Đang tải... (xem toàn văn)
Tìm hiểu mạng PAN công nghệ ultra wide band
Trường Đại học Bách khoa Hà nội Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠNG Tìm hiểu mạng PAN (Personal Area Network) Công nghệ Ultra-Wide Band Hướng dẫn: PSG.TS Đặng Văn Chuyết Thực hiện: Phùng Vũ Nhật Duy 20080461 TTM-K53 Hà nội, tháng 11 năm 2012 1 MỤC LỤC II. Công nghệ Ultra-Wide Band 5 1. Giới thiệu chung 5 2. Phân loại 6 2.1. Direct Sequence-UWB (UWB Forum) 6 2.2. Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM/ WiMedia) 9 3. Kiến trúc mạng 10 4. Kiến trúc phân tầng 13 Các tầng giao thức của công nghệ UWB 13 a. Kênh truyền vật lý 13 b. Tầng giao thức điều khiển truy cập 15 5. Ứng dụng của công nghệ Ultra-wideband trong Y học 16 5.1. Tại sao lại ứng dụng UWB trong y học ? 16 5.2. Kiểm tra trong y học (Medical Monitoring) 17 5.3. Vấn đề chụp chiếu trong y học (Medical Imaging) 19 III. Kết luận 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 2 I. Giới thiệu mạng PAN (Personal Area Network) Với nhu cầu sử dụng Internet ngày càng gia tăng, việc phát triển các công nghệ không dây trở nên vô cùng cấp thiết. Nó đảm bảo cho việc người sử dụng có thể truy nhập Internet mọi lúc, mọi nơi với các thiết bị cá nhân như điện thoại di động, hay các thiết bị cầm tay khác. Từ đó mạng PAN (Personal Area Network) ra đời với khá nhiều ưu điểm như tiêu tốn ít năng lượng điện, ít gây hại đến sức khỏe con người, cũng như có thể truyền dữ liệu với nhiều dải tốc độ khác nhau. Tháng 3 năm 1999 tổ chức IEEE đã đưa ra chuẩn 802.15 định nghĩa về mạng PAN cho các mạng không dây trong phạm vi hẹp. Trong chuẩn này, có định nghĩa mạng PAN (Personal Area Network) là mạng kết nối không dây cá nhân, phạm vi kết nối tối đa là 10 m. Công nghệ PAN gồm 3 hướng phát triển chính, đó là công nghệ Bluetooth, ZigBee và Ultra Wide band. Trong ba loại này, công nghệ Bluetooth đã được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.15.1 và được triển khai khá rộng rãi trên hàng triệu thiết bị di động. Công nghệ này hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 3Mbps và phạm vi truyền tối đa là 100m, đồng thời đảm bảo sự tiêu tốn điện năng thấp . Công nghệ thứ hai, ZigBee được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.15.4, hỗ trợ tốc độ truyền chỉ đến 250 kbps tuy nhiên lại tốn ít điện năng hơn nhiều so với công nghệ Bluetooth, nên được sử dụng rộng rãi trong mạng sensor. Cuối cùng là công nghệ Ultra-wide band (UWB) được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.15.3a. Đây là một công nghệ mới, với khả năng truyền tốc độ cao, trong khoảng 110 Mbps đến 480 Mbps trên 3 một khoảng cách nhỏ hơn 10 m. Không những vậy, công nghệ này tiêu tốn năng lượng ít nên trong tương lai, hứa hẹn sẽ thay thế hoàn toàn mạng có dây đang sử dụng. Dưới đây, bản báo cáo này sẽ tập trung vào,các khái niệm tổng quát, hoạt động cũng như các ứng dụng của công nghệ này. 4 II. Công nghệ Ultra-Wide Band 1. Giới thiệu chung Có 2 cách định nghĩa cho tín hiệu ultra wide band (UWB): • Theo định nghĩa thông thường, tín hiệu UWB là tín hiệu có tỉ số giữa độ rộng dải thông trên tần số trung tâm lớn hơn 0.25 hoặc tổng bandwidth lớn hơn 1.5 GHz. • Vào tháng 2 năm 2002, tổ chức FCC (Federal Communications Commission) của Mỹ đã định nghĩa về tín hiệu ultra wide band là tín hiệu có tỉ số giữa độ rộng dải thông trên tần số trung tâm lớn hơn 0.2 hoặc tổng bandwidth lớn hơn 500 MHz ≥ 0.2 Khác với công nghệ việc sử dụng các sóng radio với chu kì lớn trên một dải tần ngắn của Bluetooth và ZigBee, công nghệ Ultra wide band lại sử dụng các sóng với chu kì ngắn (khoảng 10^(-12) giây đến 10^(-9) giây ) trên một dải tần rộng. Theo định luật Shannon, ta có: (S/N là tỉ số Signal to Noise - SNR) Do đó, bandwidth B càng rộng thì tốc độ truyền dữ liệu C (data rate) càng lớn, vậy nên với dải tần rộng, công nghệ UWB có khả năng truyền dữ liệu lớn (hàng trăm MHz đến vài GHz) với sự tiêu hao năng lượng nhỏ. 5 2. Phân loại Có 2 chuẩn về công nghệ Ultra-Wideband, đó là Direct Sequence UWB (UWB Forum) và Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM/ WiMedia). 2.1. Direct Sequence-UWB (UWB Forum) Direct Sequence-UWB (UWB Forum) là công nghệ mà trong đó, các sóng radio đều là các xung đơn, và trải ra trên một trong hai dải phổ tương ứng: đó là dải 3.1 GHz – 4.85 GHz và 6.2 GHz – 9.7 GHz. Với công nghệ này, các xung thường có chu kì ngắn (nano giây), và năng lượng thấp, phổ của DS-UWB cung cấp một số tham số có ảnh hưởng đến tốc độ của đường truyền dữ liệu. Tốc độ truyền dữ liệu có thể từ 55 Mbps đến 1.32 Gbps trong dải 3.1 GHz hoặc từ 55 Mbps đến 2 Gbps trong dải 6.2 GHz. Trong chuẩn công nghệ này, thường có 2 kiểu điều chế: a. Điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation) Nếu có là tín hiệu dạng sóng UWB, k là bit được truyền (0 hoặc 1), khi đó được dùng để đại diện cho các bit k như sau: = thì tín hiệu sau khi được điều chế s(t) được xác định theo công thức: s(t) = * 6 với = - , và σ liên hệ với chu kì xung theo công thức σ = / 2 b. On – Off Keying Cách điều chế được thể hiện như hình vẽ trên đây. Tương tự như cách điều chế theo biên độ xung, tín hiệu sau khi điều chế cũng được xác định theo công thức 7 s(t) = w(t) * với = , trong cách điều chế này, trong trường hợp các bit 0 , sẽ không có tín hiệu nào được truyền. Trên đây là 2 cách điều chế tín hiệu xung đơn, mà trong đó mỗi ký tự sẽ được truyền bởi một xung đơn. Để giảm nhiễu trong việc truyền và cung cấp khả năng đa truy nhập, các tín hiệu được truyền sẽ được áp dụng các kỹ thuật đa truy nhập ngẫu nhiên. Trong đó, hai kỹ thuật thường được dùng là time- hopping (TH) và direct-sequence (DS). a. Điều chế dữ liệu với kỹ thuật Time-Hopping Trong kỹ thuật này, vị trí các xung sẽ được xác định bởi một mã giả ngẫu nhiên (pseudo-random code). Bằng cách này, các người dùng khác nhau sẽ được phân biệt với nhau qua mã ngẫu nhiên và có thể truyền tín hiệu trong cùng một thời điểm. Tín hiệu được truyền đi của người dùng thứ j sẽ được định nghĩa như sau: trong đó, là bit dữ liệu thứ k của người dùng j, là số lượng xung sẽ được truyền cho mỗi bit dữ liệu. Tổng số thời gian truyền dữ liệu sẽ được chia thành frame, mỗi frame có thời lượng , và chúng lại tự chia nhỏ thành các khe thời gian . Tại mỗi frame, sẽ chứa một xung mà vị trí của nó được xác định bởi mã giả ngẫu nhiên của người dùng j và ký tự sẽ được mã hóa. b. Điều chế dữ liệu với kỹ thuật Direct-Sequence 8 Tương tự, trong kỹ thuật này mỗi người dùng sẽ được phân biệt với nhau bởi mã giả ngẫu nhiên (PR code). Tín hiệu sau điều chế của người dùng j sẽ được xác định bởi công thức: trong đó, là bit dữ liệu thứ k của người dùng j, là chip thứ l của mã giả ngẫu nhiên, là tín hiệu dạng sóng với chu kỳ , là độ dài chip (bằng ). là số lượng xung trong mỗi bit dữ liệu, và j là chỉ số của người dùng. Chuỗi giả ngẫu nhiên có giá trị trong {-1, +1} và độ dài bit là . 2.2. Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM/ WiMedia) Khác với DS-UWB đã trình bày ở trên, chuẩn Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM/ WiMedia) chia dải tần số 3.1 GHz – 10.6 GHz ra thành 14 băng tần con bằng nhau không chồng lấn lên nhau, trong đó mỗi băng con có độ rộng là 528 MHz. Với công nghệ WiMedia, tại mỗi băng tần con, tín hiệu UWB sẽ được điều chế theo các phương pháp tương tự như trong công nghệ DS-UWB và tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ này có thể từ 53.3 Mbps đến 480 Mbps. 9 3. Kiến trúc mạng Với đặc điểm là truyền thông không dây , mạng Ad-Hoc là mô hình được chọn để thực thi công nghệ UWB (WiMedia) này. Ý tường của mạng Ad-Hoc là xây dựng 1 mạng kết nối (chủ yếu là vô tuyến) giữa các thiết bị đầu cuối mà không cần phải dùng các trạm thu phát gốc (Base Station). Các thiết bị đầu cuối sẽ tự động bắt liên lạc với nhau để hình thành nên 1 mạng kết nối tạm thời dùng cho mục đích truyền tin giữa các nút mạng . Ad-Hoc đầu tiên được phát triển cho mục đích quân sự, nhưng do ưu điểm về giá thành và sự linh động, ngày nay mọi người đều có thể được sử dụng nó. Trong công nghệ WiMedia, các thiết bị tạo thành mạng piconet, trong đó phải có một thiết bị đóng vai trò điều phối, quản lý mạng , được gọi là Piconet Coordinator (PNC). Mạng Ad-Hoc này thường có kích cỡ trong khoảng 10 m, và thiết bị trao đổi thông tin với nhau theo kiểu mạng ngang hàng peer to peer. Các thiết bị có thể dễ dàng tham gia cũng như rời khỏi mạng, tuy nhiên số lượng các thiết bị trong mạng chỉ tối đa là 243. Trong mạng Ad-Hoc, mỗi thiết bị sẽ có số ID riêng, được cấp bởi PNC để phân biệt với nhau. 10 [...]... với các nút mạng khác, đảm bảo không có việc đụng độ thông tin trong quá trình truyền Giao thức TDMA chia kênh truyền ra thành nhiều frame có độ dài cố định với khoảng thời gian cố định (timeslot) Với mỗi frame, mỗi nút mạng sẽ xác định 1 time-slot riêng cho phiên truyền thông của mình 15 5 Ứng dụng của công nghệ Ultra- wideband trong Y học Như đã đề cập trong phần trước, công nghệ Ultra- wideband (UWB)... A Tutorial on Ultra Wideband Modulation and Detection Schemes - Seyed SADOUGH (2004) [2] The Evolution of UWB and IEEE 802.15.3a for very high data rate WPAN – Ketan Mandke, Haewoon Nam, Lasya Yerramneni, Christian Zuniga - The University of Texas (2003) [3] 802.15 Personal Area Network - Greg Hackman [4] Medical Applications of Ultra- Wideband – Jianli Pan [5] IEEE 802.15.3 High-Rate WPAN – Timo Vanhatupa... đề ảnh hưởng tới sự phát triển các các công nghệ mà khi ra đời luôn phải tính đến Do phổ tần số là hữu hạn, vì vậy khi các ứng dụng ngày càng nhiều thì không thể đáp ứng hết được và giá thành ngày càng đắt đỏ Mặt khác, các công nghệ vô tuyến như Bluetooth, wifi chưa đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu của các ứng dụng video với tốc độ lớn Ultra- wideband (UWB) là một giải pháp đầy hứa hẹn... Network - Greg Hackman [4] Medical Applications of Ultra- Wideband – Jianli Pan [5] IEEE 802.15.3 High-Rate WPAN – Timo Vanhatupa [6] WiMedia Ultra- wideband – The WiMedia Alliance and Ellisys (2009) [7] Introduction to Ultra Wideband – Joe Decuir, MCCI [8] MultiBand OFDM Physical layer Specification – The WiMedia Alliance (2009) [9] UWB Radars in Medicine – Department of Biopathology and Imagine, The... dây đang trở thành một phần cuộc sống hàng ngày của chúng ta, ngày nay các ứng dụng không dây đang dần thay thế cho các mạng có dây ở hầu hết các lĩnh vực Thông tin vệ tinh, các mạng tế bào, mạng cục bộ không dây (WLAN) và các mạng cảm biến không dây) chỉ là một vài trong số các công nghệ không dây mà chúng ta sử dụng hàng ngày Chúng làm cho cuộc sống của chúng ta dễ dàng hơn bằng việc giữ liên lạc cho... các frame này Như đã trình bày ở phần trước, mạng Ad-Hoc thường được sử dụng với công nghệ UWB/WiMedia Tại đây, các thiết bị (hay các nút mạng) vừa có chức năng chuyển tiếp dữ liệu, vừa có chức năng khởi tạo phiên truyền thông với thiết bị đầu cuối khác Trong mạng Ad-Hoc, giao thức MAC (Media Access Control) có nhiệm vụ điều phối các truy cập của các nút mạng trong kênh truyền Trong tầng này, hai phương... và trở thành sự lựa chọn tốt cho các hệ thống không dây cự ly ngắn cho đến trung bình và mạng cục bộ cá nhân không dây (Wireless PAN) Nó có thể tạo ra một bước đột biến trong lĩnh vực truyền thông với khoảng cách nhỏ Ở nước ta việc sử dụng công nghệ này còn hạn chế, tuy nhiên hy vọng rằng trong tương lai gần, công nghệ UWB sẽ được áp dụng phổ biến hơn, ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống của con người... piconet con là có thể mở rộng vùng mạng do PNC trong piconet con chính là một thiết bị trong mạng piconet cha Ngược lại, piconet hàng xóm sẽ không thể mở rộng vùng mạng của piconet con, do PNC không phải là thiết bị trong piconet cha Ba hoạt động chính trong mạng gồm tạo piconet, thiết bị tham gia vào mạng, và chuyển giao PNC a Tạo piconet Trước khi thiết bị tạo một mạng piconet, nó phải chắc chắn rằng... thể người đóng vai trò hết sức quan trọng trong y học Có thể trong tương lai gần, công nghệ UWB sẽ tiếp tục phát triển, và ngày càng nhiều các bộ phận có thể được chụp chiếu nhờ công nghệ này Ngoài ra, với sự phát triển của khoa học, nếu mô hình tác động của sóng radio với con người được làm rõ hơn, các thiết bị dùng công nghệ UWB sẽ trờ nên phổ biến và được chấp nhận bởi mọi người 22 III Kết luận Truyền... dụng công nghệ UWB đã nổi lên từ những năm 1993-1994 Ngày 9/8/1994, tại nước Mỹ, ứng dụng UWB radar trong y học đã được cấp bằng sáng chế Một năm sau, viện công nghệ MIT đã bắt đầu một dự án nghiên cứu về vấn đề này, năm 1996, phương pháp y học dùng UWB radar trong việc chụp ảnh, theo dõi bên trong cơ thể người cho kết quả tốt và cũng được trao bằng sáng chế Kể từ đó, UWB đã được biết đến như một công . Trường Đại học Bách khoa Hà nội Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠNG Tìm hiểu mạng PAN (Personal Area Network) Công nghệ Ultra-Wide Band Hướng dẫn: PSG.TS Đặng Văn Chuyết Thực. nhiều so với công nghệ Bluetooth, nên được sử dụng rộng rãi trong mạng sensor. Cuối cùng là công nghệ Ultra-wide band (UWB) được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.15.3a. Đây là một công nghệ mới,. mỗi nút mạng sẽ xác định 1 time-slot riêng cho phiên truyền thông của mình. 15 5. Ứng dụng của công nghệ Ultra-wideband trong Y học Như đã đề cập trong phần trước, công nghệ Ultra-wideband (UWB)