Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của kĩ thuật UWB là trong các mạng vô tuyến cá nhân (Wireless Personal Area Network - WPAN), một lĩnh vực chịu sự quản lý của nhóm làm việc IEEE 802.15 thuộc tổ chức chuẩn hóa IEEE-SA. Vì vậy, nhiệm vụ xây dựng bộ tiêu chuẩn thống nhất dành cho các ứng dụng WPAN sử dụng kĩ thuật UWB ở lớp vật lý được giao cho hai nhóm tác vụ độc lập thuộc IEEE-SA.
• Nhóm tác vụ 802.15.3a hướng tới việc định nghĩa một lớp vật lý mới dành trong các mạng WPAN tốc độ cao liên quan đến lĩnh vực multimedia và hình ảnh. Tốc độ dữ liệu tối thiểu được thiết lập ở mức 100 Mbps trong phạm vi 10 m và lên đến 480 Mbps khi khoảng cách rút ngắn xuống còn 2 m. Mặc dù không được chỉ định rõ ràng là một nhóm tác vụ xây dựng chuẩn UWB, tuy nhiên
bản thân những yêu cầu về tốc độ dữ liệu đặt ra đã lựa chọn kĩ thuật UWB làm phương án triển khai các hệ thống mong muốn. Vì vậy, nhiệm vụ của nhóm bao gồm cả việc phân tích và xây dựng một mô hình kênh vật lý dành cho các hệ thống UWB theo yêu cầu đặt ra [19]. Tuy nhiên, do những bất đồng trong cách thức triển khai (giữa hai phương thức MB-OFDM và IR-UWB), nhóm tác vụ 802.15.3a chính thức ngừng hoạt động vào năm 2006.
• Nhóm tác vụ 802.15.4a có nhiệm vụ xây dựng bộ tiêu chuẩn ở lớp vật lý cho các ứng dụng có tốc độ truyền dữ liệu và độ phức tạp thấp, hoạt động trong các dải tần quốc tế mà không cần cấp phép. Một trong những mục tiêu chính của nhóm là giải quyết các ứng dụng mới không chỉ đòi hỏi tốc độ dữ liệu ở mức trung bình mà còn tiêu thụ ít năng lượng để có thời gian hoạt động dài hơn (ví dụ như trong các mạng WPAN tốc độ thấp, mạng cảm biến, đồ chơi tương tác, điều khiển từ xa hay trong các ngôi nhà thông minh). Tương tự như với nhóm tác vụ 802.15.3a, một mô hình kênh vô tuyến cũng được nhóm xây dựng và phát triển với một vài chỉnh sửa sao cho phù hợp với đặc tính tốc độ truyền tải thấp.
Về cơ bản, những ứng dụng chính của kĩ thuật UWB có thể được phân loại thành hai nhóm:
• Ứng dụng tốc độ cao:
– Mạng vô tuyến cá nhân với các kết nối ad-hoc giữa máy tính, thiết bị ngoại vi và những thiết bị tính toán đeo được, bao gồm USB không dây thế hệ kế tiếp, Bluetooth IEEE 1394 Firewire.
– Các thiết bị multimedia dành cho hộ gia đình và chuyên dụng (camera số, DVD, TV số,...).
– Hệ thống không dây thế hệ mới. – Các ứng dụng tìm kiếm, cứu nạn.
– Các ứng dụng y tế như giám sát các chức năng vật lý của cơ thể sử dụng sóng radar. Do sử dụng các xung có độ rộng rất hẹp (đem đến độ phân giải cao trong miền thời gian), UWB trở thành giải pháp thích hợp để triển khai các thiết bị có giá thành rẻ nhưng hữu hiệu trong việc theo dõi, quan sát các cơ quan nội tạng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với cơ thể. Ngoài
ra, một số dự án nghiên cứu đang được tiến hành nhằm phân tích tín hiệu phản xạ từ các xung UWB để phát hiện ung thư.
• Ứng dụng tốc độ thấp:
– Mạng cảm biến cho các ứng dụng định vị, theo dõi.
– Thẻ xác thực để kiểm tra hàng hóa, thiết bị hay giám sát con người và các tài sản giá trị.
– Hệ thống thông tin có liên quan đến vị trí, các radar hybrid hay các ứng dụng truyền tải dữ liệu sử dụng xung UWB để xác định chính xác vị trí 2-D hoặc 3-D của vật thể hay truyền tin từ vật thể về một hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm.
– Các hệ thống radar trên phương tiện giao thông để phòng tránh va chạm trước và sau.
– Hệ thống định vị thời gian thực cho các dịch vụ khẩn cấp hay đòi hỏi độ chính xác cao trong giao thông hoặc các thiết bị công/nông nghiệp.
1.2 Điều chế tín hiệu trong IR-UWB
Với đặc tính truyền tải không sử dụng sóng mang, phương pháp IR-UWB chủ yếu sử dụng hai phương pháp điều chế tín hiệu chính:
• Pulse-Amplitude Modulation (PAM): theo phương pháp này, thông tin
được truyền tải dựa vào biên độ (hay sự phân cực) của xung phát đi. Ví dụ, với PAM hai mức (M = 2) như ở Hình 1.4, kí tự được truyền đi là 0 + 10 hay
0−10 tùy thuộc vào biên độ của xung UWB là dương hay âm. Mặc dù đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống băng hẹp truyền thống, tuy nhiên, do những khó khăn gặp phải trong việc thao tác với các xung có độ rộng cỡ ns nên chỉ đến thời gian gần đây, nhờ có những tiến bộ về mặt công nghệ (cụ thể, với các mạch tích hợp CMOS và SiGe tốc độ cao, chi phí thấp) mà PAM mới được áp dụng cho các hệ thống UWB. Một nhược điểm lớn của điều chế PAM là cần phải sử dụng những thông tin về trạng thái kênh truyền để giải quyết những sai lệch gây ra bởi kênh fading đa đường. Điều này đòi hỏi cần triển khai ở máy thu một khối đo đạc kênh truyền phức tạp, đặc biệt là với hệ thống băng siêu rộng. Một phương án được đưa ra nhằm loại bỏ khối đo đạc kênh truyền là sử
dụng kịch bản truyền xung tham chiếu sẽ được giới thiệu trong các phần tiếp theo của luận án.
• Pulse-Position Modulation (PPM): đây là một kịch bản điều chế cổ điển,
trong đó thông tin được mã hóa dựa vào vị trí tương đối của xung trong một khung. Trên thực tế, để hỗ trợ cho thông tin đa người dùng, mỗi kí tự dữ liệu được chia thành Nf chip, trong mỗi chip chứa một hoặc nhiều khung. Trong trường hợp P-ary PPM, với P = 2b, b là số bit được truyền đi bởi một khung, độ rộng Tf của mỗi khung được chia thành P khe thời gian rời rạc (hay trực giao) ứng với các vị trí mà một xung có thể xuất hiện. Như ở Hình 1.5, mỗi chip chứa duy nhất một khung và vị trí tương đối của xung bên trong mỗi khung quyết định dữ liệu được truyền đi. Ban đầu, PPM là kĩ thuật điều chế được sử dụng chủ yếu trong UWB do những khó khăn trong việc phân cực xung phát đi ở kĩ thuật PAM. Thời gian gần đây, dù PAM đã dần được sử dụng nhiều hơn trong các hệ thống UWB, điều chế PPM vẫn tiếp tục được triển khai trong nhiều ứng dụng do sở hữu đặc tính trực giao có thể đạt được với một xác suất lỗi thấp tùy ý với giả thiếtP → ∞[46] và cho phép việc tách sóng không đồng bộ. -1 +1 +1 +1 symbol period Ts=Nf Tf frame period Ts=Nf Tf Tf -1