Chương 2 Giới thiệu về chuẩn IEEE802.15.4a
2.1 Giới thiệu chuẩn IEEE805.4a
IEEE 802.15.4 là họ các chuẩn đưa ra cấu trúc khung cho công nghệ UWB nhằm đáp ứng các yêu cầu cho dữ liệu truyền tốc độ thấp, công suất thấp trong phạm vi hẹp và có khả năng thương mại hóa các sản phẩm.
Phiên bản đầu tiên của chuẩn IEEE802.15.4 được đưa ra vào năm 2003 . Phiên bản này sử dụng kỹ thuật băng rộng và thực hiện trải phổ trực tiếp (DSSS) cung cấp ba tần số hoạt động khác nhau bao gồm: 2.4 GHz cho băng tần ISM, 868 MHz cho Châu Âu và 915MHz cho Bắc Mỹ. Băng tần 2.4 GHz hỗ trợ mười sáu kênh với khoảng bảo vệ giữa các kênh là 5 MHz. Dải tần hoạt động từ 2400-2483.5 MHz, sử dụng 32 bit mã giả ngẫu nhiên và phương thức điều chế O-QPSK để điều chế symbol với tốc độ 250 bit/s. Trong khi đó thì băng tần 868MHz được định nghĩa cho một kênh và băng tần 915 MHz là mười kênh, với tốc độ hỗ trợ tương ứng là 20 kb/s và 40 kb/s. Nhằm tăng hiệu quả thực hiện giao tiếp trong mạng cục bộ tốc độ thấp (LR-PAN), một nhóm tác giả đã nghiên cứu nâng cấp chuẩn năm 2003 lên nhằm giảm những chi tiết thừa, và tăng tốc độ của máy thu phát trong phiên bản cũ và cho ra đời phiên bản mới vào tháng 6 năng 2006. Phiên bản này sẽ tăng tốc độ đối với băng tần 868 MHz và 915 MHz lên tương ứng 100 kb/s và 250 kb/s cho trường hợp trải phổ trực tiếp DSSS và điều chế O-QPSK, còn nếu sử dụng phương pháp trải phổ song song PSSS và điều chế BPSK và ASK cho tốc độ lên tới 250kb/s đối với cả hai trường hợp. Cùng thời điểm nghiên cứu của phiên bản 2006 thì một nhóm tác giả khác (TG4a) cũng nghiên cứu chuẩn IEEE 802.15.4 này với mục tiêu tăng khả năng định vị, giám sát trong LR-PAN. Nghiên cứu này cho ra đời chuẩn 802.15.4a được ban hành vào tháng 3 năm 2007. Chuẩn này được dùng cho cả hai loại máy thu noncoherent và máy thu coherent và hứa hẹn sẽ có cơ hội đưa ra các sản phẩm thương mại. Trong đồ án này chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ về cấu trúc vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4a được ban hành vào năm 2007
Thời gian gần đây vào năm 2009 xuất hiện thêm hai phiên bản khác của chuẩn IEEE802.15.4 do hai nhóm (TG4c và TG4d) nhằm giới thiệu một cấu trúc vật lý PHY để thay thế cho phiên bản 2007. Chuẩn do nhóm TG4c đưa ra nhằm phù hợp với băng tần đã có của T rung Quốc gọi là IEEE 802.15.4c. Một chuẩn khác do TG4d đưa ra vào tháng 3 năm 2009 phù hợp với băng tần của Nhật gọi là IEEE 802.15.4d. Trong đoạn này chúng ta sẽ tìm hiểu về chuẩn
802.15.4a được ban hành vào năm 2007 cho mạng WPAN.
IEEE 802.15.4a-2007 Chuẩn IEEE 802.15.4a đưa ra hai định dạng vật lý
chính cho công nghệ IR-UWB và cho công nghệ trải phổ trực tiếp CSS.Với công nghệ IR-UWB, chuẩn này hỗ trợ ba dải tần khác nhau, trong khi đó với công nghệ CSS nó chỉ hoạt động ở t ầ n số 2.4GH z ISM.Ở đây chúng ta quan tâm tới công nghệ UWB, do đó các đặc điểm định dạng PHY cho IR-UWB sẽ được tìm hiểu trong chương này. Ba dải tần mà công nghệ IR-UWB có thể sử dụng.
• Sub-GHz: 250–750 MHz
• Băng tần thấp: 3.244–4.742 GHz • Băng tần cao: 5.944–10.234 GHz
Hỗ trợ cho ba dải tần này có 16 kênh khác nhau trong các môi trường khác nhau (văn phòng, trong nhà, LOS, NLOS. . . ). Trong đó có một kênh cho Sub-GHz, bốn kênh cho băng tần thấp và mười một kênh cho băng tần cao. Các kênh này cùng với tần số trung tâm của nó cũng như đặc điểm của mỗi kênh được cho trong bảng 2.1 . Trong đó có kênh số 3 cho băng tần thấp và kênh số 9 cho băng tần cao là bắt buộc phải theo, các kênh còn lại là tùy chọn.
Bảng 2.: Phân bố kênh cho UWB theo chuẩn IEEE 2.2 Cấu trúc khung tín hiệu IEEE802.15.4a
Theo IEEE–S A, tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a được phát đi dưới dạng các khung tín hiệu, mỗi khung được cấu tạo gồm ba phần:
• Tiêu đề đồng bộ (SHR-Synchronization HeadeR): gồm hai đoạn mào đầu đồng bộ (SYNC-SYNChronization preamble) và giới hạn khung(SFD - Start of Frame Delimiter), được phát đi đầu tiên và có chức năng hỗ trợ cho máy thu thực hiện các thao tác đồng bộ, định thời, khôi phục tần số và ước lượng kênh.
• Tiêu đề lớp vật lí (PHR-Physical-layer HeadeR): được gắn ngay sau phần SHR và truyền tải những thông tin cần thiết giúp máy thu giải mã thành công tín hiệu được phát đi như độ rộng phần mào đầu, tốc độ truyền tải dữ liệu, kích thước phần tải tin (chứa dữ liệu) và các bit sửa sai.
• Phần dữ liệu (PSDU –PHY Service Data Unit): được truyền đi sau cùng và mang dữ liệu mong muốn.
Trong kỹ thuật điều chế BPM-BPSK, một symbol UWB có thể mang hai bít thông tin trong đó một bít để điểu chế cho vị trí của nhóm xung và bít còn lại dùng để điều chế pha hay tính phân cực của chính nhóm xung đó. Tuy nhiên bít thông tin thứ hai chủ yếu là thông tin dư thừa, nếu sử dụng vị trí của nhóm xung để xác định bít thông tin là ’0’ hay ’1’ thì bít để điều chế độ phân cực của nó sẽ là dư thừa và ngược lại vì chúng ta chỉ cần một trong hai thông tin để xác đinh được bit truyền đến là bít gì. Tuy nhiên để phù hợp cho nhiều lựa chọn khác nhau của máy thu, chuẩn đưa ra một sự kết hợp nhằm phục vụ cho yêu cầu đó. Hình 2.1 đưa ra một cấu trúc symbol
Hình 2.: Cấu trúc symbol UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a
Ở đây, một symbol sẽ bao gồm N
c chip, mỗi chip có độ rộng Tc. Chiều dài của một symbol gọi là T
dsym , Tdsym = Nc ∗ Tc. Ngoài ra, mỗi symbol được chia ra là hai khoảng có độ dài T
BP M = Tdsym /2, mỗi đoạn này sẽ điều chế vị trí các bít. Ví dụ như bit ’0’ thì tín hiệu sẽ được điểu chế ở nửa T
BPM đầu tiên, bit ’1’ sẽ được được điều chế nửa kia và ngược lại. Tín hiệu điều chế cho các bit ’0’ và bit ’1’ được cho dưới dạng các burst, mỗi burst này bao gồm N
cpb các chip khác nhau (1,16,64. . . ) được nằm đặt trong một khoảng có độ dài là T
burst = Ncpb ∗ Tc, số lượng các chip sẽ quyết đinh tốc độ dữ liệu. Vị trí của burst nằm ở nửa thứ nhất hay nửa thứ hai của symbol sẽ quyết
định bit thông tin đó là bit ’0’ hay ’1’. Ngoài ra, thì mỗi burst này cũng được điều chế pha (-1 hoặc 1) sử dụng để chỉ bít thông tin thứ hai.
Mỗi symbol phát đi chỉ bao gồm một burst tín hiệu. Để sử dụng cho việc tránh nhiễu khi có nhiều người dùng, thì các burst này sẽ được cho vào các vị trí theo một mã hopping. Tổng số vị trí trong một symbolcủa burst là N
burst được tính bằng N
burst = Tdsym /Tburst . Thêm vào đó để tránh nhiễu liên ký tự ISI, thì số vị trí thực sự mà một burst được đặt vào là N
hop = Nburst /4 trong mỗi một khoảng BPM và thường thì T
burst<<TBP M .