Анализ технических характеристик и функционирования сверхширокополосных беспроводных устройств внутриофисного применения

Введение

Традиционные радиотехнические системы передачи данных для передачи информации используют гармонические колебания. Резонансные свойства таких систем обеспечивают выполнение частотной селекции достаточно большого числа информационных каналов. При этом большинство традиционных радиотехнических систем являются узкополосными, т.е. для передачи информации используют полосу частот намного меньшую, чем их несущая частота.

В соответствии с основной теоремой теории информации Хартли-Шеннона емкость канала (количество передаваемой информации) определяется шириной полосы частот радиоканала и соотношением сигнал/шум в канале. Таким образом, одним из путей повышения информационной возможности традиционных систем является увеличение полосы передачи информации. Однако путь простого расширения полосы частот сегодня очень ограничен, так как участков спектра, не занятых различными потребителями, практически не остается.

Повышение информационной емкости каналов связи возможно с помощью технологии, использующей сверхширокополосные сигналы. Основная идея данной технологии заключается в использовании сверхширокополосного сигнала для передачи информации при помощи импульсно-кодовой модуляции. Такие системы занимают полосу радиочастот в несколько гигагерц. В этой связи возникает проблема совмещения данных устройств передачи информации и РЭС, традиционных «узкополосных» систем, функционирующих в совместных полосах частот, которым полосы частот выделены в соответствии с нормативными государственными документами.

Основы технологии

Растущие требования современных средств телекоммуникаций к скорости передачи информации, стоимости и потребляемой мощности оборудования, а также высокая загруженность традиционно используемых участков радиочастотного спектра, требует создания новых технологий, обеспечивающих более экономичное использование радиочастотного ресурса, высокую помехозащищенность и адаптивность к реальной помеховой обстановке.

Попытка решения указанных задач привела к созданию новой сверхширокополосной технологии передачи информации. СШТ 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 в несколько гигагерц, 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 СШТ Федеральной комиссии связи США и Целевой группы 1/8 первой Исследовательской комиссии МСЭ-Р к системам СШТ относятся системы, для которых выполняются следующие условия  [1, 2]:

,
и/или
,

где:  - верхняя граница спектра излучения СШТ по уровню минус 10 дБ;

 - нижняя граница спектра излучения СШТ по уровню минус 10 дБ;

 - центральная частота спектра излучения СШТ .

Для передачи информации в устройствах СШТ могут использоваться ВИМ, АМ и ФМ (рисунки 1, 2 и 3). Наиболее просты, с точки зрения технической реализации, ВИМ и АМ, при которых информация кодируется изменением временной позиции и амплитуды импульса соответственно. Использование ФМ в сочетании с ВИМ и АМ позволяет существенно повысить скорость передачи информации систем СШТ. Однако из – за сложностей реализации быстродействующих демодуляторов ФМ сигнала, до последнего времени, ФМ не находила применения в СШТ.

Рис.  1. Время – импульсная модуляция

Рис.  2 Амплитудная модуляция

Рис. 3. Фазовая модуляция

Одна из первых практических реализаций СШТ была предложена основателем компании Time Domain, Ларри Фуллертоном. Структурная схема системы СШТ, основанной на патенте Фуллертона, приведена на рисунке 1.4. Система СШТ включает антенную систему, формирующую короткие импульсы, мощный импульсный ключ, управляющий антенной системой, устройство модуляции/демодуляции, прецизионный высокочастотный опорный генератор, приемный детектор и коррелятор. В СШТ нет мощных усилителей, используется приемник прямого преобразования (без гетеродина и элементов частотный фильтрации), устройства детектирования и модуляции/демодуляции достаточно просты и реализуются средствами обычной цифровой логики, без сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов. Антенны системы также достаточно просты по исполнению и могут изготавливаться непосредственно на печатных платах.

Рис.  4. Структурная схема устройства СШТ на основе патента Фуллертона.

В качестве одной из возможных форм импульсов в устройствах СШТ могут излучаться импульсы, форма которых может быть описана первой производной функции Гаусса [ 3 ]:

,

где:
А – пиковое значение амплитуды;

 - временная константа, характеризующая затухание импульса.

Спектр такого импульсного сигнала при этом может быть представлен с использованием преобразования Фурье:

.
Центральной частотой сигнала СШТ принято считать частоту, определяемую как .

На рисунке 5 приведены примеры формы сигнала СШТ одиночного импульса Гауссовской формы во временной и частотной областях [ 4 ].

Рис.  5. Сигнал одиночного импульса СШТ с центральной частотой 2 ГГц во временной и частотной областях

На рисунке 6 приведен пример формы сигнала СШТ регулярной последовательности импульсов Гауссовской формы во временной и частотной областях. Спектр периодической последовательности импульсов имеет ярко выраженные энергетические выбросы через равномерные интервалы. Эти энергетические выбросы могут быть сглажены при нерегулярном изменении частоты следования импульсов, при модуляции сигнала информационной последовательностью и обеспечении разделения информационных каналов с использованием специального кодирования.

Рис.  6. Сигнал периодической последовательности импульсов СШТ с центральной частотой 2 ГГц во временной и частотной областях

Для передачи информации в системе используется временная модуляция, при которой информационные символы задаются значением величины смещения импульса относительно тактовых временных меток в последовательности импульсов на величину порядка четверти длительности импульса (1-1000 пс). Временная модуляция обеспечивает сглаживание излучаемого спектра сигнала СШТ (см. рисунок 7).

Рис.  7. Сигнал периодической последовательности импульсов СШТ с временной модуляцией и центральной частотой 2 ГГц во временной и частотной областях

Для разделения каналов в системах с применением СШТ может применяться канальное кодирование, обеспечивающее дополнительное смещение фактического времени излучения импульсов на величину, определяемую текущим значением псевдослучайной последовательности индивидуальной для каждого канала. При этом величина временного смещения, обеспечивающего разделение каналов, на порядок выше, чем смещение импульсов при временной модуляции. В результате псевдослучайной временной модуляции обеспечивается дополнительное существенное сглаживание спектра излучаемого сигнала (см. рисунок 8).

Рис.  8. Многоканальный сигнал СШТ периодической последовательности импульсов с временной модуляцией и центральной частотой 2 ГГц во временной и частотной областях

Особенности устройств сверхширокополосной технологии

Возросший в последнее время интерес к системам СШТ связан с рядом отличительных свойств систем, построенных по СШТ. Сравнительные технические характеристики устройств СШТ и других систем малого радиуса действия приведены в таблице 1 [5]. Оценка технических характеристик приведенных устройств показывает, что устройства СШТ могут обеспечить существенно более высокую пропускную способность канала, по сравнению с традиционными системами передачи информации, на коротких расстояниях.

Теоретическая оценка пропускной способности канала может быть проведена по формуле Шеннона:

,

где: - максимальная пропускная способность канала (Мбит/с),

- ширина полосы сигнала (МГц),

- отношение сигнал/шум (дБ).

На рисунке 9 представлена теоретическая емкость системы СШТ и типовой WLAN системы [6]¹. Для оценки использовались параметры типовых WLAN и систем СШТ, приведенные в таблице 2.

Таблица 1.

Сравнительные технические характеристики устройств СШТ и других систем малого радиуса действия

Таблица.  2

Технические характеристики типовых WLAN и устройств СШТ.

Рис.  9. Теоретическая емкость канала для WLAN и устройств СШТ

Анализ полученных результатов показывает, что преимущество устройств СШТ в пропускной способности канала существует только на расстояниях нескольких метров. Однако в отличие от традиционных технологий связи, СШТ позволяет обеспечить работу в общих полосах частот с другими системами. Кроме того, одно из существенных достоинств СШТ– отсутствие интерференции прямо распространяющегося сигнала с его отражениями от различных объектов. Именно из-за переотражений затруднена связь внутри помещений, в условиях плотной городской застройки, сложного рельефа. В устройствах СШТ отраженный сигнал попадает в коррелятор с задержкой, и будет восприниматься как случайная помеха, никак не воздействуя на основной сигнал.

Малое влияние интерференции радиоволн на устройства СШТ, а также существенно более высокая пропускная способность данных устройств на коротких расстояниях, по сравнению с другими устройствами малого радиуса действия, позволяют рассматривать СШТ как основу для построения высокоскоростных внутриофисных сетей.

Технические характеристики выпускаемых устройств СШТ иностранного производства и планируемых устройств СШТ отечественного производства представлены в таблицах 3, 4.

Таблица 3

Технические параметры РЭС СШТ иностранного производства для офисного, домашнего, медицинского применения

Таблица 4

Технические параметры планируемых РЭС СШТ отечественного производства для офисного, домашнего, медицинского применения

Однако СШТ имеет три основные технические проблемы, которые следует учитывать для её эффективного использования:

Перспективы развития сверхширокополосной технологии

Преимущества, предоставляемые СШТ, а также развитие технологий производства высокоскоростных полупроводниковых приборов, позволяют рассматривать СШТ как основу для разработки новых стандартов беспроводной связи. Ранее для реализации этих целей в рамках IEEE была сформирована рабочая группа, начавшая работы над реализацией нового стандарта IEEE 802.15.3а, ориентированного на недорогие, действующие на небольшие расстояния широкополосные устройства персональных беспроводных сетей с высокой пропускной способностью. Кроме того, в МСЭ в рамках первой исследовательской комиссии была создана целевая группа 1/8, ответственная за решение вопросов ЭМС устройств СШТ с РЭС других служб.

В рабочую группу по разработке стандарта IEEE 802.15.3а вошли представители различных организаций, имеющие различные видения на стандарт для  сверхширокополосных устройств персональных беспроводных сетей. Компании Intel, Texas Instruments  и другие были заинтересованы в развитии многополосной OFDM СШТ (MBOA-UWB), предложенной организацией Multiband OFDM Alliance.  Другая группа разработчиков во главе с Motorola Semiconductor (теперь именуемая Freescale Semiconductor) была заинтересована в продвижении технологии СШТ с прямым расширением спектра (DS-UWB). Позднее были предложены и другие варианты реализации технологии СШТ, однако до стандартизации в IEEE добрались только вышеупомянутые два.

Однако разногласия среди разработчиков стандарта для сверхширокополосных беспроводных устройств персональных сетей связи не позволили разработать и утвердить единый стандарт на СШТ в установленные сроки, вследствие чего указанные выше группы, ответственные за разработку стандарта и решение вопросов ЭМС в рамках IEEE и МСЭ были расформированы.

В настоящее время организация WiMedia Alliance (объединившаяся в 2004 году с MBOA), в которую входят компании Intel, Sony, Hewlett-Packard, Microsoft, Nokia, Texas Instruments и другие, завершила разработку стандарта для сверхширокополосных устройств беспроводной связи, который получил официальное название ISO/IEC 26907 [7]. В стандарте определены физический уровень и MAC-подуровень беспроводных сетей, базирующихся на платформе WiMedia UWB Common Radio. Вместе с ISO/IEC 26907 утвержден и стандарт интерфейса взаимодействия этих уровней - ISO/IEC 26908 [8 ].

Следует отметить, что стандарт ISO/IEC 26907 идентичен принятым в 2006 году в Европе спецификациям на физический уровень и подуровень доступа к среде для высокоскоростных СШТ устройств ETSI TS 102 455.

Стандарт ISO/IEC 26907 WiMedia UWB можно рассматривать как подход к развитию классической технологии мультиплексирования с ортогональным разделением по частотам (OFDM). Символы OFMD длительностью 312,5 нс передаются в каждый момент времени в одном из 15 частотных каналов шириной 528 МГц в диапазоне 3,1 – 10,6 ГГц (рисунки 10 и 11). Каждый символ OFDM состоит из 128 поднесущих шириной  4,125 МГц,  среди которых:

 Заявляемая пропускная способность нового стандарта для одного канала шириной 528 МГц достигает величины 480 Мбит/с.

В устройствах первого поколения предполагается использовать только первый поддиапазон (3,1-4,8 ГГц) всего предполагаемого для данной технологии частотного ресурса 3,1-10,6 ГГц.

Рис. 10. Частотный план стандарта ISO/IEC 26907

Рис. 11. Последовательность OFDM-импульсов во временной и частотной областях

Предварительная оценка характеристик, заложенных в стандарт ISO/IEC 26907, показывает, что данная технология позволяет более точно формировать результирующий спектр сигнала в зависимости от накладываемых ограничений по обеспечению ЭМС с другими системами в общих полосах частот (путем запрета излучения на отдельных частотных каналах) и обеспечить большую емкость сети за счет уменьшения внутрисистемных помех.

Выводы

Литература

¹ Для расчетов использовалась модель распространения построенная в соответствии с «Статистической моделью потерь на трассе для сверхширокополных каналов внутри помещения», представленная на первой Конференции IEEE по СШП системам и технологиям, UWBST2002, Балтимор, май 2002 г.