Сверхширокополосные технологии передачи информации

Содержание 

Введение 1 Сверхширокополосные технологии (UWB)  1.1 Сверхбыстродействующие персональные сети - IEEE 802.15.3а 1.1.1 Технология MB – OFDM 1.1.2  Технология DS – UWB  1.2 Сверхширокополосные системы - достоинства и проблемы 2 Общие  сведения о технологии организации сетей Ad Нос  2.1 Стандарт IEEE 802.15.1 (Bluetooth)  2.2 Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee)  2.3 Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi)

4 6 19 20 22 22 25 28 42 50

 

Введение

В настоящее  время, с каждым днем все более  увеличивается количество корпоративных сетей, существующие сети расширяются, возрастает число пользователей этих сетей, возрастает   количество подключаемого к компьютеру периферийного  оборудования, увеличивается количество мобильных телефонов.

 Причем  растут также и требования к передаваемому трафику, пропускной способности, масштабируемости и стоимости подобных решений, простота использования, зона покрытия, безопасность передаваемой информации. Помимо задачи увеличения пропускной,  актуальной является задача уменьшения энергопотребления.

В настоящее  время для этих целей разработано  множество стандартов Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, а также перспективная сверхширокополосная передача (UWB).

а) Bluetooth обеспечивает обмен информацией  между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10-100 метров друг от друга (дальность очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

б) ZigBee нацелена на приложения, которым требуется  большее время автономной работы от батарей и большая безопасность, при меньших скоростях передачи данных. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи (точка-точка и звезда), но и сложные беспроводные сети с ячеистой топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений;

в) Wi-Fi предназначена для доступа на больших скоростях на коротких расстояниях до 200 - 300 метров. Wi-Fi позволяет организовывать сети любой сложности точка-точка,  точка - многоточка. Хорошо совместим с Ethernet, что позволяет легко и быстро конвергировать его с существующими кабельными сетями;

Особняком от них стоит  технология сверхширокополосной передачи. Она представляет собой способ передачи информации, использующий высокочастотные импульсы с малой энергией. UWB имеет большой потенциал, поскольку информационная вместимость UWB значительно больше в сравнении с другими текущими и развивающимися технологиями, что позволяет реализовывать более быстродействующие беспроводные сети с немыслимой в недалеком прошлом пропускной способностью. Движущая сила, подталкивающая исследования в области сверхширокополосной связи, очевидна - это главное приоритетное на правление развития всех без исключения беспроводных технологий - повышение пропускной способности беспроводного канала связи UWB - беспроводная технология связи, которая фундаментально отличается от всех других радиочастотных коммуникационных систем. В дальнейшем своем развитии технология UWB способна полностью поглотить и заменить все беспроводные технологии малого радиуса действия.

 

 

 

1 Сверхширокополосные технологии

 

Технология сверхширокополосной связи - направлении не то чтобы совсем новом, но обретшее в последние годы второе дыхание. Из сугубо специальной технологии для особых случаев (главным образом в военной области) она обещает превратиться, в частности, в основу для сверхвысокоскоростных персональных сетей передачи информации.

Развитие сверхширокополосных (СШП) технологий началось с середины 1950-х гг. в рамках создания новых типов радиолокационных систем. К 1980-м гг. были завершены основные теоретические исследования в области СШП систем и разработаны первые гражданские и военные системы для радиолокации, связи, позиционирования. Однако конкретных работ в области стандартизации и регулирования СШП технологий не проводилось. В  14.02.2002 г. Федеральная комиссия связи США (Federal Communications Commission, FCC) по СШП технологиям, приняло решение, утвердившее Положение о СШП системах и разрешившее продажу и эксплуатацию некоторых типов устройств на базе СШП технологий.

В соответствии с Положением все СШП устройства разбиты на три категории (рисунок 1). Для них установлены технические стандарты и ограничения на использование, учитывающие потенциально возможные помехи, вызванные устройствами СШП.

Рисунок 1 - Типы СШП устройств по классификации FCC

 

Системы связи и измерительные системы включают широкий круг устройств, в которых применяются СШП сигналы, например, быстродействующие сети обмена данными для домашнего и офисного применения, устройства позиционирования, измерения объема помещений и т.д.

Радарные системы устанавливаются  на транспортных средствах. С их помощью  можно легко обнаруживать объекты вблизи транспортного средства.

К системам обнаружения  объектов (формирования изображений) относятся  радары подземного зондирования, позволяющие  обнаруживать или формировать изображение  объекта в земле. Приборы должны устанавливаться в земле или  близко к ее поверхности.

Системы обнаружения объектов используются в медицине для получения изображений внутренних органов; в устройствах контроля территорий с целью выявления незаконных вторжений в охраняемые зоны; позволяют обнаруживать объекты, находящихся в стене и исследовать структуру; в системах обнаружения объектов через стену; с их помощью можно определить местоположение предметов и людей, расположенных за препятствием. Все перечисленные системы обнаружения объектов применяются правоохранительными органами, спасательными службами, а также в научных целях для различных исследований.

Растущие требования к скорости передачи информации, стоимости  и потребляемой мощности в современных  средствах телекоммуникаций, а также  высокая загруженность традиционно  используемых участков радиочастотного спектра требуют создания новых технологий, обеспечивающих более экономичное применение радиочастотного ресурса, высокую помехозащищенность и устойчивость к реальной помеховой обстановке.

Попытка решения данных задач привела к разработкам новой СШП технологии передачи информации. Такая технология основана на передаче коротких одиночных импульсов (длительностью 20...0,1 нс), следующих друг за другом с определенным интервалом, что позволяет получить шумоподобный спектр излучаемого сигнала шириной несколько ГГц, обеспечивающий возможность совместной работы с другими системами в общих полосах частот и повышающий эффективность использования радиочастотного спектра.

В настоящее время  в соответствии с существующими  проектами терминов и определений в области СШП технологий FCC относятся системы, для которых выполняются условие

и/или

(1)

где f_H - верхняя граница спектра излучения СШП технологии по уровню 10 дБ;

f_L - нижняя граница спектра излучения СШП технологии по уровню - 10 дБ;

f_С - центральная частота спектра излучения СШП технологии .

В отечественной науке к сверхширокополосным относят сигналы, у которых ширина спектра соизмерима с центральной частотой

(2)

где - показатель широкополостности;

- ширина спектра;

- центральная частота.

Для передачи информации в устройствах СШП могут использоваться время-импульсная модуляция (ВИМ), амплитудная модуляция (AM) и фазовая модуляция (ФМ) (рисунок 2). Наиболее просты, с точки зрения технической реализации, ВИМ и AM, при которых информация кодируется изменением временной позиции и амплитуды импульса соответственно. Использование ФМ в сочетании с ВИМ и AM позволяет существенно повысить скорость передачи информации систем СШП. Однако из-за сложностей реализации быстродействующих демодуляторов ФМ сигнала, до последнего времени, ФМ не находила применения в СШП технологиях.

Рисунок 2 – Время - импульсная (а), амплитудная (б) и фазовая (в) модуляция

 

Одна из первых практических реализаций СШП технологий, была предложена Л. Фуллертоном (рисунок 3). СШП система  включает антенную систему, формирующую короткие импульсы, мощный импульсный ключ, управляющий антенной системой, устройство модуляции/демодуляции, прецизионный высокочастотный генератор, приемный детектор и коррелятор. В СШП нет мощных усилителей, используется приемник прямого преобразования (без гетеродина и элементов фильтрации), устройства детектирования и модуляции/демодуляции достаточно просты и реализуются средствами обычной цифровой логики, без сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов. Антенные системы также достаточно просты и могут изготавливаться непосредственно на печатных платах.

 

Рисунок 3 - Структурная  схема СШП устройства на основе схемы  Фуллертона

 

В качестве одной из  возможных форм импульсов в устройствах  СШП допускаются импульсы, форма  которых описывается первой производной функции Гаусса

(3)

где А – пиковое  значение амплитуды;

-  временная константа, характрезующая  затухание импульса;

V(t) – производная по времени;

t – время.

Спектр такого импульсного  сигнала можно представить в виде

(4)

где V(t) – производная по частоте;

f - частота.

Центральной частотой СШП  сигнала принято считать частоту, определяемую как  .

На рисунке 4 приведены примеры формы СШП сигнала одиночного импульса гауссовской формы во временной и частотной областях.

 

Рисунок 4  - Сигнал одиночного СШП импульса с центральной частотой 2 ГГц во временной (а) и частотной (б) областях.

 

Спектр периодической  последовательности импульсов гауссовской формы во временной и частотной областях (рисунок 5, а) имеет ярко выраженные энергетические выбросы через равномерные интервалы. Эти энергетические выбросы могут быть сглажены при нерегулярном изменении частоты следования импульсов модуляции сигнала информационной последовательностью и обеспечении разделения информационных каналов с использованием специального кодирования.

Для передачи информации в системе  используется временная модуляция, при которой информационные символы  задаются значением величины смещения импульса относительно тактовых временных меток в последовательности импульсов примерно на ¼ длительности импульса           (1... 1000 пс). Временная модуляция обеспечивает сглаживание излучаемого спектра СШП сигнала (рисунок 5, б).

Рисунок 5 - Сигнал периодической последовательности СШП импульсов во временной и частотной областях: а - частотная модуляция; б - временная модуляция.

 

С целью разделения каналов в системах с СШП технологий может применяться канальное кодирование, обеспечивающее дополнительное смещение фактического времени излучения импульсов на величину, определяемую текущим значением псевдослучайной последовательности (ПСП), индивидуальной для каждого канала. Величина временного смещения, реализующего разделение каналов, на порядок выше, чем смещение импульсов при временной модуляции. В результате псевдослучайной временной модуляции происходит дополнительное существенное сглаживание спектра излучаемого сигнала (рисунок 6).

Рисунок 6 - Многоканальный СШП сигнал периодической последовательности импульсов с временной модуляцией.

 

Теоретическая оценка пропускной способности канала может быть проведена  по формуле Шеннона

(5)

где  R -  максимальная пропускная способность канала;

В – ширина полосы сигнала;

C/N – отношение сигнал/шум.

Преимущество СШП устройств по пропускной способности канала существует только на расстояниях нескольких метров. Однако в отличие от традиционных технологий связи СШП технология позволяет обеспечит; работу в диапазоне общих полос частот с другими системами. Кроме того, одно из существенных достоинств СШП технологии - отсутствие влияния на принимаемый сигнал отражений от различных объектов. Именно из-за переотражений затруднена связь внутри помещений, в условиях плотной городской застройки, сложного рельефа. В устройствах СШП отраженный сигнал попадает в коррелятор с задержкой и будет восприниматься как случайная помеха, не воздействуя на основной сигнал.

Малое влияние отраженных радиоволн на устройства СШП, а также  их существенно более высокая пропускная способность на малых расстояниях по сравнению с другими устройствами с малым радиусом действия, позволяют рассматривать СШП технологии как основу для построения высокоскоростных внутриофисных сетей. Существует три основные технические проблемы, которые следует учитывать:

а) Необходимы соответствующие широкополосные присвоения частот в общих полосах частот с другими системами, что требует проведения всесторонних исследований по вопросам обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС);