TỔNG QUAN VỀ ANTEN
Lý thuyết chung về anten
Anten là linh kiện điện tử quan trọng, có khả năng bức xạ và thu nhận sóng điện từ Có nhiều loại anten khác nhau như anten lưỡng cực và anten mảng Trong hệ thống thông tin vô tuyến, anten thực hiện hai chức năng cơ bản, trong đó chức năng chính là bức xạ các tín hiệu.
RF từ máy phát được truyền dưới dạng sóng vô tuyến hoặc được chuyển đổi thành tín hiệu RF cho máy thu Anten có chức năng hướng năng lượng bức xạ theo các hướng mong muốn và "cảm nhận" tín hiệu từ những hướng này, trong khi các hướng không mong muốn thường bị loại bỏ Đặc trưng hướng của anten thể hiện sự nén phát xạ và loại trừ thu từ các hướng không mong muốn, là cơ sở để hiểu cách sử dụng anten trong hệ thống thông tin vô tuyến Các đặc trưng liên quan bao gồm tăng ích, tính định hướng, mẫu bức xạ và phân cực, cùng với những đặc trưng khác như búp sóng, độ dài hiệu dụng và góc mở hiệu dụng Trở kháng đầu cuối là một đặc trưng quan trọng, cho biết khả năng kết hợp công suất giữa máy phát và anten hoặc giữa anten và máy thu Tất cả các đặc trưng này đều phụ thuộc vào tần số.
Anten là một lĩnh vực năng động và thiết yếu trong truyền thông Công nghệ anten đã trải qua nhiều cải tiến trong hơn 50 năm qua, với nhiều giải pháp vẫn được áp dụng hiện nay Tuy nhiên, nhu cầu về hiệu suất hệ thống ngày càng tăng đã thúc đẩy sự phát triển và đổi mới trong lĩnh vực này.
Hình 1.1 Hình ảnh thực tế 1 anten
1.1.2 Các tham số cơ bản của anten
Phần này giới thiệu các khái niệm và mối quan hệ cơ bản về anten, bao gồm sự bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ Bên cạnh đó, bài viết cũng đề cập đến phân cực sóng bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông và tăng ích của anten.
1.1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten
Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được hình thành: trường cảm ứng (trường khu gần) và trường bức xạ (trường khu xa) Tại anten, cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng cung cấp Ở khu xa, chỉ trường bức xạ được duy trì, bao gồm hai thành phần chính là điện trường và từ trường.
Cả điện trường và từ trường đều bức xạ từ anten, tạo thành trường điện từ, có khả năng truyền và nhận năng lượng điện từ qua không gian tự do Sóng vô tuyến là dạng trường điện từ di chuyển, với các sóng phẳng ở khu vực xa Khi sóng truyền đi, năng lượng mà chúng mang theo trải ra trên diện tích ngày càng lớn, dẫn đến việc năng lượng trên một diện tích nhất định giảm dần khi khoảng cách từ nguồn đến điểm khảo sát tăng lên.
Anten phát ra tín hiệu vô tuyến tạo thành một trường điện từ với giản đồ xác định, phụ thuộc vào loại anten được sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten.
Hình 1.2 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]
Giản đồ bức xạ của anten là một hàm toán học hoặc biểu đồ thể hiện các đặc tính bức xạ của anten, được mô tả dưới dạng hàm của các tọa độ không gian Thông thường, giản đồ bức xạ được phân tích ở trường xa, cho thấy sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hoặc 3 chiều Sự phân bố này phụ thuộc vào vị trí quan sát dọc theo một đường hoặc bề mặt có bán kính không đổi Hệ tọa độ được sử dụng phổ biến để biểu diễn trường bức xạ, như minh họa trong hình 1.2.
1.1.2.3 Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Anten đẳng hướng là một loại anten lý tưởng, bức xạ đều theo mọi hướng, thường được sử dụng làm tham chiếu để so sánh với anten thực tế Ngược lại, anten hướng tính có khả năng bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ mạnh mẽ hơn ở một số hướng nhất định so với các hướng khác.
Hình 1.3(a) minh họa một ví dụ về anten với giản đồ bức xạ hướng tính Giản đồ này cho thấy tính không hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H tại [f(ф), θ = π / 2], trong khi lại có tính hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E tại [g(θ), ф = const].
Hình 1.3 Giản đồ bức xạ của một anten [1]
Mặt phẳng E được định nghĩa là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại, trong khi mặt phẳng H chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại Trong thực tế, để tối ưu hóa hiệu suất, hướng của anten thường được điều chỉnh sao cho ít nhất một trong hai mặt phẳng E hoặc H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ x, y hoặc z.
1.1.2.4 Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính
Trong một mẫu anten, các vùng có tăng ích tối đa được gọi là búp, trong khi những vị trí có tăng ích tối thiểu được gọi là nút Mặt cắt đứng của lưỡng cực nửa sóng cho thấy rằng một anten phức tạp có thể có nhiều búp và nút trên cả hai mặt cắt Búp sóng có tăng ích lớn nhất được xác định là búp sóng chính hoặc tia chính Nếu anten chỉ có một giá trị tăng ích, đó chính là búp sóng chính Độ rộng búp sóng được đo theo giá trị góc của búp sóng chính, có thể theo mặt cắt đứng hoặc ngang Các định nghĩa về độ rộng búp sóng bao gồm độ rộng nửa công suất (3 dB), độ rộng 10 dB và độ rộng nút đầu tiên, trong đó độ rộng 3 dB là phổ biến nhất, xác định góc mà tại đó tăng ích thấp hơn 3 dB so với giá trị cực đại.
Hình 1.4 Các búp song của anten bức xạ hướng tính [1]
1.1.2.5 Mật độ công suất bức xạ
Sóng điện từ là phương tiện truyền tải thông tin qua môi trường vô tuyến hoặc cấu trúc dẫn sóng, từ một điểm đến điểm khác Để mô tả năng lượng liên quan đến sóng điện từ, ta sử dụng vector Poynting tức thời, được định nghĩa như sau:
E: Cường độ điện trường tức thời (V/m)
H: Cường độ từ trường tức thời (A/m)
Tổng công suất qua một mặt kín được tính bằng cách tích phân thành phần pháp tuyến của vector Poynting trên toàn bộ bề mặt đó.
P: Tổng công suất suất tức thời (W) n: Vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt da: Vi phân diện tích của bề mặt (m 2 )
Khi trường điện từ thay đổi theo thời gian, mật độ năng lượng trung bình được tính bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong một chu kỳ và chia cho chu kỳ đó Đối với trường biến đổi tuần hoàn có dạng e^(jωt), các trường phức E và H được định nghĩa và có mối quan hệ với các thành phần tức thời E và H thông qua một công thức cụ thể.
Ta có Re[Ee jωt ] = [E e jωt + E * e -jωt ] Khi đó (1.1) có thể đƣợc viết lại là: W=E ×H = Re[E x H * ]+ Re[E x H e j2ωt ] (1.5)
Đường truyền vi dải và anten vi dải
1.2.1.1 Cấu trúc đường truyền vi dải Đường truyền vi dải được sử dụng nhiều nhất trong môi trường truyền dẫn là các mạch tích hợp siêu cao tần Đường truyền vi dải là cấu trúc mạch in “cấp cao”, bao gồm một dải dẫn điện bằng đồng hoặc kim loại khác trên một chất nền cách điện, mặt kia của tấm điện môi cũng đƣợc phủ đồng gọi là mặt phẳng đất Ta thấy mặt phẳng đất là mặt phản xạ Do đó, đường truyền vi dải có thể được xem như là đường truyền gồm 2 dây dẫn
Hình 1.6 Cấu trúc của đường truyền vi dải [3]
Hai tham số chính trong thiết kế là độ rộng dải dẫn điện (W) và chiều cao tấm điện môi (h) Hằng số điện môi tương đối của chất nền (ε r) cũng đóng vai trò quan trọng Trong khi đó, độ dày dải dẫn điện (t) và điện dẫn suất (σ) là các tham số ít quan trọng hơn và có thể được bỏ qua trong một số trường hợp.
1.2.1.2 Cấu trúc trường của đường truyền vi dải
Sóng truyền trên đường truyền vi dải có dạng gần giống với sóng TEM, nghĩa là trong một số vùng, chỉ có một thành phần điện trường hoặc từ trường theo hướng truyền sóng Hình 1.7 minh họa giản đồ trường điện từ của một đường truyền vi dải cơ bản.
Hình 1.7 Giản đồ trường của một đường vi dải [3]
Trên cấu trúc đường vi dải, giản đồ TEM xuất hiện do mặt tiếp giáp giữa chất nền điện môi và không khí, nơi mà các đường sức điện trường không liên tục Điều kiện biên yêu cầu thành phần tiếp tuyến của điện trường phải liên tục khi truyền qua biên, dẫn đến việc điện trường giảm đột ngột 10 lần khi đi từ không khí vào chất nền có hằng số điện môi là 10 Đồng thời, thành phần tiếp tuyến của điện trường cũng cần phải liên tục, do đó, một phần năng lượng điện trường được lưu trữ trong không khí và phần còn lại trong điện môi Hằng số điện môi hiệu dụng cho các sóng trên đường truyền nằm giữa giá trị của hằng số điện môi không khí và hằng số điện môi của chất nền.
Khái niệm anten vi dải lần đầu tiên đƣợc đƣa ra bởi Deschamps vào năm
Vào năm 1972, anten vi dải mới được phát triển nhờ sự xuất hiện của chất nền có đặc tính tốt Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một patch phát xạ trên một mặt của chất nền điện môi, trong khi mặt còn lại là mặt phẳng đất Patch, thường làm từ đồng hoặc vàng, có thể có nhiều hình dạng khác nhau, nhưng các hình dạng phổ biến thường được ưa chuộng Hằng số điện môi của chất nền đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của anten, ảnh hưởng đến trở kháng, tần số cộng hưởng, băng thông và hiệu suất tổng thể của anten.
Hình 1.8 Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất [4] Ƣu điểm của anten vi dải
- Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo
- Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng
- Dễ dàng đƣợc gắn lên các đối tƣợng khác
- Có thể tạo ra các phân cực tròn, tuyến tính chỉ đơn giản bằng cách thay đổi
- Dễ dàng chế tạo các anten có thể hoạt động với nhiều dải tần
- Mạng phối hợp trở kháng và đường tiếp điện có thể được in cùng với cấu trúc anten
Nhƣợc điểm của anten vi dải
- Băng thông nhỏ (chỉ ~ 0.5 tới 10%)
- Hầu hết anten vi dải bức xạ trong nửa không gian
- Giới hạn độ tăng ích cực đại (~ 20 dB)
- Hiệu suất bức xạ kém
- Xuất hiện các sóng mặt
- Công suất cho phép thấp
1.2.2.2 Một số loại anten vi dải cơ bản
Anten vi dải (microstrip patch antenna, MPA) bao gồm một mặt bức xạ dẫn điện phẳng hoặc không phẳng trên một chất nền điện môi, cùng với mặt phẳng đất ở phía còn lại của chất nền Các cấu hình cơ bản của anten vi dải thường được áp dụng trong thực tế được thể hiện trong hình 1.9.
Hình 1.9 Các hình dạng anten patch vi dải cơ bản thường được sử dụng trong thực tế [4]
LÝ THUYẾT VỀ ANTEN MIMO VÀ CÔNG NGHỆ UWB
ANTEN MIMO
Trong truyền thông, tốc độ dữ liệu và độ tin cậy truyền tin là hai yếu tố quan trọng, đặc biệt trong truyền thông không dây Thiết kế hệ thống cần tập trung vào việc tăng tốc độ dữ liệu và cải thiện độ tin cậy Tốc độ dữ liệu phản ánh khả năng truyền tải thông tin nhanh chóng, trong khi độ tin cậy được đo bằng xác suất phục hồi thông tin chính xác Hai hiện tượng chính gây cản trở trong truyền thông không dây là fading và giao thoa giữa các ký hiệu, do đó, việc đối phó với chúng là một thách thức lớn trong thiết kế hệ thống không dây.
Vào năm 1996, một nhóm nghiên cứu từ đại học Stanford đã giới thiệu mô hình MIMO để đối phó với những thách thức trong công nghệ không dây Thành công đầu tiên của mô hình này được công bố bởi trung tâm nghiên cứu không dây thuộc Bell Labs ở New Jersey vào tháng 9 năm 1998 Tiếp theo, vào tháng 6 năm 1999, mô hình MIMO đã được chứng minh thành công trong môi trường ngoài trời bởi Gigabit Wireless, Inc và đại học Stanford.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) là công nghệ sử dụng nhiều anten ở cả đầu phát và đầu thu, cho phép phát hiện nhiều kênh độc lập trong không gian tự do Nhờ đó, MIMO có khả năng đạt được tốc độ bit cao hơn so với các hệ thống sử dụng một anten thông thường.
Hệ thống MIMO có hai cấu hình chính: ghép kênh không gian (SDM) và phân tập không gian (STC) Ghép kênh không gian cho phép phát nhiều tập hợp ký tự đồng thời, từ đó tăng cường thông lượng Bằng cách tận dụng các kênh truyền từ nhiều anten phát và anten thu trong MIMO, tín hiệu được phát độc lập và đồng thời, giúp nâng cao dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay băng thông hệ thống.
Dung lƣợng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số kênh truyền song song Để đạt độ lợi ghép kênh, ta dùng thuật toán V-BLAST
Phân tập không gian cho phép máy thu nhận nhiều bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau, giúp giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) và chống fading, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống Trong cấu hình này, các kỹ thuật như STBC (Space-Time Block Coding) và STTC (Space-Time Trellis Coding) được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
2.3 Cấu trúc của hệ thống anten MIMO
MIMO là hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng nhiều anten đồng thời ở cả máy phát và máy thu Tín hiệu phát được mã hóa theo cả hai miền không gian và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian thời gian (STE) Sau khi mã hóa, tín hiệu sẽ được phát đi qua N anten phát, trong khi máy thu áp dụng phương pháp phân tập thu để tiếp nhận tín hiệu.
M anten thu Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N đầu vào và
M đầu ra, và vì vậy, đƣợc gọi là kênh MIMO M x N
Hình 2.1 Mô hình một hệ thống MIMO điển hình
Hệ thống MIMO, dựa trên nguyên tắc phân tập anten trong thu và phát, đã nâng cao đáng kể hiệu suất sử dụng phổ Trong hệ thống này, dữ liệu từ một thiết bị đầu cuối được chia thành N dòng số liệu riêng biệt với tốc độ thấp hơn, được gọi là dòng con, với N là số anten phát và M là số anten thu.
N là số anten phát, với mỗi dòng số liệu có tốc độ thấp được điều chế vào các symbol của kênh truyền Thông thường, các máy phát hoạt động ở cùng một tốc độ, nhưng tốc độ này có thể điều chỉnh linh hoạt qua phương pháp điều chế thích ứng Khi đó, tốc độ dòng số liệu chỉ bằng 1/N tốc độ ban đầu và được phát đồng thời, dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ lý thuyết tăng lên gấp N lần Các tín hiệu này được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và thu nhận bởi M anten của hệ thống thu.
Phương pháp truyền dẫn mới giúp tăng hiệu suất sử dụng phổ theo hàm tuyến tính, vượt trội hơn so với hệ thống phân tập truyền thống Hệ thống MIMO hoạt động hiệu quả trong môi trường phân tán, nơi tín hiệu từ các anten phát có sự khác biệt rõ rệt tại vị trí anten thu Khi tín hiệu được truyền qua các kênh không tương quan, các tham số không gian của tín hiệu từ mỗi anten phát sẽ khác nhau, cho phép hệ thống máy thu tận dụng sự khác biệt này để tách biệt các tín hiệu cùng tần số phát đồng thời từ nhiều anten khác nhau.
2.4 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống MIMO a) Ƣu điểm
Việc sử dụng nhiều anten ở cả đầu phát và đầu thu cho phép truyền tín hiệu qua nhiều đường dữ liệu song song, từ đó cải thiện dung lượng hệ thống một cách đáng kể.
Kỹ thuật xử lý không gian giúp giảm nhiễu tại đầu thu hiệu quả hơn so với hệ thống chỉ sử dụng một anten Bằng cách sử dụng kỹ thuật tạo búp, tín hiệu được phát đi theo hướng mong muốn, cho phép công suất phát tập trung vào khu vực cần thiết, từ đó giảm thiểu công suất phát của các thiết bị.
Một trong những phương pháp hiệu quả để chống hiện tượng fading là phân tập Các kỹ thuật phân tập bao gồm phân tập không gian, tần số và thời gian Trong đó, phân tập không gian được áp dụng phổ biến trong truyền thông vi ba và vô tuyến, được chia thành hai loại: phân tập phát và phân tập thu.
Phân tập thu là phương pháp sử dụng nhiều anten tại máy thu để cải thiện chất lượng tín hiệu Khi các tín hiệu thu yếu dần một cách độc lập, chúng được kết hợp tại máy thu, giúp giảm thiểu hiện tượng fading Số nhánh fading độc lập trong phân tập thu tương ứng với số lượng anten thu, tạo ra hiệu quả đáng kể trong việc nâng cao độ tin cậy của tín hiệu nhận được.
Phân tập phát là kỹ thuật có thể áp dụng cho các kênh với nhiều anten phát, với hệ số phân tập tương ứng với số anten Điều này đặc biệt hiệu quả khi các anten được đặt cách xa nhau Thông tin sẽ được xử lý tại máy phát và sau đó được truyền đi qua nhiều anten phát.
Khi có nhiều anten ở cả đầu phát và đầu thu, việc áp dụng phân tập đòi hỏi phải kết hợp giữa phân tập phát và phân tập thu Hệ số phân tập sẽ bị giới hạn bởi tích số lượng anten ở cả hai đầu.
CÔNG NGHỆ UWB
Công nghệ UWB đang ngày càng được chú trọng phát triển vì nhiều lý do quan trọng Đầu tiên, tần số UWB hoàn toàn miễn phí, trong khi hầu hết các dải tần số khác đã được cấp phát cho các hệ thống quân sự và dân sự, yêu cầu sự đồng ý từ cơ quan quản lý Thứ hai, sự gia tăng các thiết bị kỹ thuật số và di động hiện nay tạo ra nhu cầu cần thiết cho một tiêu chuẩn giao tiếp vô tuyến giữa các thiết bị, và UWB với băng thông rộng và công suất thấp rất phù hợp cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao trong phạm vi hẹp Cuối cùng, nhờ vào công suất phát thấp và cấu trúc máy thu phát đơn giản, công nghệ UWB cho phép chế tạo các thiết bị nhỏ gọn, giá thành rẻ và tiết kiệm năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng như mạng phạm vi cá nhân không dây, mạng cảm biến không dây, radar và hệ thống định vị trong nhà.
Công nghệ UWB, mặc dù được xem là mới, thực chất không dựa vào khám phá vật lý nào mới mẻ Những thí nghiệm đầu tiên với xung điện từ hẹp đã được thực hiện bởi Hertz vào năm 1893 và Marconi vào năm 1901, nhưng công nghệ này nhanh chóng bị thay thế do chưa kiểm soát được băng tần Đến những năm 1960-1970, UWB mới thu hút sự chú ý khi Bộ Quốc phòng Mỹ nghiên cứu cho các ứng dụng radar và truyền thông Sau năm 1990, sản phẩm thương mại của công nghệ UWB mới bắt đầu xuất hiện, và từ năm 2002, sau khi được Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kỳ công nhận, công nghệ này đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu rộng rãi trên toàn cầu.
2.11 Tổng quan và ứng dụng công nghệ UWB
2.11.1 Định nghĩa và các quy định
Theo Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC), thiết bị UWB được định nghĩa là thiết bị có tỷ số độ rộng băng tần tại điểm -10dB lớn hơn hoặc bằng 20% hoặc có độ rộng băng tần tuyệt đối đạt tối thiểu 500MHz Trong đó, fH là tần số lớn nhất, fL là tần số nhỏ nhất, và fC là tần số trung tâm của dải phổ UWB, từ đó tỷ số độ rộng băng tần được xác định.
Đối với các hệ thống có tần số trung tâm lớn hơn 2.5GHz, yêu cầu độ rộng băng tần tối thiểu là 500MHz Trong khi đó, các hệ thống có tần số trung tâm nhỏ hơn 2.5GHz cần có tỷ lệ độ rộng băng tần lớn hơn 20% UWB, hay sóng điện từ siêu rộng, thường được định nghĩa là sóng có tần số từ 3.1GHz đến 10.6GHz với độ rộng băng tần lên tới 7.5GHz.
Tín hiệu UWB (Ultra Wideband) có băng tần rộng lớn, dẫn đến việc tạo ra các xung rất hẹp Theo nguyên lý biến đổi Fourier, tín hiệu càng hẹp trong miền thời gian thì phổ tần số càng rộng Trong các hệ thống truyền thông UWB, phía phát thường phát các xung có chu kỳ làm việc ngắn, nghĩa là độ rộng xung rất nhỏ so với chu kỳ xung, do đó hệ thống này được gọi là hệ thống truyền xung vô tuyến.
Tín hiệu UWB (Ultra Wideband) với công suất phát nhỏ và độ rộng băng tần lớn được coi là gần như nhiễu trắng, nhờ vào nguyên lý biến đổi Fourier Tín hiệu càng thoải trong miền thời gian thì phổ càng đứng trong miền tần số Do đó, xung Gaussian hoặc đạo hàm của xung Gaussian thường được chọn làm xung phát trong các hệ thống UWB Thực tế, các xung đạo hàm bậc 3 hoặc bậc 5 của xung Gaussian, với độ rộng xung dưới 1ns, thường được sử dụng trong các ứng dụng UWB.
2.11.2 Các tiêu chuẩn về UWB
Trong bối cảnh hệ thống thông tin hiện đại, hầu hết các dịch vụ như IP, dữ liệu, thoại và video đều có tính đồng nhất Sự phân biệt giữa các công nghệ khác nhau chủ yếu dựa vào hạ tầng mạng, cụ thể là ở lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển đa truy cập (MAC) theo mô hình tham chiếu OSI Sau khi được FCC công nhận, các tổ chức chuẩn hóa toàn cầu đã tích cực chuẩn hóa công nghệ UWB ở cả hai lớp này Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) đã nỗ lực chuẩn hóa UWB cho lớp vật lý trong tiêu chuẩn IEEE 802.15 WPAN, thành lập hai nhóm làm việc 802.15.3a và 802.15.4a để tập trung vào chuẩn hóa mạng IEEE 802.15.3 WPAN tốc độ cao và IEEE WPAN 802.15.4a tốc độ thấp.
Nhóm làm việc IEEE 802.15.3a (TG3a) đã xem xét nhiều đề nghị chuẩn hóa lớp PHY từ các công ty và cuối cùng đã chọn ra hai đề nghị Đề nghị đầu tiên dựa trên công nghệ điều chế đa sóng mang trực giao đa băng tần (MB-OFDM).
UWB (Ultra Wideband) được phát triển bởi WiMedia Alliance, nhưng sau khi nhóm làm việc giải thể vào năm 2006, vẫn có sản phẩm tuân theo MB-OFDM UWB và DS-UWB được ra mắt Liên minh WiMedia Alliance đã được Ecma International chứng nhận cho tiêu chuẩn WPAN dựa trên MB-OFDM UWB UWB không chỉ phù hợp với mạng WPAN tốc độ cao mà còn thích hợp cho mạng WPAN tốc độ thấp, tập trung vào các thiết bị đơn giản và tiêu thụ năng lượng thấp Chuẩn IEEE 802.15.4a cung cấp khả năng định vị và đo lường chính xác cao, với thông lượng lớn và tiêu thụ năng lượng rất thấp Phần tiếp theo sẽ giới thiệu về chuẩn của Ecma International và IEEE 802.15.4a.
2.11.3 Những ứng dụng của công nghệ UWB
UWB (Ultra-Wideband) có những đặc điểm nổi bật so với các hệ thống thông tin truyền thống, bao gồm băng thông rộng, sử dụng xung hẹp, công suất phát thấp và khả năng hoạt động đồng thời với các hệ thống khác mà không gây nhiễu Những tính năng này khiến UWB trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống thông tin dân dụng hiện nay, nơi yêu cầu thiết bị nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và dễ triển khai Bài viết sẽ khám phá các ứng dụng tiềm năng của UWB trong ba lĩnh vực chính: truyền thông, radar và đo lường định vị.
2.11.3.1 Mạng truyền thông tốc độ thấp
Giải pháp truyền dẫn cho mạng truyền thông vô tuyến tốc độ thấp và phạm vi hẹp hiện nay thường sử dụng hồng ngoại, sóng siêu âm hoặc sóng Bluetooth, nhưng gặp phải vấn đề suy giảm, fading, shadowing và không thể truyền qua các chướng ngại vật Công nghệ UWB với công suất phát thấp và dải tần số rộng có thể khắc phục những nhược điểm này Trong tương lai, UWB sẽ được áp dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi máy tính như bàn phím, chuột và máy in, cho phép chúng hoạt động đồng thời mà không gây nhiễu lẫn nhau Ngoài ra, UWB còn có thể được sử dụng trong mạng cảm biến không dây (WSN) và mạng vô tuyến trong cơ thể người (WBAN), nơi yêu cầu thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và dễ lắp đặt Với công suất phát xạ rất thấp và cấu trúc bộ thu phát đơn giản, UWB rất phù hợp cho các ứng dụng này.
2.11.3.2 Mạng truyền thông tốc độ cao
Nhu cầu truyền dẫn tốc độ cao trong không gian hẹp đang gia tăng mạnh mẽ, đặc biệt là cho các liệu đa phương tiện như audio, video độ phân giải cao (HD), HDTV và Internet tốc độ cao, yêu cầu băng thông lớn hơn 1Gbps Công nghệ UWB (Ultra Wideband) hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng này nhờ vào băng tần siêu rộng mà nó cung cấp Sử dụng UWB, các thiết bị giải trí như TV, máy chiếu, và máy nghe nhạc có thể kết nối mà không cần dây cáp rườm rà Ngoài ra, các thiết bị di động như laptop, PDA và smartphone cũng dễ dàng kết nối và chia sẻ dữ liệu tốc độ cao với nhau và với các thiết bị điện tử khác UWB hứa hẹn sẽ mang đến một kỷ nguyên “hoàn toàn không dây” cho ngôi nhà của bạn trong tương lai gần.
Radar là thiết bị phát hiện mục tiêu bằng sóng vô tuyến, chủ yếu sử dụng trong quân sự Các radar truyền thống thường có công suất lớn và kích thước cồng kềnh, không phù hợp cho mục đích dân dụng Tuy nhiên, radar được ứng dụng trong phát hiện và theo dõi mục tiêu trong nhà, hỗ trợ giao thông trong điều kiện tầm nhìn hạn chế, và chẩn đoán hình ảnh y tế Radar UWB mang lại khả năng phân giải cao, cho phép phát hiện chính xác mục tiêu nhỏ và gần nhau Tín hiệu UWB có khả năng xuyên qua chướng ngại vật như tường gạch, bê tông, và đất, rất hữu ích trong cứu hộ, chống tội phạm và rà phá bom mìn Ngoài ra, công suất phát thấp và cấu trúc đơn giản giúp giảm giá thành và kích thước thiết bị.
2.11.3.4 Định vị và đo lường
Việc xác định và đo lường vị trí người dùng là rất quan trọng trong môi trường ngoài trời, thường sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Tuy nhiên, trong các ứng dụng trong nhà, GPS không đáng tin cậy do sai số lớn.
Khi triển khai mạng cảm biến không dây để giám sát môi trường tại khu rừng, nhà máy hoặc tòa nhà, chức năng định vị giúp phát hiện những thay đổi đột ngột về môi trường như hỏa hoạn hay nồng độ chất độc vượt mức cho phép Trong số các công nghệ hiện có, UWB nổi bật với độ phân giải cao, cho phép định vị chính xác đến từng milimét Hơn nữa, việc sử dụng các xung rất hẹp giúp tín hiệu UWB gần như không bị can nhiễu, fading hay shadowing.