Ultra Wideband — технология будущего
В рамках прошедшего в сентябре этого года в Сан-Хосе (шт. Калифорния) Форума корпорации Intel для разработчиков (Intel Developer Forum — IDF) была представлена новая технология беспроводной связи Ultra Wideband (UWB). Как заявил Кевин Кан (Kevin Kahn), содиректор отделения технологий передачи данных Intel Labs, технология UWB может найти применение в качестве высокоскоростного беспроводного канала связи между компьютерами или между компьютерами и другими электронными устройствами и имеет высокие шансы получить широкое распространение в ближайшие пять-семь лет.
онечно,
саму технологию UWB молодой назвать довольно трудно. Разработки в этой области
ведутся уже свыше 20 лет, но большой популярности технология 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. Связано это с тем, что
в феврале нынешнего года Федеральная комиссия по связи США (Federal Communication
Commission, FCC) одобрила положение, разрешающее продажу и коммерческое использование
некоторых типов устройств на базе технологии UWB. Это решение было принято после
длительного трехгодичного рассмотрения, невзирая на сопротивление Министерства
обороны, Министерства авиации и авиационной промышленности США и операторов
сотовой связи, считающих, что использование UWB-технологии создаст помехи для
системы глобального позиционирования (GPS), служащей для целей навигации, а
также для некоторых беспроводных средств связи.
Итак, что же это за технология, о которой в последнее время в СМИ появляется все больше информации?
UWB, или Ultra Wideband, — это технология сверхширокополосной связи, которая в состоянии коренным образом изменить способы организации корпоративной беспроводной связи на коротких расстояниях. UWB реализует принципиально иной способ передачи данных, чем большинство применяемых сегодня радиотехнологий. Новый метод радиопередачи заключается в генерации множества коротких широкодиапазонных импульсов с крутыми фронтами, что позволяет передавать большой объем данных на короткие расстояния при относительно низких энергозатратах. Скорость передачи данных в технологии UWB составляет порядка 400-500 Мбит/с на расстоянии до 5 м, что позволяет легко передавать цифровые изображения и даже видео между различными устройствами. По пропускной способности UWB сопоставима с USB 2.0 (пропускная способность — 480 Мбит/с).
Впрочем, технология UWB может найти широкое применение не только как средство передачи данных между компьютером и периферийными устройствами. Технологию UWB можно использовать для организации беспроводных локальных сетей, в которых несколько радиоточек доступа обеспечат передачу данных между любыми узлами.
В настоящее время корпорация Intel изготавливает радиоустройства UWB по КМОП-технологии и планирует размещать их на кристаллах вместе с другими микросхемами, то есть, по сути, встраивать такое силиконовое радио в чипсеты.
Ну что ж, перспективы развития технологии UWB в общих чертах ясны, а теперь давайте остановимся на физических принципах ее реализации.
Из школьного курса физики хорошо известно, что в традиционных системах связи передача информации осуществляется за счет модуляции синусоидального электромагнитного колебания. Фактически для передачи информации необходим некий несущий гармонический сигнал, выполняющий функцию транспорта. Однако сам по себе гармонический сигнал не несет никакой полезной информации. Чтобы посредством этого сигнала можно было бы 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 амплитудной модуляции несущий сигнал модулируется по амплитуде, в результате чего на выходе получается сигнал с неизменной частотой, но переменной амплитудой, то есть:
где A(t) — меняющаяся по времени амплитуда сигнала, f — частота несущего сигнала.
При частотной модуляции несущий гармонический сигнал модулируется по частоте, в результате чего на выходе получается сигнал с неизменной амплитудой, но переменной частотой, то есть:
где A — амплитуда сигнала, f(t) — меняющаяся по времени частота несущего сигнала.
Примеры амплитудно-модулированного и частотно-модулированного сигналов показаны на рис. 1.
Как известно, любой сигнал, меняющийся со временем, всегда можно представить в виде суперпозиции конечного или даже бесконечного набора синусоидальных сигналов (гармоник) с определенным образом подобранными амплитудами. При этом амплитуды соответствующих гармоник определяются из так называемого преобразования Фурье и образуют спектр сигнала, что известно в математике как теорема Фурье. Спектральное представление сигнала, которое используется наравне с временным представлением, позволяет определить амплитуду каждой гармоники, входящей в спектр сигнала. Фактически, спектральное разложение — это зависимость амплитуды гармоники от ее частоты. Идеальный гармонический сигнал имеет самый простой спектр. Действительно, поскольку спектр сигнала — это набор гармоник, с помощью которых можно представить исходный сигнал, то спектр гармонического сигнала — всего одна гармоника, являющаяся самим сигналом.
В реальной ситуации гармонических сигналов не бывает хотя бы потому, что гармонический сигнал должен быть бесконечным по времени. Поэтому спектры реальных сигналов значительно более сложные.
К примеру, при амплитудной модуляции высокочастотного гармонического сигнала с частотой f0 низкочастотным гармоническим сигналом с частотой fm спектр результирующего сигнала будет состоять из трех гармоник: центральной гармоники с частотой несущего сигнала f0 и двух симметричных боковых гармоник с частотами f0 + fm и f0 – fm. (рис. 2).
Ширина спектра подобного сигнала, то есть необходимый для передачи частотный диапазон, определяется частотой или скоростью модуляции.
При использовании такого подхода для радиосвязи весь допустимый частотный диапазон можно разбить на множество выделенных частотных каналов, в которых возможна работа радиопередатчиков без взаимных помех. Однако разрешенный для вещания диапазон ограничен, а желающих его использовать становится год от года все больше. Это заставляет искать принципиально новые способы передачи информации, которые, с одной стороны, обеспечивали бы требуемую скорость передачи данных, а с другой — позволяли бы использовать частотный диапазон так, чтобы не создавать помех в работе других устройств.
В случае традиционных методов радиосвязи, то есть при использовании амплитудной или частотной модуляции, повышение информационной скорости передачи неизбежно приводит к увеличению частоты модуляции и соответственно к уширению спектра сигнала. Поэтому при традиционном подходе достижение высоких скоростей невозможно.
Вот здесь-то на выручку и приходит идея сверхширокополосной радиосвязи с принципиально иным методом модуляции сигнала. Идея метода проста: если не удается достичь высоких скоростей передачи в узкой полосе частот, то нужно использовать как можно более широкий частотный диапазон, но так, чтобы иметь возможность не создавать помех другим передающим и принимающим устройствам в этом диапазоне. Для этого используют сверхкороткие импульсные сигналы, которые соответственно имеют сверхширокий спектр. Длительность таких импульсов составляет порядка 0,5 нс, при этом ширина спектрального диапазона, которая всегда обратно пропорциональна длительности импульса, составляет приблизительно 2 ГГц. По своей форме импульсные всплески напоминают один период синусоидального колебания, но более точно описываются функцией:
где t — время, f — длительность импульса.
Форма такого ультракороткого импульса показана на рис. 3.
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, поскольку становятся шумоподобными, в том смысле что их трудно отличить от естественного шума. Таким образом, на фоне традиционных радиоустройств подобный сверхкороткий импульс как бы и не существует — он сливается с шумом и остается незамеченным для приемников. Основная задача заключается в том, чтобы найти способ выделить полезный сигнал на фоне шума. Впрочем, о том, как это осуществить, мы расскажем чуть позже, а пока посмотрим, как с помощью таких сверхкоротких импульсов можно кодировать информацию.
Естественно, что один сверхкороткий импульс не способен передавать информацию, поэтому передается длинная последовательность или серия таких импульсов. Теперь необходимо придумать способ кодирования информации при передаче серии импульсов. Традиционные способы, то есть амплитудная или частотная модуляции отпадают, поскольку в данном случае отсутствует несущий сигнал. Вместо несущего сигнала можно рассмотреть некую опорную, или базовую, последовательность импульсов, повторяющихся через строго определенные промежутки времени. Тогда кодировать информацию можно посредством временного сдвига импульса относительно опорного сигнала. К примеру, нулевому биту может соответствовать импульс, передаваемый раньше опорного, а единичному биту — позже опорного. Такой способ временной модуляции получил название фазоимпульсной модуляции (Pulse Position Modulation, PPM — рис. 4).
Итак, информацию можно кодировать с помощью фазоимпульсной модуляции. Осталось понять, как эту информацию выделить на фоне шума. Кроме того, учитывая, что спектр сигнала является широкополосным, необходимо предусмотреть возможность совместного использования частотного диапазона, то есть множественный доступ.
Проблема множественного доступа решается за счет разбиения канала на множество подканалов (Sub channels). Для этого каждому передатчику выделяется своя последовательность временных кадров, которая задает код канала. Такая последовательность, например, может задаваться с помощью псевдослучайной последовательности. При этом раскодирование сообщения возможно только в том случае, если передатчик использует ту же самую псевдослучайную последовательность, то есть тот же самый код канала. Кроме реализации множественного доступа, такой подход повышает и 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.
Немного разобравшись с физическими основами технологии UWB, давайте посмотрим, что же реализовано на сегодняшний день. Сегодня UWB-системы работают в частотном диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц (рис. 5).
При этом скорость передачи достигает 500 Мбит/с на расстояниях порядка 6 м. С ростом расстояния между приемником и передатчиком скорость передачи резко уменьшается, а передача на расстояниях более 50 м практически невозможна (рис. 6). Правда, говоря о зависимости скорости от расстояния, следует сделать одно замечание. Речь идет именно о слабомощной передаче, когда спектральная плотность энергии сигнала не превосходит –41 дБм/МГц.
Новая технология UWB кажется весьма многообещающей и, по всей видимости, получит массовое распространение примерно через пару лет. Уже сегодня мы становимся свидетелями настоящего прорыва в этой области.
КомпьютерПресс 11'2002
