Personal Area Network

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

I. Giới thiệu mạng PAN (Personal Area Network)..........................................................................3

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

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.

3

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

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)

5

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.

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)

6

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) =

*

với = - , và σ liên hệ với chu kì xung theo công thức σ = / 2

b. On – Off Keying

7

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

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:

8

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

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

.

9

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.

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.

10

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.

Chức năng chính của Piconet Coordinator (PNC) bao gồm:

Định kì gửi các frame chứa thông tin cần thiết cho các hoạt động trong piconet .

11

Gán các khung thời gian , các time slot vào các frame dữ liệu.

Điều khiển chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service), chế độ tiết kiệm năng lượng, điều

khiển truy nhập.

Xác định time slot cho các thiết bị và phân phối các khóa dùng để xác thực, bảo vệ dữ liệu .

Nếu không có kênh rỗi, một thiết bị có thể tự tạo một mạng piconet phụ thuộc. Trong cùng một

kênh, nếu có hai piconet hoạt động, một piconet sẽ là piconet cha (parent piconet) , một piconet sẽ là

piconet phụ thuộc (dependent piconet).

Các piconet phụ thuộc sẽ có ID và PNC riêng, piconet này có thể là piconet con (children piconet)

hay piconet hàng xóm (neighbor piconet) đối với piconet cha. Trong hai piconet này, chỉ có 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 không tồn tại các piconet khác

trong cùng 1 kênh , bước này thường được thực hiện bởi passive scanning. Các thiết bị sẽ lắng nghe các

frame dữ liệu từ phía PNC.

Nếu có kênh trống, thiết bị tạo piconet sẽ trở thành PNC, nó sẽ lựa chọn kênh truyền phù hợp cho

piconet mới này, sau đó mới truyền dữ liệu. Ngược lại, nếu không có kênh trống, thiết bị sẽ tạo ra một

mạng piconet phụ thuộc.

b. Thiết bị tham gia vào mạng

12

Sau khi các mạng piconet được phát hiện với passive scanning và được xác thực bởi PNC, các

piconet sẽ trao đổi các thông tin cần thiết với PNC (tốc độ truyền dữ liệu mà tầng vật lý hỗ trợ, trạng thái

năng lượng điện, không gian buffer, khả năng trở thành PNC,…).

Sau đó, thiết bị gửi requets đến PNC để tham gia vào piconet, nếu được PNC sẽ gửi trả phản hồi.

Khi đã thành piconet và gia nhập vào mạng, thông tin về thiết bị sẽ được PNC broadcast tới các thiết bị

khác trong mạng.

c. Chuyển giao PNC

Khi thiết bị đóng vai trò PNC rời khỏi mạng (hay hết pin !), cần có thiết bị khác thay thế. Thông

thường, PNC sẽ lựa chọn thiết bị tốt nhất trong số các thiết bị có khả năng làm PNC. Ngoài ra, khi một

thiết bị mới gia nhập mạng piconet, PNC có thể sẽ chuyển giao ngay vai trò cho thiết bị mới này nếu thấy

thiết bị này có khả năng, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra khi các chính sách bảo mật cho phép.

Khi được chuyển giao, PNC mới được chuyển giao sẽ bảo lưu mọi time slot mà PNC cũ đã xác

định cho các thiết bị, do đó mọi hoạt động trong piconet sẽ không bị đứt quãng

13

4. Kiến trúc phân tầng

Trong kiến trúc của công nghệ WiMedia, 2 tầng quan trong nhất là tầng vật lý (Physical - PHY),

và giao thức điều khiển truy nhập (Medium Access Control - MAC). Nếu như tầng PHY có nhiệm vụ

định nghĩa, miêu tả về nội dung các frame sẽ truyền đi thì tầng MAC sẽ mô tả cách thức truyền thông

giữa các thiết bị để gửi nhận các frame này.

Các tầng giao thức của công nghệ UWB

a. Kênh truyền vật lý

Tầng vật lý sẽ truyền tín hiệu dạng sóng thu được sau quá trình biến đổi FFT ngược để tạo ra một

kí tự OFDM.(OFDM symbol) Tất cả các kí tự này đều có cùng độ dài và tốc độ truyền như nhau là 640

Mb/s. Mã hóa các tín hiệu vào quá trình FFT ngược khác nhau sẽ cho ta các tốc độ mã hóa khác nhau

(53.3, 80, 106.7, 160, 200, 320,400 và 480 Mb/s). Dữ liệu được mã hóa thông qua các kí tự OFDM (các

kí tự đóng vai trò như sóng mang), thường 6 kí tự tạo thành 1 block và được gửi đi.

Thông thường giữa các kí tự, tầng vật lý thường thay đổi tần số truyền nên các block kí tự sẽ được

truyền qua 1 , 2 hay 3 băng tần số sát nhau. (mỗi băng tần số rộng 528 MHz). Tập hợp 3 băng tần sẽ tạo

thành 1 Band Group. Và thứ tự sử dụng các băng tần số sẽ xác định kênh truyền vật lý.

14

Hình vẽ trên đây mô tả các block kí tự được truyền qua 3 băng tần số liền kề: băng 1, 2, và 3 sẽ

tạo thành Band Group 1, được xác định là kênh truyền 9 (kênh TFC-1). Trong đó, kí tự đầu tiên được

truyền tại tần số trung tâm 3432 MHz, kí tự thứ hai được truyền tại 3960 MHz, kí tự thứ ba được truyền

tại 4488 MHz, kí tự thứ tư lại được truyền tại tần số 3432 MHz… Để đóng gói thông tin truyền đi, tầng

vật lý sẽ có cấu trúc frame như hình vẽ dưới đây

Một frame dữ liệu trong công nghệ WiMedia gồm 3 thành phần: (thứ tự từ trái sang phải)

- Preamble: sẽ được truyền đầu tiên, là phần thông tin dùng để đồng bộ thời gian giữa phía gửi và

phía nhận

- Header : chứa thông tin cơ bản về frame, từ đó phía thu biết cách để xử lý. VD: thông tin trong

header có thể xác định nơi nhận là 1 thiết bị hay nhiều thiết bị, frame này chỉ là frame đơn hay là 1 trong

chuỗi các frame,… Phần header luôn được truyền với tốc độ 39.4 Mb/s.

- Payload: là phần dữ liệu cần truyền đi, phần này thường được truyền với tốc độ được xác định

trong trường header (53.3, 80, 106.7, 160, 200, 320, 400, 480, 640, 800, 960 hoặc 1024 Mb/s). Với các

frame không chứa dữ liệu, payload có thể bao gồm các thông tin hỗ trợ các giao thức. Với frame dữ liệu,

nội dung của phần payload sẽ tùy thuộc vào ứng dụng cần truyền, nó có thể là thông tin file, video, …Dữ

liệu trong phần này có dung lượng trong khoảng 1 byte đến 4095 byte , hoặc có thể trống nếu không cần

thiết. Nếu ứng dụng cần truyền dữ liệu lớn hơn 4095 bytes, dữ liệu sẽ bị chia nhỏ thành các frame. Frame

check sequence (FCS) được đặt ở cuối payload để kiểm tra độ chính xác của gói tin trong quá trình

truyền.

15

b. Tầng giao thức điều khiển truy cập

Nếu như tầng PHY có nhiệm vụ định nghĩa, miêu tả về nội dung các frame sẽ truyền đi thì tầng

MAC sẽ mô tả cách thức truyền thông giữa các thiết bị để gửi nhận 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 pháp truy cập thường được dùng là CSMA/CA (Carrier sense

multiple access with collision avoidance) và TDMA (Time division multiple access). Phương thức

CSMA/CA là giao thức truy nhập ngẫu nhiên, dùng cho việc truyền dữ liệu. Nó giả sử rằng các nút mạng

(các thiết bị) có khả năng kiểm tra trạng thái của kênh truyền trước khi truyền dữ liệu. Nếu kênh truyền

rỗi, thiết bị được phép truyền dữ liệu. Nếu kênh truyền bận, các thiết bị sẽ hoãn việc truyền dữ liệu và

truyền lại sau đó với cơ chế backoff. Để tránh việc 2 nút mạng xảy ra xung đột do không lắng nghe trạng

thái của nhau, giao thức CSMA/CA cũng định nghĩa cơ chế Virtual Carrier Sense: một nút mạng trước

khi truyền dữ liệu, sẽ truyền một gói tin ngắn RTS (Request to Send), trong đó bao gồm địa chỉ nguồn,

đích và thời gian của phiên truyền thông. Nếu kênh truyền rỗi, phía nhận sẽ đáp trả cũng với 1 bản tin

ngắn CTS (Clear to Send) trong đó bao gồm thông tin về thời gian truyền thông tương ứng. Bất kể nút

mạng nào khi nhận được 1 trong 2 bản tin RTS hay CTS cũng sẽ lưu lại thời gian tương ứng , để kết hợp

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. 16

5. Ứng dụng của công nghệ Ultra-wideband trong Y học

Như đã đề cập trong phần trước, công nghệ Ultra-wideband (UWB) có 2 chuẩn là Impulse Radio

(IR) và Multi-band OFDM (WiMedia) nên cũng được ứng dụng theo những cách khác nhau. Với phương

pháp WiMedia, việc chia nhỏ dải tần thành các băng tần con được ứng dụng trong truyền thông tốc độ

cao với khoảng cách ngắn. Với chuẩn IR, bằng việc sử dụng các sóng chu kì ngắn, năng lượng thấp,

UWB có thể ứng dụng trong truyền thông Internet, định vị chính xác với khoảng cách centimet, và ứng

dụng làm radar với độ phân giải cao trong y học.

Xu hướng ứng 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 nghệ chụp, chiếu từ xa các bộ phận bên trong cơ thể

người. Nếu so sánh với tia X trong công nghệ X-quang, các đầu dò (sensor) của UWB radar sử dụng các

sóng điện từ không có tính ion hóa, nên không gây hại đến sức khỏe con người. Hơn thế nữa, tín hiêu

UWB có năng lượng thấp nên phù hợp với việc chụp chiếu cơ thể người, đặc biệt trong thời gian thực.

Từ năm 1999, rất nhiều công trình nghiên cứu về ứng dụng UWB trong y học, đặc biệt là về tim mạch,

động mạch, khí quản và khoa sản đã được bắt đầu tiến hành.

5.1. Tại sao lại ứng dụng UWB trong y học ?

Công nghệ UWB sử dụng các xung với chu kì rất ngắn, do vậy nó có phổ ở dưới mức nhiễu. Tính

năng này khiến tín hiệu UWB rất phù hợp đề truyền đi với tốc độ cao trong thời gian ngắn. Ngoài ra, tín

hiệu UWB còn có một số đặc điểm phù hợp với y học như sau:

a. Khả năng đâm xuyên qua chướng ngại vật

Tín hiệu siêu âm (ultra-sound - tín hiệu ngoài ngưỡng nghe của con người, lớn hơn 20 kHz) là tín

hiệu cũng được dùng nhiều trong y học và cũng có nhiều điểm tương đồng với tín hiệu UWB, tuy nhiên

điểm khác nhau cơ bản là siêu âm là công nghệ line of sight và khoảng cách mà nó dùng được trong y

học là rất ngắn (cỡ vài inches). Với công nghệ UWB, chính do việc dùng các sóng radio, chứ không phải

các sóng âm tần số cao nên nó có độ tăng ích cao, dẫn đến khả năng đâm xuyên qua các chướng ngại vật

(có thể qua tường). Do đó, tín hiệu UWB có thể được ứng dụng dễ dàng trong việc chụp chiếu các cơ

quan bên trong cơ thể người.

b. Khả năng chính xác cao đến từng centimet

Khả năng chính xác này có thể hiều như khả năng giải quyết vấn đề multi-path (đa đường). Như

đã đề cập trong phần trước, do dùng các sóng chu kì ngắn nên có khă năng giải quyết vấn đề multi-path

17

(đa đường), (với mỗi sóng chu kì 1 nano giây, muti-path giảm 30cm), và điều này rất phù hợp với việc

định vị, phát hiện trong các ứng dụng y học.

c. Sự phát xạ điện từ thấp

Tín hiệu UWB có năng lượng phát xạ điện từ thấp, là do các xung đều có năng lượng radio thấp

hơn -41.3 dB ở môi trường trong nhà, do vậy rất phù hợp với các ứng dụng trong bệnh viện. Hơn thế nữa,

nó an toàn cho cơ thể người, kể cả ở khoảng cách ngắn, nên có tiềm năng trong các thiết bị chụp, chiếu.

d. Sự tiêu tốn điện năng thấp

Do công nghệ UWB sử dụng các sóng có chu kì ngắn và được thiết kế cẩn thận, các bộ thu phát

tín hiệu cũng được thiết kế một cách đơn giản và tiêu tốn ít điện năng nhất có thể, vì vậy có thể được thực

thi trên các thiết bị có sự hạn chế về điện năng.

Trên đây là các lý do tại sao UWB lại được ứng dụng trong y học, đặc biệt là trong lĩnh vực chụp,

chiếu, nội soi các cơ quan bên trong cơ thể người. Không những có khả năng đâm xuyên, và cho độ chính

xác đến từng centimet, tín hiệu UWB còn khá an toàn với cơ thể người khi có sự phát xạ điện từ thấp,

cũng như tiết kiệm điện năng trong các thiết bị. Tiếp theo sẽ là 2 ứng dụng cụ thể trong việc Kiểm tra

trong y học (Medical Monitoring) và vấn đề Chụp chiếu (Medical Imaging).

5.2. Kiểm tra trong y học (Medical Monitoring)

Do các đặc tính trên, UWB rất phù hợp với các ứng dụng trong việc kiểm tra, cụ thể là Kiểm tra

cử động của bệnh nhân, kiểm tra dấu hiệu của sự sống, và kiểm tra phòng thuốc.

a. Kiểm tra cử động của bệnh nhân

Do các sóng dùng trong công nghệ UWB có chu kì ngắn nên thường có mật độ dày đặc, rất phù

hợp trong việc kiểm soát và đo lường các chuyển động của bệnh nhân từ xa. Chức năng này có thể được

ứng dụng trong các đơn vị cấp cứu hay phòng phục hồi chức năng. Ví dụ như trong hình dưới đây, có sử

dụng công nghệ UWB trong việc kiểm soát bệnh nhân . (trong thời kì không cho phép chuyển động).

18

Ở hình trên, trên trần nhà của phòng cấp cứu có gán một radar UWB, tín hiệu mà radar này phát ra khi

gặp cơ thể bệnh nhân sẽ phản xạ lại, từ đó kiểm tra được chuyển động của bệnh nhân. Cụ thể hơn, khi

người bệnh cử động, tín hiệu phản xạ lại sẽ dao động mạnh, biên độ của tín hiệu dao động càng mạnh,

điều đó càng chứng tỏ bệnh nhân di chuyển càng gần tới radar, radar này còn có chức năng đo đạc tốc độ

và vị trí của người bệnh trong phòng. Từ các dữ liệu thu nhận được, radar sẽ ngay lập tức gửi tín hiệu đến

phòng theo dõi của bác sĩ, hay y tá.

Do UWB chỉ có một phạm vi hoạt động ngắn (cỡ 10m) nên nếu muốn kiểm soát một vùng không gian

lớn, phải dùng nhiều sensor UWB. Khi đó, với đặc điểm truyền thông tốc độ cao trong khoảng cách ngắn,

lại tiêu tốn ít điện năng trong các thiết bị nên các sensor này sẽ trao đổi thông tin cảm biến với nhau trong

quá trình theo dõi, kiểm tra. So sánh với các thiết bị dùng công nghệ ZigBee hay Bluetooth, do đặc tính

tiêu tốn nhiều điện năng mà tốc độ truyền lại thấp nên không phù hợp trong ứng dụng này.

b. Kiểm tra các dấu hiệu sự sống của con người

Trong thực tế, các sensor dùng công nghệ UWB không chỉ phát hiện được các chuyển động lớn,

nó còn có thể phát hiện các cử động nhỏ bên trong con người. Ví dụ là khả năng phát hiện sự hô hấp của

19

con người, điều này rất quan trọng và có ích trong y học, đặc biệt trong các trường hợp ranh giới giữa sự

sống và cái chết, khi mà mắt thường không thể phân biệt được. Một số ứng dụng khác có thể kể ra như

phát hiện các dấu hiệu sự sống trong tim mạch, thần kinh…

Điều này còn có ý nghĩ giảm giá thành cho việc chăm sóc sức khỏe bệnh nhân, đặc biệt là cho

những người cao tuổi, khi giờ đây, có thể để người bệnh ở nhà, thông qua một radar UWB được kết nối

với bệnh viện, việc chăm sóc theo dõi bệnh nhân có thể thực hiện từ xa. Tuy vậy, để thực thi các radar

ngoài chức năng kiểm tra còn phải có chức năng truyền nhận dữ liệu.

c. Kiểm tra phòng chứa thuốc

Cũng giống như việc kiểm tra các cử động của con người, các radar UWB sẽ được đặt trong các

phòng chứa thuốc và gửi tín hiệu theo dõi về phòng bảo vệ. Nếu có người chưa được sự cho phép đột

nhập vào phòng chứa thuốc , khi đi qua ranh giới, radar sẽ nhận biết được từ sự dao động về biên độ của

tín hiệu nhận được, sau đó nó sẽ gửi báo động về nơi theo dõi.

Như vậy, các tính chất của công nghệ UWB rất quan trọng và đầy triển vọng trong lĩnh vực kiểm tra,

kiểm soát trong y học. Nó không chỉ kiểm tra được sự chuyển động của con người, các dấu hiệu của sự

sống mà còn được dùng trong việc kiểm soát phòng thuốc. Hy vọng rằng, trong tương lai gần, sẽ có thêm

nhiều thiết bị dùng công nghệ UWB được đưa vào sử dụng trong lĩnh vực này.

5.3. Vấn đề chụp chiếu trong y học (Medical Imaging)

a. Chụp chiếu tim mạch và các cơ quan hô hấp

Do tim mạch có vai trò quan trọng trong cuộc sống nên ứng dụng dùng radar UWB đã được

nghiên cứu từ lâu. Nhà khoa học Thomas McEwan tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore

(Lawrence Livermore National Laboratory) đã phát triển bằng sáng chế đầu tiên về ống nghe radar như

hình vẽ sau.

20

Ngoài ra, ông cũng sáng chế ra camera 3D trong radar UWB để kiểm tra sự chuyển động của tim. Bộ

phận phát trong radar UWB sẽ truyền các xung đơn đến cơ thể con người và sau khi phản xạ, các xung sẽ

truyền lại tới bộ phận thu nhận trong radar.

21

Cũng giống như chụp chiếu tim mạch, UWB cũng được ứng dụng để chụp chiếu bề mặt của lồng

ngực, phổi, hay các động mạch. Tất cả đều có thể được chụp lại bằng cách thay đổi các năng lượng của

các xung được phát ra từ radar UWB.

b. Chụp chiếu trong sản khoa

Đây cũng là một ứng dụng của công nghệ UWB, tuy nhiên hiện nay vẫn còn nhiều ý kiến cho

rằng các sóng radio của UWB có gây hại với đứa trẻ, mặc dù trong thực tế sóng siêu âm dùng trong lĩnh

vực này cũng tồn tại không ít những mối nguy hại. Thật ra sự phát xạ của các radar UWB là an toàn với

con người, tuy nhiên vẫn cần có thêm thời gian để mọi người có thể chấp nhận được việc dùng các thiết

bị có UWB. Các đặc tính mới hơn so với công nghệ siêu âm có thể kể đến như không tác động đến sản

phụ, thực hiện từ xa, sạch sẽ và dễ sử dụng.

d. Chụp chiếu cơ quan Tai – Mũi – Họng

Một ứng dụng tiếp theo của UWB là ứng dụng trong việc kiểm tra và chụp chiếu các cơ quan

Tai – Mũi – Họng. Và ứng dụng điển hình trong lĩnh vực này là một microphone có thể kiểm tra sự

chuyển động của dây thanh quản bằng các sóng của một radar UWB.

22

Thiết bị này không chỉ liên quan đến vấn đề âm thanh, mà còn có thể phát hiện các bệnh về dây thanh

như viêm vọng, dị ứng và ung thư. Hình vẽ dưới đây là ảnh chụp được từ radar UWB về dây thanh của

bệnh nhân.

Tóm lại, các ứng dụng của UWB trong việc chụp chiếu các bộ phận trong cơ 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.

23

III. Kết luận

Truyền thông không 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 chúng ta ở bất kỳ nơi đâu, bất kỳ thời điểm nào. Tuy nhiên với

vô tuyến không dây thì phổ tần hoạt động để không gây nhiễu lẫn nhau là một vấn 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 cho vấn đề này. Với việc hoạt động không

cần giấy phép và truyền dẫn với năng lượng thấp, UWB có thể hoạt động với các thiết bị không dây khác

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.

Qua đây, em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy Đặng Văn Chuyết, thầy đã nhiệt tình chỉ bảo ,

hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.

Hà nội, ngày 30 tháng 11 năm 2012

24

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. 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

[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 University of Rome

25