Công nghệ truyền thông ultra wideband

Công nghệ truyền thông ultra wideband

Mục lục

Thuật ngữ viết tắt i

Lời nói đầu 1

Chơng 1 Tổng quan về công nghệ truyền thông UWB 3

1.1 Tổng quan về các hệ thống truyền thông vô tuyến 3

1.1.1 3G và WLAN 3

1.1.2 Hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao hơn-UWB 4

1.2 Lịch sử của UWB 5

1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB 7

1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao 7

1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC 17

1.6.1.1.2 Kết nối đa phơng tiện vô tuyến cho các thiết bị CE 18

1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động 19

1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB 20

2.2.1 Xung đơn chu kỳ Gaussian 27

2.2.2 Xung Raised Cosin 28

2.2.3 Lựa chọn dạng xung 29

2.3 Dãy xung và chuỗi giả tạp âm 30

2.4 Các phơng pháp điều chế trong UWB 32

2.4.1 Điều chế vị trí xung 33

2.4.2 Điều pha hai mức BPM (hay điều chế đối cực- Antipodal Modulation) 35

2.4.3 Các phơng pháp điều chế khác 37

2.4.3.1 Điều chế xung trực giao 37

2.4.3.2 Điều chế biên độ xung 39

2.4.3.3 On-Off keying 39

2.4.4 Tổng kết về các phơng pháp điều chế 40

2.5.1 ảnh hởng của đa đờng 43

2.5.2 Các ảnh hởng có liên quan đến chuyển động giữa Tx và Rx 44

2.5.3 Khoá lại đờng khả dụng nhất 44

2.6 Một số kỹ thuật đa truy nhập 45

2.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số trong UWB 45

2.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 45

2.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã 45

2.6.3.1 Time-Hopping 46

2.6.3.2 Chuỗi trực tiếp 47

Chơng 3 Bộ thu phát UWB 48

3.1 Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát UWB 48

3.2 Kiến trúc bộ thu UWB 49

3.2.4.2 Một vài vấn đề xung quanh thiết kế mạch số và tơng tự 53

Chơng 4 So sánh UWB với các hệ thống truyền thông băng rộng khác 56

4.1 CDMA 56

4.2 So sánh UWB với DSSS và FHSS 57

4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 61

4.3.1 Một số đặc điểm nổi bật của OFDM 61

4.3.2 Các trờng hợp ứng dụng của OFDM 61

5.1 Nhiễu liên quan đến mạng WLAN 63

5.1.1 Nhìn lại tín hiệu WLAN 802.11a 63

5.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống UWB với sự có mặt của nhiễu 802.11a 64

5.1.3 Giải pháp cho vấn đề nhiễu 64

5.1.4 ảnh hởng của UWB lên WLAN 65

DVD Digital Video Disc, Digital Versatile Disc DVD

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cờng để phát triển GSMFCC Federal Communications Commission Uỷ ban truyền thông liên

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy tầnGPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói

ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp

ảnh động

OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PDA Personal Digital Assistants Trợ giúp số cá nhân

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xungPSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suấtQoS Quality of Service Chất lợng dịch vụ

SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

THSS Time Hopping Spread Spectrum Trải phổ dùng nhảy thời gian

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp toàn cầu

VGA Video Graphics Array Mảng đồ hoạ VideoWCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo mã băng rộngWLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây

1.2 Lịch sử của UWB

Lý thuyết truyền thông hiện đại xuất phát từ những nỗ lực của những nhà nghiêncứu truyền thông, họ muốn hiểu công việc mình đang làm trong một điều kiện khái quátnhất Giới hạn của hệ thống truyền thông vô tuyến số phụ thuộc chủ yếu vào bốn quy luậtcơ bản và các lý thuyết nền tảng, lần lợt tơng ứng với: Maxwell và Hertz, Shannon, Moore,và Metcalfe Quy luật đầu tiên là quy luật tự nhiên, trong khi hai quy luật cuối cùng là quyluật hoạt động Thứ tự của chuỗi những quy luật theo đúng thời điểm khám phá và tầmquan trọng của chúng Khi mà lĩnh vực truyền thông vô tuyến đã trởng thành, những mốiquan tâm chính và liên quan trực tiếp đợc nâng lên dần dần theo hớng về phía sau danhsách những quy luật cơ bản Nếu không đánh giá cao các lý thuyết của Maxwell và Hertz,thì không thể có sự truyền dẫn vô tuyến của sóng điện từ đợc điều khiển Nếu không cóhiểu biết về các lý thuyết của Shannon, thì việc sử dụng hiệu quả phổ tần thông qua xửlý tín hiệu phức tạp sẽ không thể thành công Ultra-wideband đang đối mặt với thay đổinày, có lẽ từ hai quy luật đầu tiên, trong khi truyền thông băng hẹp đã chuyển sang hai quyluật cuối cùng.

Tổng số bít (mầu 16 bít) 4915200 7680000 12582192 20971520Tổng số bít (mầu 24 bít) 7372800 11520000 18874368 31457280Mbps tại chuyển động tối

thiểu 30 khung (mầu 16 bít)

Mặc dù thờng đợc coi nh là một bớc đột phá trong truyền thông vô tuyến, nhngUWB cũng đã trải qua hơn 40 năm phát triển công nghệ Nền tảng lớp vật lý cho truyềndẫn xung UWB đã đợc thiết lập bởi Sommerfeld một thế kỷ trớc (1901) khi ông muốn ngănchặn sự tán xạ của xung trong miền thời gian bằng cách dùng một cái nêm dẫn hoàn hảo.Trong thực tế, có ngời đã cho rằng UWB xuất phát từ thiết kế truyền dẫn khoảng đánh lửacủa Marconi và Hertz vào cuối những năm 1890 Nói một cách đơn giản hơn, hệ thống

truyền thông vô tuyến đầu tiên đã dựa trên UWB Do những hạn chế về công nghệ, nêntruyền thông băng hẹp đợc quan tâm nhiều hơn UWB Khá giống với trải phổ hay đa truynhập phân chia theo mã (CDMA), UWB theo con đờng tơng tự nh vậy với việc thiết kếban đầu dành cho radar và truyền thông trong quân đội.

Sau khi phát triển mạnh từ 1994, thời điểm mà các hoạt động nghiên cứu không cònlà điều bí mật, UWB có đợc đà phát triển mạnh vào năm 1998 Những mối quan tâmđến UWB chỉ đợc “châm ngòi” từ khi FCC phát hành một báo cáo và quy định vào tháng2 năm 2002 về việc cho phép triển khai mang tính thơng mại với yêu cầu mặt nạ phổ(xem 1.4) cho cả các ứng dụng trong nhà và ngoài trời.

Nh vậy, nguồn gốc của UWB không phải là một điều mới mẻ, nhng UWB xuất hiệnvới mục đích chủ yếu là để sử dụng lại phổ tần rộng lớn (3.1-10.6 GHz) đã đợc FCC cấpphát.

1.3 Ưu điểm của hệ thống UWB

Mặc dù truyền thông dựa trên xung là một trong những phơng pháp truyền tin cổđiển nhất sử dụng sóng điện từ, nó không đợc coi nh là một phơng tiện truyền thông mãicho đến thời gian gần đây Một vài đặc điểm của hệ thống này có thể đợc nhấn mạnh,mặc dù trong đó có một số đặc điểm giống nh các hệ thống băng rộng phổ biến đã tồn tại(nh CDMA hoặc OFDM):

1.3.1 Tiềm năng cho một tốc độ bit dữ liệu cao

Giới hạn của Shannon chỉ ra rằng dung lợng tối đa có thể đạt đợc trong một kênh với tạpâm Gaussian trắng cộng (AWGN) cùng với SNR và độ rộng băng W là:

1.3.2 Xác suất bị ngăn chặn thấp

Đặc điểm này cũng giống với các hệ thống CDMA và OFDM Cấu trúc của tínhiệu UWB rất phức tạp về độ rộng băng (các xung rất hẹp) cũng nh là mã PN (cung cấpkhả năng truy nhập đờng truyền) Một quy tắc xác định đơn giản cho thấy cả độ phức tạpcũng nh là thời gian cần thiết để nghe lén một tín hiệu tỉ lệ với bình phơng công suấtcủa cả độ rộng băng và chiều dài mã, làm cho tín hiệu UWB trở nên vô cùng khó khăn trongviệc khoá nếu nh cấu trúc của nó không đợc biết trớc.

1.3.3 Khả năng chống đa đờng

Trong truyền thông băng hẹp cổ điển, fading xuất hiện nh là một khái niệm cótrạng thái cố định có liên quan đến đa đờng Đa đờng xuất hiện khi một hoặc nhiều hơntiếng vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ khác nhau (xem hình 1-6).

Nếu một vài tín hiệu xảy ra xung đột trong thời gian của một ký hiệu thì nó chịu fading,

do tại thời điểm quyết định ký hiệu, các thành phần này tạo nên tính xây dựng hoặc phávỡ và không thể đợc tách Trong hình 1-5, một hình ảnh thể hiện 2 đờng vọng của một tínhiệu hình sin và cách thức chúng kết hợp.

Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và có thểđợc nhận dạng tiếp theo là đợc thêm vào các ký hiệu tơng ứng Nếu nh các xung có độ rộng

1 ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đờng đi mà độ lệch về khoảng cách dới30 cm Nếu nh xung chỉ có độ rộng 0.2 ns thì các đờng này chỉ cách nhau 6 cm Xác suất

của sự xuất hiện này trong môi trờng trong nhà thì nhỏ hơn nhiều so với trờng hợp tín hiệubăng hẹp Hình 1-7 minh hoạ cho điều này trong trờng hợp các xung là đơn chu kỳ Lu ýrằng đa đờng đợc tách và phân biệt một cách dễ dàng, một máy thu RAKE đợc triển khaiđơn giản để tận dụng u điểm đó Xem thêm phần 2.5.1.

1.3.4 Độ phức tạp của bộ thu

Lời khẳng định này dựa trên một thực tế rằng UWB đợc phát minh nh là các hệthống băng gốc Một ADC có thể đợc đặt ngay sau bộ khuyếch đại tạp âm thâp (LNA) vàphần sau của hệ thống có thể đợc hoạt động trên miền tín hiệu số Không cần vòng khoápha hay tần số Sau khi FCC đa ra một số quy định thì điều này không còn hoàn toàn

đúng vì loại tín hiệu đợc phép sử dụng có một phổ tần bắt đầu tại 3.1 GHz Có thể nói

rằng phơng pháp đơn giản nhất để thực hiện giải điều chế loại tín hiệu này là sử dụngmột bộ nhân tần, hoặc là trong miền tơng tự hoặc trong miền số.

1.3.5 Mật độ phổ công suất phát cực thấp

Do độ rộng băng tần của tín hiệu UWB lớn hơn nhiều độ rộng băng của hệ thốngtruyền thông vô tuyến cũ, một dung lợng kênh cao hơn có thể đạt đợc thậm trí trong cả môitrờng mà SNR thấp Cũng theo lý thuyết của Shannon:

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

Vì công suất tín hiệu thấp (xem hình 1-8) và băng tần khả dụng lớn nên các hệthống UWB hoạt động tơng tự nh các hệ thống trải phổ Tuy nhiên, so với dạng trải phổ cơbản nh các hệ thống chuỗi trực tiếp và nhảy tần thì UWB không dựa vào chuỗi trải phổ vàchuỗi nhảy để tạo ra tín hiệu băng tần rộng Thay vào đó, hệ thống UWB sử dụng cácxung có độ rộng cực ngắn để tạo ra băng tần hệ thống siêu rộng.

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

Hình 1-6: Một trờng hợp của hiện tợng đa đờng với ứng dụng trong nhà

Hình 1-7: Đa đờng trong tín hiệu UWB

Hình 1-8: Mức công suất phát của tín hiệu UWB và tín hiệu băng hẹp cũ

1.4 Thách thức đối với UWB

Trong khi UWB có nhiều lý do khiến nó trở thành một công nghệ hữu ích và hấpdẫn cho truyền thông trong tơng lai và nhiều ứng dụng khác thì cũng còn một số thử tháchcần phải vợt qua để có thể trở thành công nghệ phổ biến và có mặt ở khắp nơi.

Có lẽ vấn điều dễ thấy nhất là vấn đề điều khiển Truyền thông vô tuyến luônluôn phải quy định sao cho tránh đợc nhiễu từ các ngời dùng khác nhau trên cùng một phổtần Vì UWB chiếm một băng tần rất rộng nên có nhiều đối tợng sử dụng mà phổ tần củanó sẽ bị ảnh hởng và cũng cần đảm bảo rằng UWB sẽ không gây nhiễu đến các hệ thốngtruyền thông vô tuyến đã tồn tại Trong nhiều trờng hợp, các đối tợng sử dụng này phải trảtiền để có đợc quyền sử dụng riêng phổ tần.

Một thử thách khác là việc thống nhất chuẩn hoá cho hoạt động kết hợp giữa cácthiết bị UWB Tại thời điểm hiện tại, cha có sự thống nhất rõ ràng và khả năng của một vàichuẩn UWB đang cạnh tranh vẫn còn là điều rất đợc mong đợi (xem thêm 1.5)

Ngoài ra còn rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật và triển khai Một số vấn đề vềmặt kỹ thuật có thể kể đến nh: khả năng cùng tồn tại với các hệ thống truyền thông cũ, tạora tín hiệu UWB với độ rộng xung rất hẹp, thu tín hiệu đa đờng, nhiễu giao thoa kýhiệu đặc biệt trong môi trờng tầm nhìn bị che khuất (non-line-of-sight), các bộ chuyểnđổi tơng tự sang số (ADC) tốc độ lấy mẫu cao, và đồng bộ hoá Lời hứa về các thiết bị giáthành thấp còn đó, nhng độ phức tạp tăng lên do phải giải quyết vấn đề nhiễu và hoạtđộng với công suất thấp có thể sẽ đẩy giá thành lên tơng tự nh các thiết bị vô tuyến hiệntại.

Hình 1-9: Mặt nạ phổ đợc đa ra bởi FCC cho các hệ thống UWB trong nhà

1.5 Chuẩn hoá

Nhóm tác nhiệm IEEE 802.15.3a, nghiên cứu nhằm tìm ra lớp vật lý PAN thế hệ kếtiếp, đang coi UWB là một giải pháp tốt nhất cho lớp vật lý Mặc dù nhiều đề xuất đợc đ-a ra, hai trong số đó là DS-CDMA và MB-OFDM, chúng đang là những ứng cử viên đầyhứa hẹn và vẫn tiếp tục ganh đua nhằm đạt đợc sự chấp thuận từ phía uỷ ban chuẩn hoá.

Đề xuất DS-CDMA, đợc đa ra bởi Freescale ( trớc kia là Xtreme Spectrum) và kếthợp với các công ty khác, chia toàn bộ phổ tần đợc cấp phát thành hai băng Mặc dù đề xuấtban đầu bao chùm toàn bộ băng tần 7.5 GHz, nhng phiên bản sau đã vợt ra ngoài phổ tầnđó Dải tần cho đề xuất này là từ 3.2 – 5.15 GHz và 5.825 – 10.6 GHz Sơ đồ DS-CDMAsử dụng M-ary Bi-Orthogonal Keying và một sơ đồ mã hoá CDMA cho việc ghép kênh vàphân kênh Hình 1-10 sẽ giải thích thêm về vấn đề này.

Hình 1-10: Dạng sóng ở miền thời gian và tần số của đề xuất DS-CDMA.

Đề xuất MB-OFDM đợc đa ra bởi một nhóm các công ty lớn nh Intel, TI … Theo đềxuất này thì phổ tần đợc chia thành 14 băng ( mỗi băng có độ rộng là 528 MHz) và cácthiết bị đợc phép lựa chọn băng tần động hoặc tĩnh để sử dụng cho việc truyền dẫn.Hơn nữa, OFDM đợc sử dụng cho từng băng một Dữ liệu đợc điều chế một cách thích hợpvà sử dụng băng tần của nó Toàn bộ phổ tần đợc chia thành 4 nhóm riêng biệt chỉ nhómA đợc dự định cho các thiết bị thế hệ đầu tiên bởi vì sự giới hạn về mặt công nghệ hiệntại Các nhóm còn lại đợc dự phòng cho nhu cầu sử dụng trong tơng lai Hình 1-11, hình 1-12sẽ giải thích thêm về vấn đề này.

Sơ đồ mà DS-CDMA đa ra nhằm đạt đợc tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, giáthành thấp và kích thớc nhỏ Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu ở tốc độ cao cỡ 100Mbps vàtrong miền số là mối quan tâm chính cho các nhà thiết kế hệ thống Đồng bộ thời gian, sựlựa chọn về mặt công nghệ (SiGe hay CMOS) và mức độ ISI (inter symbol interference) làcác vấn đề quan trọng trong đề xuất này Trái lại, MB-OFDM đợc xem nh một giải phápthực tế hơn nh: giảm đợc độ nhạy trong việc đồng bộ thời gian và có thể dễ dàng sử dụngCMOS Tuy nhiên, một câu hỏi lớn đặt ra cho hệ thống này là độ phức tạp của mạch điện,MAI và sự đồng ý của FCC Trớc khi sự bế tắc này có thể đợc giải quyết bởi uỷ ban chuẩn

Hình 1-11: Dạng sóng trên miền thời gian và tần số của đề xuất MB-OFDM

Hình 1-12: Kế hoạch phân chia băng tần của đề xuất MB-OFDM.

1.6 Các ứng dụng của UWB

UWB xuất hiện cùng với một tiềm năng to lớn về một tập các ứng dụng rộng rãi, hấpdẫn, nh thể hiện trong hình 1-13.

Về cơ bản, các ứng dụng này có thể đợc chia thành 3 nhóm: Truyền thông và cảm biến

 Định vị và theo dõi Radar

Hình 1-13: Tổng quan về các ứng dụng mà UWB có thể cung cấp.

1.6.1 Truyền thông và cảm biến

Các ứng dụng trong truyền thông tạo ra một số cơ hội thú vị nhất trong thị trờngkhách hàng Khả năng ứng dụng của UWB trong truyền thông là vô cùng rộng lớn, theo đóhệ thống truyền thông có thể đợc cải thiện, tăng cờng,nâng cấp Các ứng dụng trongtruyền thông có thể đợc chia ra làm hai khu vực - tốc độ dữ liệu thấp và cao Cả hai đềuyêu cầu công suất thấp và dung lợng cao, chúng là các biểu tợng cho chất lợng của UWB.

1.6.1.1 Tốc độ dữ liệu thấp

Các thiết bị tốc độ dữ liệu thấp xung quanh chúng ta trong thế giới công nghệ - nhngchúng thờng đợc nối bởi dây dẫn hoặc cáp Chúng ta sử dụng các thiết bị này để nhập dữliệu vào hoặc lấy dữ liệu từ các máy tính, để phát hiện những kẻ đột nhập vào nhà, vàđể cho vô vàn mục đích khác Theo cách thức có hiệu quả, các thiết bị dữ liệu tốc độthấp có thể là không dây, nhng giải pháp trên thị trờng ngày nay bị ràng buộc bởi nhiễutầm nhìn thẳng với các thiết bị khác, các vấn đề công suất, ngoài ra các vấn đề khác thìkhông quan trọng lắm trong việc đạt đợc một thoả hiệp hoàn hảo UWB không bị giới hạnbởi tầm nhìn thẳng đột ngột nh là ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài sóng lớn khi so sánh vàcó thể uốn cong hoặc truyền xuyên qua các đối tợng mà không gặp trở ngại gì về kết nối.Nó cũng bị ảnh hởng bởi các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan khác nhng ít hơn trờnghợp ánh sáng hồng ngoại Vì UWB hoạt động ở mức công suất rất thấp và theo phơng thứckhông liên tục, nhiễu cũng không đáng kể - điều đó có nghĩa là hàng trăm thiết bị có

hết chúng ta xét chi tiết hơn ứng dụng đầu tiên mà cũng là ứng dụng quan trọng nhất củaUWB, WPAN, một lĩnh vực đang tạo ra cho UWB những lợi thế to lớn trên thị trờng thiếtbị.

Sự nổi lên của môi trờng nhà số đợc cấu thành bởi nhiều thiết bị CE khác nhau (nh bộ nghenhạc, xem video số), các thiết bị di động (nh điện thoại tổ ong và PDA), và các thiết bịmáy tính cá nhân (nh máy tính PC xách tay) sẽ hỗ trợ một lợng lớn các ứng dụng Các thiết bịnày có thể phân chia ra làm 3 loại không hoàn toàn tách biệt (Xem hình 1-14):

Thế hệ PC, CE, và các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ kết nối hơn tốc độ dữ liệu đỉnhcủa công nghệ Bluetooth 1Mbps, nó đợc sử dụng cho nhiều thiết bị để có thể tạo raWPAN nh ngày hôm nay Nhng có nhiều thiết bị không thể đáp ứng đợc giá thành và côngsuất theo các thiết bị vô tuyến 802.11a/b/g cho Wi-Fi Networking

Trong khi Wi-Fi nhanh hơn nhiều so với Bluetooth, nhng nó vẫn không thể phân phối hếtđợc hiệu năng để cho phép sử dụng có hiệu quả nhiều luồng video chất lợng cao đồngthời Công nghệ UWB cung cấp một thông lợng nh đã đợc yêu cầu bởi thế hệ kế tiếp củacác thiết bị đã hội tụ Ngoài ra với sự hỗ trợ của các hãng công nghiệp lớn, nh WIMediaAlliance, sẽ đảm bảo chắc chắn sự hoạt động tơng tác qua tập các giao thức, bao gồm IEEE1394, USB, và Universal Plug and Play (UPnP*), khiến cho UWB trở thành một giải phápcông nghệ băng rộng tạo ra WPAN tốc độ cao, giá thành thấp, và công suất tiêu thụ thấp.

Hình 1-14: Sự hội tụ của các loại thiết bị

Công nghệ UWB có thể tích cực một dải rộng lớn các ứng dụng cho WPAN, có thể liệt kêmột số ứng dụng chính ở dới đây:

 Thay thế cáp giữa các thiết bị CE đa phơng tiện, nh máy ảnh số, máy chạy MP3 xáchtay, bởi kết nối vô tuyến.

 Tạo ra kết nối WUSB cho các PC và ngoại vi PC, bao gồm máy in, máy quét, và cácthiết bị lu trữ ngoài khác.

 Thay thế cáp trong các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth thế hệ kế tiếp, nhđiện thoại tổ ong 3G, cũng nh là kết nối dựa trên IP/UpnP cho thế hệ các thiết bịdi động PC/CE dựa trên IP kế tiếp.

 Tạo ra ad-hoc có kết nối vô tuyến tốc độ bit cao cho các CE, PC và các thiết bị diđộng.

1.6.1.1.1 Kết nối vô tuyến ngoại vi PC

Đối với kết nối vô tuyến thiết bị ngoại vi PC, công nghệ UWB có thể đa hiệu năngvà độ tiện lợi nh đã từng thấy trong USB sang một mức độ tiếp theo Hiện tại, USB hữutuyến có một thị phần đáng kể nh là sự lựa chọn cáp kết nối cho nền tảng PC (hình 1-15).Nhng cáp cũng chỉ có thể đợc sử dụng theo phơng thức này Công nghệ Bluetooth đã giảiquyết vấn đề này ở một mức độ nhất định, ngoại trừ vấn đề giới hạn về hiệu năng và

có đợc một sự tăng trởng đáng kể về thị phần thiết bị kết nối ngoại vi PC WUSBWorking Group sẽ định nghĩa một đặc tả hứa hẹn cung cấp tốc độ lên đến 480 Mbps (t -ơng đơng với USB 2.0) trong phạm vi 10 m.

Với WUSB, một ngời sử dụng có thể mang một thiết bị di động, nh là PMP (Portable MediaPlayer), tới gần nguồn nội dung, nh một PC, máy tính xách tay, hoặc một đĩa cứng bênngoài, khi mà quá trình nhận thực và trao quyền hoàn thành, video có thể đợc chuyển vàoPMP để xem sau.

Hình 1-15: Các thiết bị tơng tác với nhau thông qua USB

1.6.1.1.2 Kết nối đa phơng tiện vô tuyến cho các thiết bị CE

Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối đa phơng tiện vô tuyến chothiết bị điện tử âm thanh và hình ảnh cho ngời tiêu dùng (CE) Lợi ích mà các kết nốinày đem lại về mặt tốc độ thì cũng không thua kém các kết nối hữu tuyến, nhng lợi íchto lớn nhất mà kết nối vô tuyến này đem lại là sự dễ dàng trong khi sử dụng và hiệu quảtruyền dữ liệu cao Một lớp rộng lớn thiết bị thuộc lĩnh vực giải trí (hình 1-16) bao gồm:Bộ đọc DVD, HDTV, STB, bộ ghi video cá nhân (PVR), bộ chạy MP3 và Stereo, máy ảnh số,và các thiết bị CE khác dễ thấy ở khắp gia đình UWB có thể kết nối một màn hìnhplasma treo tờng hoặc HDTV đến một STB hoặc một bộ chạy DVD, mà không gặp khókhăn gì và đảm bảo tính thẩm mỹ do không có cáp UWB cũng có thể tạo ra đa luồng tớiđa thiết bị đồng thời Điều này tạo ra nhiều điều vô cùng hấp dẫn ví nh khả năng xemnội dung cùng hoặc khác nhau trên nhiều thiết bị trong cả nhà.

UWB cũng có thể kết nối các thiết bị giữa PC và các thiết bị giải trí, nh máy quayxách tay số đến PC để sử dụng các trình xử lý ảnh số hoặc tới một LCD cỡ lớn để xem.

Kết nối một máy ảnh số đến một máy tính cá nhân xách tay để chỉnh sửa, biên dịch, vàgửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong gia đình trong khi đang ngồi ở mộthotspot công cộng UWB đề xuất nhiều lợi ích độc nhất cho các loại sử dụng này (bảng 1-2) Với WPAN sử dụng UWB, khi các thiết bị trong phạm vi gần, chúng có thể nhận ra nhauvà trao đổi thông tin xuất hiện khi ngời dùng bấm nút Play.

Thông lợng tốc độ cao Nhanh, truyền với chất lợng cao

Tiêu thụ công suất thấp Tuổi thọ bin của các thiết bị cầm taydài

Thiết bị vô tuyến đợc chuẩn hoá, dựatrên Silicon

Giá rẻ

Tuỳ chọn kết nối hữu tuyến Tiện lợi và linh động

Bảng 1-2: Các đặc điểm và lợi ích của UWB trong môi trờng PC và giải trí

Các thiết bị CE xách tay, nh máy quay số, máy ảnh số, bộ chạy MP3, và bộ chạy videocá nhân đợc mong đợi sẽ tạo ra một thị trờng chính của UWB thời kỳ đầu.

1.6.1.1.3 Thay thế cáp và truy nhập mạng đối với các thiết bị máy tính di động

Đối với những ngời sử dụng nhiều loại thiết bị di động, quản lý cáp có thể là một sựbất tiện lớn nhất là khi các thiết bị này cần phải kết nối với nhau Nhiều thiết bị, nh làthiết bị trợ giúp cá nhân số, kết nối thông qua cổng USB, nhng các thiết bị khác, nh điệnthoại tổ ong 3G, có thể yêu cầu một bộ đấu nối đặc biệt hoặc một bộ thích ứng cho cápUSB Công nghệ UWB cho phép các thiết bị này vận hành cùng nhau-không cần cáp-ngaykhi chúng đặt gần nhau UWB cũng có thể đợc sử dụng để tạo ra truy nhập mạng côngsuất thấp, tốc độ cao trong các khu vực hotspot.

Vùng phủ Internet Hotspot đang tạo ra một điểm hấp dẫn về một thị trờng rộng mởcho truy nhập Internet băng thông rộng đối với các thiết bị máy tính di động tại một vùng xaxôi Ngày nay, hai công nghệ đang tạo ra những Hotspot là: WLAN 802.11a/b/g và WPANdựa trên công nghệ Bluetooth Cả hai đều có những giới hạn về đánh địa chỉ cho các nhucầu hỗn hợp về kết nối băng thông rộng: dung lợng không gian cao nhằm phục vụ nhiều ngờitrong một không gian cho trớc và tiêu thụ công suất thấp UWB sẽ giúp vợt qua những khókhăn này và có thể tạo ra cho một ngời đợc cải thiệnđáng kể khi lĩnh vực này trởng thành.

Hình 1-16: Kết nối các thiết bị trong lĩnh vực giải trí

1.6.1.1.4 Các kết nối ad-hoc giữa các thiết bị sử dụng UWB

Giống nh công nghệ Bluetooth, mọi thiết bị sử dụng UWB đều có thể là nguồnphát và thu nội dung Các thiết bị có thể đợc kết nối trực tiếp với nhau thông qua WUSB.Lúc đó, độ tiện lợi sẽ đợc nâng lên một cấp độ khác (hình 1-17).

Hình 1-18 thể hiện một sự kết hợp công nghệ tạo ra một sự tiện lợi cha từng có.Trong đó WLAN và LAN hữu tuyến, WUSB (có thể sử dụng UWB khi công nghệ này đãtrởng thành, khi đó tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến hàng Gbps) và USB hữu tuyến.

1.6.1.1.5 Mạng cảm biến

Tất cả các loại bộ cảm biến đề xuất một cơ hội khác cho UWB phát triển tốt đẹp.Hiện tại các bộ cảm biến đang đợc sử dụng mạnh mẽ trong nhiều ứng dụng Nhiều loại bộcảm biến đợc dùng để bảo vệ nhà cửa, ô tô, và các tài sản khác Việc cài đặt các hệthống an ninh hiện đại tiêu tốn thời gian và đắt đỏ.

Hình 1-17: Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với nhau theo WUSB

Tại sao vậy? Bởi vì chi phí cho dây dẫn là khá nhiều và tiêu tốn nhiều thời gianđể cài đặt Thông thờng, các gia đình cắt bớt các góc, chỉ đặt các bộ cảm biến có dâynày tại các lối vào có thể nhìn thấy Với một giải pháp không dây, chi phí cho việc càiđặt và bảo dỡng có thể giảm xuống một cách bất ngờ, phạm vi bao phủ có thể đợc mở rộngvà độ tin cậy đợc tăng lên UWB có thể đợc dùng nh là liên kết truyền thông trong mạngcảm biến, và tín hiệu UWB tự nó có thể thực hiện chức năng nh là bộ cảm biến Nó còncó thể đợc làm một cách đặc biệt để xây dựng các bong bóng an ninh xung quanh mộtkhu vực cho trớc cần đợc bảo vệ, bao gồm các vùng cảnh báo biến đổi Hãy tởng tợng xemcòn có gì khác có thể đợc thực hiện với ý tởng này để tạo ra sự an toàn, an ninh, và một cái

đầu thanh thản Robert Frost đã viết trong Mending Walls, “ Hàng rào tốt làm nên hàng

xóm tốt” Một hàng rào tốt nhất phải khó bị nhận thấy hoặc tàng hình: lĩnh vực củaUWB.

Các bộ cảm biến cũng đang đợc dùng trong các trạm y tế để kiểm tra tốc độ xung,nhiệt độ, và các dấu hiệu sống quan trọng khác Ngày nay, một bệnh nhân bị trói buộc bởidây và cáp khi việc theo dõi y học mở rộng đợc yêu cầu Một lần nữa, UWB có thể đợcdùng để truyền tải thông tin cảm biến không cần dây, nhng cũng có thể thực hiện chứcnăng nh là một bộ cảm biến hơi thở, nhịp tim, và trong một số trờng hợp, cho xử lý ảnh y học.

Hình 1-18: Phối hợp công nghệ tạo ra một kịch bản hấp dẫn

Một mạng cảm biến UWB giải phóng bệnh nhân khỏi mớ lộn xộn của các bộ cảmbiến có dây Giải pháp UWB tạo ra một “ thái độ rối rít” dễ chịu cho bệnh nhân khi cầnthiết phải theo dõi cố định

1.6.1.2 Tốc độ dữ liệu cao

Vì băng tần khả dụng đối với ngời dùng đợc mở rộng, các ứng dụng sẽ tiếp tục pháttriển và lấp đầy băng tần khả dụng trong khi nhu cầu gia tăng Thêm vào sự gia tăng tậpchung vào băng tần, vấn đề gia tăng điện thoại di động và du lịch đã thúc đẩy nhu cầuvề khả năng dịch chuyển băng tần, ám chỉ đến công nghệ không dây Các ứng dụng sớmnhất của UWB sẽ lấy các nhu cầu thị trờng cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao hơn đangtồn tại làm trọng tâm Tuy nhiên, nhu cầu không dây có khả năng đa phơng tiện đã đangép buộc những hành động mới của tổ chức chuẩn hoá không dây Giải pháp UWB sẽ nổi lênvới các tính năng hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng này bởi vì băng tần khả dụng cao Đặcbiệt, các ứng dụng đa phơng tiện mật độ cao, nh là dùng trực tuyến đa phơng tiện tại các “điểm nóng” nh sân bay hoặc trung tâm hàng hoá thậm trí cả các đơn vị cộng đồng, sẽyêu cầu băng tần không nh công nghệ “băng hẹp” sóng liên tục hiện tại Khả năng đóng góichặt “ các tế bào” UWB băng tần cao vào các vùng này mà không làm giảm chất lợng sẽthúc đẩy sự phát triển các giải pháp UWB UWB cho phép download phim ảnh với tốc độ

cao Các màn hình video có độ phân giải cao cỡ lớn trở nên phổ biến với mức giá chấp nhânđợc Các thiết bị này có thể đạt đợc lợi ích to lớn từ khả năng dung lợng cao của UWB đểtruyền nội dung video qua đờng vô tuyến từ các nguồn video đến một màn hình treo trên t-ờng.

1.6.2 Định vị và bám

Định vị và bám trên một phạm vi lớn, ví dụ nh GPS, đã thay đổi phơng pháp chúngta đi lại Định vị và theo dõi trong một phạm vị nhỏ hơn có thể thay đổi cách tổ chức vàtheo dõi các đối tợng của chúng ta Các ứng dụng có thể cải thiện sự an toàn của tài sản, giúpchúng ta tìm thìa khoá xe và thậm trí giúp ta giữ liên lạc tốt với những đứa trẻ của mình khichúng ở xa.

1.6.2.1 Định vị

Ngày nay, có nhiều công nghệ cho phép chúng ta định vị trên phạm vi toàn cầu vớiđộ chính xác, điều mà trớc kia không thể thực hiện đợc Chúng ta đã chuyển từ việc dùngla bàn sang dùng GPS Giờ đây, hãy tởng tợng các khả năng đó đang dẫn đến một bớc tiếnmới - vào bên trong nhà Mặc dù UWB không phải là một giải pháp hiệu quả cho định vịngoài trời (do khoảng cách quá ngắn), nhng nó vẫn là một giải pháp tuyệt vời đối với các vấnđề khoảng cách ngắn Một vài biến thể của UWB có thể đợc sử dụng để xác địnhkhoảng cách giữa hai trạm thu phát UWB bên trong nhà Bộ định vị UWB có thể đợc đặtmột cách chiến lợc trong một mạng báo hiệu chỉ đờng bằng biển không dây dọc theo mộtcon đờng chạy qua đồng quê để đánh dấu tuyến Chúng có thể đợc dùng để tìm ngờitrong nhiều tình huống, nh là nhân viên cứu hoả trong các toà nhà đang cháy, sĩ quan cảnhsát trong tình trang nguy hiểm, ngời trợt tuyến bị thơng trên một sờn tuyết, ngời đi bộ đờngdài bị thơng ở một vùng xa xôi, hoặc những đứa trẻ bị lạc trong công viên.

1.6.2.2 Bám

Với kỹ thuật bám tiên tiến, chúng ta không chỉ biết vị trí của các đối tợng mà cònbám theo sự chuyển động của nhiều vật đặc biệt khác Ví dụ, các đối tợng đợc lu giữtrong kho có thể đợc theo dõi từ lúc nhập kho cho đến lúc xuất kho và thậm trí đến tậnđích cuối cùng của chúng Bất kỳ một chuyển động nào trong một cơ quan tổ chức cũng cóthể đợc theo dõi Nhờ có theo dõi tài sản, hàng hoá, nên đã cải thiện đáng kể khả năng làmđơn giản hoá việc lu trữ và phân phối tài sản, hàng hoá và các dịch vụ trong khi làm tăngkhả năng điều khiển kiểm kê.

Vì tính chất di động của con ngời và các đối tợng tăng lên, những thông tin mới nhấtvà chính xác về vị trí trở thành một nhu cầu thị trờng thích đáng Trong khi GPS và mộtsố công nghệ E911 hứa hẹn tạo ra một mức độ chính xác nào đó bên ngoài nhà, thì cáccông nghệ theo dõi bên trong nhà hiện tại vẫn còn không ít khó khăn và có độ chính xác

xác vài centimét Điều này lần lợt làm cho có thể cung cấp nội dung định vị rõ ràng vàthông tin tơí từng cá thể về chuyển động, và theo dõi các tài sản có giá trị cao về mặt anninh và sử dụng có hiệu quả Trong khi đây là một thị trờng mới mẻ, độ chính xác đợccung cấp bởi UWB sẽ thúc đẩy sự trởng thành thị trờng và sự phát triển các ứng dụng mớitrong lĩnh vực này Các hệ thống UWB có thể làm việc trong môi trờng phức tạp trong đócó nhiều ngời, tài sản, và các tác động qua lại Các vị trí nh là bệnh viện, khu an ninh,trung tâm đào tạo, và các nơi làm việc phân tán khác có thể đạt đợc ích lợi to lớn bằngviệc truyền thông có hiệu quả hơn và nhanh hơn Việc lu trữ tự động các hoạt động phứctạp không có cấu trúc giải phóng con ngời khỏi nhiệm vụ quản lý Lý lịch thiết bị có thể đ-ợc cá nhân hoá, tự động chia sẻ thiết bị, để con ngời có thể đạt đợc sự thoải mái hơn với cáctài sản sẵn có Sự đo lờng thời gian thực và sự kiểm toán nơi làm việc cung cấp cho ngờiquản lý thông tin cần thiết để có đợc một quyết định thực tế chính xác Các mức độ anninh cha từng có có thể đạt đợc bằng sự theo dõi vị trí con ngời và các tài sản quan trọng.

1.6.3 Radar

Tín hiệu UWB làm xuất hiện radar độ rõ nét cao với giá rẻ Với các khả năng củaradar mới này đợc tạo ra bởi sử bổ xung của UWB, thị trờng radar sẽ phát triển mạnh mẽ vàradar sẽ đợc dùng trong nhiều khu vực mà không cần phải để tâm Một số ứng dụng radarmới mang tính then chốt trong đó UWB dờng nh có vai trò cốt yếu bao gồm các bộ cảm biếntự động, bộ cảm biến tránh xung đột, túi khí thông minh, bộ cảm biến an ninh cá nhân,điều tra chính xác, và các ứng dụng an toàn công cộng xuyên tờng Những vòm an ninh đợctrang bị radar dựa trên radar chính xác đã thể hiện khả năng phát hiện chuyển động gầncác khu vực đợc bảo vệ, nh là các khu vực có tài sản giá trị cao, khu vực công chức, hoặccác khu vực bị hạn chế Vòm này có thể đợc cấu hình bằng phần mềm để phát hiệnchuyển động ngang qua cạnh của vòm, nhng có thể bỏ qua các chuyển động bên trong hoặcđằng sau cạnh vòm.

Ngày nay, khả năng phát hiện chuyển động xuyên tờng là một thực tế Các thiết bịnày gửi hàng triệu xung UWB trên một giây, tạo ra một tín hiệu nh thế, trong hầu hết cáchoàn cảnh, có thể xuyên qua hầu hết vật liệu nhà cửa, nh bê tông rắn chắc, khối bê tông,lớp đá, gạch, gỗ, nhựa, ngói, và sợi thuỷ tinh Kết quả này là một phơng tiện nhận biếtnhững mối nguy hiểm hoàn toàn mới với nhiều công dụng Thiết bị radar này nhằm phụcvụ cho quân đội và đội ngũ chiến lợc thi hành luật pháp Hoạt động của radar dành cho ph-ơng tiện trong băng từ 22 đến 29 GHz đợc cho phép dới các điều lệ của UWB bằng cáchdùng anten định hớng trên các ô tô Các thiết bị này có thể phát hiện vị trí và chuyểnđộng của các đối tợng gần một phơng tiện đi lại, tích cực khả năng tránh xung đột, sự hoạthoá túi khí đợc cải thiện, và hệ thống giảm sóc thích ứng với điều kiện đờng xá tốt hơn.Hình 1-19 là hình ảnh thể hiện về các thiết bị cụ thể.

Hình 1-19: Các radar chống chộm, tránh xung đột và đo độ cao chính xác

Cuối cùng, để kết thúc phần ứng dụng của UWB, chúng ta sẽ tìm hiểu một mảngkhá ngạc nhiên, UWB thông qua dây (UWB over wires)

Công nghệ UWB có thể hoạt động thông qua dây dẫn và cáp Điều này có thể làmtăng gấp đôi băng tần khả dụng cho hệ thống truyền hình cáp (CATV) mà không cần thayđổi hạ tầng đã tồn tại Công nghệ over-wire cho cáp đồng trục có thể cung cấp tới 1.2 Gbpscho đờng xuống và 480 Mbps cho đờng lên trong băng tần bổ xung, với giá thành thấp, trênnhiều kiến trúc mạng khác nhau Tín hiệu UWB có thể đợc đặt tại đầu cuối cáp và đợctrích ra tại cơ ngơi ngời dùng Công nghệ UWB wire - line không gây nhiễu hay làm giảmchất lợng truyền hình, Internet tốc độ cao, thoại hoặc các dịch vụ khác đã đợc cung cấp bởihạ tầng CATV Công nghệ này sẽ tạo cho ngời vận hành các khả năng đối với hạ tầng đã tồntại để cung cấp tốt hơn các chức năng và làm tăng tổng thu nhập Hệ thống này sử dụng cáckỹ thuật mới để kết hợp hoàn hảo truyền thông UWB vô tuyến và UWB hữu tuyến.

Sự kết hợp công nghệ này tạo ra độ rộng băng tần mạng vô tuyến khổng lồ cho việcmở rộng nội dung đợc đảm bảo an toàn theo tất cả các đờng từ văn phòng đầu cuối của nhàcung cấp cáp đến một loạt các thiết bị mạng không dây Điều này chuyển đổi trung tâmgiải trí gia đình thành cổng mạng và hub không dây.