Беспроводная технология Ultra WideBand
Технология сверхширокополосной связи
В связи с расширением использования цифрового контента в персональных компьютерах, бытовой электронике и в мобильных коммуникационных устройствах появилась необходимость в едином стандартном средстве соединения, которое должно соответствовать наблюдающемуся сегодня процессу конвергенции в отношении указанных устройств. Постепенный переход к удобной беспроводной доставке цифровой информации создает предпосылки для создания единого и стандартизованного беспроводного средства подключения для разных областей применения.
еспроводные технологии не только стремительно отвоевывают нишу локальных (а теперь уже и глобальных) сетей, но и постепенно начинают использоваться в беспроводных офисах, когда все периферийные устройства (принтер, сканер, внешний жесткий диск, цифровая камера, проектор) подключаются к компьютеру беспроводным способом. Для устройств бытовой электроники необходим высокоскоростной беспроводной интерфейс, однако использование таких беспроводных технологий, как Bluetooth или протоколы семейства 802.11, имеет ряд ограничений. Основной недостаток этих протоколов заключается в их сравнительно небольшой полосе пропускания. Для доставки видео обычно требуется пропускная способность 3-7 Мбит/с по стандарту SDTV/DVD и 19-24 Мбит/с по стандарту HDTV. Поэтому в тех случаях, когда речь идет о приложениях, которым требуется высокая скорость передачи, например при передаче мультимедийного контента, использование данных беспроводных технологий ограничено пропускной способностью канала связи.
Альтернативной технологией беспроводного доступа, обеспечивающей обмен данными по радиоканалу между бытовыми электронными устройствами, периферийными устройствами ПК и мобильными устройствами на небольших расстояниях с очень высокой скоростью и малыми затратами энергии, является сверхширокополосная технология Ultra WideBand (UWB). Эта технология обладает, по сравнению с Bluetooth или протоколами семейства 802.11, высокой пропускной способностью при небольшом радиусе зоны покрытия и идеально подходит для беспроводной передачи высококачественного мультимедийного контента, в частности потокового цифрового видео от цифрового записывающего видеоустройства на телевизионное устройство стандарта ТВЧ (телевидение высокой четкости), или для беспроводного соединения мобильного ПК с проектором во время презентаций (рис. 1).
Рис. 1. Потенциальный рынок использования UWB-технологии
За счет широкого радиочастотного диапазона технология UWB позволяет передавать по беспроводному каналу на небольшие расстояния (например, в пределах дома или небольшого офиса) значительно большие объемы данных и за меньшее время, чем традиционные беспроводные технологии. В сочетании с малым энергопотреблением и импульсным характером передачи данных это позволяет достигать высокой скорости передачи данных без помех со стороны оборудования других применяющихся сегодня беспроводных стандартов, таких как Wi-Fi, WiMAX и стандарты сотовой связи.
Технология сверхширокополосной связи
ехнология сверхширокополосной связи в принципе не является новой: разработки в этой области ведутся уже более двадцати лет, но большого распространения UWB 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.
Федеральная комиссия по связи (Federal Communications Commission’s, FCC) определяет UWB-сигнал как любой сигнал в спектральном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц, имеющий ширину спектра более 500 МГц. Отметим, что в спектральном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц (ширина диапазона 7,5 ГГц) спектральная плотность мощности UWB-сигнала ограничена значением –41,5 дБм/МГц (рис. 2), то есть этот сигнал очень слабый и фактически сливается с уровнем шума, вследствие чего UWB-сигналы не требуют лицензирования.
Рис. 2. Ограничение спектральной плотности мощности сигнала
Учитывая, что, кроме ограничения мощности сигнала, единственным требованием, определяющим UWB-сигналы, является наличие ширины спектра более 500 МГц, указанные сигналы весьма разнообразны и различаются и техникой модуляции, и шириной спектра. В связи с этим следует рассмотреть и 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 обычных 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, и для того, 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.
В классической технологии UWB для передачи информации вместо несущего синусоидального колебания используется последовательность сверхкоротких импульсов (рис. 3), имеющих соответственно сверхширокополосный спектр (рис. 4). Длительность таких импульсов составляет менее 0,5 нс, а период их следования может колебаться от 10 до 1000 нс.
Рис. 3. Информационный UWB-импульс
Рис. 4. Спектр UWB-импульса
Спектр сверхкороткого импульса уширяется обратно пропорционально его длительности, при этом 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» и их трудно отличить от естественного шума, а на фоне традиционных радиоустройств такой сверхкороткий импульс вроде 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.
В сверхширокополосной связи для кодирования информации в последовательности сверхкоротких импульсов используются фазоимпульсная модуляция (Pulse Position Modulation, PPM), амплитудно-импульсная модуляция (Pulse Amplitude Modulation) и двухпозиционная фазовая модуляция (Bi-phase Modulation).
При фазоимпульсной модуляции 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, и тогда кодировать информацию можно путем временного сдвига импульса относительно опорного сигнала.
При амплитудной импульсной модуляции (Pulse Amplitude Modulation) информация кодируется путем изменения амплитуды передаваемых импульсов. При двухуровневой амплитудной модуляции каждый импульс передает один информационный бит (0 или 1), а при использовании большего количества возможных значений амплитуд импульсов возможно повышение информационной скорости передачи, то есть кодирование нескольких битов в одном передаваемом символе.
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. Информационная скорость составляет 1 бит на импульс.
|
|
Многополосная UWB-технология
ак уже говорилось, к UWB-сигналам относятся сигналы с шириной спектра более 500 МГц в спектральном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц, причем 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. Подобный подход привел к возникновению нового направления, получившего название многополосной сверхширокополосной связи (Multi-bands UWB), идея которой заключается в том, чтобы разделить весь доступный UWB-частотный диапазон на несколько узких поддиапазонов (рис. 5). При этом, учитывая частотную независимость поддиапазонов, передача может осуществляться одновременно в каждом из таких диапазонов.
Рис. 5. Разбиение UWB-частотного диапазон на несколько узких поддиапазонов
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 будет слишком широким и превысит рамки отведенного частотного диапазона. К примеру, при применении частотных поддиапазонов шириной 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 (рис. 6). Одновременное использование множества частотных поддиапазонов может применяться не только для увеличения информационной скорости передачи, но и для решения проблемы множественного доступа.
Рис. 6. Передача волновых пакетов в каждом из частотных поддиапазонов
Кроме обеспечения 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. Чтобы избежать проблемы нежелательной интерференции сигналов 802.11a и UWB, достаточно исключить использование одного из частотных поддиапазонов UWB, освободив его для протокола 802.11a.
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 между приемником и передатчиком и составляет порядка 400-500 Мбит/с на расстоянии до 5 м.
|
|
Технология UWB MultiBand OFDM
ипичным примером многополосной UWB-технологии является технология UWB MultiBand OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), предложенная к рассмотрению компанией Texas Instruments. В рамках весеннего форума IDF 2005 корпорация Intel сообщила о завершении разработки важнейших технических спецификаций и о слиянии отраслевых групп WiMedia Alliance и Multi-band OFDM Alliance (MBOA), занимающихся стандартизацией и утверждением технологии UWB.
Как уже отмечалось, в технологии UWB предусмотрен частотный диапазон от 3,1 до 10,6 ГГц. Однако при жестких ограничениях спектральной плотности мощности UWB-сигнала на уровне –41,5 дБм/МГц использование верхнего спектрального диапазона затруднительно из-за наличия затухания сигнала. Дело в том, что при распространении сигнала в открытой среде потери на распространение описываются выражением:
.
где fg — геометрическое среднее между верхней и нижней границами частотного диапазона, а d — расстояние от приемника до передатчика сигнала.
Как видно из данной формулы, затухание сигнала возрастает с увеличением частоты. Поэтому в технологии UWB MultiBand OFDM предусматривается использование не всего спектрального диапазона, а только частот от 3168 до 4752 МГц. Кроме того, данный частотный диапазон разбивается на три частотных канала шириной 528 МГц каждый (рис. 7): канал #1 — 3186-3696 МГц, канал #2 — 3696-4224 МГц, канал #3 — 4224-4752 МГц.
Центральная (несущая) частота в каждом из частотных каналов рассчитывается по правилу: fc = 2094 + 528 x nch, где nch — номер канала. Таким образом, для первого канала несущая частота составляет 3432, для второго — 3960, а для третьего — 4488 МГц.
Рис. 7. Три частотных канала в технологии UWB MultiBand OFDM
Технология OFDM находит широкое применение в протоколах беспроводной связи, например в стандартах IEEE 802.11a, 802.11g и 802.16. Основное преимущество данной технологии заключается в том, что она позволяет реализовать высокую скорость передачи данных, обладает высокой спектральной эффективностью и создает предпосылки для эффективного подавления такого паразитного явления, как многолучевая интерференция сигналов, возникающая в результате многократных отражений сигала от естественных преград, в результате чего один и тот же сигнал попадает в приемник различными путями. Следовательно, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов, имеющих различные амплитуды и смещенных друг относительно друга по времени, что приводит к искажению принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах.
Чтобы избежать многолучевого распространения, в технологии OFDM поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных ортогональных друг другу подканалов и передача ведется параллельно на всех подканалах. При этом под ортогональностью каналов подразумевается, что несущие частоты каждого канала ортогональны друг другу. И хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, и отсутствие межканальной интерференции (рис. 8).
Рис. 8. Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими
Для реализации метода OFDM в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис. 9).
Рис. 9. Реализация метода OFDM
В технологии UWB MultiBand OFDM для разделения каждого из трех частотных каналов на подканалы используется быстрое обратное преобразование Фурье с окном на 128 частотных подканалов, из которых для передачи данных используются 100 подканалов, 12 подканалов применяются для согласования фазы и частоты сигнала а остальные подканалы не используются.
Другой особенностью технологии UWB MultiBand OFDM является временное чередование OFDM-символов по трем частотным каналам (TFI-OFDM), то есть первый символ передается с использованием OFDM-технологии в первом частотном канале, второй символ — в третьем, третий — во втором, четвертый — опять в первом и т.д. (рис. 10). Такой подход позволяет равномерно заполнить весь частотный диапазон и снизить влияние многолучевой интерференции на искажение сигнала.
Рис. 10. Чередование OFDM-символов по трем частотным каналам
Кроме того, для борьбы с многолучевой интерференцией в технологии OFDM используются так называемый охранный интервал (Guard Interval, GI) и циклический префикс (Cycling Prefix). Охранный интервал длительностью 9,5 нс — это временной промежуток между следованиями отдельных OFDM-символов, необходимый для переключения с одного частотного канала на другой.
Циклический префикс длительностью 60,6 нс добавляется в начало каждого OFDM-символа и представляет собой циклическое повторение окончания символа. Наличие циклического префикса создает временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (рис. 11).
Рис. 11. Циклический префикс позволяет избежать межсимвольной интерференции
Циклический префикс является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике. С учетом циклического префикса и охранного интервала длительность OFDM-символа составляет 312,5 нс, а период следований трех символов — 937,5 нс (рис. 12).
Рис. 12. Временные характеристики OFDM-символов
На физическом уровне в технологии UWB MultiBand OFDM при передаче данных используются традиционное скремблирование, сверточное кодирование, чередование битов (Bit Interliving) и фазовая модуляция QPSK (рис. 13).
Рис. 13. Схема передатчика
Особый интерес представляет технология чередования битов. Это чередование осуществляется как в пределах одного OFDM-символа (symbol interleaving), так и в пределах трех OFDM-символов (tone interleaving). На первом этапе биты данных разбиваются на группы по 300 бит в каждой (100 бит передается в одном OFDM-символе, поскольку для передачи данных используется 100 частотных подканалов). Далее биты перегруппируются таким образом, что составляют три последовательные группы. В первую группу включается каждый третий бит, начиная с первого, то есть x1x4x7...x298. Вторая и третья группы формируются по аналогичному правилу, но начиная со второго и третьего битов соответственно. Таким образом, входная последовательность 300 бит (x1x2x3...x300) преобразуется в последовательность x1x4...x298x2x5...x299x3x6...x300.
После указанной перестановки битов полученная последовательность 300 бит опять подвергается перестановке, результатом которой являются три последовательности длиной по 100 бит. Первая последовательность состоит из 10 блоков длиной по 10 бит. В первый блок включается каждый десятый бит, начиная с первого, во второй блок — каждый десятый, начиная со второго и т.д. Первая последовательность преобразуется к виду: y1y11...y91y2y12...y92...y10y20...y100. По аналогичному алгоритму формируется вторая и третья последовательности, но начиная с 101-го и 201-го членов, то есть: y101y111...y191y102y112...y192...y110y120...y200 и y201y211...y291y202y212...y292...y210y220...y300. Каждая из трех сформированных последовательностей передается с помощью одного из трех OFDM-символов.
Использование технологии чередования битов в пределах OFDM-символа и в пределах трех OFDM-символов позволяет создать равномерный спектр сигнала в пределах всего частотного диапазона как в каждом частотном канале, так и во всем частотном диапазоне, что минимизирует вероятность возникновения межканальной интерференции и ошибок передачи.
Последний вопрос, который пока остался вне рамок нашего рассмотрения, — это возможные скорости передачи. В технологии UWB MultiBand OFDM скорости передачи могут составлять 55, 80, 110, 160, 200, 320 и 480 Мбит/с, причем скорости 110, 200 и 480 Мбит/с являются обязательными, а остальные — опциональными. Различие в скоростях определяется скоростью сверточного кодирования. Так, для скорости 110 Мбит/с используется сверточный кодер со скоростью 11/32, для скорости 200 Мбит/с скорость сверточного кодирования составляет 5/8, а для скорости 480 Мбит/с — 3/4.
|
|
Wireless USB
качестве примера высокоскоростной беспроводной технологии соединения устройств, которая базируется на технологии UWB MultiBand OFDM, можно назвать беспроводной интерфейс USB (Wireless USB). Этот новый этап в развитии технологии USB находится в центре внимания группы Wireless USB Promoter Group, в состав которой входят такие отраслевые лидеры, как Agere Systems, HP, Intel, Microsoft, NEC, Philips Semiconductors и Samsung Electronics, а в задачи Wireless USB Promoter Group включена разработка спецификации Wireless USB (WUSB). К настоящему времени уже достигнуты определенные результаты — разработана спецификация WUSB с установленной пропускной способностью 480 Мбит/с. Данная спецификация поддерживает модель использования и архитектуру, которые применяются в проводной технологии USB для высокоскоростного подключения периферийных устройств к хост-компьютеру, что позволяет быстрее перевести сегодняшние проводные USB-решения на новые беспроводные технологии.
Существует несколько архитектурных требований к разрабатываемым WUSB-устройствам. Так, помимо возможности беспроводного подключения, WUSB-устройства должны обладать обратной совместимостью с проводной технологией USB и обеспечивать мостовые соединения с проводными USB-устройствам. Для успешного распространения описываемой технологии важно также, чтобы стоимость WUSB-устройств была невысокой. Разрабатываемые устройства будут точно следовать модели подключения, используемой в проводной технологии USB, что позволит сократить сроки разработки и сохранить эту недорогую и простую в применении модель, которая получила широкое распространение в секторе персональных компьютеров.
Первые WUSB-устройства будут иметь пропускную способность, достаточную для удовлетворения потребностей типичного пользователя устройств с проводным подключением. Намеченная на первом этапе пропускная способность технологии WUSB 480 Мбит/с сопоставима с аналогичными показателями стандарта USB 2.0 для проводной технологии USB. В дальнейшем спецификация WUSB обеспечит увеличение пропускной способности по мере совершенствования сверхширокополосных радиотехнологий и методов обработки сигнала, в результате чего эта величина должна превысить 1 Гбит/с.
Предполагается, что технология Wireless USB будет реализована в отдельных компонентах различных формфакторов, например в устанавливаемых во внутренние разъемы платах и в подключаемых к внешним разъемам устройствах, а также во встраиваемых решениях. Однако светлое «беспроводное будущее» наступит только тогда, когда технология WUSB, наряду с единой сверхширокополосной платформой, станет стандартным элементом каждого процессора и набора микросхем и будет интегрирована в полупроводниковые микросхемы.
