České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická 39 Základní principy přenosu v sítích zápočtová práce Vypracoval: Robert Urban urbanr2@fel.cvut.cz
Obsah: 1. Úvod o UWB... 3 1.1. Co je to UWB?... 3 1.2. Rozdělení do kanálů... 4 1.3. Využití UWB v komunikacích [1],[2],[4]... 5 1.3.1. Využití... 5 1.3.2. Budoucnost... 5 2. Pulzy pro UWB... 6 2.1. Gaussovské pulzy.... 6 2.2. Hermitovské pulzy [2]... 7 3. Přenos v sítích UWB... 9 4. Závěr... 9 5. Literatura...10 Příloha 1 frekvenční plány UWB...11 Příloha 2 srovnání parametrů UWB s ostatními technologiemi...11 2
1. Úvod o UWB 1.1. Co je to UWB? UWB je zkratka, která vyjadřuje slova ultra wide band. Tento výraz lze do češtiny přeložit jako velmi široko pásmové signály. Původně tento styl vysílání a příjmu byl určen pro radarové snímání. Díky svému širokému frekvenčnímu pásmu měl takovýto radar možnost vidět skrz mnohé překážky (například zalesněné území nebo dokonce pod zemský povrch). Pro svou odolnost proti rušení, zabezpečení proti odposlechu a pro svojí malou výkonovou náročnost byla tato technologie brzy zkoušena také pro datové účely. Jedná se především o vysokorychlostní přenosy na velmi krátkou vzdálenost.[1] [4] UWB signál se vysílá ve formě mnoho tisíců krátkých pulzů (0,2 1,5ns) rozprostřených v celé šířce pásma, které odpovídá až několika GHz ( proto širokopásmové). Protože UWB využívá pásmo, které je použito jinými rádiovými technologiemi, naráží na otázku regulace výstupního výkonu. Jsou zde obavy z rušení některých nynějších komerčních služeb (GPS, mobilní sítě 3G, letecké navigační systémy). Zatím však všechny provedené studie ohledně rušení technologií UWB vyšly ve prospěch této technologie. Neprokázalo se žádné rušení mezi UWB a rádiovými sítěmi. [4] Obrázek 1.1 Multiplexing v UWB [1] Dále lze signály pro UWB charakterizovat jako signály s nízkou spektrální výkonovou hustotou, ta je definovaná podle následujícího vztahu. P PSD = W B Hz (1.1) kde P je výkon vstupující do vysílače ve wattech a B je šířka pásma h Hertzích. Podle tohoto kritéria lze také rozdělit signály dle následující tabulky. Systém P [W] B [Hz] PSD Klasifikace Rádio 50 kw 75 khz 666,6 úzkopásmové TV 100 kw 6 MHz 16,7 úzkopásmové 2G buňková 10 mw 8,33 khz 1,2 úzkopásmové 802.11 a 1 W 20 MHz 0.05 širokopásmové UWB 1mW 7,5 GHz 0.013 ultra širokopásmové 3
Z předchozí tabulky je vidět, že UWB vysílá s velmi nízkým výkonem, a proto má i velmi nízkou spektrální výkonovou hustotu. Jak je vidět na obrázku 1.2. Obrázek 1.2 Srovnání různých typu spektrální výkonové hustoty Pro přesnější představu lze ukázat jak přesně vypadá EIRP u UWB signálů obrázek 1.3. Obrázek 1.3 EIRP UWB pásma 1.2. Rozdělení do kanálů Jak bylo napsáno, pásmo UWB je velmi široké, 3,1 GHz 10,6 GHz, dochází tedy k jistému rozdělení do jednotlivých, na sebe navazujících, pásem. Existuje několik rozdělení, které se liší šířkou kanálu a střední frekvencí. Na to samozřejmě navazuje rozdělení celého UWB pásma do kanálů např. 5 (Příloha 1 - tabulka 1) nebo 16 (Příloha 1- tabulka 2). 4
Je pochopitelné, že tím dochází k jistému omezení přenosové rychlosti na základě Shannonova kapacitního teorému. Avšak toto snížení je pouze upřesněním požadavků na komunikaci. V případě potřeby přenesení více informací je možno kanály sdružit (WIFI), či vytvořit celý nový standart, který bude používat jiné kanály. C Blog2 1 S = + N (1.2) Kde B vyjadřuje šířku pásma a S vyjadřuje známý signal to noise ratio. N Z tohoto vztahu je jasně patrné, že výsledná kapacita kanálu je lineárně závislá na šířce kanálu a pouze logaritmicky na SNR. 1.3. Využití UWB v komunikacích [1],[2],[4] 1.3.1. Využití Je potřeba pochopit, že UWB je technologie především pro fyzickou vrstvu, nebo doplněk fyzické vrstvy OSI modelu. S využitím se počítá pro velmi rychlé sítě s malým dosahem (cca 10m). Nyní zde operuje např. Bluetooth, avšak jak bylo zmíněno UWB počítá s mnohonásobně větší rychlostí přenosu (Příloha 2 - tabulka 4). Jiné využití může být například pro pokojové sítě (přenos videa, zvuku), či jakékoliv aplikace na krátkou vzdálenost, které vyžadují velkou datovou propustnost. UWB by mohlo sloužit jako bezdrátová verze USB (universal serial bus) nebo IEEE 1394 (firewire), kde se rychlosti pohybují cca. 480 Mbit/s (Příloha 2 tabulka 1,2), což odpovídá možnostem UWB. Jedna z výhod oproti jiným technologiím je, jak bylo zmíněno výše, mála energetická náročnost [1] [2]. 1.3.2. Budoucnost Dle výhledu některých analytiků, se má do konce roku 2008 využívat několika stovkách miliónů zařízení UWB. A v roce 2009 by se mohl tento počet téměř zdvojnásobit. [4] Samotným UWB se zabývá mezinárodní organizace IEEE, konkrétně skupina 802 (LAN/MAN standarts Commitee) a její sekce pro bezdrátovou komunikaci. Jak je vidět na obrázku 1.4, jedná se o podskupiny IEEE 802.15.4 a IEEE 802.15.3 [1] [2] [3]. Obrázek 1.4 Rozdělení pracovní skupiny IEEE 802 [1] 5
Rád bych podotknul, že organizace IEEE se stará o většinu elektrotechnických standardů. Tzn. tyto pracovní skupiny jsou velkým příslibem dalšího vývoje této technologie. 2. Pulzy pro UWB Jak jsem již zmínil v úvodu, UWB využívá tzv. pulzní režim. Pod tímto termínem je možné si představit na časové ose vláček pulzů (od toho anglické označení pulse train ), který je znázorněn na obrázku 2.1. Obrázek 2.1 Pulse train [2] Pro ilustraci zde uvedu pouze obrázky jednotlivých pulzů, které se používají pro UWB. Všechny tyto pulzy lze velmi jednoduše matematicky popsat, avšak myslím, že matematika není náplní tohoto předmětu, tak nepovažuji za nutné zde vše matematicky rozepisovat. 2.1. Gaussovské pulzy Jeden z nejtypičtějších tvarů pulzu pro UWB jsou Gaussovké pulzy. Mezi tyto pulzy řadíme: Gaussian pulse Gaussian monocycle Gaussian doublet 6
Obrázek 2.2 Gaussian pulses 2.2. Hermitovské pulzy [2] Název Hermitovské pochází podle známého francouzského matematika, který se narodil v roce 1822. Mezi pojmy, které jsou spjaty s jeho jménem, patří zejména Hermitovské polynomy, Hermitovské diferenciální rovnice a Hermitovské matice. U hermitovských pulzů, které budou ukázány níže, se využívá Hermitovských polynomů. Zde se pulzy dělí do dvou kategorii: a) Modifikované b) Modulované a modifikované Jejich průběhy je možno vidět na následujících obrázcích pro různé hodnoty n. Tyto pulzy mají následující výhody: Délka pulzu (časově) je stejná pro libovolná n. Šířka pulzu (frekvenčně) je téměř identická pro všechna n Pulzy máji nulovou DC složku Dají se ovládat pomocí f c je míněna šířka pulzu Jsou vzájemně ortogonální 7
Obrázek 2.3 Modified Hermite pulses Obrázek 2.4 Modulated modified Hermite pulses 8
3. Přenos v sítích UWB Jak již bylo řečeno, UWB používá pro přenos pulzní režim - obrázek 2.1 s pulzy uvedenými v kapitole 2. S jistou dávkou nadsázky by se dal přenos považovat za časový multiplex, jak je ukázáno na obrázku 1.1. Oproti úzkopásmovým signálům zde nepracuji ve frekvenční oblasti, nýbrž v časové. Tudíž není potřeba pro mnohé studenty tolik obtížná Furierova transformace. Signály mají sami o sobě velmi široké spektrum. Samotné modelování signálu je velmi složité. Avšak v poslední době se již na trhu objevují antény i generátory pro UWB, (mimo jiné škola disponuje anténami, které jsou použitelné na přijímání i vysílaní UWB antény typu DRH, Vivaldi, a od roku 2006 i generátorem pulzů). Šíření se modeluje na základě typického dvou paprskového modelu nebo pomocí vícecestného modelu šíření. Oba tyto modely skýtají velké nepřesnosti pro UWB a jsou předmětem výzkumu i diplomových prací. Jak víme již od dob pana Marconiho, při jeho pokusech přenosu zpráv přes Atlantik, je velmi vhodné vědět jaký signál nám dorazí na přijímač. Tato znalost nám velmi ulehčí možnost detekce informací. Stejně tak toho je i UWB. Při znalosti jaký pulz je vysílán máme mnohem větší šanci detekovat zprávu v šumu. Pro UWB signály se používá např. metoda time gating. Tato metoda přepokládá, že máme informace o pulzu doba trvání a tvar pulzu. Jedná se o velmi primitivní systém, kdy vypínám a zapínám vysílač a přijímač na dobu trvání pulzu a předpokládám tvar pulzu. Tato metoda nám velmi omezuje množství šumu, který nám dorazí na detektor. Jak již bylo řečeno, UWB používá velmi malých výkonů a tudíž je potřeba signál velmi dobře ze šumu vybírat. 4. Závěr Je zde vidět, že UWB není přímý nástupce IEEE 802.11 a,b,g tzn. spojení na delší vzdálenosti, nýbrž spíše spojení na krátké vzdálenosti jako např. bezdrátové USB, nová verze bluetooth. Jeho budoucnost neleží pouze v datových přenosech. UWB se dá používat pro radary a různé detekční systémy. Hlavní rysy UWB jsou vysoká přenosová rychlost (100ky Mbps) (tab. 4, tab. 3), nízká energetická náročnost (vyzařování) a nízká spektrální kapacita (tab.3). V dnešní době je příklon k velké mobilitě a využívání bezdrátových přenosů. Ať na krátké vzdálenosti, tak na ty dlouhé. Proto je patrné, že UWB jako technologie pro datové přenosy má jistě slibnou budoucnost. 9
5. Literatura [1] K. Swiak, D. McKeown, Ultra-Wideband Radio Technology, John Wiley & Sons, Chichester, 2004. [2] M. Ghavami, L. B. Michael, R. Kohno, Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering, John Wiley & Sons, Chichester, 2004. [3] http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2002/jul02/ [4] http://www.lupa.cz/clanky/ultrawideband/ [5] M. Mazánek, P. Pechač, Šíření elektromagnetických vln a antény, Česká technika nakladatelství ČVUT, Praha, 2005. 10
Příloha 1 frekvenční plány UWB Tabulka 1 5 kanálový frekvenční plán pro širokopásmové signály fb = 2 GHz at 20dB - [1] Kanál Střední frekvence Poznámky [GHz] A 4,15 B 5,50 WLAN bands C 6,85 D 8,20 E 9,55 Tabulka 2 16 kanálový frekvenční plán fb = 500MHz - [1] Kanál Střední frekvence Poznámky [GHz] 1 3,460 2 3,912 3 4,364 4 4,816 WLAN japonsko 5 5,268 WLAN US/EU 6 5,720 7 6,172 8 6,624 9 7,076 10 7,528 11 7,980 12 8,432 13 8,884 14 9,336 15 9,788 16 10,240 Příloha 2 srovnání parametrů UWB s ostatními technologiemi Tabulka 3 porovnání jednotlivých bezdrátových systémů [1] Technologie Maximální datová Vysílací vzdálenost rychlost [Mbps] [m] Prostorová kapacita [kbps/m 2 ] UWB* 100 10 318,3 0,013 IEEE 802.11 a* 54 50 6,9 2,7 IEEE 802.11 b* 11 100 3,2 0,012 Bluetooth* 1 10 0,350 0,1378 * jedná se hodnoty dle STARÉHO standartu Tabulka 4 Porovnání rychlosti jednotlivých bezdrátový i drátových standartů [1] Rychlost Standart [Mbps] 1000 IEEE 802.3z 1Gbit Ethernet 480 UWB, USB 2.0 200 UWB (4 m min.), 1394a (4,5m) 110 UWB (10 m min.) 100 100 Mbit Ethernet 54 IEEE 802.11 a, g 11 IEEE 802.11 b 10 10 Mbit Ethernet 1 Bluetooth Spektrální kapacita [bps/hz] 11