Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu và thực
hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quang Hiếu.
Học viên
Dương Tấn Nghĩa

1


Mục lục
Lời cam đoan

1

Danh mục từ viết tắt

5

Danh sách hình vẽ

6

Danh sách bảng

9

Lời mở đầu

10

1 Giới thiệu chung


21

1.3.2

Phần tiêu đề lớp vật lý (PHR) và tải dữ liệu (PSDU) . . . . .

24

Đặt vấn đề và phạm vi luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

1.4

2 Mô hình kênh UWB IEEE 802.15.4a
2.1

27

Mô hình kênh Saleh-Valenzuela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.1.1

Nguyên lý chung về kênh đa đường . . . . . . . . . . . . . . .

28



Những đặc điểm và tham số chính của mô hình kênh UWB
IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

2.2.2

Môi trường hoạt động của thiết bị UWB IEEE 802.15.4a . . .

40

2.2.3

Tham số hóa mô hình kênh UWB cho dải tần 2 − 10GHz . . .

41

2.2.4

Một số lưu ý về quy trình đo kênh UWB IEEE 802.15.4a . . .

42

2.2.5

Cách thức xác định các thông số của môi trường . . . . . . . .

44


Xác định phần PHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

Mô phỏng và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

3.4.1

Đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

3.4.2

Đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

Nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

3.4

3.5

4 Đa người dùng trong IEEE 802.15.4a


Mô phỏng và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

Nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

4.3

3


MỤC LỤC

5 Triển khai bộ xử lý băng gốc UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink

84

5.1

Hệ thống thu-phát UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink . . . . . . . .

85

5.2

Khối đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

Danh mục từ viết tắt
ADC
BPF
BPM-BPSK
CM
CMOS
DARPA
DSP
ETSI
FCC
FET
FPGA
GPS
HDL
IEEE
LPF
PDP
PHR
PSDU
SFD
SHR
SYNC
VLSI
WPAN
UWB

Analog to Digital Converter
Band-Pass Filter
Burst Position Modulation - Binary Phase-Shift Keying
Channel Model

15

Hình 1.2

Xung Gauss bậc 2 có độ rộng 2ns . . . . . . . . . . . . . . . .

19

Hình 1.3

Cấu trúc phần SHR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

Hình 1.4

Cấu trúc của một kí tự dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a . .

24

Hình 2.1

Sơ đồ tầng 1 Phòng thí nghiệm AT&T Bell và các vị trí đặt
máy thu-phát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

Hình 2.2

Mô hình tiến hành thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . .


Hình 3.3

Quá trình xác định mảng gi ứng với từng nhóm mẫu yi

. . .

54

Hình 3.4

Sơ đồ các bước thực hiện thuật toán đồng bộ tinh . . . . . . .

56

Hình 3.5

Cách thức ước lượng τ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

6


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 3.6

Minh họa dạng xung q(t) (bỏ qua tạp âm) . . . . . . . . . . .



63

Hình 3.11

So sánh giữa ngưỡng mới λ với λ trong [1] khi Ts = 16ns . . .

64

Hình 3.12

So sánh giữa ngưỡng mới λ với λ trong [1] khi Ts = 2ns . . .

65

Hình 3.13

So sánh công suất giữa các phần của một khung tín hiệu UWB
IEEE 802.15.4a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 3.14

Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị
khác nhau của K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 3.15

69

Hiệu quả hoạt động của thuật toán đồng bộ thô với các giá trị

Xác suất lỗi của thuật toán phát hiện PHR với các giá trị khác
nhau của Ts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 4.1

72

74

Cấu trúc của một kí tự dữ liệu PHR/PSDU trong trường hợp
8 người dùng tuyến xuống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

Hình 4.2

Giải mã dữ liệu đa người dùng khi sai lệch đồng bộ bằng Tburst /2 79

Hình 4.3

Giải mã dữ liệu đa người dùng (giả thiết đồng bộ chính xác) .

7

81


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 4.4


91

Hình 5.5

Khối giải mã UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng . . . . .

92

Hình 5.6

Khối phát UWB IEEE 802.15.4a cho 4 người dùng . . . . . .

93

Hình 5.7

Đồng mô phỏng hệ thống UWB IEEE 802.15.4a trên Simulink
và HDL/FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

Hình 5.8

Kết quả của quá trình đồng mô phỏng . . . . . . . . . . . . .

95

Hình 5.9




Lời mở đầu
Trong những năm cuối thế kỉ 20, đầu thế kỉ 21, thế giới chứng kiến sự bùng nổ mạnh
mẽ của các kĩ thuật truyền thông vô tuyến cũng như sự phổ biến rộng rãi của các
ứng dụng không dây trong mọi mặt của đời sống. Có thể liệt kê ra hàng loạt những
công nghệ vô tuyến đã trở nên rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày của chúng
ta như hệ thống thông tin di động (GSM/3G/4G-LTE), hệ thống định vị toàn cầu
(GPS/Galileo/Glonass) hay công nghệ wifi (802.11a/b/g/n/ac). . . Tuy nhiên, những
yêu cầu của cuộc sống hiện đại đối với các hệ thống thông tin vô tuyến luôn gia tăng
không ngừng. Ngày nay, chúng ta luôn mong muốn sở hữu những hệ thống không
dây với độ linh hoạt cao, có khả năng truyền tải dữ liệu ở tốc độ lớn hay có thể định
vị chính xác tới mức cm nhưng đồng thời phải có công suất tiêu thụ thấp (kéo dài
thời gian sử dụng pin của thiết bị hay góp phần làm “xanh” môi trường) và giá thành
triển khai rẻ để dễ dàng đưa ứng dụng vào cuộc sống. Không những vậy, với nguồn
tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm và chật chội, việc phát triển một công nghệ
không dây mới thỏa mãn các tiêu chí trên mà không gây ảnh hưởng đến các hệ thống
vô tuyến hiện hành luôn nhận được sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu không chỉ của
giới khoa học mà còn của các tổ chức, tập đoàn công nghiệp trên khắp thế giới.
Kĩ thuật truyền thông băng siêu rộng (UWB - Ultra-WideBand ) là một công nghệ
mới có khả năng giải quyết đồng thời các yêu cầu trên nhờ vào những đặc tính riêng
có của nó. Tuy nhiên, ngoài những lợi thế đặc biệt của mình, kĩ thuật UWB cũng gặp
phải không ít rào cản kĩ thuật cần phải vượt qua nếu muốn đưa vào ứng dụng rộng
10


DANH SÁCH BẢNG

rãi trong thực tế. Việc sử dụng các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ
ns) để truyền tín hiệu không chỉ đòi hỏi máy thu cần sử dụng bộ ADC tốc độ cao (cỡ


12


Chương 1
Giới thiệu chung
Chương đầu của luận văn được dành để trình bày những khái niệm cơ bản về truyền
thông băng siêu rộng (UWB) và các kiểu máy thu UWB thường được triển khai trên
thực tế. Ngoài ra, cấu trúc khung tín hiệu UWB theo chuẩn IEEE 802.15.4a dành
cho mạng vô tuyến cá nhân (WPAN - Wireless Personal Area Network ) cũng sẽ được
mô tả một cách chi tiết. Phần cuối cùng của chương sẽ đề cập đến bài toán mà luận
văn này mong muốn giải quyết cũng như phạm vi triển khai của luận văn.

1.1
1.1.1

Khái niệm UWB
Định nghĩa UWB và vấn đề quy chuẩn

Định nghĩa đầu tiên về một tín hiệu băng siêu rộng (UWB -Ultra-WideBand ) được
đưa ra vào năm 1990 bởi DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) [6].
Theo định nghĩa này, một tín hiệu được xem là băng siêu rộng khi có băng thông
tương đối Wf rac lớn hơn 0.25, với

Wf rac = 2

fH − fL
fH + fL

13

14


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

Hình 1.1: Mặt nạ phổ UWB do tổ chức FCC quy định dành cho các ứng dụng trong
nhà
Kĩ thuật UWB dựa trên việc phát đi các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời
gian (cỡ ns hoặc nhỏ hơn nữa) với mật độ phổ công suất rất thấp. Do những đặc tính
riêng có này, UWB có một số ưu điểm so với các hệ thống băng hẹp truyền thống.
Có thể liệt kê ra một vài tính năng quan trọng của kĩ thuật UWB như:
• Truyền dữ liệu tốc độ cao trong phạm vi trung bình và ngắn: điều này
đạt được bằng cách phát đi các xung cực hẹp trong miền thời gian sử dụng các
mạch đóng-ngắt tốc độ rất cao và đồng bộ chính xác ở máy thu.
• Triển khai các thiết bị có độ phức tạp thấp với chi phí rẻ: dựa trên
việc phát các xung trực tiếp từ antenna, bỏ qua bước trộn tần RF [18], nhờ đó
15


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

hệ thống có thể triển khai trên nền tảng CMOS với những ưu thế vượt trội về
công suất tiêu thụ và chi phí so với nền tảng SiGe khi phải sử dụng các thành
phần cao tần RF [17]. Như vậy, các hệ thống UWB không sóng mang cho phép
chế tạo các bộ thu-phát đơn giản và giá thành rẻ cho các ứng dụng như mạng
cảm biến, định vị - dò đường,... [12], [15].
• Loại bỏ nhiễu đa đường: xuất phát từ bản chất của UWB là sử dụng các
xung cực hẹp trong miền thời gian với băng thông siêu rộng, nhờ đó có khả
năng chống lại hiệu ứng đa đường hay giao thoa từ các hệ thống khác.
Bên cạnh FCC của Mỹ, tại châu Âu cũng có một số tổ chức độc lập đưa ra những

kiệm năng lượng lên hàng đầu. Với yêu cầu đặt ra, các giải thuật xử lý tín hiệu
ở máy thu dạng này thường không cần sử dụng các bộ ADC tốc độ cao, rất
thích hợp để triển khai cho các sensor (các node) trong mạng.
Dù được định nghĩa như thế nào, xuất phát từ tên gọi "băng siêu rộng", có thể
nhận thấy tín hiệu UWB là các xung có độ rộng rất hẹp trong miền thời gian (cỡ ns).
Theo chuẩn IEEE 802.15.4a, dạng xung của tín hiệu UWB được truyền đi p(t) chịu
sự ràng buộc bởi dạng hàm tương quan chéo của nó với một xung tham chiếu r(t).
Cụ thể, hàm tương quan chéo chuẩn hóa giữa hai dạng xung này được định nghĩa là

φ(τ ) =

1
Re
Er Ep

∞

r(t)p∗ (t + τ )dt

−∞

trong đó, Er và Ep lần lượt là năng lượng của xung r(t) và p(t). Xung tham chiếu
r(t) được sử dụng trong công thức trên có dạng
sin[(1−β)πt/Tp ]

4β cos[(1 + β)πt/Tp +
4β(t/Tp )
r(t) =
2
(4βt/Tp ) − 1


0.2

{4, 11 }

0.75

0.2

15

0.74

0.2

Bảng 1.1: Độ rộng xung tham chiếu theo chuẩn IEEE 802.15.4a
Để một máy phát UWB tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4a, xung p(t) phải
thỏa mãn búp sóng chính của |φ(τ )| ≥ 0.8 trong một đoạn có độ rộng tối thiểu Tw
được chỉ ra trong Bảng 1.1 và không có búp sóng phụ nào vượt quá 0.3. Về mặt lý
thuyết, có khá nhiều dạng xung thỏa mãn quy định của IEEE 802.15.4a. Tuy nhiên,
trên thực tế được sử dụng phổ biến nhất trong UWB là hai dạng: xung Butterworth
bậc 8 và xung Gauss (cùng các dạng vi phân của nó) có băng thông 3dB là 500MHz.
Trong luận văn này, dạng xung p(t) được lựa chọn là vi phân bậc 2 của xung Gauss
do tính đơn giản và tiện lợi trong quá trình tạo xung [2]. Phương trình (1.1) mô tả
một xung Gauss với hệ số tỉ lệ thời gian σ.

g(t) = √

1
2πσ 2

0.02
0.01
0
−0.01
−0.02
−0.03

0

0.5

1
Time (ns)

1.5

2

Hình 1.2: Xung Gauss bậc 2 có độ rộng 2ns
bởi các hiệu ứng đa đường và lựa chọn tần số xuất phát từ những đặc tính vật lý
riêng biệt của tín hiệu UWB [11], [9]. Ngoài ra, những hiệu ứng từ antenna cũng gây
ra hiện tượng tán xạ xung khiến cho cao độ và góc phương vị thay đổi [3], [2]. Do
những yếu tố trên, phương pháp tương quan truyền thống sử dụng bộ lọc phối hợp
trên các máy thu băng hẹp gặp rất nhiều khó khăn khi triển khai cho UWB, trừ phi
trên máy thu có sử dụng các khối tính toán phức tạp được thiết kế riêng cho mục
đích đo đạc và ước lượng kênh truyền, từ đó xác định được dạng sóng của tín hiệu
UWB đến máy thu để phục vụ cho quá trình tách sóng.
Dựa vào việc có sử dụng những thông tin về trạng thái kênh truyền trong quá
trình tách sóng hay không, người ta chia máy thu UWB ra thành hai loại:
1. Máy thu coherent là loại máy thu tối ưu xét trên khía cạnh độ chính xác của

Chuẩn IEEE 802.15.4a

Các chuẩn cho truyền thông băng siêu rộng UWB được xây dựng bởi tổ chức IEEESA, trong đó, phổ biến nhất là hai chuẩn IEEE 802.15.3a (dành cho các ứng dụng
tốc độ cao) và IEEE 802.15.4a (dành cho các ứng dụng tốc độ thấp). Đến thời điểm
20


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

hiện tại, việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống tương thích với chuẩn tốc độ cao
IEEE 802.15.3a gặp rất nhiều khó khăn do những rào cản về mặt kĩ thuật. Ngược
lại, chuẩn tốc độ thấp IEEE 802.15.4a hiện đang nhận được sự quan tâm và đầu tư
nghiên cứu rất lớn của nhiều nhà khoa học và các tổ chức công nghiệp do tính khả
thi của nó trong việc triển khai các hệ thống UWB đơn giản với tốc độ, chi phí và
công suất tiêu thụ thấp. Năm 2007, nhóm xây dựng chuẩn IEEE 802.15.4a đã công
bố tài liệu chính thức quy định cấu trúc lớp vật lý tiêu chuẩn cho các thiết bị UWB
hoạt động trong mạng vô tuyến cá nhân tốc độ thấp (low-rate WPANs), trong đó
định nghĩa cấu trúc của một khung tín hiệu UWB và những yêu cầu về dạng xung
được phép sử dụng. Các đặc tả kĩ thuật về lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4a sẽ
được trình bày chi tiết hơn trong phần tiếp theo của Chương 1.

1.3.1

Cấu trúc khung tín hiệu IEEE 802.15.4a

Theo [8], 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


C0

C1

0

C1

...

K=31 or 127

C K -1

2ns

C0

0

0

...

L chips (16 or 64)

0

0



CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

• {ck } với ck ∈ {−1, 0, +1} là một chuỗi kí tự tam phân có đặc tính tự tương
quan hoàn hảo và được dùng để định danh cho mỗi mạng PAN hoạt động ở
một kênh vật lý UWB với băng tần cho phép,
• δL (n) gồm một kí tự ’1’ và L − 1 kí tự ’0’ như sau

 1 n=0
δL (n) =
 0 n = 1, 2, . . . , L − 1

Phép trải chuỗi cân bằng hoàn hảo {ck } với hàm δL (n) được mô hình hóa bởi
phương trình toán học

Si = {ck } ⊗ δL (n)

(1.2)

trong đó, toán tử ⊗ chỉ thị cho tích Kronecker. Phương trình 1.2 tương đương với
việc mỗi kí tự mào đầu Si được hình thành bằng cách chèn L − 1 kí tự ’0’ vào giữa
mỗi kí tự của chuỗi {ck } như Hình 1.3.
Khối giới hạn khung (SFD)
Khác với đoạn SYNC, khối giới hạn khung (SFD) không hình thành từ một chuỗi
các kí tự mào đầu giống hệt nhau mà được cấu tạo bằng trải chuỗi mã gồm 8 kí tự
[0 +1 0 −1 +1 0 0 −1] (dành cho các ứng dụng truyền tải dữ liệu ở tốc độ mặc định
và trung bình) hoặc 64 kí tự [0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0
−1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1 0
+1 0 −1 +1 0 0 −1 0 +1 0 −1 +1 0 0 −1] (với các ứng dụng truyền tải dữ liệu tốc

Tc

Hình 1.4: Cấu trúc của một kí tự dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4a
Mỗi kí tự dữ liệu được chia làm hai nửa BPM có độ rộng bằng nhau TBP M =
Tdsym /2 với Tdsym là chiều dài của một kí tự dữ liệu. Nếu burst dữ liệu nằm ở nửa
BPM thứ nhất, bit đầu tiên được truyền đi là bit ’0’; ngược lại, nếu burst nằm ở nửa
BPM thứ hai, bit đầu tiên là bit ’1’. Ngoài ra, pha của chính burst này (−1 hoặc +1)
sẽ được dùng để chỉ thị bit thứ hai được truyền đi.

1.4

Đặt vấn đề và phạm vi luận văn

Với một hệ thống thông tin vô tuyến bất kỳ, quá trình tách sóng hay giải mã tín hiệu
luôn đòi hỏi một sự đồng bộ nhất định giữa máy phát và máy thu. Như đã trình bày
ở trên, xung tín hiệu được dùng trong UWB có độ rộng rất hẹp (cỡ ns). Điều này
khiến cho vấn đề đồng bộ trong các hệ thống UWB trở nên rất phức tạp và là một
thách thức lớn cần phải vượt qua để triển khai các hệ thống UWB rộng khắp trên
24


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

thực tế. Ngoài ra, việc truyền tín hiệu bằng các xung rất hẹp đòi hỏi máy thu phải sử
dụng bộ ADC (Analog to Digital Converter) tốc độ cao (cỡ GHz), làm cho chi phí để
xây dựng một hệ thống UWB trở nên rất đắt đỏ. Do vậy, việc phát triển một thuật
toán đồng bộ cho máy thu UWB thỏa mãn các tiêu chí đơn giản, hiệu quả để việc
triển khai trên phần cứng là khả thi và không đắt đỏ luôn nhận được sự quan tâm
của đông đảo các nhà khoa học trong và ngoài nước.
Kết thúc quá trình đồng bộ, máy thu thực hiện nhiệm vụ cuối cùng là giải mã tín