В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Б.А. Ассанович
Кандидат технических наук, доцент
Терминология UWB (Ultra-Wideband), или "сверхширокополосная связь", была введена Министерством обороны США в 1990-х годах и позже (после 2000 года) вновь переопределена Федеральной комиссией связи США (FCC) [1]. По определению FCC, к UWB относятся системы со спектральной полосой не менее 1,5 ГГц, а также системы, у которых ширина спектральной полосы по заданному уровню составляет не менее 25% от значения центральной частоты, то есть системы, имеющие показатель широкополосности:
μ = 2 (fH - fL)/(fH + fL) <= 0,25,
где fH - верхняя граница спектральной полосы; fL - нижняя граница частотного диапазона [1].
Разработки в области UWB-связи начались в конце 1950-х в связи с развитием локации и были направлены в основном на создание эффективных радаров. В начале 1990-х теория формирования и обработки UWB-сигналов была уже детально изучена. Американские ученые Д. Росс и К. Роббинс получили множество патентов на разработки, определяющие принципы генерирования и обработки UWB-ин-формации. Затем появились новые технологии и компании, их воплощающие. Одной из них стала Time Domain, создателем которой был Л. Фуллертон [2].
Аналогичные исследования велись в СССР и первоначально были связаны с радиолокационными приложениями. Генераторы сверхкоротких импульсов с нано- и пикосекундной длительностью были созданы еще в 1980-x годах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Однако с начала 1990-х годов многие работы были сильно заторможены. Тем не менее исследования велись, о чем свидетельствуют публикации русских ученых, появившиеся уже в новом тысячелетии [3, 4].
Идея увеличения скорости передачи информации для достижения предельной пропускной способности канала определяется применением формулы Шеннона:
C[бит/с] = Δf • log(1 + PS/PN) ,
где Δf - рабочая полоса канала связи, a PS/PN ~ отношение мощности сигнала к мощности шума в частотной полосе канала.
Отсюда следует, что скорость передачи можно увеличить за счет первого или второго сомножителя. Однако, в связи с ограничениями на электромагнитную совместимость (ЭМС), в UWB-системах рост скорости при допустимой достоверности может определяться в основном шириной полосы и типом модуляции сигналов.
Основной механизм UWB-связи заключается в передаче коротких импульсов с длительностью порядка 1 нс, следующих друг за другом с интервалом от нескольких до тысяч наносекунд с использованием гауссов-ских сигналов [2].
В UWB-системах применим ряд известных видов модуляции: импульс-но-позиционная модуляция PPM (Pulse Position Modulation), амплитудная модуляция PAM (Pulse Amplitude Modulation), On-Off Keying (OOK), двоичная фазовая манипуляция Bi-Phase Modulation (BPSK), приведенные на рис. 1.
Наиболее распространенной является модуляция PPM или SPPM (Single Pulse Position Modulation), когда одиночный импульс смещается относительно его заданного положения на временном промежутке назад либо вперед, тем самым представляя 1-й либо 0-й бит информации (см. рис. 1). При этом временное смещение выбирается очень малым и не превышает 1/4 длительности импульса.
При построении многопользовательских систем типа TDMA (Time Division Multiple Access) применяют временное мультиплексирование ТН (Time Hopping), сдвигая импульс от заданного положения на временной промежуток, пропорциональный числу, сгенерированному одной из псевдослучайных последовательностей. В итоге реализуется передача информации от множества пользователей и осуществляется сглаживание спектра сигнала.
Для расширения информативности (увеличения допустимого объема алфавита) передаваемой информации возможен переход от двоичного способа модуляции к многопозиционному путем помещения одиночного импульса в одну из L позиций временного промежутка длиной n (L-SPPM) либо использование многоимпульсной позиционной модуляции, когда М импульсов всевозможным образом размещаются по n элементам временного промежутка. Полученные последовательности образуют так называемый код постоянного веса (КПВ) - (n, w, d) -с весом (количеством заполненных импульсами позиций) w и минимальным кодовым расстоянием d (числом несовпадающих позиций) между последовательностями. Увеличение количества используемых последовательностей, определяемых как Cnw = n!/w!(n - w)!, позволяет в значительной степени повысить информативность UWB-сигнала при росте w и n.
При переходе к многоимпульсной модуляции коэффициент расширения занимаемой полосы L-MPPM по отношению к L-SPPM составит [5]:
BL-MPPM/BL-SPPM = n/L.
С другой стороны, переход к L-MPPM приведет к росту средней мощности сигнала в PL-MPPM/PL-SPPM = A√2Lw2nd раз, что связано с увеличением количества импульсов на временной интервал. Для реализации необходимого ограничения на мощность сигнала при заданной достоверности может быть произведена соответствующая оптимизация параметров МРРМ и использованы свойства КПВ для контроля ошибок. (Известно, что при передаче UWB-сигналов применяются также коды с повторениями [4].)
Графики зависимостей приведенных выше коэффициентов от длительности временного интервала n для размерности модуляции L(1) = 4, L(2) = 8 и выбранных величин n = 5, 8, 12, 16, 20, 24; w = 2; d = 2 приведены на рис. 2. Из рисунка видно, что при переходе к L-MPPM коэффициенты расширения занимаемой полосы
B1(n), B2(n) и коэффициенты, определяющие отношение мощностей P1(n) и P2(n), имеют обратную зависимость и смещены для разных L в противоположном направлении, что объясняется ростом вариации позиций для используемого временного интервала. Аналогично можно построить семейство других графиков при фиксации и изменении параметров. Влияние же свойств КПВ на помехоустойчивость всей системы требует анализа конкретных сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов, что выходит за рамки тематики статьи.
Системы UWB имеют ряд ключевых достоинств [6]:
Однако UWB-технология не лишена недостатков. Так, из-за широкой полосы частот и коротких импульсов требования к точности синхронизации очень высоки. Далее, излучение в очень широкой полосе может влиять на работу других радиослужб, которые функционируют в отдельных участках этой полосы: с ростом скорости передачи средняя мощность передатчика увеличивается и в принципе может стать сравнимой с мощностью передатчиков других служб. Есть и другой критический момент - некоторые типы UWB-устройств ведут передачу с достаточно высоким коэффициентом отношения пиковой к средней мощности PAPR (Pick-to-Average Power Ratio). В связи с этим FCC была разработана специальная маска UWB-сигнала для определения зависимости мощности излучения от частоты, приведенная на рис. 3, где отчетливо видна "врезка" для GPS-систем.
"Место" UWB-систем среди других технологий связи можно определить из рис. 4, показывающего зависимость скорости V от расстояния D, с которого реализуется передача информации. Из рисунка видно, что UWB-технология может быть использована как для передачи данных, так и для других задач.
Беспроводная UWB-технология, стремительно ворвавшаяся на телекоммуникационный рынок, может использоваться в самых разнообразных приложениях, заменяя немало существующих проводных систем. Она позволит создавать радиосети внутри помещений с обслуживанием высокоскоростной связью большого количества пользователей. Например, установив UWB-станцию в квартире, вы можете организовать персональную беспроводную сеть, связывающую воедино телевизионные приемники, видеомагнитофоны, стереосистемы и компьютеры без кабельных соединений. В офисе UWB-станция заменит провода, соединяющие компьютер с мониторами, клавиатурой и т.д. Другая сфера применения радиосвязи с малым радиусом действия - системы безопасности, медицинские приложения, системы распознавания, идентификационные и радарные системы. Таким образом, технология UWB имеет весьма и весьма многообещающее применение и к тому же рассчитана на массовое использование в самых различных условиях.
Официальное разрешение FCC на применение технологии UWB, выданное пять лет назад [1], позволило позже организовать рабочую группу Ultra Wideband Working Group по разработке спецификации на радиоинтерфейс для UWB-систем (802.15.3a) со скоростью передачи 110-480 Мбит/с, но она не утвердила необходимого стандарта и была распущена. В течение трех лет деятельности группы шли жаркие дебаты вокруг того, какой вариант стандартизовать: предложенный Motorola Semiconductor Freescale DS-UWB - вариант с использованием всего частотного диапазона "единым куском" или предложенный WiMedia Alliance (в состав которого входят Intel, Staccato, Wisair и Alereon) MBOA-UWB - вариант с разбиением на поддиапазоны 528 МГц и использованием технологии мультиплексирования по ортогональным несущим (OFDM). В первом случае пропускная способность могла бы достичь 1 Гбит/с, но на дистанции всего до 3 м, во втором - до 480 Мбит/с, но дальность действия могла бы быть до 10 м [7].
Вскоре появилась новая низкоскоростная технология ZigBee, "реализующая полет пчелы на небольшие расстояния". Но скоростная UWB-технология не уступала, и в 2004 году была создана рабочая группа IEEE 802.15.4a, работающая над стандартом "персональных" беспроводных сетей Personal-Area Network (PAN) для промышленных приложений. После провала попыток продвижения предыдущей спецификации утвержденный стандарт 802.15.4a рассматривался одним из основных претендентов на применение в UWB-приложениях в рамках PAN [7].
Борьба групп WiMedia Alliance и MBOA все же "сдвинула технологию с тормозов" и привела к созданию новых UWB-устройств и продвижению идеологии Wireless USB, которую возглавляет корпорация Microsoft, стоявшая у истоков создания спецификаций Wireless USB и как никто другой заинтересованная в реализации поддержки стандарта на уровне платформы.
Что же теперь ждет технологию? Все зависит от того, как будут продвигаться уже готовые решения на рынок. Известно, например, что Freescale обратила свой взор в сторону автомобильной электроники, а WiMedia Alliance усиленно продвигает Wireless USB. Однако возможность интеграции технологий UWB и Bluetooth, намеченная на 2007-2009 годы, остается под вопросом [7].
Еврокомиссия недавно приняла решение о том, что рынки всех 27 государств-членов Евросоюза должны быть открыты для внедрения сервисов и услуг на базе технологии сверхширокополосной радиосвязи (Ultra-wideband, UWB). Правда, использование UWB в Европе будет иметь одну немаловажную особенность. В США разрешено эксплуатировать UWB-оборудование, работающее в широком спектре частот от 3,1 до 10,6 ГГц. В Европе же предполагается использовать более узкие диапазоны, а это значит, что выпущенное для работы на американском рынке UWB-оборудование нельзя будет импортировать в страны ЕС. А что же в странах СНГ? Существует предположение, что Россия все же не следует известной поговорке "Тише едешь, дальше будешь".
Автор выражает благодарность ученым южнокорейской лаборатории MDMC Lab и сотрудникам российской компании Systems Development Lab за предоставление возможности исследования и моделирования элементов UWB-систем.
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2007
Посещений: 12520
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
