Bảng 1.2: Giới hạn FCC cho các hệ thống indoor và outdoor [4]
Dải tần số Indoor EIRP( dBm) Outdoor EIRP(dBm)
960 MHz – 1.61 GHz -75.3 -75.3
1.61 GHz – 1.99 GHz -53.3 -63.3
1.99 GHz – 3.1 GHz -51.3 -61.3
3.1GHz – 10.6 GHz -41.3 -41.3
14
1.1.3. Ưu điểm của UWB
(i). Khả năng chia sẻ phổ tần số
Yêu cầu về công suất của FCC cho các hệ thống UWB là -41,3 dBm/MHz,
bằng 75 nW/MHz, nằm dưới mức tạp âm nền của thiết bị thu băng hẹp thông
thường và cho phép tín hiệu UWB cùng tồn tại với các dịch vụ vô tuyến hiện tại mà không gây ra nhiễu hoặc giảm tối đa nhiễu.
Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào hình thức điều chế được sử dụng vì một số hình thức điều chế tạo ra các đường phổ rời rạc không mong muốn trong
PSD, có thểlàm tăng nhiễu của hệ thống UWB đối với các dịch vụ vô tuyến khác.
(ii). Dung lượng kênh truyền lớn
Một trong những ưu điểm chính của UWB là nâng cao dung lượng kênh truyền. Dung lượng kênh theo công thức Shannon:
C = Blog2(1+SNR) (1.10) với C là dung lượng kênh truyền tối đa (bps), B là dải thông kênh truyền (Hz), và SNR là tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm nguồn tại đầu vào của máy thu số. Dung
lượng kênh truyền C tăng tuyến tính với dải thông B. Vì vậy, hoàn toàn có thể đạt
được tốc độ dữ liệu lên đến Gbps với băng thông lên đến hàng GHz dành cho tín
hiệu UWB. Tuy nhiên, do giới hạn về công suất phát UWB của FCC, tốc độ dữliệu
cao chỉdành cho những ứng dụng trong phạm vi ngắn trong khoảng 10 m. Điều này
làm cho các hệ thống UWB trở thành công nghệtương lai cho các ứng dụng không dây phạm vi ngắn, tốc độ dữliệu cao như mạng không dây cá nhân (WPANs), cho
các ứng dụng trong quân sự, dân sự, và các lĩnh vực thương mại khác.
(iii). Khả năng làm việc với SNR thấp
Công thức Hartley-Shannon cho dung lượng kênh truyền tối đa cũng cho
thấy rằng dung lượng kênh còn phụ thuộc vào SNR. Vì vậy, hệ thống thông tin UWB có thể làm việc trong những kênh thông tin với SNR thấp mà vẫn đạt được
dung lượng kênh lớn nhờ dải thông rộng.
15
Không giống phổ tần số băng hẹp đã được xác định, phổ UWB trải ra trên một dải tần số rộng và tín hiệu UWB có độ lợi xử lý (processing gain PG). Độ lợi xửlýcao sẽlàm tăng tính kháng cự của tín hiệu đối với nhiễu.
Sự phân tập tần sốgây ra do PG cao sẽlàm cho tín hiệu UWB có tính kháng cựcao với nhiễu chủý và không ý, vì không nguồn nhiễu nào có thểảnh hưởng đến tất cả các tần số trong phổ tần UWB. Vì vậy, nếu một vài tần số bị nhiễu, vẫn còn một dải lớn tần số không bị ảnh hưởng. Tuy nhiên, sự kháng cự nhiễu này chỉ so
sánh giữa hệ thống băng hẹp và băng rộng.
(v). Xác suất bị chặn thấp
Hệ thống thông tin UWB khó bị chặn và dò được do công suất truyền trung bình rất thấp. Với công suất truyền như vậy, các thiết bị nghe trộm phải rất gần với thiết bị phát (khoảng 1m) để có thể dò được thông tin được truyền đi. Hơn nữa,
xung UWB được điều chế theo thời gian với mã duy nhất cho từng cặp máy
phát/thu. Điều chếtheo thời gian với xung có độ rộng rất hẹp càng tăng thêm tính bảo mật vì dò xung ps mà không biết thời gian xung đến hầu như không thể. Vì vậy, hệ thống UWB hứa hẹn đạt được hệ thống bảo mật cao, xác suất bị chặn và phát hiện thấp cho các hoạt động quân sự.
(vi). Khả năng chống đa đường
Fading xuất hiện như là một khái niệm có trạng thái cốđịnh có liên quan đến
đa đường. Đa đường xuất hiện khi một hoặc nhiều hơn tiếng vọng của một tín hiệu tới một bộ thu theo nhiều độ trễ khác nhau. 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 phá vỡ và không thể được tách.
Các xung UWB đủ hẹp sao cho hai tiếng vọng liên tiếp không xung đột và có thểđược nhận dạng tiếp theo là được thêm vào các ký hiệu tương ứng. Nếu như các xung có độ rộng 1 ns, để xảy ra xung đột, hai tiếng vọng phải có đường đi mà độ lệch vềkhoảng cách dưới 30 cm. Nếu như xung chỉcó độ rộng 0.2 ns thì các đường
16
này chỉ cách nhau 6 cm. Xác suất của sự xuất hiện này trong môi trường trong nhà
thì nhỏhơn nhiều so với trường hợp tín hiệu băng hẹp.
1.1.4. Ứng dụng nổi bật của UWB
Những đặc điểm của UWB như băng thông siêu rộng, công suất thấp, truyền tín hiệu tốc độcao – khoảng cách ngắn, khảnăng kháng nhiễu, thiết bị thu giá thành thấp, định vị chính xác… đã đưa công nghệ này thành công nghệ không dây cho tương lai với rất nhiều ứng dụng trong quân sự, dân sựvà thương mại.
Hình 1.5: Tổng quan vềcác ứng dụng mà UWB có thểcung cấp [Nguồn: ERCIM
News]
1.1.4.1. Trong lĩnh vực truyền thông và cảm biến
(i). Tốc độ dữ liệu thấp
Các thiết bị tốc độ dữliệu thấp xung quanh chúng ta trong thế giới công nghệ nhưng chúng thường được nối bởi dây dẫn hoặc cáp. Chúng ta sử dụng các thiết bị này để nhập dữliệu vào hoặc lấy dữliệu từcác máy tính, để phát hiện những kẻđột nhập vào nhà, và để cho vô vàn mục đích khác. Theo cách thức có hiệu quả, các thiết bị dữ liệu tốc độ thấp có thể là không dây, nhưng giải pháp trên thị trường
17
ngày nay bị ràng buộc bởi nhiễu tầm nhìn thẳng với các thiết bị khác, các vấn đề
công suất, ngoài ra các vấn đề khác thì không quan trọng lắm trong việc đạt được một thoả hiệp hoàn hảo. UWB không bị giới hạn bởi tầm nhìn thẳng đột ngột như là
ánh sáng hồng ngoại, vì chiều dài sóng lớn khi so sánh và có thể uốn cong hoặc truyền xuyên qua các đối tượng mà không gặp trở ngại gì về kết nối. Nó cũng bịảnh
hưởng bởi các bóng và nhiễu của ánh sáng có liên quan khác nhưng ít hơn trường hợp ánh sáng hồng ngoại. Vì UWB hoạt động ở mức công suất rất thấp và theo phương thức không liên tục, nhiễu cũng không đáng kể - điều đó có nghĩa là hàng trăm thiết bị có thểhoạt động trong cùng một không gian mà không xâm phạm đến mỗi thiết bị khác. Trước hết chúng ta xét chi tiết hơn ứng dụng đầu tiên mà cũng là ứng dụng quan trọng nhất của UWB, WPAN, một lĩnh vực đang tạo ra cho UWB
những lợi thếto lớn trên thịtrường thiết bị.
(ii). Mạng không dây Adhoc
Ý tưởng của mạng Adhoc (theo tiếng Anh có nghĩa là "vì mục đích") là xây
dựng một mạng kết nối (chủ yếu là vô tuyến) giữa các thiết bị đầu cuối mà không cần phải dùng các trạm thu phát gốc (BS). Các thiết bị đầu cuối sẽ tự động bắt liên lạc với nhau để hình thành nên một mạng kết nối tạm thời dùng cho mục đích
truyền tin giữa các nút mạng. Vì các nút mạng di chuyển nên việc định tuyến sẽ thay đổi theo thời gian.
Trong mạng không dây Adhoc, mỗi nút mạng có thể hoạt động như 1 đầu cuối và như 1 router. Việc này cung cấp mức tự trị cao hơn so với kiến trúc thông
tin liên lạc cố định truyền thống. Tuy nhiên, vị trí cả các nút mạng, sự giới hạn về
mức tiêu thụnăng lượng của các đầu cuối (sử dụng pin) và nhiễu đa đường là những vấn đề chính trong mạng không dây Adhoc. UWB là một ứng dụng mới có thể giải quyết những vấn đề trên nhờ khả năng xác định vị trí chính xác, khả năng chống
fading cũng như công suất phát thấp. Ngoài ra, thông lượng là yếu tốđánh giá chất
lượng của hệ thống.
18
Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến độc lập nhau trên một khu vực nhất định. Các nút cảm biến được sử dụng để giám sát một số hiện tượng vật lý trong môi trường (như nhiệt độ, độẩm, vị trí, tốc độ, sự chuyển động, v.v…). UWB có thểlà một công nghệdành cho WSN bởi vì có thể tạo ra thiết bị công suất phát thấp kết hợp giữa cảm biến vị trí và khả năng truyền không dây. Máy thu và anten UWB có công suất thấp và giá thành rẻ.
(iv). RFID
RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ xác nhận đối tượng bằng sóng vô tuyến, tương tự như barcode, sử dụng sóng vô tuyến để nhận dạng đối
tượng. Một ưu điểm đặc biệt của RFID là không cần hoạt động trong tầm nhìn thẳng LOS (line-of-sight). Phạm vi nhận dạng của RFID rộng hơn so với barcode.
Bộ nhận dạng RFID có thể nhận dạng đồng thời nhiều đối tượng. Vấn đề cơ bản
trong công nghệ trong công nghệ RFID là bảo đảm kết nối đến đối tượng nhận dạng, xác định chính xác vị trí và có thểđảm bảo liên lạc với cảm biến khi cần. Tuy
nhiên, do giá cả và kích thước, RFID bị giới hạn ở một tập hẹp các ứng dụng. Công nghệ UWB với khảnăng cung cấp kết nối cũng như khả năng xác định vị trí chính xác mang lại những triển vọng mới cho các ứng dụng RFID. UWB RFID tag và bộ
nhận dạng đối tượng nhỏ và có giá thành thấp.Thách thức lớn cho RFID là vấn đề
bảo mật các nhân. Tín hiệu RFID được trải rộng trên phổ tần số làm cho RFID an toàn hơn.
(v). Các thiết bị điện tử và máy tính cá nhân
UWB có khả năng truyền tốc độ cao trong khoảng cách ngắn. Đặc điểm này rất quan trọng đối với thị trường thiết bị điện tử như DVD player, máy quay kỹ
thuật số, MP3 player, TV kỹ thuật số, v.v…UWB có khả năng cung cấp phương
thức kết nối không dây giữa các thiết bịngoại vi này với PC hoặc điện thoại di động
và đặc biệt hiệu quả với các kết nối đòi hỏi tốc độ cao như kết nối đến HDD ngoài
và màn hình. Công nghệnày loại bỏ các kết nối hữu tuyến giữa các thiết bị điện tử và tăng tính di động, linh hoạt cho người sử dụng. Ví dụ truyền dòng HDTV (High
Definition Television) từ hộp chuyển đổi tín hiệu từ cáp TV (set-top box) hoặc từ
19
Serial Bus) không dây để truyền dữ liệu ở tốc độ 480 Mbps giữa các thiết bị khác nhau của một máy tính. Đối với các ứng dụng này, UWB đang cạnh tranh với mạng cục bộ không dây (WLAN) dựa trên kỹ thuật đa anten, chẳng hạn như chuẩn 802.11n vừa xuất hiện, với mục đích đạt được tốc độ dữliệu cao. UWB có ưu điểm
là chi phí thấp, tốc độ dữliệu cao hơn trong khi đó WLAN có thểđạt được khoảng cách xa hơn. Với mục đích nâng cao hơn nữa tốc độ dữliệu, sự kết hợp giữa UWB và kỹ thuật anten MIMO (Multi-Input Multi-Output) đang được nghiên cứu: thiết kế
các mảng anten thích hợp, xử lí tín hiệu khác với trường hợp băng hẹp và vấn đề
truyền dẫn .
(vi). Kết nối đa phương tiện vô tuyến cho các thiết bị CE
Liên quan mật thiết với kết nối ngoại vi PC là kết nối đa phương tiện vô tuyến cho thiết bị điện tử âm thanh và hình ảnh cho người tiêu dùng (CE). Lợi ích mà các kết nối này đem lại về mặt tốc độ thì cũng không thua kém các kết nối hữu tuyến, nhưng lợi ích to lớn nhất mà kết nối vô tuyến này đem lại là sự dễ dàng trong
khi sử dụng và hiệu quả truyền dữ liệu cao. UWB có thể kết nối một màn hình
plasma treo tường hoặc HDTV đến một STB hoặc một bộ chạy DVD, mà không gặp khó khăn gì và đảm bảo tính thẩm mỹdo không có cáp. UWB cũng có thể tạo ra đa luồng tới đa thiết bị đồng thời. Điều này tạo ra nhiều điều vô cùng hấp dẫn ví
như khả năng xem nội 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, như máy quay
xách tay số đến PC để sử dụng các trình xửlý ảnh số hoặc tới một LCD cỡ lớn để
xem. Kết nối một máy ảnh sốđến một máy tính cá nhân xách tay để chỉnh sửa, biên dịch, và gửi ảnh thông qua e-mail đến một thành viên trong gia đình trong khi đang
ngồi ở một hotspot công cộng. UWB đề xuất nhiều lợi ích độc nhất cho các loại sử
dụng này. Các thiết bịCE xách tay, như máy quay số, máy ảnh số, bộ chạy MP3, và bộ chạy video cá nhân được mong đợi sẽ tạo ra một thị trường chính của UWB thời kỳđầu.
(vii). Tốc độ dữ liệu cao
Các ứng dụng sớm nhất của UWB sẽ lấy các nhu cầu thị trường cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao hơn đang tồn tại làm trọng tâm. Tuy nhiên, nhu cầu không
20
dây có khảnăng đa phương tiện đã đang ép buộc những hành động mới của tổ chức chuẩn hoá không dây. Giải pháp UWB sẽ nổi lên với các tính năng hoàn toàn phù
hợp với các ứng dụng này bởi vì băng tần khả dụng cao. Đặc biệt, các ứng dụng đa phương tiện mật độcao, như là dùng trực tuyến đa phương tiện tại các “ điểm nóng”
như sân bay hoặc trung tâm hàng hoá thậm trí cảcác đơn vị cộng đồng, sẽ yêu cầu
băng tần không như công nghệ “băng hẹp” sóng liên tục hiện tại. Khả năng đóng
gói chặt “ các tế bào” UWB băng tần cao vào các vùng này mà không làm giảm chất lượng sẽthúc đẩy sự phát triển các giải pháp UWB.
1.1.4.2. Trong lĩnh vực y học
(i). Các thiết bị không dây không tiếp xúc (non-contact based)
Các phòng phẫu thuật phải duy trì điều kiện vô trùng để tránh bị nhiễm trùng. Một vấn đềchung là khi các dụng cụkhông được vô trùng phải được sử dụng (ví dụnhư bật bóng đèn hoặc sử dụng bút để ghi lại diễn biến) trong quá trình phẫu thuật. Vì vậy, việc sử dụng các thiết bị không tiếp xúc là cực kỳ quan trọng. UWB có thể thực hiện được yêu cầu này, sẵn sàng được điểu chỉnh để có thể xây dựng các thiết bị không dây không tiếp xúc nhằm thiết kế một phòng phẫu thuật ‘thông minh” mà các lệnh có thểđược truyền không dây đến đến các thiết bị thực hiện. Tính chất truyền dẫn của UWB cũng giúp tránh được nhiễu giữa các thiết bị y tế.
(ii). Quản lý từ xa liên tục
UWB là công nghệ thích hợp để quản lý bênh nhân từ xa và có thể thay thế
siêu âm. Bênh nhân có thể được quản lý từ xa mà không phải cấy ghép trong khoảng thời gian dài mà không bị gián đoạn. Một ví dụđiển hình là chăm sóc bà mẹ
và trẻ em từ xa mà không phải tiếp xúc. Một ứng dụng của UWB cho RFID trong môi trường y tế là theo dõi tình trạng và vị trí chính xác của bênh nhân, của nhân viên và của các thiết bị quan trọng. Ngoài ra công nghệ UWB còn tích hợp trong
cảm biến đểtheo dõi nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ, dấu hiệu sự sống và có thể truyền dữliệu không cần dây. Điều này giúp bệnh nhân thoải mái hơn cũng như đơn giản hóa công tác quản lýtrong bệnh viện.
21
Thiết bị UWB hoạt động với công suất rất thấp. Mức công suất truyền dẫn yếu và nghiên cứu cho thấy an toàn với con người. Vì vậy, công nghệ này có thể sử
dụng để giám sát bệnh nhân trong một thời gian dài với năng lượng pin thấp mà không gây ra bất cứ tác dụng phụ có hại nào.
Một điểm thu hút lớn đối với các thiết bị UWB là có thể được xây dựng từ
những thiết bị điện tử có sẵn (Trung tâm nghiên cứu Philips tại Eindhoven, Hà Lan,
đã chứng minh có thể sử dụng đồng 5 cent đểlàm anten truyền dẫn UWB). Các sản phẩm y tế UWB rẻ, dễ sử dụng, có thể mở rộng đã sẵn sàng để đáp ứng với bất cứ