Ничто не слишком
Автор: Юлия Волкова
Опубликовано в журнале "CIO" №5 от 24 июня 2003 года
Последнее время меня стали пугать командировки. Не то чтобы «душа покоя просит», но, знаете, очередь за билетами, толчея в аэропорту, переполненные залы ожидания, а если, не дай бог, задержка рейса… Словом, до боли знакомые проблемы с трафиком. Только авиаторам сложнее. Пассажира — его ведь не скомпрессируешь, на пакеты не разобьешь, по параллельным каналам не передашь. Это тебе не набор нулей и единиц. Число пассажиров растет, значит, где-то нужно найти еще больше крупных самолетов, просторных аэропортов, словом, всей необходимой инфраструктуры.
В связи — все то же самое. Одним из условий успешного выхода на рынок новой технологии является ее способность надежно передавать огромные объемы информации. В традиционных технологиях радиосвязи информация передается путем модуляции гармонических колебаний (несущего сигнала). Частотно-селективные свойства таких систем обеспечивают разделение по частоте множества информационных каналов. При этом большинство традиционных радиосистем узкополосны — т. е. полоса сигнала много меньше несущей частоты.
Общеизвестно, что скорость передачи информации определяется шириной полосы, а это значит, что ее увеличение является единственной возможностью повышения пропускной способности.
Однако «эра вольного эфира», когда единственными ограничениями в использовании радиоспектра являлись трудности технические, давно миновала. В настоящее время все мало-мальски пригодные участки спектра уже распределены и используются со все большей интенсивностью. Свободных мест в эфире нет.
Решение сегодняшних проблем передачи трафика требует некоторого технологического переворота. Поскольку такового пока не видать, в фокусе всеобщего внимания волею судеб оказалась технология сверхширокополосной (UWB) радиосвязи. Именно к ней привлечено внимание специалистов. В печати все чаще встречаются здравицы в честь UWB, как правило, не обходящиеся без тезиса типа «UWB — это кардинально новая технология связи».
Заглянем в библиотеку
Вряд ли можно позиционировать что-то как «кардинально новое», если первые исследования этого «чего-то» начались в конце 1960-х годов примерно одновременно в США, Италии и СССР.
Стимулом для их проведения стало понимание того, что форма радиосигнала не обязательно должна быть гармонической. Концепция была достаточно проста и изложена академиком Харкевичем в 1952 г. Для описания системы используют не частотные характеристики, как это было традиционно, а ее реакцию на импульсное возбуждение, так называемую импульсную характеристику.
Фундаментальные основы UWB-систем были определены уже к началу 70-х годов. А к 1975 г. фактически имелась возможность создания UWB-систем для связи или радиолокации. Основные составляющие были известны, и их в то время умели неплохо делать — это генераторы импульсных последовательностей, широкополосные приемники и антенны.
Мало того, для специалистов не новость и методы кодирования данных, которые используются в системах связи UWB — они были предложены несколько десятилетий назад. Так, системы СВЧ-радиосвязи, разработанные компанией AT&T по заказу армии США к концу 1943 г., используя времяимпульсную модуляцию, создавали восемь дуплексных каналов с разнесением во времени и работали в диапазоне 4,5 ГГц («Black, H. S., Beyer, J. W., Grieser, T. J. & Polkinghorn, F. A., A multichannel microwave radio relay system. AIEE Trans. Electrical Engineering, 65, 798–805, 1946.)
Радиолокаторы UWB используются с 1970-х годов. Они успешно применяются для обнаружения объектов, скрытых листвой, стенами, землей, для решения задач определения местоположения, предупреждения столкновений, измерения уровня жидкостей в закрытых резервуарах.
Концепция системы была практически полностью определена Г. Россом, когда он получил в 1973 г. патент на систему связи UWB. С тех пор ничего нового в плане фундаментальных основ систем UWB не придумано.
* * *
Почему же такой ажиотаж? Это же не мир моды, где все новое — хорошо забытое старое. Дело в том, что в нашем случае, в отличие от множества других, новым является не сама система. Новым является предположение, что UWB-система способна успешно работать, не создавая помех другим «узкополосным» системам связи и не испытывая помех от них.
UWB-подход к решению проблем радиолокации и связи — это если не изменение парадигмы, то, как минимум, изменение акцента в том, что касается использования имеющегося время-частотно-энергетического ресурса.
UWB-передатчик излучает не модулированный гармонический сигнал, а серию коротких моноциклических импульсов с прецизионно регулируемыми интервалами между ними. При этом в зависимости от мгновенного значения модулирующего сигнала изменяется позиция каждого импульса во временной области относительно синхроимпульса, т. е. выполняется время-импульсная модуляция.
Законы Шеннона о пропускной способности канала пока еще никто не отменял, они универсальны и применяются ко всем радиосистемам, в том числе UWB, вне зависимости от того, насколько ограничивает правительство ширину полосы или используемую мощность. С уменьшением длительности сигнала ширина полосы увеличивается, а спектральная плотность отношения сигнал-шум (S/N) уменьшается. При некоторой длительности импульса спектральная плотность S/N становится ниже порога чувствительности обычного частотно-селективного приемника. Именно этот факт и лег в фундамент основного аргумента в пользу систем UWB — способности работать, не создавая помех обычным приемникам. Но, с другой стороны, возникает проблема надежного приема UWB-сигналов с таким малым отношением сигнал-шум в окружении «ворогов» — мощных узкополосных передатчиков? Предлагаемые методы таковы: а) применение сверхширокополосного приемника, который суммирует всю энергию сигнала, одновременно поступающую во всей полосе частот, но такой приемник открыт также и для всего шума в этой полосе; б) усреднение сигнала или согласованная фильтрация, но этот метод снижает скорость передачи данных; в) увеличение спектральной плотности отношения сигнал-шум за счет увеличения передаваемой мощности — но это станет причиной помех в работе других приемников.
Другими словами, необходимо искать компромиссы. От них никуда не уйти. Как и в случае привычных средств связи, разработчику систем UWB приходится балансировать между эффективностью широкополосной связи, малой пиковой мощностью передачи, невысокой сложностью, гибкостью в поддержании различных скоростей передачи и показателями надежности, выражаемыми коэффициентом ошибок. Каждая выгода, предлагаемая UWB, уравновешивается недостатком, средство борьбы с которым, в свою очередь, является еще одним недостатком. Инженерные задачи заключаются, как всегда, в отыскании гармонии.
По существу, система UWB-связи обменивает краткость импульса (обеспечивающую высокую скорость передачи символов) на изменение двух других переменных: отношения сигнал-шум (которое уменьшается) и полосы сигнала (которая становится шире).
Для надежного приема сигналов с малым значением S/N требуется усреднение сигнала, в результате чего снижается скорость передачи и, следовательно, пропускная способность канала. Снижение скорости передачи отдаляет поставленную цель, если целью являются высокие скорости передачи.
Использование сверхширокой полосы — отдельная проблема, поскольку регулировать применение радиосредств технологии UWB пока еще никто не умеет. Сегодня нет регуляторных положений, которые бы охватывали все аспекты, определяли условия использования сверхширокополосных систем и обеспечения защиты от них других служб. Следует отдавать себе отчет, что здесь может потребоваться совершенно новый подход, который еще только будет разработан, но осмысления требует уже сегодня.
В частности, ряд регуляторных определений и терминов в их традиционной трактовке к сверхширокополосным излучениям неприменимы (например, центральная частота, необходимая ширина полосы и побочные излучения). Кроме того, системы, использующие технологию UWB, невозможно отнести ни к одной из радиослужб, определенных на сегодняшний день. Неясно, каковы потребности в спектре для сверхширокополосных систем связи.
Помимо этого, следует изучить механизмы воздействия UWB-помех на работу других служб, а также определить меры по обеспечению надежной работы сверхширокополосных систем в реальных условиях перегруженного эфира.
Решить эти задачи не так легко, как кажется. Во-первых, оценка возможных помех затруднена, поскольку системы UWB занимают полосы шириной в несколько гигагерц, а модели распространения радиоволн, пригодной для полосы такой ширины, попросту не существует. Во-вторых, для «законного» внедрения таких систем требуется принятие ряда государственных решений. Подготовка которых, учитывая беспрецедентность ситуации, может вылиться в бесконечную череду научно-исследовательских работ, теоретических расчетов и натурных испытаний.
Если в США для принятия решения Федеральной комиссии по связи потребовалось более трех лет исследований и преодоление мощного сопротивления со стороны Министерства обороны, Министерства авиации и авиационной промышленности и операторов сотовой связи, считающих, что использование технологии UWB создаст помехи в работе системы GPS и некоторых средств радиосвязи, то сколько же времени потребуется нашим регуляторам? Хватит ли у них духу противостоять давлению со стороны силовых структур, не желающих сдавать свои позиции, и мощных операторских компаний, которые обязательно увидят в новой технологии потенциального конкурента.
Но опасность грозит не только им. По всей вероятности, возможными жертвами помех, создаваемых новыми системами, станут службы с ненаправленными (или секторными) антеннами, например, системы радиодоступа и радиовещательные службы. Увеличение уровня фонового шума приемника может привести к снижению пропускной способности, сужению области обслуживания или уменьшению надежности.
Словом, ясно, что пока о внедрении технологии UWB понятно лишь то, что дело это будет явно недешевым.
Широкополосный мир
Так стоит ли эта пока еще довольно призрачная овчинка той ощутимой в денежном эквиваленте «выделки», которая уже уплачена и еще будет уплачена за проведение исследований? По-видимому, да. С появлением сверхширокополосных устройств раздвигаются границы применения беспроводных технологий.
Большинство предлагаемых сегодня UWB-приложений можно отнести к одной из двух категорий: устройства радиосвязи малого радиуса действия для передачи речи, данных или сигналов управления и радарные системы, или системы идентификации и определения местоположения объекта.
К приложениям первой категории отнесем, в частности:
1. радиолинии высокоскоростной передачи на небольшие расстояния. Они могут образовывать локальные беспроводные сети. Например, беспроводная UWB-сеть в квартире может связывать в одну систему все телевизионные приемники, проигрыватели DVD, стереосистемы, компьютеры, холодильники, СВЧ-печи и т. д. без паутины кабелей. Аналогично, в офисе беспроводная UWB-сеть может заменить провода, соединяющие компьютер с мониторами, клавиатурой, мышью, громкоговорителями, принтерами, локальной сетью, придумывайте сами…;
> охранные системы с датчиками движения и устройства для контроля территорий;
> медицинские приборы контроля внутренних органов;
> целое семейство беспроводных «ассистентов» водителя. От простых систем предотвращения столкновений или дистанционного управления замками до интеллектуальных приложений для скоростных автодорог, в которых приемопередатчик в кабине водителя обменивается сигналами с устройствами, размещенными вдоль трассы, сообщает водителю о ситуации на предполагаемом пути движения и предлагает варианты действий.
Другая область применения UWB-приложений — системы распознавания меток, идентификационных карт, лицензионных марок для любых видов имущества и оборудования, перемещение которого необходимо отслеживать, а также системы локации и позиционирования. Это могут быть:
> радары подземного зондирования для обнаружения залежей различных минералов, определения местонахождения неметаллических труб, пластиковых мин, мест археологических раскопок, трещин в мостах и дорожном покрытии;
> устройства передачи изображения, обеспечивающие безопасность работ по строительству и ремонту зданий;
> системы обнаружения и формирования изображения скрытых объектов, например системы для обнаружения людей за стенами или под развалинами при освобождении заложников, спасательных работах в случае пожаров, взрывов зданий или снежных лавин;
> системы радиочастотной идентификации и слежения;
> датчики уровня жидкости в закрытых резервуарах.
Нет сомнений, что UWB — это перспективная технология, которая будет использоваться во многих полезных приложениях, результатом чего станет ее массовое применение в самых различных условиях (дом, офис, склад и т. п.). При этом встанет проблема взаимных помех между несколькими автономными системами UWB, работающими на одной территории. Существует предположение об отсутствии помех, создаваемых одной UWB-системой работе других сверхширокополосных систем, но его еще только требуется доказать. Можно ожидать, что такие помехи, которых не было совсем или которые редко встречались, для радаров UWB станут обычным делом, когда системы UWB-связи найдут свое массовое применение.
И не стоит успокаивать себя соображениями, что все это будет еще не скоро. Технический прогресс довольно быстро меняет наши взгляды: то, что позавчера казалось чудачеством, вчера — баловством, сегодня становится желательным, а завтра войдет в число первоочередных потребностей. «Воскрешенная» технология вполне способна обеспечить высокоскоростную «отвязанную» связь, которая не вписывается в традиционные определения фиксированной или подвижной связи. Пользователи не связаны ни с настольным компьютером, ни со стационарным передатчиком. Они могут работать из любого места в пределах области обслуживания сверхширокополосной сети. В скором будущем такая нефиксированная связь может оказаться еще одним толчком землетрясения, постепенно разрушающего устоявшиеся концепции радиосвязи, и камнем в фундамент нового подхода к регулированию радиосвязи.
