Развитие стандарта Ultra Wideband
Амплитудная импульсная модуляция
Двухпозиционная фазовая модуляция
Технологию сверхширокополосной связи (Ultra Wideband, UWB) новой назвать довольно трудно: разработки в этой области ведутся уже более двадцати лет, но большого распространения она не получила и использовалась главным образом в радиолокационных установках с ограниченным радиусом действия и в устройствах определения текущего местоположения. И лишь совсем недавно UWB-устройства стали применяться для организации коммерческой связи.
едеральная
комиссия по связи США (Federal Communications Commission, FCC) 14 февраля 2002
года одобрила положение (Report and Order), разрешающее продажу и коммерческое
использование некоторых типов устройств на базе технологии UWB. В этом же документе
впервые было дано определение сверхширокополосной связи. В соответствии с данным
положением к UWB-сигналам относятся любые сигналы, имеющие ширину спектра более
500 МГц в спектральном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц и удовлетворяющие спектральной
маске (рис. 1).
Отметим, что в спектральном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц (ширина диапазона 7,5 ГГц) спектральная плотность мощности UWB-сигнала ограничена значением –41 дБм/МГц, то есть сигнал очень слабый и фактически сливается с уровнем шума. Именно поэтому UWB-сигналы не требуют лицензирования.
Самое важное следствие, вытекающее из данного рассмотрения UWB-сигналов, заключается в том, что сама технология широкополосной связи определяется не способом кодирования сигнала, а именно его спектральной характеристикой. Учитывая, что, кроме ограничения мощности сигнала, единственным требованием является наличие ширины спектра более 500 МГц, к UWB-сигналам можно отнести множество различных сигналов, отличающихся и техникой модуляции, и шириной спектра.
В связи с этим следует рассмотреть классическую UWB-технологию, описывающую модель так называемого импульсного радио, и новую UWB-технологию, определяющую многополосную (Multi-bands) концепцию.
Классическая UWB-технология
верхширокополосная
технология связи UWB реализует принципиально иной способ передачи данных, чем
большинство применяемых сегодня радиотехнологий. В традиционных узкополосных
системах связи передача информации осуществляется за счет модуляции синусоидального
электромагнитного колебания. Фактически для передачи информации необходим некий
несущий гармонический сигнал, выполняющий функцию транспорта для доставки информации.
Однако сам по себе гармонический сигнал не несет никакой полезной информации.
Чтобы посредством этого сигнала можно было передавать данные, его предварительно
подвергают модуляции. Процесс модуляции как раз и заключается в том, чтобы закодировать
в исходном несущем сигнале необходимую информацию. В традиционной радиосвязи
используют либо амплитудную, либо частотную модуляцию сигнала. При этом скорость
модуляции исходного несущего синусоидального сигнала определяет ширину спектра
результирующего сигнала: чем выше скорость модуляции, тем больше ширина спектра
результирующего сигнала.
Использование такого традиционного подхода для радиосвязи позволяет разбить весь допустимый частотный диапазон на множество выделенных частотных каналов, в которых возможно вещание радиопередатчиков без взаимных помех друг другу. Однако разрешенный для вещания диапазон ограничен, а желающих его использовать становится год от года все больше.
Другая проблема заключается в том, что при применении узкополосной связи для передачи цифровых данных жесткие ограничения налагаются на возможную информационную скорость передачи, которая ограничивается допустимой шириной спектра сигнала.
Согласно известной теореме Клода Шеннона, максимальная информационная скорость передачи при любом способе кодирования сигнала зависит от спектральной ширины канала связи и от соотношения «сигнал/шум» и не превосходит значения:
где С — ширина полосы пропускания канала связи, выраженная в МГц; 
— отношение уровня полезного сигнала к уровню шума.
Из данного соотношения следует, что увеличение информационной скорости передачи возможно как при увеличении ширины спектра сигнала (ширина полосы пропускания канала связи), так и при увеличении спектральной плотности сигнала (увеличение соотношения «сигнал/шум»). В UWB-технологии увеличение информационной скорости передачи реализуется за счет увеличения ширины пропускания канала связи.
Идея метода проста: если не удается достичь высоких скоростей передачи в узкой полосе частот, то следует попытаться использовать как можно более широкий частотный диапазон, но так, чтобы не создавать помех другим передающим и принимающим устройствам в этом же диапазоне.
В классической технологии UWB для передачи информации вместо несущего синусоидального колебания используется последовательность сверхкоротких импульсов, имеющих соответственно сверширокополосный спектр. Длительность таких импульсов составляет менее 0,5 нс, а период их следования может колебаться от 10 до 1000 нс. Форма такого ультракороткого импульса и соответствующий ему спектр показаны на рис. 2.
Кроме того, что спектр такого сверхкороткого импульса уширяется обратно пропорционально его длительности, уменьшается и спектральная плотность энергии сигнала, то есть энергия сигнала как бы размазывается по всему спектру. Поэтому в энергетическом смысле такие сигналы очень выгодны, так как они становятся «шумоподобными»: то есть их трудно отличить от естественного шума. На фоне традиционных радиоустройств такой сверхкороткий импульс как бы и не существует — он сливается с шумом и остается незамеченным приемниками.
В результате, обладая достаточно высокой суммарной передаваемой в эфир мощностью, UWB-сигнал в каждой конкретной точке спектра не превышает крайне низкого значения, во много раз меньшего, чем у традиционных узкополосных сигналов. Согласно соответствующему правилу FCC, такой сигнал становится допустимым к использованию несмотря на то, что занимает уже отведенные для других применений участки спектра.
Напомним, что в традиционных узкополосных системах связи кодирование информации осуществляется за счет амплитудной или частотной модуляции несущего сигнала. В сверхширокополосной связи кодирование информации в последовательности сверхкоротких импульсов можно осуществить несколькими способами:
• фазоимпульсной модуляцией;
• амплитудной импульсной модуляцией;
• двухпозиционной фазовой модуляцией.
 |
|
Фазоимпульсная модуляция
При фазоимпульсной модуляции (Pulse Position Modulation, PPM) кодирование информации происходит за счет временного сдвига между импульсами. Таким образом, вместо несущего сигнала можно рассмотреть некую опорную, или базовую, последовательность импульсов, повторяющихся через строго определенные временные промежутки. Тогда кодировать информацию можно путем временного сдвига импульса относительно опорного сигнала. К примеру, нулевому биту может соответствовать импульс, передаваемый раньше опорного, а единичному биту — позже опорного (рис. 3).
|
|
Амплитудная импульсная модуляция
При амплитудной импульсной модуляции (Pulse amplitude modulation) информация кодируется путем изменения амплитуды передаваемых импульсов. К примеру, при двухуровневой амплитудной модуляции каждый импульс передает один информационный бит (0 или 1), причем логической единице может соответствовать большая амплитуда импульса, а логическому нулю — меньшая (рис. 4). При использовании большего количества возможных значений амплитуд импульсов возможно повышение информационной скорости передачи, то есть кодирование нескольких бит в одном передаваемом символе.
|
|
Двухпозиционная фазовая модуляция
При двухпозиционной фазовой модуляции (Bi-phase modulation) для кодирования используются два типа импульсов: прямой и инверсный, то есть сдвинутый относительно прямого импульса по фазе на 180°. Эти два полярных импульса применяются для кодирования логического нуля и единицы (рис. 5). При этом информационная скорость составляет 1 бит на импульс.
|
|
Демодуляция сигнала
Теперь вкратце рассмотрим, каким образом осуществляются демодуляция сигнала на стороне приемника и множественный доступ в системах классической UWB-технологии.
Проблема множественного доступа решается за счет разбиения канала на множество подканалов (Subchannels). Для этого каждому передатчику выделяется своя последовательность временных кадров, которая задает код канала, что может осуществляться с помощью псевдослучайной последовательности. При этом раскодирование сообщения возможно только в том случае, если передатчик использует ту же псевдослучайную последовательность, то есть тот же самый код канала. Кроме реализации множественного доступа, такой подход повышает конфиденциальность передаваемой информации.
Для выделения полезного сигнала на фоне шума используют корреляцию принимаемого сигнала с опорным сигналом. Напомним, что под корреляцией в математике понимают степень взаимоподобия двух функций, то есть насколько две различные функции похожи друг на друга. Говоря математическим языком, коррелятор выполняет свертку принимаемого сигнала с некоторым эталонным сигналом и в этом смысле является идеальным детектором для определения временных сдвигов принимаемых импульсов относительно опорных импульсов. Эталонная функция такова, что при приеме единицы (импульс передается с опережением относительно опорного импульса) корреляционная функция равна +1, а при приеме нуля (импульс передается с отставанием относительно опорного импульса) корреляционная функция равна –1. Во всех остальных случаях корреляционная функция равна 0.
|
|
Многополосная UWB-технология
ак
уже отмечалось, к UWB-сигналам относятся сигналы с шириной спектра более 500
МГц в спектральном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц. При этом нет никаких ограничений
относительно импульсной природы самих сигналов — совсем необязательно использовать
сверхкороткие импульсы. Исходя из этого можно создавать UWB-системы, основываясь
на традиционных принципах беспроводной связи. Такой подход привел к возникновению
нового направления, получившего название многополосной сверхширокополосной связи
(Multi-bands UWB).
Идея заключается в том, чтобы разделить весь доступный UWB-частотный диапазон на несколько узких поддиапазонов. При этом, учитывая частотную независимость поддиапазонов, передача может осуществляться одновременно в каждом из таких диапазонов. Естественно, что для каждого частотного поддиапазона существует своя несущая частота сигнала. Кроме того, в каждом из частотных поддиапазонов уже нельзя использовать сверхкороткие импульсы, так как в этом случае спектр результирующего сигнала стал бы непомерно широким и превысил бы рамки отведенного частотного диапазона. К примеру, при использовании частотных поддиапазонов шириной в 500 МГц длительность передаваемого сигнала должна быть порядка 2 нс (ширина спектра обратно пропорциональна длительности сигнала). Понятно, что при использовании сигналов с частотой выше 3 ГГц для «заполнения» временного промежутка в 2 нс потребуется уже не одиночный импульс, а синусоидальный сигнал протяженностью в 2 нс (волновой пакет). Передача в каждом из частотных поддиапазонов осуществляется при использовании той или иной техники модуляции.
В качестве иллюстрации на рис. 6 показано разбиение UWB-диапазона на восемь частотных поддиапазонов, а на рис. 7 — передача волновых пакетов в каждом из частотных поддиапазонов.
Одновременное использование множества частотных поддиапазонов может применяться не только для увеличения информационной скорости передачи, но и для решения проблемы множественного доступа — все определяется конкретной задачей.
Рассмотрим конкретный пример, когда UWB-диапазон разбивается на восемь поддиапазонов шириной по 500 МГц каждый. В результате спектр всего канала передачи имеет ширину 4 ГГц и простирается от 3,1 до 7,1 ГГц. При этом для каждого поддиапазона определяется своя частота синусоидального сигнала волнового пакета — как среднее арифметическое между нижней и верхней частотами поддиапазона. Так, если первый поддиапазон имеет минимальную частоту 3,1 ГГц и максимальную частоту 3,6 ГГц, то частота несущего сигнала составит 3,35 ГГц. Аналогично найдем, что для остальных поддиапазонов частоты несущих сигналов образуют последовательность: 3,85 ГГц; 4,35; 4,85; 5,35; 5,85; 6,35 и 6,85 ГГц.
Пусть в каждом из восьми частотных поддиапазонов передача волновых пакетов (символов) происходит с частотой 33,3 МГц и при этом для кодирования используется двоичная фазовая модуляция (Binary Phase Shift Key, BPSK). Тогда в каждом из поддиапазонов информационная скорость составит 33,3 Мбит/с, а общая информационная скорость — 267 Мбит/с.
При использовании вместо BPSK-модуляции QPSK-модуляции, позволяющей кодировать 2 бит в одном символе, информационная скорость также возрастает вдвое. Кроме того, можно использовать не восемь поддиапазонов, как в рассмотренном примере, а 16, что позволит увеличить скорость до 1 Гбит/с.
Кроме высокой скорости передачи, а также масштабируемости, использование Multi-bands UWB-технологии позволят легко решить проблему сосуществования различных протоколов беспроводной связи. Так, в спектральном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц, отводимом под UWB, диапазон 5 ГГц занят стандартом IEEE 802.11a. Для того чтобы избежать проблемы нежелательной интерференции сигналов 802.11a и UWB, достаточно исключить использование одного из частотных поддиапазонов UWB, освободив его под нужды протокола 802.11a (рис. 8).
Как уже отмечалось, основное достоинство UWB-систем заключается в скорости передачи информации. Однако по причине низкой спектральной плотности сигналов скорость передачи данных в технологии UWB сильно зависит от расстояния (рис. 9) между приемником и передатчиком и составляет порядка 400-500 Мбит/с на расстоянии до 5 м.
Ограниченный радиус действия, сочетающийся с высокой скоростью передачи, определяет возможный круг использования технологии UWB. Прежде всего она может найти широкое применение в качестве средства передачи данных между компьютером и периферийными устройствами. В частности, высокая скорость передачи позволяет передавать цифровые изображения и даже видео в реальном времени между различными устройствами. Кроме того, технология UWB может использоваться для организации персональных беспроводных локальных сетей, в которых несколько радиоточек доступа обеспечат передачу данных между любыми узлами.
