Сверхширокополосные технологии передачи информации

б) Для эффективного приема СШП сигналов необходимо создание антенного и приемного оборудования, способного работать в широком диапазоне частот;

в) Для нормальной работы СШП устройств необходимо обеспечить четкую синхронизацию приемного и передающего оборудования.

Преимущества от СШП  технологий в системах радиодоступа, а также развитие технологий производства высокоскоростных полупроводниковых приборов позволяют применять ее при разработке новых стандартов беспроводной связи. В настоящее время в рамках института инженеров по электротехнике и электронике США (IEEE) сформирована группа, работающая над реализацией стандарта IEEE 802.15.3а, ориентированного на недорогие, действующие на небольшие расстояния, широкополосные устройства беспроводной связи с высокой пропускной способностью.

Стандарт IEEE 802.15.3а можно рассматривать как новый подход к развитию классической СШП технологии, построенной по схеме Фуллертона. Так же, как классические СШП системы, системы стандарта IEEE 802.15.3а базируются на передаче коротких одиночных импульсов, следующих друг за другом с определенным интервалом. Однако в стандарте IEEE 802.15.3а планируется использовать импульсы специальной формы (рисунок 7) с огибающей формы Гаусса (ширина спектра сигнала около 500 МГц) и дополнительное расширение спектра методом программной перестройки центральной частоты СШП импульса.

 

Рисунок 7 - Форма одиночного импульса (а) и спектр сигнала СШП стандарта 802.15.3а (б)

 

В отличие от классической СШП технологии, в стандарте IEEE 802.15.3а центральная частота импульса меняется в рамках некоторого набора частотных каналов по определенному закону. В настоящее время предполагается использовать 15 частотных каналов шириной 500 МГц, в диапазоне 3,1... 10,6 ГГц. На начальных этапах развития систем стандарта IEEE 802.15.3а предполагается применять «низкочастотные» каналы. Это позволит снизить стоимость конечных устройств за счет удешевления технологии изготовления.

Передавать информацию в устройствах стандарта IEEE 802.15.3а планируется посредством СШП импульсов с фазовой модуляцией. Теоретическая оценка пропускной способности нового стандарта показала, что четырехпозиционная ФМ и набор из семи частотных каналов обеспечат информационную скорость до 512 Мбит/с.

Предварительная оценка характеристик, заложенных в стандарт IEEE 802.15.3а, показывает, технология IEEE 802.15.3а позволяет более точно формировать результирующий спектр сигнала в зависимости от накладываемых ограничений по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими системами в общих полосах частот (путем запрета излучения на отдельных частотных каналах) и получить большую емкость сети за счет уменьшения внутрисистемных помех.

Применение устройств, выполненных по СШП технологии, в  настоящее время предполагает решение х задач связи, в том числе организацию:

а) высокоскоростных беспроводных сетей (HDR-WPAN);

б) беспроводных соединений различных устройств, включая периферию и Ethernet устройства (WEIL);

в) интеллектуальных беспроводных сетей (IWAN);

г) внешних персональных сетей (OPPN);

д) сенсорных сетей позиционирования и идентификации (SPIN).

При разработке новых  устройств оптимизируются стоимость, радиус зоны обслуживания, возможности по адаптации к изменению характеристик каналов, время работы аккумуляторов, возможности по измерению координат (местоположение объектов связи) и другие показатели с учетом присущих каждой из задач ограничений.

Высокоскоростные персональные радиосети (HDR-WPAN) определяются как сети, в состав которых входит до десяти СШП устройств, и которые обеспечивают передачу данных на расстояния до 10 м со скоростью 100...500 Мбит/с. Такие сети используют топологию «каждый с каждым» (Ad hoc), поэтому СШП устройства могут функционировать в режимах ретранслятора и моста. По отношению к внешним сетям (проводным и беспроводным) они выступают как мосты и повторители (ретрансляторы). Требуется внимательное согласование возможностей интерфейсов между локальными устройствами, входящими в сеть HDR-WPAN, и внешними устройствами, интерфейс которых, например, может быть ориентирован на низкоскоростную передачу данных.

Радиолинии с интерфейсом Ethernet (WEIL) с использованием СШП технологии позволяет передавать данные на скоростях 1 Гбит/с и более. Сначала это произойдет на коротких расстояниях, до нескольких десятков метров, а затем, возможно появление устройств с большим расстоянием передачи.

Интеллектуальные радиосети (IWAN) характеризуются высокой плотностью размещения оборудования в домашних или офисных условиях в пределах зоны обслуживания с радиусом более 30 м. Основные требования к такому оборудованию заключаются в низкой стоимости, низкой мощности потребления (1... 10мВт), предоставлении пользователям услуг во всей зоне действия сети (дом, офис) с помощью процедуры доступа. Оборудование способно точно позиционироваться в пространстве и предоставлять услуги, соответствующие месту расположения: наблюдение за детьми, за охраняемыми зонами, реализация электронных виртуальных гидов и др. Перечисленные услуги невозможно реализовать современными узкополосными устройствами того же класса.

Внешние сети для передачи данных «каждый с каждым» (OPPN) обеспечивают обмен информацией между карманными компьютерами (PDA), получение информации от «цифровых» меню в магазинах о ценах и наличии товаров, передачу фотографий и т.д.

Сети датчиков для  решения задач позиционирования и идентификации (SPIN) характеризуются высокой плотностью устройств, которые способны одновременно с низкоскоростной информацией о своем состоянии передавать информацию о своем месторасположении с точностью до 1 м. Оборудование SPIN функционирует на расстояниях в несколько сот метров, используя связи между отдельными индивидуальными устройствами и устройствами, выполняющими функции управления. Здесь предполагается применять топологию «мастер-помощник» (аналогичную стандарту Bluetooth). Основные требования к SPIN устройствам для промышленного применения сводятся к высокой вероятности установления соединения, адаптации характеристик системы к быстрым изменения помеховой обстановки, условий распространения радиоволн, топологии сети.

Для полноценного вхождения  СШП технологии в сообщество устройств  радиосвязи требуетсямного условий. В частности, необходимо определить условия применения такого оборудования, а также способы взаимодействия сетей, реализуемых на базе СШП технологий с традиционными сетями радиосвязи. В России разработаны одни из первых в мире устройств связи, реализующие принципы СШП со сверхкороткими субнаносекундными импульсами. В настоящее время для некоторых видов СШП оборудования используется спектральная маска, ограничивающая спектральную плотность излучения, целью недопущения создания помех другим РЭС. Для уточнения спектральной маски проводятся экспериментальные исследования влияния СШП устройств на традиционные РЭС.

На рисунке 8 представлены спектральные маски для СШП устройств, рекомендованные FCC и исследовательской группой в России для применения во внутриофисных и наружных условиях. В обоих случаях уровень спектральной плотности для СШП устройств существенно уступает спектральной плотности традиционных РЭС.

Рисунок 8 - Спектральные маски для СШП устройств: а - по рекомендации FCC; б - по рекомендации России

Использование сценария случайного расположения СШП устройств  внутри офиса позволяет рассчитать уровень помех, создаваемый совокупностью устройств на входе других РЭС

(6)

где - полоса пропускания РЭС, на которое воздействует СШП сигнал;

- спектральная плотность СШП сигнала на выходе передатчика;

N - число устройств СШП в помещении;

- среднее значение длины волны в полосе ;

- средний квадрат расстояния от РЭС до СШП устройств.

При f ≥ 3 ГГц и N = 100, среднее расстояние от СШП устройств до других РЭС находится в пределах ≥  1...3 м.

 

1.1 Сверхбыстродействующие персональные сети - IEEE 802.15.3а

В стандарте IEEE 802.15.3а рассматривается принцип построения пикосети со скоростью обмена 110 480 Мбит/с и выше до 1320 Мбит/с. Достичь столь высоких скоростей можно, только увеличивая спектральную ширину канала, переходя в область так называемой сверхширокополосной связи.  В проекте стандарта рассматривается два конкурирующих предложения по технологии СШП - передачи на основе ортогональных кодов (мультиполоспый множественный доступ посредством ортогональных несущих, MB-OFDM) и путем расширения спектра сигнала методом прямой последовательности       (DS-UWB).

 

 

 

1.1.1 Технология MB - OFDM

Суть технологии MB-OFDM состоит в том, что весь разрешенный диапазон делится на полосы шириной 528 МГц. В стандартном режиме предусмотрено три полосы, в расширенном семь (рисунок 9). Каждая полоса, в свою очередь, делится на 128 нодпесущих частот с шагом 4,125 МГц. Из них используется 122: 100 для модуляции данных, 12 поднесущих - пилотные и еще 10 защитные. Каждая поднесущая модулируется посредством QPSK. Один OFDM - символ содержит 100 или 200 кодированных бит (100 в случае, когда одинаково модулируются две поднесутцие, симметричные относительно центральной). Период следования символов 312,5 нс. Мультиполосность означает, что последующий символ может передаваться в иной частотной полосе по жестко определенной схеме для каждого логического канала.

Рисунок 9 - Предлагаемое распределение каналов в стандарте IEEE 802.3а

Последовательность перехода с одной полосы частот на другую называют частотно-временным кодом. Пока предусмотрено четыре таких кода (канала) (табл. 9.5). Кроме перехода с частоты на частоту, предусмотрен режим, когда один символ может передаваться несколько раз (два или четыре). Например, код 1 → 2 → 3→ 1→ 2→ 3 означает, что первый OFDM-символ передается в полосах 1 и 2, второй в полосах 3 и 1, третий — в полосах 2 и 3.

 

 

 

 

 

Таблица 1 частотно – временные коды

Номер логического канала	Режим трех полос	Режим семи полос
1	1 → 2 → 3→ 1→ 2→  3	1 → 2 → 3→ 4→ 5→  6 → 7
2	1 → 3 → 2→ 1→ 3→  2	1→ 7 → 6 → 5 →  4 → 3 → 2
3	1 → 1 → 2→ 2 → 3→ 3	1 → 4 → 7 → 3 →  6 → 2 → 5
4	1 → 1 → 3→ 3 → 2→ 2	1 → 3 → 5 → 7 → 2 → 4 → 6

Обмен информацией происходит кадрами (пакетами). Кадр состоит из преамбулы (набора синхронизирующих последовательностей), заголовка (управляющая информация) и поля данных. Преамбула и заголовок всегда транслируются с наименьшей из возможных скоростей 55 Мбит/с. Четыре логических канала подразумевают, что в непосредственной близости могут работать но крайней мере четыре пикосети. Для этого каждому логическому каналу соответствует уникальный вид синхропоследователыюсти в преамбуле.

Таким образом, предлагается комбинация OFDM и механизма частотных скачков (FH). В результате в зависимости от скорости кодирования и числа повторов символов и формируется спектр скоростей от 55 до 480 Мбит/с. Изменяя вид модуляции, можно достичь и больших скоростей. Применения    16 -QAM при той же схеме кодирования даст уже 480 х 2 = 960 Мбит/с. Другой путь заключается в использовании для передачи одновременно трех диапазонов тогда при QPSK и скорости сверточиот кодирования 3/4 (на три исходных бита приходится четыре кодированных) достигается скорость 480 х 3 = 1440 Мбит/с.

Проблема в том, что  метод частотных скачков не самый  эффективный с точки зрения использования спектрального диапазона. При измерениях средней мощности излучения передатчика усредняется по временному интервалу порядка 1 мс. Это время соответствует длительности трех символов. Реально же при использовании механизма повторов (и при измерениях) символ в одном субканале за это время передается только один раз. В результате плотность мощности излучения при работе передатчика может превосходить допустимые 41,3 дБм/МГц. А это уже серьезная проблема, поскольку речь идет о сигнале с полосой свыше 500 МГц.

 

1.1.2  Технология DS - UWB

Технология DS-UWB предлагает для расширения спектра классический метод прямой последовательности. При этом каждый бит заменяется специальной кодовой последовательностью длиной до 24 бит. Предусмотрено два вида модуляции - двоичная фазовая BPSK (один бит на символ) и так называемая 4ВОК-модуляция (модуляция на основе четырех ортогональных двоичных кодов). 4ВОК фактически вариант квадратурной модуляции, один 4В0К-символ содержит 2 бита.

Весь диапазон вещании  разбит на две зоны: 3,1 - 4,85 ГГц (нижний диапазон) и от 6,9 до 9,7 ГГц(верхний диапазон). В каждом диапазоне предусмотрено по шесть каналов иикосети (с шагом 39 МГц в нижнем диапазоне, начиная с 3900 МГц, и с шагом 78 МГц - в верхнем, начиная с 7800 ГГц). Только четыре канала нижнего диапазона с центральными частотами 3939, 3978, 4017 и 4056 МГц считаются обязательными для поддержки каждым устройством, остальные каналы дополнительные. Частота следования модуляционных символов в каждом канале равна 1 /3 его центральной частоты. В зависимости от скорости предварительного кодирования, вида модуляции и длины кодовой последовательности скорость передачи данных может составить 28, 55, 110, 220, 500, 660, 1000 и 1320 Мбит/с.

1.2 Сверхширокополосные системы - достоинства и проблемы

Одно из существенных достоинств сверхширокополосного доступа отсутствие интерференции прямо распространяющегося сигнала с его отражениями от различных объектов. Переотражения - бич для многих связных и локационных технологий (за исключением широкополосных шумоподобных систем связи). Именно из-за них затруднена связь внутри помещений, в условиях сложного рельефа и т. п. В UWB системах отраженный сигнал попадет в коррелятор с задержкой и будет восприниматься как  случайная помеха, никак не воздействуя на прямой сигнал. Кроме того, благодаря широкополосности затухание короткоимпульсного сигнала в различных средах достаточно мало - короткие импульсы легко проходят сквозь различные препятствия, поскольку подавление сигнала происходит не во всем диапазоне.

В системах с расширением  спектра усиление обработки определяется как отношение ширины полосы канала к ширине полосы информационного сигнала. Так, для систем расширения спектра методом прямой последовательности с шириной канала 5 МГц и информационным сигналом 10 кГц усиление составит 500 раз (27 дБ). Такой же сигнал, передаваемый UWB с шириной полосы 2 ГГц, будет усилен в 200 тыс. раз       (53 дБ). Если один бит задается последовательностью 200 импульсов с частотой следования 10 млн импульсов в секунду (через 100 нс) и шириной импульса    0,5 нс, скорость информационного потока составит 48,8 кбит/с, а эффективное усиление - 16 дБ. При этом усиление за счет отношения ширины межимпульсного интервала к длительности импульса составит 23 дБ, поскольку 200 импульсов задают один бит.