Оценка преимуществ сверхширокополосных короткоимпульсных систем

На примере импульсных систем рассмотрим преимущества сверхширокополосной технологии по сравнению с другими технологиями беспроводной связи ближнего действия

Сверхширокополосная (СШП) связь (ultra-wideband, UWB) - это технология связи ближнего действия, подобная Wi-Fi или Bluetooth, которая использует относительно и/или абсолютно очень широкую полосу частот для передачи или приема информации. В соответствии с правилами FCC, СШП устройства могут использоваться на безлицензионной основе в диапазоне 3.1-10.0 ГГц.

В данной статье будут рассмотрены некоторые характеристики СШП технологии.

СШП сигналы совместно используют радиочастотный спектр

Участки частотного диапазона, выделенного для СШП, уже используются существующими системами связи. Например, как показано на Рисунке 1, часть диапазона около 5 ГГц может использоваться как СШП, так и беспроводными сетями высокой пропускной способности стандарта 802.11a.

Рисунок 1.	Диаграмма, иллюстрирующая работу СШП ниже «уровня шума».

СШП пытается более эффективно использовать ограниченные спектральные ресурсы.

Как может СШП технология использовать тот же самый спектр, что и уже существующие радиосистемы, не создавая помех? Это достигается ограничением спектральной плотности мощности электромагнитного сигнала, излучаемого СШП передатчиком.

Согласно требованиям FCC (Федеральной комиссии по связи США, регулятором в области использования радиоспектра), спектральная плотность мощности эксплуатируемого в помещении СШП передатчика должна быть ниже -41 дБ/MГц в диапазоне частот от 3.0 до 10.0 ГГц. Это ограничивает уровень помех, создаваемых СШП устройством.

Показанная на Рисунке 2 спектральная маска отражает требования, предъявляемые FCC к передатчикам, используемым внутри помещения.

Рисунок 2.	Спектральная маска СШП передатчика, используемого в помещении.

UWB обладает преимуществами в отношении скорости передачи данных, невосприимчивости к эффекту многолучевого распространения, высокой точности определения дальности, низкого энергопотребления и простоты реализации. Для лучшего понимания ключевых особенностей этой технологии, рассмотрим класс СШП систем, называемых импульсными радиостанциями.

Импульсные радиостанции

В то время как обычная узкополосная система связи передает непрерывное колебание, в импульсном радио для передачи информации используются ультракороткие импульсы (менее 1 нс), показанные на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Типовая импульсная последовательность, переданная импульсной радиосистемой.

После каждого импульса передатчик «молчит» в течение сравнительно долгого периода. Например, импульсное радиоустройство может передавать одиночный 1-наносекундный импульс за каждый 100-наносекундный интервал. В таком случае говорят о коэффициенте заполнения 1% (импульс присутствует в течение 1% времени передачи).

Для передачи информации эти импульсы могут модулироваться различными способами. На Рисунке 4 показано, как меняют импульсную последовательность фазоимпульсная и двухпозиционная фазовая модуляция.

Рисунок 4.	Позиционно-импульсная модуляция (б) и бифазная модуляция (в) изменяют немодулированную последовательность (а).

Следует заметить, что короткая длительность соответствует широкой полосе в частотной области (Рисунок 5). Таким образом, в соответствии с длительностью сигнала, широкополосный сигнал будет излучаться СШП передающей антенной.

Рисунок 5.	Сигналы, переданные импульсной радиосистемой, занимают широкую полосу частот.

Как центральная частота, так и ширина полосы передаваемых сигналов полностью зависят от ширины импульса.

Низкое энергопотребление

Поскольку импульсы передаются только в течение малой доли времени передачи, средняя мощность, излучаемая передатчиком, очень низка. Имея мощность передачи порядка микроватт, СШП может продлить срок службы батарей.

Высокая скорость передачи данных

Благодаря ограниченной мощности излучения, СШП позволяет безлицензионно использовать чрезвычайно широкий спектр. Это дает возможность иметь высокую скорость передачи данных (свыше 100 Мбит/с). Однако из-за очень низкой мощности излучения, приходящейся на каждый бит информации, такая высокая скорость может быть достигнута только на относительно коротком расстоянии порядка 10 м.

При меньших скоростях передачи данных (менее 1 Мбит/с) можно использовать большой коэффициент распространения для поддержки бóльших расстояний. В Таблице 1 сравниваются скорости и расстояния передачи данных СШП и других технологий радиосвязи.

Таблица 1.	Сравнение СШП с другими сопоставимыми технологиями беспроводной связи
Система Максимальная скорость обмена (Мбит/с) Дальность передачи (м) СШП 100 10 IEEE 802.11a 54 50 Bluetooth 1 10 IEEE 802.11b 11 100

Устойчивость к эффекту многолучевого распространения

СШП сигналы обладают большей устойчивостью к эффекту многолучевого распространения, чем обычные беспроводные технологии. Предположим, что кроме прямого пути распространения электромагнитных волн от передатчика к приемнику существует и иной путь, вызванный отражениями от некоторого объекта (Рисунок 6).

Рисунок 6.	Иллюстрация эффекта многолучевого распространения.

Время t, требуемое переданному сигналу, чтобы пройти общее расстояние d заданного пути, может быть получено с помощью следующей формулы:

d = c × t,

где с обозначает скорость распространения электромагнитной волны, равную примерно 3×10⁸ м/с. Следовательно, на каждый переданный импульс на входе приемника появляются два импульса. Это иллюстрируется Рисунком 7, где переданный и принятый импульсы показаны на одной диаграмме.

Рисунок 7.	На каждый переданный импульс на входе приемника появляются два импульса.

На Рисунке 7 два принятых импульса легко различимы, так как они не перекрывают друг друга. Однако в общем случае это не так. Изучая рисунок, можно увидеть, что импульсы не будут мешать друг другу только в том случае, если разность задержек между двумя импульсами, пришедшими разными путями (t₁-t₀), будет больше ширины импульса (PW).

Поскольку СШП импульсы имеют очень малую длительность, маловероятно, чтобы импульсы, пришедшие другими путями, мешали бы полезному импульсу. Следовательно, можно легко извлечь нужный сигнал из тех, которые возникают вследствие нежелательных отражений. Это делает СШП систему более невосприимчивой к эффекту многолучевого распространения. В качестве альтернативы, энергия может быть суммирована с помощью Rake-приемника.

Высокая точность измерения дальности

Как обсуждалось выше, высокое разрешение по времени СШП сигналов позволяет иметь систему, способную разрешать многолучевые компоненты, не прибегая к сложным алгоритмам. Это делает СШП импульсы пригодными для приложений оценки дальности на основе измерения времени задержки отраженного сигнала.

Стоит упомянуть, что хотя эти «времяизмерительные» схемы выигрывают от высокой разрешающей способности СШП сигналов по времени, тем не менее, им присущи и свои собственные ограничения. Например, из-за очень малой длительности СШП импульсов ограничивающим фактором становится временнóй джиттер.

Заключение

Как мы увидели на примере импульсных радиосистем, СШП может оказаться полезной технологией связи ближнего действия благодаря ее скорости передачи данных, невосприимчивости к эффекту многолучевого распространения, высокой точности измерения дальности, низкому энергопотреблению и простоте реализации. По этим причинам многие разработчики коммерческих проектов для упрощения конструкции и повышения защищенности обращаются к СШП вместо средств связи ближнего действия (NFC).