Ultra – širokopásmové systémy (UWB)

Ultra – širokopásmové systémy (UWB)
PARDUBICE 2005
OBSAH:
1. Úvod
2 Základní technologické principy
3 Historie vývoje
4. Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě
5. Aplikace na bázi UWB
6. Závěr
Září 2005
Ing. Jan Kramosil
1
1.
Úvod.
Přenosová kapacita systému je jedním ze základních parametrů, kterým lze
charakterizovat síť elektronických komunikací. Z pohledu digitálních přenosových
systémů se zmíněný parametr týká zejména schopnosti přenosového kanálu, přenášet
definovaný objem dat v čase (bit/s nebo bps). V současné etapě dynamicky probíhající
konvergence sítí a služeb elektronických komunikací je zřejmá snaha umožnit přenášet
data sítí ke koncovému uživateli rychlostmi řádově desítek až stovek Mbps. Jen tak lze
totiž naplnit základní atribut sítí a služeb vysokorychlostních („Broadband“) komunikací,
kdy koncový uživatel není ve svých aktivitách při využívání sítí a služeb nikterak
omezován.
Při řešení propustnosti přenosového kanálu hraje klíčovou roli modulační metoda
(PCM, MSK, GMSK, QPSK, M-QAM,TCM, OFDM, atd.), použitá pro zpracování zdrojového
datového toku a jeho přípravu pro následný transport prostřednictvím rádiového kanálu a
nebo kanálu tvořeného metalickými nebo optickými spoji. Každá z modulačních metod
má svoje limity, které jsou určeny konkrétním způsobem využití platných fyzikálních
vlastností konkrétního přenosového kanálu.
UWB systémy využívají vlastnosti přenosového kanálu zcela specifickým
způsobem a otvírají tak další možnou cestu pro návrh přenosových systémů jak pro
vnitřní a nebo vnější rádiové sítě, tak i pro sítě využívající pro přenos signálu metalické
nebo optické spoje. Základní princip UWB systémů spočívá ve využití extrémně široké
části kmitočtového spektra pro přenos informace, a to s minimální výkonovou spektrální
hustotou. Výhody této koncepce pak umožňují následující uplatnění UWB systémů
v oblastech komunikace a radiolokace.
Komunikační systémy:
• Vysokorychlostní přenosové sítě a systémy (WPAN) uvnitř budov
• Vysokorychlostní přenosové sítě a systémy pro vnější prostředí s extrémně
nízkými ERP
• Přenosové systémy v prostředí CATV, xDSL, PLC, LAN, atd. (UWB for wired
media)
• Komunikační systémy se skrytým provozem (Low probability of detection
systems)
Radiolokační systémy
•
Sledovací systémy s vysokou rozlišovací přesností (RF tracking and
positioning applications)
•
Rádiové identifikační systémy (RFID tags)
•
Detektory pohybu a zabezpečovací systémy (Motion sensors and Range
finders)
•
Detektory a zobrazovače objektů v prostředí s neprostupnými překážkami
(GPR- Ground penetrating radars, WPR-Wall penetrating radars, through
wall imaging systems)
•
Antikolizní radary (anti-collisions short range radars)
2
Základní technologické principy
Světové standardy pro rádiové systémy UWB se v současné době velmi dynamicky
vyvíjí a nelze v žádném případě hovořit o jejich konečné podobě. Proto lze také velmi
obtížně dělit již vyvinuté a existující systémy do konkrétních přesných kategorií, které by
korespondovaly s příslušným standardem. Přesto však lze v současnosti pro základní
přiblížení technologie UWB pojmenovat dvě základní skupiny technologií, a to:
Systémy impulsní (Impulse Response UWB, IR – UWB)
Systémy mnohopásmové (Multiband UWB, MB-UWB)
2
IR – UWB
Impulsní systémy stály na začátku vývoje technologií UWB. Model přenosového
kanálu z pohledu jeho přenosové kapacity dobře vyjadřuje Shannon–Hartleyova
rovnice
kde:
C = maximální přenosová kapacita [bit/sec] nebo [bps]
B = šířka přenosového pásma kanálu [Hz]
S = výkon signálu [W]
N = úroveň šumu [W]
Uvedený vztah jasně ukazuje, že přenosová kapacita kanálu je přímo úměrná
šířce přenosového pásma a klesá logaritmicky se snižováním poměru signál/šum
v přenosovém kanálu. Je tedy možné rychleji zvyšovat přenosovou kapacitu rozšiřováním
přenosového pásma než zvyšováním výkonu signálu.
Právě na využití extrémní šířky přenosového kanálu je založena výchozí idea
systémů IR-UWB.
Obr. 1 ukazuje ve svojí spodní části chování signálu zpracovaného některou
z klasických „úzkopásmových“ modulačních metod v časové doméně a kmitočtové
doméně. Je vidět, že např. systém podle standardu IEEE 802.11b, v pásmu 2,4 GHz
využívá ke své činnosti velmi úzkou část kmitočtového spektra v okolí svého nosného
kmitočtu (cca 80MHz).
V horní části Obr.1 je uveden princip systému IR-UWB v jeho původní verzi, kdy je
využívána jednoduchá pulsní modulace (PM).
Obr. 1.
Zdroj: http://www.digit-life.com/articles2/uwb/
Namísto spojitého signálu jsou pro přenos informace využívány extrémně krátké
impulsy s délkou trvání nižší než jedna nanosekunda. Tvarově jsou pulsy odvozeny od
Gaussova impulsu a jsou někdy označovány jako motocykly nebo monpulsy. Při použití
pulsní modulace tyto impulsy generují v kmitočtové doméně velmi široké okamžité
pásmo signálu (viz. Furierova transformace). Rozložení přenosu do části kmitočtového
spektra o šíři několika GHz, přináší výhodu extrémně nízkých hodnot potřebné výkonové
spektrální hustoty vysílaného signálu, a to řádově pod hodnoty -40dBm/MHz.
3
Obr. 2 ukazuje porovnání systému UWB s dalšími komunikačními systémy právě
z pohledu výkonové spektrální hustoty signálu.
Obr. 2.
Zdroj: http://www.digit-life.com/articles2/uwb/
U komunikačních rádiových UWB systémů pak extrémní šířka kmitočtového pásma
přináší výhodu, spočívající v poměrně vysoké přenosové kapacitě systému. Obr. 3 uvádí
porovnání mezi rádiovým komunikačním systémem UWB a dalšími dnes využívanými
systémy z pohledu plošné přenosové kapacity (2D spatial kapacity [kbps/m2]).
Obr.3.
Zdroj: http://www.digit-life.com/articles2/uwb/
Další poměrně důležitou výhodou systémů IR-UWB jsou nižší nároky na složitost
obvodů koncových zařízení, což umožňuje řešit transceivery systémů IR-UWB jako
jednočipové na bázi CMOS technologie.
Podle řešení způsobu mnohonásobného přístupu lze v současnosti prakticky
identifikovat dvě skupiny systémů IR-UWB.
První skupina využívá pro odlišení uživatelů pseudonáhodný časový posuv
(TH – Time hoping).
Druhá skupina využívá pro odlišení uživatelů ortogonální pseudonáhodné
sekvence. Tím se tyto systémy velmi podobají běžným CDMA systémům využívajícím
rozprostírání spektra přímou kódovou sekvencí (DS_SS), a to i z pohledu použité
modulační metody nebo přidělování kanálů. Proto se také tyto systémy označují jako
4
DS-UWB.Co se týká modulací je nutno poznamenat, že některá řešení systémů nahrazují
jednoduchou pulsní modulaci modulacemi ortogonálními jako m-BOK (m-Biorthogonal
Keying) či CCK (Complementary Code Keying). Obecně však lze u systémů IR-UWB
sledovat trend návratu k jednoduché bifázové pulsní modulaci
Pro přiblížení praktického efektu systémů DS-UWB uvádím základní parametry
systému tak, jak jsou zmíněny v posledním návrhu standardu IEEE skupina 802.15.TG3a
z července 2004.
• Systém využívá dvě pásma 3,1 – 4,85 GHz a 6,2 – 9,7 GHz
• Pro modulování UWB monopulsů je použita modulační metoda BPSK (Binary Phase
Shift Keying) případně 4BOK (Quaternary Bi-Orthogonal Keying)
• Je dosahováno přenosových rychlostí v rozsahu 28 – 1320 Mbps.
• Systém umožňuje provoz až 6 simultánních komunikačních systémů (pikonetů)
v každém pásmu
• Maximální
spektrální
výkonová
hustota
nepřesahuje
v celém
pásmu
stanovených -41,5 dBm/MHz
MB-UWB
Zásadním podnětem pro další rozvoj systémů UWB byla vlastní definice systémů
UWB tak, jak ji formulovala FCC.
Podle platné definice musí UWB systém splňovat následující podmínku:
- šířka tzv. „frakcionálního“ pásma musí být větší než 20%, při vyjádření podle
vztahu
2( f H − f L )
x100(%) ≥ 20
fH + fL
kde
fH…………. horní kmitočet (pro bod -10dB)
fL…………. dolní kmitočet (pro bod -10dB)
- a nebo šířka kmitočtového pásma potřebná pro přenos informace musí být rovna
nebo větší než 500 MHz.
Výchozí ideou pro vývoj systémů MB-UWB pak byl předpoklad, že stejnou šířku
spektra systému (min. 500 MHz) a stejných vlastností (nízká výkonová spektrální
hustota, vysoká datová propustnost kanálu) lze dosáhnout nejen využitím
subnanosekundových monopulsů a modulací jednoho nosného kmitočtu ale i jiným
modulačním principem. Tato úvaha nakonec vedla k využití principu OFDM (Orthogonal
Frequency
Division
Multiplex).
Tento
způsob
přenosu
(modulační
metoda)
využívající mnoha nosných kmitočtů je obecně znám v soustavách zemského digitálního
rozhlasu (T-DAB) a zemské digitální televize (DVB-T).
Pro přiblížení praktického efektu systémů MB-UWB uvádím základní parametry
systému tak, jak jsou zmíněny v posledním návrhu standardu IEEE skupina 802.15. 3a
z listopadu 2004.
• Pásmo od 3,1 GHz do 10,6 GHz je rozděleno na 14 subpásem (segmentů) po 528
MHz
• V každém subpásmu se informace přenáší QPSK/OFDM modulací, přičemž OFDM
využívá celkem 122 subnosných kmitočtů
• Je dosahováno přenosových rychlostí v rozsahu 55 – 480 Mbps.
• Systém umožňuje provoz 4 až 16 simultánních komunikačních systémů (pikonetů)
• Informační bity se překládají přes všechna pásma zvolená pro daný pikonet, čímž
se dociluje kmitočtová diverzita a odolnost vůči mnohonásobným odrazům
• Maximální
spektrální
výkonová
hustota
nepřesahuje
v celém
pásmu
stanovených -41,5 dBm/MHz
5
3.
Historie vývoje.
Zcela určitě by bylo možno nalézt základy UWB systémů v Marconiho jiskrové
telegrafii, kterou koncipoval v závěru devadesátých let, a na jejímž základě pak
uskutečnil 12. prosince 1901 první přenos informace přes Atlantik prostřednictvím
jiskrového telegrafu. První skutečné základy technologii UWB však byly položeny během
druhé světové války, kdy byly vyvinuty některé vojenské aplikace jako např. obranné
systémy proti nepřátelským torpédům na bázi systému s rozprostřeným spektrem a nebo
komunikační systémy s pulsní polohovou modulací (8 duplexních kanálů TDM
v kmitočtovém pásmu 4,5 GHz).
Až do začátku sedmdesátých let pak probíhal vývoj technologií UWB v utajeném
prostředí vojenských laboratoří, a to i v tehdejším Sovětském svazu. Vyvíjeny byly
zejména komunikační a radarové systémy s vysokým stupněm utajení provozu zařízení
(Low probability of detection systems).
Jako zlomový moment pro uplatnění technologií UWB v civilním sektoru je
v literatuře obecně zmiňováno zveřejnění patentu G. F. Rosse, “Transmission and
reception system for generating and receiving base-band duration pulse signals without
distortion for short base-band pulse communication system,” U.S. Patent 3 728 632,
Apr. 17, 1973.
Samotné označení UWB pro zmiňované systémy bylo poprvé použito ve zprávě
agentury DARPA (Defense Advanced ResearchProjects Agency) “Assessment of ultrawideband (UWB) technology,” Ultra-Wideband Radar Rev. Panel, R-6280, Office of the
OSD/DARPA,Washington, DC, July 13, 1990. Ve zprávě byly přesně definovány rozdíly
mezi konvenčními radarovými systémy a mezi radarovými systémy, které využívají ultra
krátkých impulsů a vyznačují se širokým frakcionálním pásmem větším než 25%.
Během devadesátých let minulého století probíhal intenzivní vývoj rozličných
civilních aplikací jak v oblasti komunikace, tak i v dalších oblastech zmiňovaných
v kapitole 1.
Zásadním impulsem pro otevření trhu se zařízeními UWB pak bylo stanovení
regulačních pravidel pro jejich nasazení, která vydal FCC jako oficiální dokument:
• „FCC Rules, Part 15; FCC 02-48: FCC First Report and Order“, přijatý
14. února 2002.
Tento dokument byl v dalších letech doplněn dalšími oficiálními dokumenty:
• FCC 03-33: FCC Memorandum Opinion and Order, přijatý 13. února 2003
• FCC Second Report and Order, přijatý 15. prosince 2004
4.
Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě
Jak již bylo uvedeno jednou z hlavních výhod rádiových systémů UWB je velmi
nízká výkonová spektrální hustota, kterou systémy využívají pro svůj provoz. Poznatky
získané z výsledků prvních aplikací UWB ve vojenské oblasti zdánlivě vedou k domněnce,
že systémy UWB lze díky velmi nízké úrovni možných interferencí do již existujících
rádiových systémů provozovat s těmito systémy paralelně, a to bez omezení v rámci
celého spektra rádiových kmitočtů. První civilní aplikace však ukázaly, že otázka
mezisystémového rušení není ani v případě systémů UWB zcela jednoduchá.
6
První zemí, která povolila obecné využití rádiových UWB systémů jsou Spojené
státy a to na základě dokumentu “ FCC Rules, Part 15; FCC 02-48“. Pro systémy UWB
dokument stanovil obecnou kmitočtovou masku. Na Obr.4 je uvedena kmitočtová maska
pro vnitřní rádiové UWB systémy tzv. WPAN (Wireless Personal Area Networks), kde
maximální hodnotou PSD (Power Spectral Density) je -41,3 dBm/MHz.
OBR.č.4.
Pro provoz rádiových systémů UWB je obecně doporučeno kmitočtové pásmo
v rozsahu 3,1 – 10,6 GHz. Jedním z hlavních důvodů pro preferenci zmíněného
kmitočtového pásma je existence poznámky č. 5.340 Radiokomunikačního řádu ITU,
která stanoví, že:
„Všechna vysílání v níže uvedených pásmech jsou zakázána:
1400–1427 MHz
2690–2700 MHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.422
10,68–10,7 GHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.483
15,35–15,4 GHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.511
23,6–24 GHz
31,3–31,5 GHz
atd.
[viz.Plán přidělení kmitočtových pásem -Národní kmitočtová tabulka, září 2004]
Možné rušení již existujících rádiových systémů se v současné době zdá být hlavní
překážkou rozšiřování velmi perspektivních rádiových technologií na bázi UWB v dalších
zemích světa.
Japonské ministerstvo odpovědné za telekomunikační sektor (MIC) zatím povolilo
pouze provoz experimentálních systémů UWB sloužících zejména k výzkumu
mezisystémových interferencí.
Singapur v současné době vyhodnocuje výsledky dvouletého experimentálního
programu „UWB friendly zone“, který byl zahájen v roce 2003 na půdě vědecko-
7
technologického parku a který umožňoval využití UWB zařízení v prostředí universitních
areálů.
Jižní Korea založila organizaci jejímž posláním je navrhnout regulační prostředí pro
systémy UWB. Výzkumný institut ETRI (Electronics and Telecomunications Research
Institute) se zaměřil na projekt „Digital Home Network“, který využívá právě technologie
UWB.
Zemně Evropské unie včetně zemí CEPT zvažují vytvoření regulačních pravidel pro
komerční nasazení systémů velmi obezřetně a snaží se vycházet z co nejkomplexnějšího
souboru exaktně podložených poznatků. Současným východiskem pro stanovení
obecných pravidel pro zavedení systémů UWB v zemích CEPT je dokument
ECC Report – 64, „THE PROTECTION REQUIREMENTS OF RADIOCOMMUNICATIONS
SYSTEMS BELOW 10.6 GHz FROM GENERIC UWB APPLICATIONS“, předložený na
zasedání ECC v Helsinkách v únoru 2005. Tento dokument ukazuje, že na rozdíl od FCC,
které pro stanovení kmitočtové masky PSD vycházelo zejména z omezení daných
provozem zařízení GPS v rozsahu 0,96 – 1,61 GHz a zařízení UMTS v okolí 1,99 GHz,
přistupuje CEPT k problematice UWB daleko komplexněji.
Jsou zvažovány rušivé interference v relaci k následujícím radiokomunikačním
službám:
1.
Fixed Service (FS);
2.
Mobile Satellite Service (MSS);
3.
Earth Exploration Satellite Service (EESS);
4.
Radio Astronomy Service (RAS);
5.
Digital video broadcasting: DVB–T;
6.
Digital audio broadcasting: T–DAB;
7.
Bluetooth PAN;
8.
Radio LAN;
9.
Public Land Mobile Service (MS): IMT-2000;
10.
Radio Navigation Satellite Service (RNSS);
11.
Fixed Satellite Service (FSS);
12.
Amateur/Amateur Satellite Services (Amateur) ;
13.
Maritime mobile service (Maritime), including Global Maritime Distress &
Safety Systems (GMDSS);
14.
Aeronautical Mobile Service and radio determination service (Aeronautical,
AMS, ARNS);
15.
Meteorological Radars.
Výsledkem poměrně rozsáhlých studií kompatibility, které proběhly v rámci
příslušných projektových týmů CEPT, je návrh výchozí kmitočtové masky PSD, která se
od modelu prezentovaného FCC zásadně liší.
OBR. č. 5 ukazuje průběh zjednodušené výchozí kmitočtové masky CEPT s porovnání
s maskami FCC pro vnitřní i vnější systémy.
8
OBR. č. 5.
Práce na posouzení možností definovat regulační podmínky pro systémy UWB,
které by umožnily jejich komerční rozšíření v prostředí EU obdobně jako ve Spojených
státech vykonával CEPT na základě mandátu “Mandate to CEPT to harmonise radio
spectrum use for ultra-wideband systems in the European Union”, vydaného
Evropskou komisí v roce 2004. Mandát předpokládal ukončení prací v takovém termínu
a v takové kvalitě, aby v průběhu druhé poloviny roku 2005 mohla být vydána příslušná
závazná doporučení pro implementaci systémů UWB v prostředí Evropské unie.
Pracovní dokument č. RSCOM05-23 z 19. května 2005 Výboru pro rádiové
spektrum EC (RSCOM) shrnul výsledky dosažené v rámci CEPT s následujícím
konstatováním:
• Většina posuzovaných rádiových služeb vyžaduje daleko přísnější ochranu
před rušením systémy UWB než garantuje kmitočtová maska PSD aplikovaná
v rámci FCC. Předběžně jsou požadovány limity o 20 – 30 dB nižší.
• Pro posouzení míry interference u vnějších aplikací je podstatná míra
agregovaných interferencí systémů UWB.
• Nebyla posuzovány zcela všechny případy možných interferenčních vlivů.
Zejména možné interference do mobilních systémů dalších generací
v kmitočtových pásmech do 6 GHz by měly být předmětem dalšího výzkumu
a jsou zároveň i plánovaným tématem diskusí na další konferenci WRC-07
(agenda 1.4).
Na základě posouzení stávajícího stavu byl následně připraven návrh nového
mandátu Evropské komise pro CEPT (dokument RSCOM05-25) na pokračování prací při
přípravě regulačních pravidel pro systémy UWB ve spolupráci s ETSI. Hlavní cíl mandátu
pak byl formulován následujícím způsobem:
9
Připravit požadované informace tak, aby bylo možno přijmout společná pravidla
EU pro početné aplikační sektory UWB technologií do poloviny roku 2006.
5.
Aplikace na bázi UWB.
Pro získání lepšího přehledu o možnostech technologií na bázi UWB je výhodné
seřadit již existující, zkoumané a případně budoucí předpokládané aplikace do několika
základních kategorií – typů.
Typ. 1 – Rádiové komunikační a měřící systémy
Aplikace pro datovou komunikaci:
• Domácí zábava, propojování domácí spotřební elektroniky (TV, DVD, PVR,
atd.)
• Multimediální rozhraní pro mobilní telefony
Pozn.: V souvislosti s předchozími dvěma aplikacemi se hovoří o tzv. WUSB
rozhraní (Wireless USB) a o sítích WPAN. Předpokládá se převážně provoz ve vnitřním
prostoru budov.
• Aplikace typu WLAN pro vnější i vnitřní prostředí, které jsou UWB obdobou
sítí RLAN.
Kombinované aplikace pro datovou komunikaci a měření:
• Sledování označených subjektů s vysokou přesností určení polohy subjektu
• RFID aplikace
Pozn.: Předpokládá se nasazení ve vnitřním prostředí. Ve vnějším prostředí se pak
jedná o systémy s omezeným dosahem.
Pro provoz většiny uvedených aplikací se v současnosti počítá s využitím
kmitočtových pásem od 3,1 – 10,6 GHz.
Postup standardizace:
CEPT – je k dispozici dokument ECC Rep 64 z února 2005
ETSI – je k dispozici dokument TR 101 994 – 1 z ledna 2004
- očekává se vydání standardu EN 302 065
IEEE – v rámci IEEE 802.15 WPAN High Rate Alternative PHY Task Group 3a jsou
k dispozici dvě systémová řešení, a to DS-UWB a MB-UWB. V současnosti se zdá
pravděpodobnější standardizace DS-UWB.
- v rámci IEEE 802.15 Low Rate Alternative PHY Task Group 4a je rozpracován
systémový návrh na méně nákladné systémy, s větším dosahem a využívající
nižší výkon pro méně náročné aplikace
Typ. 2 – Rádiové zobrazovací systémy
Aplikace pro zobrazování vnitřní struktury těles a oddělených prostor
•
Podpovrchové radary (GPR)
• Zobrazování struktury překážek
• Zobrazování prostor za překážkou (WPR)
• Zobrazování struktur orgánů v lékařství
• Dohled nad vymezenými prostory bez ohledu na překážky
• Měření úrovně povrchu průmyslových kapalin
Pozn.:
Zmiňované
aplikace
mají
předpoklad
využití,
jako
součást
zabezpečovacích systémů.
Pro provoz většiny uvedených aplikací se v současnosti počítá s využitím
kmitočtových pásem od 30MHz – 12,4 GHz (0-960 MHz – FCC).
Postup standardizace:
CEPT – je k dispozici dokument ECC Rep 64 z února 2005
ETSI – je k dispozici dokument TR 101 994 – 2 z listopadu 2004
- očekává se vydání standardu EN 302 066
10
Typ. 3 – Radarové systémy pro automobilový průmysl
• Aplikace pro antikolizní systémy
Pro provoz většiny uvedených aplikací se v současnosti
kmitočtových pásem nad 20 GHz.
Postup standardizace:
CEPT – je k dispozici dokument ECC Rep 23 z května 2003
počítá s využitím
Typ. 4 – UWB přenosové systémy pro přenos po kabelech a metalických vodičích
Aplikace pro datovou komunikaci:
• Přenos informací po kabelech v koaxiálních a hybridních (HFC) sítích CATV
• Přenos po metalických vodičích silových rozvodů (varianta PLC)
• Přenos po kroucených párech účastnického rozvodu telefonní sítě (varianta
DSL)
Rozvoj UWB přenosových systémů v této kategorii lze zaznamenat někdy od
poloviny roku 2002. Tento typ systémů nezpůsobuje vzhledem k použitému
přenosovému
médiu
klasické
interference
v kmitočtovém
spektru
dalších
radiokomunikačních služeb, což je jeho nespornou výhodou. Přesto jsou prozatím tyto
systémy na okraji zájmu, a to navzdory nesporným výhodám.
V případě aplikací UWB do prostředí CATV se jedná hlavně o následující výhody:
• Poměrně vysoká přenosová kapacita až 1,2 Gbps směrem k uživateli
a 480 Mbps od uživatele
• Možnost překryvného (paralelního) provozu přenosového systému UWB se
stávajícím přenosovým systémem využívajícím klasické modulace v rámci
jedné sítě CATV. To umožňuje extrémně nízká výkonová úroveň
rozprostřeného spektra UWB potřebného pro přenos.
• Možnost přímé návaznosti datového toku UWB šířeného sítí CATV na UWB
komunikační systémy typu 1 v domácnosti a to bez nutnosti složité konverze.
V současnosti je pochopitelně hlavní nevýhodou zmíněných USB aplikací
problematická dostupnost koncových zařízení pro uživatele v porovnání s masovým
rozšířením technologií na bázi DVB-C, DOCSIS, a dalších.
V případě UWB aplikací pro PLC a DSL se jedná hlavně o následující výhody:
• Zcela
postačující
přenosová
kapacita
v symetrickém
provozu
62 Mbps, v asymetrickém provozu 100Mbps a více v jednom směru.
• Díky extrémně nízké výkonové úrovni rozprostřeného spektra UWB
potřebného pro přenos je minimalizováno vyzařování metalických vodičů do
okolního prostředí. Právě možnost způsobování škodlivého rušení,
způsobovaného vyzařováním klasických linek PLC a DSL je v současnosti
předmětem intenzivní práce na studiích kompatibility v rámci CEPT. Výsledky
práce pravděpodobně povedou k nastavení velmi přísných pravidel,
podmiňujících další masivní komerční rozšiřování klasických systémů PLC
a DSL. V prostředí EBU a v prostředí amatérského vysílání lze navíc
současnosti zaznamenat velmi silné negativní postoje k rozšiřování
technologií typu PLC, DSL na úkor některých dalších radiokomunikačních
služeb. Přitom technologie UWB by do jisté míry mohly být východiskem.
11
6.
Závěr.
Technologie na bázi UWB jsou bezesporu perspektivní a mohou přinést při řešení
různých aplikací zcela zásadní inovace. Prostřednictvím UWB technologií mohou být navíc
řešeny i zcela nové aplikace. Skutečnost, že rádiové systémy UWB pracují ve své
podstatě z pohledu využití kmitočtového spektra jako systémy překryvné, však má za
následek velmi obezřetný přístup ke stanovení pravidel pro komerční zavádění těchto
systémů ve většině zemí světa. Tím je způsobeno určité přirozené zpoždění aplikací na
cestě z laboratoří k realizaci a komerčnímu využití.
Nicméně vývoj a hledání dalších cest a nových řešení, jak zabezpečit co nejvyšší
propustnost přenosového kanálu při současné snaze o co nejefektivnější využití
kmitočtového spektra neustává. Proto se již dnes objevují další nová systémová řešení.
V této souvislosti stojí za zmínku například výsledky práce společnosti
xG Technology LLC ze Sarasoty na Floridě. Její nové technologie rádiového přenosu
xMax a xG Flash Signal přichází s dalším inovativním řešením efektivního přenosu
v kmitočtovém pásmu do 1 GHz.
Hlavním principem technologie xMax je koncentrace až 99% přenášené energie
do nosného kmitočtu a extrémní potlačení postranních pásem (-60 až -100 dB pod
úroveň nosné). Pro přenos informací je tak vyžadována jen velmi úzká část spektra. Je
tak možno přenosové kanály umisťovat ve fragmentech nevyužitého spektra určeného
primárně pro jiné radiokomunikační služby (např. rozhlasovou službu).
Hlavním principem technologie xG Flash Signal je naopak potlačení nosného
kmitočtu, kdy úroveň výkonové spektrální hustoty postranních pásem se pak pohybuje
v rozmezí hodnot – 80 až -90 dBm/MHz. V tomto ohledu se technologie dosti podobá
UWB, která rovněž umožňuje opakované využití kmitočtového pásma již obsazeného
některou z radiokomunikačních služeb.
Při testech technologie xMAX na kmitočtu 169,44 MHz bylo dosaženo přenosové
rychlosti cca 6 Mbps a zhruba o řád většího dosahu než jako u přístupového bodu Wi-Fi
s výkonem 30 dBm. Přitom přístupový bod xMAX pracoval s výkonem – 3 dBm.
Podrobnější informace o práci zmíněné společnosti lze získat na www.xgtechnology.com.
Jako další lze uvést zajímavé výsledky práce společnosti Broadband Physics,
Inc. ze Santa Clary v Kalifornii. Společnost představila počátkem roku 2003 novou
modulační metodu s názvem SDM, Sub-Band Division Multiplexing. Přenosové
systémy využívající zmíněnou metodu se vyznačují následujícími výhodami:
• Vyšší
efektivita
využití
dostupné
šířky
kmitočtového
pásma
(10 – 12 bps/Hz)
• Velká odolnost proti různým typům rušení a vícecestnému šíření
• Zachování jednoduchosti modulačního a nemodulačního procesu
Podrobnější informace je možno získat na www.broadbandphysics.com
Závěrem lze obecně jistě konstatovat, že při hledání způsobu, jak vytvořit rychlý
a efektivní přenosový kanál, ani zdaleka ještě nebyly vyčerpány dostupné a reálné
možnosti řešení. Lze si však poněkud postesknout, že cesta z laboratoře do praxe bývá
někdy neúměrně dlouhá a ne vždy jsou důvody zpoždění racionální a nebo ryze
technického charakteru.
12
Použité zkratky:
Mbps
PCM
MSK
GMSK
QPSK
M-QAM
TCM
OFDM
UWB
WPAN
ERP
CATV
DSL
PLC
LAN
RF
RFID
GPR
WPR
IR-UWB
MB-UWB
Kbps
CDMA
DS-SS
DS-UWB
M-BOK
CCK
BPSK
4BOK
TDM
PSD
HFC
EBU
Megabit per second
Pulse Coded Modulation
Minimum Shift Keying
Gaussian Minimum Shift Keying
Quaternary Phase Shift Keying
M- Quadrature Amplitude Modulation
Trellis Code Modulation
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Ultra Wide Band
Wireless Personál Area Network
Effective Radiated Power
Cable TV
Digital Subscriber Line
Power Line Communication
Local Area Network
Radio Frequency
RF Identification
Ground Penetrating Radars
Wall Penetrating Radars
Impulse Response UWB
Multiband UWB
Kilobit per second
Coded Division Multiple Access
Direkt Sequence Spread Spektrum
Direkt Sequence UWB
M-Biorthogonal Keying
Complementary Code Keying
Binary Phase Shift Keying
Quaternary Bi-Orthogonal Keying
Time Division Multiplex
Power Spectral Density
Hybrid Fibre Conax
European Broadcasting Union
13
Literatura:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
ECC Report-64, „THE PROTECTION REQUIREMENTS OF RADIOCOMMUNICATIONS
SYSTEMS BELOW 10.6 GHz FROM GENERIC UWB APPLICATIONS“, Helsinky, únor
2005
Dokument RSCOM05-23 z 19. května 2005
ETSI TR 101 994-1 z ledna 2004
Doc. IEEE 802.15 WPAN High Rate Alternative PHY TG 3a
ETSI TR 101 994-2 z listopadu 2004
ECC Report-23 z května 2003
Doc. IEEE 802.15 Low Rate Alternative PHY TG 4a
Broadband Communications in the Digital Millenium, John Santhoff CTO, Steve
Moore JD., Ph.D., Pulse~LINK, Inc.
System Architectures for High-rate Ultra-wideband Communication Systems: A
Review of Recent Development, Evan R. Green and Sumit Roy, Intel Labs
Recent System Applications of Short-Pulse Ultra-Wideband (UWB) Technology,
R.J. Fontana, Ph.D., IEEE Microwave Theory and Tech., Vol. 52, No. 9, September
2004
History of UltraWideBand (UWB) Radar & Communications: Pioneers and
Innovators, Terence W. Barrett, UCI, PIERS2000 Cambridge, MA, July, 2000
Analýza
personálních
bezdrátových
sítí
(WPAN)
s využitím
ultra-širokopásmových systémů (UWB), Dr. Svetozár Ďurovič Praha, listopad
2004
Firemní literatura a www stránky společností: Texas Instruments, Intel, MSSI,
Time Domain, Pulse Link.
http://www.digit-life.com/articles2/uwb/
14