Chớn đặc điểm của tớn hiệu và hệ thống UWB cơ bản xuất phỏt từ từ căn nguyờn xung kim/băng siờu rộng và mức cụng suất phỏt thấp của tớn hiệu UWB, [7], [8], [9], [10].
Cụng suất phỏt
Xột mỏy phỏt tớn hiệu UWB chiếm dụng băng tần 3,1–10,6 GHz, cụng suất phỏt tổng trong băng tần này là: P = PSD (dBm/MHz) + 10log(Độ rộng băng tần MHz) => P = - 41,25 + 10log(7500) = -2,55 dBm (hay 0,55 mW). Thực tế, thiết bị UWB chỉ chiếm dụng khoảng (1/5 đến -1/3) vựng phổ tần này, vỡ vậy cụng suất phỏt cỡ (0,1–0,2 mW).
Vớ dụ: Xột thiết bị UWB đa băng (dựng kỹ thuật Multiband-OFDM) chiếm dụng băng tần 1,5 GHz, (chớnh xỏc là 3x528 MHz) => cụng suất phỏt P = - 41,25 + 10log(3x528) = -9,25 dBm. Với thiết bị DS-UWB, hoạt động ở băng tần thấp là 1,75 GHz và băng tần cao 3,5 GHz => cụng suất phỏt tương ứng là: P = -41,25 + 10log(1750) = -8,82 dBm; P = -41,25 + 10log(3500) = -5,81 dBm. Bảng 1.2a so sỏnh mức PSD của thiết bị UWB với thiết bị WLAN và WCDMA. Từ bảng 1.2a cho thấy, sự khỏc biệt về PSD giữa thiết bị UWB với thiết bị khỏc cỡ 60 và 50 dB. Vỡ vậy, PSD của UWB thấp hơn rất nhiều so với cỏc hệ thống vụ tuyến băng hẹp. Mức PSD của UWB thấp so với hệ thống băng hẹp giải thớch về sự đồng hoạt động của hệ thống UWB với cỏc hệ thống vụ tuyến băng hẹp khỏc (minh họa ở hỡnh 1.6).
Bảng 1. 2: Cỏc tham số đặc trưng của một số hệ thống vụ tuyến điển hỡnh Bảng 1.2aPSD của một số hệ thống vụ tuyến Bảng 1.2b Cỏc tham số của hệ thống Hệ thống vụ tuyến PSD phỏt (dBm/MHz) Tham số Giỏ trị WCDMA 18 Cụng suất phỏt, PT -9.25 dBm WLAN [7 17] Tần số trung tõm, fc 4 GHz Bluetooth 2.0 [-29,20 -15,23] Hệ số tạp õm, FdB 7 dB UWB -41,25 Tổn thất thực thi, I 3 dB
Bảng 1.2c Dự trữ đường truyền đối với ba kịch bản
Tốc độ dữ liệu 100 Mbs 200 Mbs 500 Mbs
Dự trữ đường truyền, M [dB] 5,8 9,8 10,8
Dung lượng
Từ lý thuyết dung lượng kờnh Shannon cho thấy quan hệ giữa dung lượng kờnh C, tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm SNR, và độ rộng băng tần của tớn hiệu B,
2
log 1
CB SNR . Cải thiện dung lượng bằng cỏch tăng độ rộng băng tần B hoặc tăng SNR. Quan hệ giữa dung lượng và độ rộng băng tần là tuyến tớnh, trong khi đú quan hệ giữa dung lượng và SNR là logarit, quan hệ tuyến tớnh tăng nhanh hơn nhiều so với quan hệ logarit. Vỡ vậy, với đặc điểm băng siờu rộng của UWB, dung lượng của hệ thống UWB tăng tuyến tớnh theo sự gia tăng của băng thụng.
Dung lượng của hệ thống UWB theo tham số hệ thống được tớnh bằng cỏch: Nếu S là cụng suất tớn hiệu thu, N là sàn tạp õm. Ta biểu diễn cụng suất tớn hiệu và cụng suất tạp õm theo đơn vị dB => SNR [dB] = S [dB] – N [dB]. Cụng suất tớn hiệu thu tại phớa phỏt là S = PT + GT – GR - L – I, trong đú PT, GT, GR, L, và I lần lượt
là cụng suất phỏt, độ lợi mỏy phỏt, độ lợi mỏy thu, tổn hao đường truyền và tổn thất thực thi. Tổn hao đường truyền L20log 4 dfc/c, trong đú d là khoảng cỏch phỏt/thu fc là tần số trung tõm. Cụng suất tạp õm
10log 10log 10log
N KT B F , trong đú, 10log(KT) = -174 dBm/Hz và F là hệ số tạp õm. Cuối cựng ta được, SNR[dB] = PT + GT + GR – L – I – N. Chuyển đổi đơn vị và thay vào cụng thức dung lượng kờnh Shannon
/10
2 2
log 1 log 1 10P GT T GR L I N
CB SNR B
Ta xột hệ thống UWB chiếm dụng băng thụng 1500 MHz và dựng anten phỏt/thu vụ hướng. Cỏc tham số của hệ thống được cho ở bảng 1.2b.
Ta so sỏnh hệ thống UWB với hệ thống WLAN 802.11g ở dạng dung lượng và cự ly phủ súng. Hệ thống WLAN 802.11g: băng thụng của cỏc kờnh là 20MHz, tần số trung tõm 2,4 GHz, và cụng suất phỏt tối đa 30 dBm. Hỡnh 1.6a so sỏnh dung lượng giữa hai hệ thống này. Ta thấy rừ, hệ thống UWB cho ta dung lượng cực lớn trong vựng phủ nhỏ.
a) Dung lượng theo cự ly phủ súng
Khoảng cỏch (m) D u n g lư ợ n g (b /s )
b) Phổ tần của tớn hiệu băng hẹp và tớn hiệu UWB trong mụi trường kờnh pha đinh đa đường (thể hiện khả năng đề khỏng đối với pha đinh đa đường của hệ thống UWB so với vụ tuyến băng hẹp)
Băng hẹp
UWB
Hỡnh 1. 6: Minh họa cỏc khả năng, đặc tớnh, và tớnh cỏch của hệ thống UWB
Quỹ đường truyền
Cõu hỏi đặt ra là: Truyền thụng tốc độ cao của hệ thống UWB khả đạt là bao nhiờu?. Để được sỏng tỏ, ta xột ba kịch bản: (1) 100 Mbit/s @ 10 m; (2) 200 Mbit/s @ 4 m; (3) 500 Mbit/s @ 2 m. Ta giả định hệ thống: chiếm dụng băng thụng là 1,5 GHz; cụng suất phỏt là -10 dBm; độ lợi anten phỏt/thu là 0 dBi (anten vụ hướng); cỏc giỏ trị của SNR [với việc hệ thống dựng mó sửa lỗi FEC mạnh] là 4, 5, 6 dB tựy vào tỷ lệ mó húa kờnh của mó sửa lỗi FEC; tổn thất thực thi (do việc lọc khụng lý tưởng, việc trộn,v.v…) là 3 dB.
Ta xột yờu cầu về cường độ tớn hiệu và tổn thất đường truyền tại mỏy thu theo cụng suất phỏt. Độ dự trữ để đối phú pha đinh đa đường và che chắn, M = PT+
GT+ GR – L – N – SNR – I, trong đú, M, N, và L lần lượt là độ dự trữ, cụng suất tạp õm, tổn thất đường truyền. Ta biểu diễn cụng suất tạp õm và suy hao đường truyền,N = -174 + 10log(R) + 10log(F) với R = 100 Mbit/s, 200 Mbit/s, và 500 Mbit/s và hệ số tạp õm F = 7 dB, L20log 4 dfc/c, fc = 2,850 MHz. Kết quả là, dự trữ đường truyền tớnh theo cỏc tốc độ dữ liệu khỏc nhau khi này được cho ở bảng
1.2c. Từ bảng 1.2c cho thấy, mức độ dự trữ cần thiết để đối phú với pha đinh đa đường che chắn của mụi trường truyền súng trong từng kịch bản.
Khả năng đề khỏng với pha đinh đa đường
Khe phổ gõy ra bởi pha đinh đa đường (nghĩa là, mức độ chọn lọc sõu của pha đinh chọn tần số do truyền súng đa đường) cú thể gõy ra mất phổ tần của hệ thống băng hẹp, dẫn đến làm suy thoỏi nghiờm trọng lờn hiệu năng của hệ thống băng hẹp. Tuy nhiờn, với hệ thống UWB cũng lượng phổ tần này là khụng đỏng kể (do băng tần rất rộng của UWB). Vỡ vậy, hệ thống UWB cú khả năng đề khỏng tốt đối với pha đinh đa đường và yờu cầu về độ dự trữ pha đinh là nhỏ hơn so với hệ thống băng hẹp. Điều này được minh họa ởhỡnh 1.6b.
Khả năng phõn giải thời gian
Xung hẹp và mức độ phõn giải cao của tớn hiệu UWB nảy sinh ý tưởng về xỏc định khoảng cỏch và định vị chớnh xỏc. Khả năng này được minh chứng bởi giới hạn dưới Cramer-Rao (CRLB) về sai số định vị (được xột chi tiết ở chương 2 và chương 3), đõy cũng là khả năng vượt trội của UWB so với hệ thống vụ tuyến băng hẹp. Vớ như: tại SNR =10 dB, băng thụng của tớn hiệu UWB = 500 MHz, hệ thống UWB khả đạt độ chớnh xỏc cỡ 2 cm, trong khi đú đối với hệ thống băng hẹp WLAN, 802.11a/g chiếm băng thụng 20 MHz chỉ đạt mức độ chớnh xỏc cỡ 50 cm. Mức độ phõn giải về thời gian cú được bởi tớn hiệu UWB là lợi thế nổi trội so với hệ thống băng hẹp. Và đõy cũng là lý do cho việc chọn kỹ thuật xử lý tớn hiệu ở phớa thu như: tương quan, kết hợp tớn hiệu và RAKE,v.v…
Hệ số trải phổ rất lớn
Từ việc phõn tớch quỹ đường truyền biểu lộ rằng, tốc độ dữ liệu cao là khả đạt tại cự ly ngắn. Hệ thống UWB cú hệ số trải phổ rất lớn (do băng thụng rất rộng của nú). Bằng việc trải phổ rộng dẫn đến giảm chi phớ về tốc độ dữ liệu, rất giỏ trị trong việc thương mại húa dịch vụ.
Phõn bổ phổ tần khụng loại trừ nhau
Điển hỡnh là, khi cỏc cụng nghệ/dịch vụ mới được xỏc lập, chỳng cần được cấp phổ tần riờng. Chi phớ để cú được phổ tần riờng được chuyển vào khỏch hàng. Tớnh hấp dẫn của hệ thống UWB là khụng cần phải phõn bổ phổ tần dành riờng. Về bản chất, UWB là cụng nghệ nền/chồng (underlay/overlay) phổ tần. Vỡ vậy, cho phộp nú chia xẻ phổ tần với người dựng sơ cấp (PU), người dựng được cấp phộp phổ tần.
Truy cập phổ tần động
Trong phõn bổ phổ tần truyền thống, phổ tần được phõn bổ dành riờng cho dịch vụ cụ thể. Cỏc nghiờn cứu đó chỉ ra rằng, phương phỏp phõn bổ phổ tần truyền thống dẫn đến nghẽn phổ và sử dụng phổ tần khụng hiệu quả. Mong muốn đem đến cho người dựng thứ cấp (SU) tận dụng phổ tần khụng được dựng. Truy cập phổ tần động (DSA) cung cấp phương phỏp cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần thụng qua việc thỏa hiệp của người dựng thứ cấp SU với người dựng sơ cấp PU.
Truy cập phổ tần động DSA thường được chia thành ba mụ hỡnh truy nhập, trong đú mụ hỡnh truy nhập phõn cấp là phự hợp nhất đối với hệ thống vụ tuyến hiện hành trong bối cảnh quy định của FCC. Hàm ý của mụ hỡnh truy nhập phõn cấp là chia sẻ cỏc băng tần cấp phộp của người dựng sơ cấp PU với người dựng thứ cấp SU nhưng vẫn đảm bảo hạn chế nhiễu lờn người dựng sơ cấp PU. Truy nhập phõn cấp bao gồm hai giải phỏp: chồng phổ (spectrum overlay) và lút phổ hay nền phổ (spectrum underlay). Trong phương phỏp chồng phổ, tồn tại hai loại người dựng: người dựng sơ cấp PU và người dựng thứ cấp SU, người dựng sơ cấp PU được ưu tiờn so với người dựng thứ cấp SU, người dựng thứ cấp SU chỉ được chiếm dụng phổ khi người dựng sơ cấp PU khụng chiếm dựng ở dạng truy cập phổ tần. Ngay khi người dựng sơ cấp PU được phỏt hiện, thỡ người dựng thứ cấp SU phải hoàn trả phổ tần này trong khoảng thời gian rất ngắn. Trong phương phỏp nền phổ, người dựng thứ cấp SU chiếm dụng phổ ở mọi thời điểm nhưng phải cú lý lịch phỏt xạ rất thấp và đảm bảo khụng gõy nhiễu lờn người dựng sơ cấp PU. Do lý lịch phỏt xạ rất thấp, nờn ảnh hưởng của người dựng thứ cấp SU lờn người dựng sơ cấp PU là bỏ qua
được. Kết cục là, trong phương phỏp chồng phổ chỉ cỏc vựng phổ khụng dựng được nhắm tới trong khi đú phương phỏp nền phổ nhận được lợi ớch về cỏc vựng phổ khụng được dựng.
Ta đó xột tớn hiệu UWB, cỏc quy định về UWB, cũng như truy cập phổ tần động DSA. Vấn đề đặt ra đối với ta là, UWB được coi là chồng phổ hay nền phổ. Cõu trả lời khụng chỉ phụ thuộc vào định nghĩa tớn hiệu UWB mà cũn phụ thuộc vào băng tần hoạt động, mức PSD và quốc gia/vựng lónh thổ cụ thể.
Ở Mỹ, quy định rất rừ ràng, thiết bị UWB được phộp hoạt động đồng thời với người dựng sơ cấp PU trong vựng tần số 3,1–10,6 GHz, với điều kiện mức phỏt xạ dưới ngưỡng -41,3 dBm/MHz. Hiển nhiờn là, phương phỏp nền phổ là khả dụng đối với thiết bị UWB. Đỏng tiếc, tỡnh thế cú phần khụng được rừ ràng ở nơi khỏc. Vớ dụ ở Nhật bản, thiết bị UWB cú thể hoạt động trờn cựng băng tần của người dựng sơ cấp PU miễn là làm việc ở băng tần trờn, nờn phương phỏp nền phổ là khả dụng. Tuy nhiờn, khi hoạt động ở băng tần dưới, thỡ PSD trở thành tham số then chốt. Nếu PSD nằm ở dưới mức ngưỡng -70 dBm/MHz, thỡ thiết bị UWB cú thể hoạt động đồng thời trong băng tần của người dựng sơ cấp. Điều này nằm trong vựng nền phổ. Nhưng nếu, -70dBm/MHz < PSD < -41,3dBm/MHz, thỡ ta phải xử lý theo phương phỏp truy nhập theo cơ hội và chồng phổ. Việc phõn loại đối với một số quốc gia và vựng lónh thổ thường được cho ở dạng bảng.