Khi đƣờng truyền trực tiếp máy phát máy thu bị che khuất, MPC đến bị suy yếu so với số MPCs khác Điều làm cho phát MPC đến khó khăn Khi mà MPC mạnh không thiết MPC đầu tiên, kỹ thuật phát thành phần đến thông minh đƣợc yêu cầu để giảm thiểu tác động truyền NLOS Trong số trƣờng hợp, tín hiệu trực tiếp bị suy giảm nhiều mà khơng đƣợc quan sát thấy máy thu Sau đó, ƣớc tính TOA máy thu bao gồm thiên vị tích cực Lỗi NLOS đƣợc mơ hình hóa nhƣ cấp số nhân, thống biến ngẫu nhiên phân phối Gaussian, liên tục khoảng thời gian, biến ngẫu nhiên phân phối có nguồn gốc từ liệu thực nghiệm Thơng thƣờng, mơ hình phụ thuộc vào kênh truyền khơng dây loại thu Nó sử dụng thơng tin gắn theo MPCs tín hiệu nhận đƣợc cho mục đích giảm thiểu NLOS [17] Số lƣợng lớn MPCs nhận đƣợc tín hiệu UWB cho phép kỹ thuật xác định NLOS khai thác số liệu thống kê khác MPCs, chẳng hạn nhƣ trễ mức trung bình trễ trải vng (RMS) [17] so với mơi trƣờng khu dân cƣ nhà, văn phịng, PDFs trễ mức trung bình RMS trễ lan truyền mơi trƣờng ngồi trời cơng nghiệp khác biệt, có nghĩa độ tin cậy việc xác định LOS / NLOS 3.3.3 Phép đo khoảng cách dựa vào thời gian Phát thành phần tín hiệu địi hỏi phải có kỹ thuật xử lý tín hiệu thơng minh tài liệu liên quan đến vài thập kỷ trƣớc Một tác phẩm trƣớc Cop-pen phát triển kỹ thuật để chọn thành phần đến đầu tiên, hoạt động tốt tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao (SNR) Vidal cộng phát triển đến kỹ thuật phát thành phần đến sử dụng kiểm tra tỷ lệ khả tổng quát (GLRT) phƣơng sai (MV) ƣớc lƣợng tối thiểu cho hệ thống di động Kỹ thuật dựa ƣớc tính lỗi bình phƣơng tối thiểu (MMSE), ƣớc tính bình phƣơng bé (LS), ƣớc tính khả tối đa (ML) Những kỹ 73 thuật đƣợc phát triển chủ yếu cho hệ thống băng hẹp Tuy nhiên, băng thơng lớn tín hiệu UWB giới thiệu thách thức bổ sung Thời gian thơ tín hiệu nhận đƣợc thu đƣợc cách thu lại khóa vào MPC mạnh Thực việc thu lại hệ thống IR-UWB cho thu chặt chẽ Sau thu lại đồng hóa thơ, tinh tế thời gian đến đòi hỏi độ lợi xử lý để cải thiện SNR đầu tiên, sau xử lý tín hiệu để phát thành phần đầu đến (xem hình 3.10) Thành phần đến khơng phải thành phần mạnh Để xác định vấn đề định vị, phát triển khuôn khổ cho hệ thống định vị, cho phép tín hiệu IR-UWB nhận đƣợc môi trƣờng đa đƣờng đƣợc biểu diễn nhƣ sau: (3.21) Trong s(t) đại diện cho tín hiệu định vị, đƣợc định nghĩa dƣới đây, L số MPCs, αl τl hệ số kênh trễ thành phần kênh đa đƣờng thứ l, tƣơng ứng, n(t) nhiễu trắng Gaussian (AWGN) với mật độ phổ cơng suất hai mặt N0/ Tín hiệu s(t) cho bởi: (3.22) Trong Es lƣợng ký hiệu định vị, aj { { } mã cực, cj } mã nhảy thời gian, ω (t) biểu thị xung UWB nhận với đơn vị lƣợng, Tf độ dài khung, Nf số xung ký hiệu định vị, Tc độ dài chip, Nh số lƣợng chip khung Độ rộng xung nhận ω(t) đƣợc biểu diễn Tp giả thiết Tp ≤ Tc Lƣu ý tín hiệu định vị (3.22) đƣợc giả định gồm ký hiệu định vị, ký hiệu bao gồm Nf xung UWB Độ rộng ký hiệu định vị đƣợc đƣa Ts = NfTf , lƣợng xung UWB đƣợc biểu diễn 74 (3.23) Trong đơn vị lƣợng xung đƣợc giả thuyết không tổng quát Cần lƣu ý xung đơn đƣợc truyền ký hiệu (Nf = 1), không TH mã phân cực đƣợc thực (3.24) Sau tín hiệu nhận (3.21) đƣợc biểu diễn: (3.25) Với (3.26) Với √ đƣợc bỏ qua mà khơng tính tổng qt, đƣợc xem xét để đƣa vào hệ số kênh Sự khác biệt mơ hình tín hiệu từ thu đƣợc từ (3.22) mã nhảy TH sau ảnh hƣởng đến hiệu suất định vị cách thay đổi thuộc tính tƣơng quan tín hiệu định vị Sự xếp chồng ẩn số độ lợi αl thành phần độ trễ τl vào 2L x vetor hiệu xuất [ ] (3.27) [ Trong ] [ Hơn nữa, từ ] , vetor thơng số ảnh hƣởng a (2L-1) x đƣợc xác định nhƣ sau: ̃ [ ] (3.28) Lƣu ý θ giữ độ trễ tuyệt đối tất MPCs, ̃ nắm giữ độ trễ liên quan tới thành phần tín hiệu nhận 75 Các vấn đề ƣớc tính TOA để ƣớc tính độ trễ thành phần đầu tiên, τ1, tƣơng đƣơng với TOA ƣớc tính ̂ (3.17) cho nút thứ i Trong thực tế, vấn đề khó khăn số nguồn lỗi Thông thƣờng, với số hạn chế địa lý, khoảng cách τ1 bị coi giới hạn, ta cho TOA đƣợc phân bố đồng [0, Ta], tín hiệu nhận đƣợc quan sát khoảng [0, Tobs] Tobs≥Ta Ngồi ra, khoảng thời gian quan sát bao gồm Nr ký hiệu định vị, Tobs=NrTs 76 KẾT LUẬN Công nghệ UWB công nghệ tiềm với nhiều ứng dụng to lớn, nhiên gặp nhiều khó khăn vấn đề máy thu với tần số lấy mẫu lớn, dạng xung nhỏ cỡ ns khó khăn q trình xử lý Qua luận văn này, có nhìn tổng qt cơng nghệ UWB, vấn đề điều chế tín hiệu UWB, chuẩn liên quan đến cơng nghệ này, kiến trúc máy thu phổ biến sử dụng công nghệ UWB ứng dụng công nghệ UWB định vị Đặc biệt luận văn đề cập đến chuẩn IEEE 802.15.4a, chuẩn thông dụng cho ứng dụng tốc độ thấp Một số đặc điểm lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4a nhƣ cấu trúc khung với thành phần chính: mào đầu SHR, PHR PSDU đƣợc điều chế khác thích ứng với loại môi trƣờng Đơn vị liệu tầng vật lý đƣợc mã hóa theo quy trình gồm nhiều bƣớc nhƣ: thực mã hóa Reed-Solomon PSDU, xây dựng PHR, thêm bit kiểm tra SECDED tới PHR, thực mã chập, điều chế trải PSDU, tạo trƣờng mào đầu SHR từ trƣờng SYNC trƣờng SFD Và ứng dụng chuẩn định vị với độ chuẩn xác cao, lƣợng tiêu thụ thấp Do băng thơng lớn, tín hiệu UWB có độ phân giải thời gian cao, thành phần đa đƣờng riêng (MPCs) đƣợc xử lý máy thu Trong kỹ thuật định vị dựa TOA, TDOA tiếp cận tất lợi ích từ độ phân giải cao Việc triển khai kỹ thuật định vị dựa AOA có độ phức tạp cao RSS có độ xác định vị thấp Do đó, định vị dựa ƣớc tính TOA (hoặc TDOA) phƣơng pháp đƣợc lựa chọn hệ thống định vị sử dụng công nghệ UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Barrett T W (2000), History of ultra wideband radar & communication, Inproceeding of progess in Electromagnetics Symposium 2000 Ghavami M, Michael L B, Kohno R (2004), ultra wideband signals and system in communication Engineering, John Wiley & Son, Ltd The Atrium, Southern gate, Chichester, West Sussex England Muhammad CufranKhan Blekinge Institue of Technology Licentiate Dissertation (2009), Coherent and noncoherent receiver structures for impulse radio UWB systems Mallat M., Louveaux J and Vandendorpe L (June 2007), UWB based positioning in multipath channels: CRBs for AOA and for hybrid TOA-AOA based methods In Proc IEEE Int Conf on Commun (ICC), Glasgow, Scotland Ph D Dissertation, Princeton University (Dec 2004) Wireless goelocation in a non-line-of-sight enviroment Patwari N, Ash J.N, Kyperountas S, Hero A.O, Mose R.L and Correal N.S (2005), Locating the nodes: Cooperative localization in wireless sensor network IEEE Sig Processing Mag, pp 54-69 Poor H.V (1994), An Introduction to Signal Detection and Estimation, NewYork: Springer-Verlag Turin G L, An introduction to matched filters IRE Trans Information Theory, IT-6:3 (1960), pp 311-329 Cook C.E and Bernfeld M (1997), Radar signals: an introduction to theory and applications, Norword, MA: Academic Press 10 Caffery and Stuber G.L (1998), Subscriber location in CDMA cellular networks, IEEE Trans, Veh Technol, pp 406-416 11 Carter G and Knapp C (1976), the generalized correlation method for estimation of time delay, IEEE Trans, Acoust, speech and Sig Processing (ICASSP), 320-327 78 12 Master’s Thesis, Virginia Polytechnic Institue and State University (1997), Evaluation of TDOA techniques for position location in CDMA 13 Kobayashi H., Suda H., Qi Y (2006), Analysis of wireless geolocation in a nonline-of-sigth enviroment, IEEE Trans Wireless Commn, pp 672-681 14 Guvenc I., Chong C.C and Watanbe F (2007), NLOS identification and mitigation for UWB locatization systems, In Proc IEEE Wireless Commun Networking Conf (WCNC), pp 3488-3492 15 IEEE standard 802.15.4a (2007), part 15.4: Wireless Medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for Low-rate wireless personal area networks (WPANs) Tech, Rep., Mar 2007 16 Kobayashi H., Giannakis G.B, Gezici S, Poor H.V (2005), Localization via ultra-wideband radios, IEEE Signl Process Mag, pp 70-84 17 Giannakis G B and Yang L (2004), Ultra-wideband communication: an idea whose time has come, IEEE Signal Process Mag, vol 21, pp 26-54 18 Kobayashi H., Sahinoglu Z., Gezici S, Poor H.V (2005), A two-step time of arrival estimation algorithm for impulse radio ultra wideband systems, in Pro, 13th European Signal processing conference, EUSIPCO, Antalya, Turkey 19 Molisch F et al (2006), A comprehensive standardized model for ultra wideband propagation channels, IEEE Trans, antennas Progag, pp 3151-3166 20 Kim J.Y and Oh M.K (2008), Ranging implementation for IEEE 802.15.4a IRUWB systems, in Proc, IEEE vehicular Technology coference 21 Lorenzo Taponecco and Umberto Mengaly, Antonio A D’amico (2010), TOA estimation with IEEE 802.15.4a standard, IEEE transaction on wireless communication, Vol 9, No 22 Sahinoglu Z, Gezici S, Guvenc I (2008), Ultra wideband positioning systems: Theoretical limits, ranging algorithms and protocols, Cambridge University Press 79 ... hiểu công nghệ UWB, ứng dụng UWB, ƣu nhƣợc điểm cơng nghệ UWB, mơ hình UWB theo chuẩn IEEE 802. 15. 4a ứng dụng UWB định vị Luận văn đƣợc chia làm phần Trong đó, phần giới thiệu tổng quan công nghệ. .. 27.24 15. 60 15. 60 15. 60 15. 60 3.90 3.90 3.90 3.90 62.40 62.40 62.40 62.40 15. 60 15. 60 15. 60 15. 60 62.40 62.40 62.40 62.40 15. 60 15. 60 15. 60 15. 60 62.40 62.40 62.40 62.40 15. 60 15. 60 15. 60 15. 60... thấp cho phép LR -WPAN tiêu hao lƣợng Trong chuẩn cơng nghệ UWB/ IEEE8 02 .15. 4a ví dụ điển hình 1.4.3 Ứng dụng UWB mạng WPAN Ứng dụng UWB mạng WPAN lĩnh vực ứng dụng chủ yếu UWB Trong khoảng cách