`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Ультраширокополосные коммуникации

0 
 

В феврале Федеральная комиссия связи США (FCC) одобрила коммерческое использование ультраширокополосных (Ultra-WideBand -- UWB) радиотехнологий, дав тем самым зеленый свет производителям устройств для беспроводных сетей. Ожидается, что основные компании, такие, как Intel, Cisco, Motorola и Sony, выйдут на рынок с оборудованием для UWB-сетей в конце 2003 г.
UWB использует иной метод радиопередачи данных, чем большинство применяемых сегодня радиотехнологий. Он заключается в генерации коротких широкодиапазонных импульсов с крутыми фронтами, что позволяет передавать большие объемы данных на короткие расстояния. На расстояниях около 5 м может быть достигнута пропускная способность от 400 до 500 Mbps, в то время как в сетях 802.11a она составляет 54 Mbps, правда, на больших дистанциях.

Такие скорости позволяют легко передавать цифровые изображения или видео дома и в офисе. По пропускной способности UWB может вполне составить конкуренцию USB 2.0, которая работает со скоростью 480 Mbps.


Истоки

Технология ультраширокополосных, или сверхширокополосных, коммуникаций ведет свое начало из исследований определенного класса электромагнитных колебаний, выполнявшихся в 60-х годах. Концепция была достаточно проста. Вместо описания линейной стационарной системы с помощью распространенных в то время частотных характеристик можно было использовать ее реакцию на импульсное возбуждение, так называемую импульсную характеристику (impulse response). Стимулом для проведения исследований этого рода стало понимание того, что электромагнитные сигналы для радиопередачи и радиолокации не обязательно должны иметь квазисинусоидальную форму.

Нужно отметить, что решающими событиями, ускорившими разработки в этой области, явились изобретения стробоскопического осциллографа (Hewlett-Packard, 1962 г.) и техники генерации субнаносекундных импульсов. Это позволило непосредственно наблюдать и измерять характеристики импульсного ответа. К началу 70-х были выполнены все базовые разработки в области UWB-систем, и, таким образом, исчезли препятствия для их построения и совершенствования. Основными компонентами здесь стали генераторы серии импульсов, модуляторы серии импульсов, приемники и широкополосные антенны. Были также известны как методы, так и конкретные реализации некоторых субкомпонентов, в частности коммутаторов на лавинных транзисторах, интегрирующих и усредняющих фильтров, корреляционных детекторов и ряда других.


Основы технологии

Передача данных в ультрашироком диапазоне осуществляется с помощью модулирования очень коротких по длительности (порядка 0,5 нс) импульсов. Хотя система оперирует с миллионами импульсов в секунду, их короткая длительность позволяет получить низкий рабочий цикл (коэффициент заполнения импульсной последовательности) -- около 0,5%, в то время как рабочий цикл у устройств, использующих технологию с распределенным спектром (стандарт 802.11b, например) составляет почти 100%. Это, в свою очередь, приводит к низкому потреблению энергии, что является одним из немаловажных достоинств UWB-устройств.

Ультраширокополосные коммуникации UWB-передатчик излучает серию коротких импульсов, так называемых гауссовых моноциклов (Gaussian monocycle), с прецизионно контролируемыми временными отрезками между ними. Моноцикл является широкополосным сигналом с центральной частотой и шириной полосы, полностью определяемых его длительностью. Гауссов моноцикл подобен первой производной от гауссиана. Он имеет форму (рис. 1):

Ультраширокополосные коммуникации,

где t -- время, а -- длительность импульса. Центральная частота обратно пропорциональна длительности импульса, то есть:

Ультраширокополосные коммуникации,

Ультраширокополосные коммуникации
Ультраширокополосные коммуникации
ширина же полосы составляет примерно 116% от центральной частоты. Таким образом, моноцикл длительностью 0,5 нс имеет центральную частоту 2 GHz и ширину полосы, измеренную между двумя точками с половинной энергией на оси частот, приблизительно 2 GHz (рис. 2).


Модуляция

Для передачи данных используются длинные серии моноциклов. Модификация данных и образование каналов выполняются с помощью изменения временных отрезков между излучаемыми импульсами, т. е. посредством фазо-импульсной модуляции (Pulse-Position Modulation -- PPM). При этом позиция каждого импульса во временной области изменяется по отношению к периодическим опорным импульсам в зависимости от мгновенного значения модулирующего сигнала. Пример такой модуляции приведен на рис. 3. Так, если передатчик излучает 10 млн. импульсов в секунду, то моноциклы опорной частоты (красный цвет) будут следовать номинально через каждые 100 нс. В такой системе 0 может быть представлен импульсом, переданным на 100 пс раньше (зеленый цвет), тогда как 1 -- импульсом, переданным на 100 пс позже, чем опорный импульс.


Кодирование для образования каналов

Ультраширокополосные коммуникации
Является это очевидным или нет, но обратим внимание читателя на то, что мы в данном случае имеем дело не с пакетными сетями. Таким образом, в системе с множественным доступом для пользователей одна модулированная серия импульсов ничем не отличается от другой. Следовательно, для каждого из них необходимо образовать свой канал. Это может быть достигнуто, если для каждого принимающего узла будет выделена своя последовательность временных кадров, например с помощью последовательности псевдослучайных кодов (рис. 4). В этом случае приемник сможет декодировать предназначенное ему сообщение только тогда, когда он использует такую же последовательность для псевдослучайного переключения временных кадров. Таким способом виртуально можно создать неограниченное количество каналов. Без знания уникальной псевдослучайной последовательности сообщение практически не может быть перехвачено даже в непосредственной близости от передатчика.


Прием последовательности моноциклов

Для успешного приема последовательности моноциклов обычно используются корреляционные приемники, или корреляторы. Коррелятор выполняет свертку принимаемого сигнала x(t) с некоторым эталонным сигналом h(t). Напомним, что свертка математически выражается следующим интегралом:

Ультраширокополосные коммуникации.

Ультраширокополосные коммуникацииВремя обработки входного сигнала занимает длительность одного импульса, т. е. составляет менее одной наносекунды. На выходе коррелятора получают постоянное напряжение. При правильно подобранном эталонном сигнале выход коррелятора является мерой относительных временных позиций принятого моноцикла и эталонного сигнала. На рис. 5 показаны выходы коррелятора для различных временных сдвигов между эталонным и принятым сигналами. Как видно из рисунка, коррелятор является идеальным детектором для определения временных сдвигов. Если принимаемый сигнал пришел на 1/4 ширины импульса раньше центрального, то на выходе коррелятора установится +1 (относительная амплитуда), если на 1/4 позже, то -1, свертка же с центральным импульсом дает значение 0.

Ультраширокополосные коммуникацииВ заключение рассмотрим вкратце основные узлы передатчика и приемника UWB-сигналов (рис. 6). Как видно, в передатчике нет усилителя мощности -- для излучения сигналов используется только потребляемая генератором импульсов энергия. Важной частью цепи генератора импульсов является антенна, которая выполняет функции фильтра. Приемник во многом похож на передатчик, за исключением того, что выход генератора импульсов подается на множительное устройство коррелятора. Кроме того, устройство обработки сигнала в основной полосе должно управлять синхронизацией и извлекать данные.

По мнению аналитиков, одна из наиболее перспективных областей применения ультраширокополосной технологии -- это домашние беспроводные сети. Она может без труда обеспечить передачу видео и аудио в доме. Кроме этого, она составит значительную конкуренцию Bluetooth и, возможно, ляжет в основу Bluetooth следующего поколения.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT