Principy přenosu v UWB sítích

Transkript

1 Vypracoval: Michal Mrajca Principy přenosu v UWB sítích Semestrální práce z předmětu 37MK

2 Ultra-širokopásmové sítě UWB (Ultra WideBand) je zatím poměrně málo známá bezdrátová technologie, ale se značným potenciálem. Lze ji totiž využít pro přenosy velkých objemů dat po širokém spektru kmitočtů s nízkým výkonem na krátkou vzdálenost. UWB se už dlouho využívá pro vojenské účely, především jako radarová technologie. V roce 2000 se objevily první optimistické zprávy o této nové technologii v oblasti bezdrátových sítí, někdy označované též jako digital pulse wireless. UWB se posazením ve spektru odlišuje od úzkopásmových komunikací, které jsou dnes běžné, i širokopásmových, jež přicházejí se sítěmi 3G. Optimismus pramení především z rychlosti, kterou má tato technologie umožnit, a to stovek Mb/s; a také z předpokládané nízké energetické spotřeby, jež je dána malým vysílacím výkonem (má se pohybovat řádově kolem tisícin současných nároků sítí jako b nebo BlueTooth). Vysoká propustnost sítí založených na UWB bude vhodná zejména pro aplikace náročné na šířku pásma i QoS, tedy přenos videa nebo videokonference. Další výhodou je vysoká bezpečnost provozu: praktická nemožnost odposlechu či dokonce nemožnost zjištění přítomnosti bezdrátových zařízení v těchto sítích (signály vypadají jako slabý, normální šum). Jinými slovy: přístroje v UWB sítích se neruší s ostatními zařízeními v elektromagnetickém spektru. Aplikační předností UWB je možnost miniaturizace transceiverů, které by šlo používat i na označení drobného zboží. Historie UWB začala ve čtyřicátých letech dvacátého století v souvislosti s radary. V sedmdesátých letech se armáda zaměřila i na využití pro komunikační účely. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) jej však definovala teprve v roce Technologie UWB Ultra v názvu se snaží objasnit, oč v této technologii jde. Přenos se totiž odehrává ve velmi širokém (ultraširokém) pásmu. Současný přenos digitálních pulsů přes vysoký počet kmitočtových kanálů (pásmo 1-5 GHz) je velmi přesně časován. Vysílač a přijímač musí zkoordinovat příjem a vysílání signálu na trilióntinu sekundy, protože signál se vysílá prostřednictvím velmi krátkodobých pulsů (od desítek pikosekund do 0,5 ns). Pulzy obsazují velmi široké pásmo (od stovek MHz po jednotky Ghz), takže jejich energie je velmi malá. Pulzy jsou také velmi nízkovýkonové: kolem 0,0001 mw na MHz přenosové šířky pásma. V tradičních rádiových systémech (úzkopásmových i širokopásmových, pro mobilní telefonii nebo pro WLAN) se používá nosná pro modulaci digitálního signálu v základním pásmu na kmitočet, na němž systém pracuje. V UWB se pulsní signály nemodulují nosnou o pevném kmitočtu, ale vysílají se přímo. Informace je zakódována přímo v signálu základního pásma a modulace nosné není potřeba (pro porovnání viz obrázek). Rozprostřené spektrum u IEEE vlastně dociluje uměle toho, co UWB provádí ze své podstaty: rozložit signál v rámci velmi širokého spektra tak, aby výkon v každém jednotlivém pásmu byl pod úrovní možného křížení s jinými úzkopásmovými uživateli.

3 UWB rozkládá signál v rámci velmi širokého spektra tak, aby výkon v každém jednotlivém pásmu byl pod úrovní možného rušení jiných úzkopásmových systémů. Proto je UWB imunní vůči rušivým vlivům, neboť systémy vykazují víceméně rovnoměrně rozprostřený výkon přes velmi velký rozsah kmitočtů. Pro úzkopásmové přijímače lze UWB jen obtížně odlišit od šumu. UWB se díky svým vlastnostem snadno vypořádává s odrazy signálů putujících různými cestami ( multipath fading). Šířka pulzu UWB signálu je totiž mnohem menší než rozptyl zpoždění příjmu signálů odražených od překážek ve vnitřním prostředí (několik nanosekund). Odražené signály normálně mohou narušit jinak čistý rádiový příjem (obdobou v televizním vysílání jsou "duchy" na obrazovce). V případě UWB lze velmi krátké pulsy filtrovat nebo ignorovat, protože je možné je snadno odlišit od zkreslení odrazem. Proto je odolnost UWB proti nepříznivým dopadům odrazů vyšší než například u WiFi. UWB používá různé techniky pro modulaci a přenos informace. Na rozdíl od většiny moderních rádiových technologií pulsní signály nemodulují nosnou o pevném kmitočtu. Informace je zakódována přímo v signálu základního pásma a modulace nosné není potřeba. UWB používá různé techniky pro a přenos informace. Nejjednodušší metodou je přidělit hodnotu jedna a nula přítomnosti, resp. nepřítomnosti pulzu.

4 Aplikace UWB Mezi moderní aplikace technologie UWB patří: přesná lokalizace a detekce - detekce a vysledování osob i předmětů, pohotovostní a bezpečnostní systémy pro vojenské i civilní účely, podzemní zobrazení detekce pohybu a sledování (skrze zdi) - domácí bezpečnostní systémy, sledování dětí v domácnostech, monitorování pohybu zboží přesná navigace a měření vzdáleností - senzory pro zamezení kolizím (automobily), bezpečnost pohybu vozidel a průmyslových zařízení (systémy pracují s přesností i na méně než centimetry) komunikační sítě - rychlé lokální a domácí sítě (malé náklady a vysoká rychlost) medicína - sledování dechu (na ochranu proti syndromu náhlého úmrtí novorozeňat) a monitorování srdeční činnosti Detekce odrazů krátkých pulsů UWB se už delší dobu využívá pro velmi přesné radarové systémy (Ground Penetrating Radar, GPR). UWB signály nejsou omezeny překážkami (část rozprostřeného signálu se odráží, část proniká skrz): umožňují radarové využití i pod zemí, podobně jako "rentgen" zdí. To může být výhodné např. pro vyhledávání osob pod sutinami při zemětřeseních nebo jiných katastrofách. Přesné měření se využívá v tzv. RLMS (Radar Level Measurement Systems). Z dalších plánovaných uplatnění se předpokládá budování protikolizních automobilových systémů. Jako zatím jediný regulátor schválil americký regulátor (FCC) v únoru 2002 používání UWB pro komerční účely komunikace, ovšem ve značně omezené míře. Do té doby se UWB používalo pouze pro vojenské účely, případně pro radarové aplikace. FCC také změnila definici UWB z metody kódování informačních pulzů modulovaných amplitudou, fází či pozicí na jakoukoli technologii (nemusí být založená na pulzech), která používá minimálně 500 MHz z pásma širokého 7,5 GHz (v intervalu 3,1 GHz až 10,6 GHz), pokud pracuje v limitech daných FCC zejména pro vyzářený výkon (mnohem méně než maximum 3 mw stanovené pro mobilní telefony). UWB často provázejí neporozumění ohledně technologie samotné a jejího využití. Především se jedná o technologii použitou na fyzické vrstvě a jako takovou ji lze využít i jako náhradu nebo doplněk fyzické vrstvy stávajících specifikací. UWB je jako první navržena jako alternativní řešení rychlých WPAN ( a), ale bude se asi prosazovat také ve WLAN (pokud dosah dovolí alespoň několik desítek metrů s rychlostí v řádu stovek Mbit/s). Pro někoho může být UWB ohrožením, pro výrobce čipů by to měla být dobrá příležitost, protože vysoká rychlost a přitom nízká spotřeba je skutečně ideální. UWB je jedna z mála technologií, která svou zvláštností a kvalitami má šanci velmi zamíchat rozdané karty na pomyslném stole bezdrátových technologií. Levné, jednoduché rádiové čipy s malou energetickou spotřebou a výsledná rychlá rádiová komunikace bez vzájemného rušení, to vše jistě napomůže konvergenci mobilní komunikace a výpočetní i spotřební elektroniky.

5 Rušení a další vlivy UWB přes své očividné kvality má však i své odpůrce, kteří stále poukazují na potenciální rušení, protože infiltruje do pásma obsazeného jinými zařízeními. Obavy mají především provozovatelé GPS, kteří žádají FCC, aby byla technologie UWB povolena pouze nad 6 GHz (i když GPS pracuje na 1,6 GHz), a leteckých navigačních systémů, ale také provozovatelé mobilních sítí 3G (využívané kmitočty jednotlivými systémy naznačuje obrázek). Americký regulátor (FCC), který jako zatím jediný na světě schválil omezené využívání UWB pro komunikační účely, na popud provozovatelů GPS a mobilních systémů zkoumá potenciální rušení. Na konci roku 2003 zveřejnil výsledky měření: naměřený šum v pásmu využívaném GPS z UWB zařízení (s vyzařovacím výkonem povoleným FCC) je nižší než rádiový šum z elektrických spotřebičů nebo napájení PC. A pokud další probíhající výzkumy potvrdí předpoklady minimálního vlivu UWB na člověka (menší než stávající mobilní telefony), pak bude mít tato technologie dveře bezdrátového světa otevřené dokořán. Dokonce to může znamenat i posun na pole zdravotnictví, kde by mohl přispět k monitorování pacientů nebo nahradit ultrazvuk jako levnější zobrazovací metoda. Bezdrátové sítě na bázi UWB Aplikace UWB v bezdrátových sítích je zatím v plenkách. Přitom prostorová kapacita UWB sítí je ve srovnání s ostatními bezdrátovými technologiemi nesrovnatelně vyšší (viz obrázek). Ta se zvyšuje lineárně s využitou šířkou pásma, podobně jako imunita vůči rušení. Prostorová kapacita se vyjadřuje v jednotkách bitů za sekundu na čtvereční metry. Jako obdobný či výstižnější termín lze použít pojem prostorová výkonnost. UWB sítě nebudou mít velký dosah, jejich přenosová rychlost rychle klesá s každým metrem, takže optimální jsou vzdálenosti do m.

6 Porovnání prostorové kapacity bezdrátových sítí vypadá následovně: IEEE b - pracuje do vzdálenosti 100 m v pásmu 2,4 GHz (tzv. ISM, industrial, scientific and medical) s využitelným spektrem 80 MHz. V prostoru o poloměru 100 m mohou pracovat tři systémy 22 MHz IEEE b bez jakéhokoli rušení, každý umožňující maximální rychlost 11 Mb/s. Agregovaná rychlost 33 Mb/s podělená plochou tohoto kruhu dává hodnotu prostorové kapacity cca bit/s na m 2. IEEE a - plánovaný dosah působnosti je 50 m s teoretickou rychlostí 54 Mb/s. Dostupné kmitočtové spektrum je 200 MHz v nejnižší části pásma 5 GHz (U-NII, Unlicensed National Information Infrastructure), takže v okruhu 50 m může současně pracovat až 12 systémů s agregovanou rychlostí 648 Mb/s. Předpokládaná prostorová kapacita a je 83 kb/s na m 2. Bluetooth - ve svém nízkovýkonovém režimu má dosah pouze 10 m s vrcholnou rychlostí 1 Mb/s (Bluetooth 1). Studie ukazují, že 10 pikosítí (piconet) Bluetooth (tvořících tzv. Scatternet) může pracovat v jednom okruhu o průměru 10 m s minimálním dopadem na kvalitu přenosu (maximálně může takto v spolupracovat až 80 zařízení), tzn. agregovaná rychlost všech deseti sítí je 10 Mb/s. Tato rychlost dělená plochou kruhu dává prostorovou kapacitu přibližně 30 kb/s na m 2. UWB - vyvíjené systémy UWB se velmi liší ve svých důležitých charakteristikách, jako rychlost a dosah. Jeden výrobce naměřil maximální rychlost 50 Mb/s v dosahu 10 m a předpokládá se, že současně v tomto okruhu může pracovat šest UWB systémů, aniž by se výrazně zhoršila kvalita přenosu. Z toho vyplývá, že prostorová kapacita by se mohla pohybovat i přes 1 Mb/s na m 2. Předpokládané rychlosti u UWB sítí dosahují až Gb/s.

7 UWB nejen bezdrátově UWB není jen technologií použitelnou pro bezdrátové širokopásmové přenosy na krátkou vzdálenost. Dá se totiž využít i pro digitální přenos dat koaxiálními kabely. UWB dokáže přenášet data i v kabelových rozvodech typu HFC (Hybrid Fibre-Coax), kde se jeho signál díky velmi malé amplitudě neruší s analogovými nebo digitálními signály v kabelové síti, které mají mnohem vyšší amplitudu. S UWB po kabelových sítích experimentuje společnost Pulse-Link ( které se daří dosáhnout rychlosti na jeden uzel v dopřeném směrem 1,2 Gbit/s a ve zpětném směru až 120 Mbit/s. V budoucnu se UWB bude zřejmě zkoušet i na dalších médiích jako měděné páry v kancelářské strukturované kabeláži či na krátkých úsecích elektrické sítě.