BCService

Ing. Jan [email protected]

Radiokomunikace 2005Pardubice 9. – 11. listopadu

Bezdrátové a kabelové UWB technologieBezdrátové a kabelové UWB technologie

jkramosil @cmail.cz

Základní technologické principyZákladní technologické principy

Historie vývojeHistorie vývoje

Propustnost přenosového kanálu a systémy UWBPropustnost přenosového kanálu a systémy UWB

Rozvoj UWB systémů ve světě a v EvropěRozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě

Aplikace na bázi UWBAplikace na bázi UWB

Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanálNová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál

jkramosil @cmail.cz

Přenosový kanálPřenosový kanál

Přenosová kapacita systému

[ 10+, 100+ Mbps]

využití extrémně široké části kmitočtového spektra pro přenos informace, a to s minimální výkonovou spektrální hustotou

(PCM, MSK, GMSK, QPSK, M-QAM,TCM, OFDM)


jkramosil @cmail.cz

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)

jkramosil @cmail.cz


Impulsní systémy (Impulse Response UWB, IR – UWBIR – UWB)

Mnohopásmové systémy (Multiband UWB, MB-UWBMB-UWB)

jkramosil @cmail.cz


IR – UWB … Impulsní systémy

Shannon–Hartleyova rovnice

C = maximální přenosová kapacita [bit/sec] nebo [bps]B = šířka přenosového pásma kanálu [Hz]S = výkon signálu [W]N = úroveň šumu [W]

Přenosová kapacita kanálu je přímo úměrná šířce přenosového pásma a klesá logaritmicky se snižováním poměru signál/šum v přenosovém kanálu.Přenosovou kapacitu je možné zvyšovat rozšiřováním přenosového pásma rychleji než zvyšováním výkonu signálu

jkramosil @cmail.cz

Zdroj: http://www.digit-life.com/articles2/uwb/


Princip IR-UWB v původní verzi s jednoduchou pulzní modulací (PM)

jkramosil @cmail.cz


UWB a spektrální výkonová hustota [dBm/MHz]


jkramosil @cmail.cz


UWB a plošná přenosová kapacita [kbps/m2] – 2D spatial capacity


jkramosil @cmail.cz


Důležitá výhoda IR – UWB … Nižší nároky na složitost obvodového řešení transceiverů = možnost jednočipového CMOS řešení

Podle způsobu řešení mnohonásobného přístupu – odlišení uživatelů:

IR - UWB

TH - UWBPseudonáhodný časový posuv monopulsů(Time Hoping)

DS - UWBOrtogonální pseudonáhodné sekvence(podobnost se systémy CDMA s rozprostřeným spektrem přímou kódovou sekvencí DS-SS)

jkramosil @cmail.cz


• 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

Parametry DS-UWB podle návrhu std. IEEE 802.15 3a ze 7/2004:

jkramosil @cmail.cz

MB – UWB … Mnohopásmové systémy


Prvotním podnětem byla definice systémů UWB podle FCC:

- šířka tzv. „frakcionálního“ pásma musí být větší než 20%, při vyjádření podle vztahu

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

20(%)100)(2

xff

ff

LH

LH

Kromě subnanosekundových monopulzů a modulace jednoho nosného kmitočtu lze užít i jiného modulačního principu ……. OFDM

jkramosil @cmail.cz

• 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


Parametry MB-UWB podle návrhu std. IEEE 802.15 3a z 11/2004:

jkramosil @cmail.cz


• Marconiho jiskrový telegraf 90-tá léta 19. století, 12. prosince 1901první transatlantický přenos informace.

• II. světová válka, obranné systémy proti torpédům (systémy s rozprostřeným spektrem) nebo komunikační systémy s PPM (8 x duplex. kanál v pásmu 4,5 GHz)

• Do 70-tých let 20. století vývoj UWB utajen ve voj. laboratořích USA i SSSR. Komunikační a radarové systémy s vysokým stupněm utajení (Low probability of detection systems).

• zlomový moment - 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.

jkramosil @cmail.cz


• Označení UWB poprvé použito ve zprávě agentury DARPA (Defense Advanced ResearchProjects Agency) “Assessment of ultra-wideband (UWB) technology,” Ultra-Wideband Radar Rev. Panel, R-6280, Office of the OSD/DARPA,Washington, DC, July 13, 1990.

• V 90-tých letech 20. století vývoj různých civilních aplikací

• 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

jkramosil @cmail.cz


USA

využití extrémně široké části kmitočtového spektra pro přenos informace, a to s minimální výkonovou spektrální hustotou

FCC Rules, Part 15; FCC 02-48- kmitočtová maska

-41,3 dBm/MHz

GPS

PCSWiFi

UMTS

jkramosil @cmail.cz


Systémy UWB ……… 3,1 – 10,6 GHz

Poznámka č. 5.340 Radiokomunikačního řádu ITU

„Všechna vysílání v níže uvedených pásmech jsou zakázána“1400–1427 MHz2690–2700 MHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.42210,68–10,7 GHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.48315,35–15,4 GHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.51123,6–24 GHz31,3–31,5 GHzatd.

[viz.Plán přidělení kmitočtových pásem -Národní kmitočtová tabulka, září 2004]

UWB

jkramosil @cmail.cz


Možné rušení již existujících

rádiových systémů

JaponskoPouze experimentální systémy (výzkum intersyst. rušení)

SingapurHodnotí výsledky projektu „UWB friendly zone“ (Universitní areály)

Jižní KoreaPáce na vytvoření regulačního prostředí pro UWBETRI – Electronics and Telecomunications Research Institute .. Projekt „Digital Home Network“)

Hlavní překážka rozšiřování rádiových technologií na bázi UWB

v dalších zemích světa

jkramosil @cmail.cz

Rozvoj UWB systémů ve světě a v EvropěRozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Země EU a CEPT volí komplexní přístup k tvorbě pravidel pro UWB.Výchozí dokument:

ECC Report – 64, „THE PROTECTION REQUIREMENTS OF RADIOCOMMUNICATIONS SYSTEMS BELOW 10.6 GHz FROM GENERIC UWB APPLICATIONS“, Helsinky, únor 2005.

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.

USA pouze GPS, UMTS, PCS (WiFi)

jkramosil @cmail.cz


Zjednodušená výchozí kmitočtová maska CEPT – porovnání s maskou FCC

1

2

-65

-85

3 4

jkramosil @cmail.cz


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).

jkramosil @cmail.cz


Návrh nového mandátu Evropské komise pro CEPT na pokračování prací při přípravě regulačních pravidel pro systémy UWB ve spolupráci s ETSI. (dokument RSCOM05-25)

Hlavní cíl nového mandátu

Připravit požadované informace tak, aby bylo možno přijmout společná pravidla EU pro početné aplikační sektory UWB technologií do poloviny roku 2006.

jkramosil @cmail.cz


Typ. 1 – Rádiové komunikační a měřící systémy

Typ. 2 – Rádiové zobrazovací systémy

Typ. 3 – Radarové systémy pro aut. průmysl

Typ. 4 – UWB přenosové systémy pro přenos po kabelech a metalických vodičích

jkramosil @cmail.cz


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 telefonyPozn.: V souvislosti s těmito 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

jkramosil @cmail.cz


Zdroj: Analysys

UWB – WPAN Home

jkramosil @cmail.cz


Kombinované aplikace pro datovou komunikaci a měření:

• Sledování označených subjektů s vysokou přesností určení polohy subjektu• RFID aplikacePozn.: 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 v rozmezí 3,1 – 10,6 GHz.

jkramosil @cmail.cz


Zdroj: MSSI

jkramosil @cmail.cz


Zdroj: MSSI

jkramosil @cmail.cz


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

jkramosil @cmail.cz


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 kapalinPozn.: 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).

jkramosil @cmail.cz


Zdroj: M.Petrík, CVUT/11/2003

jkramosil @cmail.cz


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


jkramosil @cmail.cz


Typ. 3 – Radarové systémy pro automobilový průmysl

• Aplikace pro antikolizní systémy

Pro provoz většiny aplikací se v současnosti počítá s využitímkmitočtových pásem nad 20 GHz.


CEPT – je k dispozici dokument ECC Rep 23 z května 2003

jkramosil @cmail.cz


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 těchto systémů cca od poloviny roku 2002 Není klasická interferenční zátěž kmitočtového spektra

jkramosil @cmail.cz

UWB400 Mbps/10m, 125 Mbps/20m

P

F

CATV channels

1,2 Gbps/480 Mbpsper node


jkramosil @cmail.cz


Výhody UWB do prostředí CATV (UWB over Cable):

• 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 CATVna UWB komunikační systémy Typu 1 v domácnosti a to bez nutnosti složité konverze.

Výhody UWB do prostředí PLC a DSL:

• Zcela postačující přenosová kapacita v symetrickém provozu62 Mbps, v asymetrickém provozu 100 Mbps a více v jednom směru

• Díky extrémně nízké výkonové úrovni rozprostřeného spektra UWB potřebného pro přenos je minimalizováno vyzařování metalických vodičů do okolního prostředí.

jkramosil @cmail.cz


Hledání dalších cest a nových řešení, jak zabezpečit co nejvyšší propustnost přenosového kanálu při současné snaze o co nejefektivnější využití kmitočtového spektra.

xG Technology LLC, Sarasota, Florida USA (www.xgtechnology.com)

Technologie:- x Max- xG Flash Signal

Broadband Physics, Inc., Santa Clara, California USA(www.broadbandphysics.com)

Modulační metoda:- SDM – Sub-Band Division Multiplexing

jkramosil @cmail.cz


xMAXkoncentrace až 99% přenášené energie do nosného kmitočtu a extrémní potlačení postranních pásem (-60 až -100 dB pod úroveň nosné)

Testy na 166,44 MHz, 6 Mbps, -3dBm (o řád vyšší dosah než Wi-Fi – 30dBm)

jkramosil @cmail.cz


xG Flash Signal

Potlačení nosného kmitočtu, úroveň postranních pásem se pohybuje v hodnotách-80 až -90 dBm/MHz, podobnost s UWB, možnost opakovaného využívání již obsazeného kmitočtového pásma.

jkramosil @cmail.cz


Sub-Band Division Multiplexing,SDM (Broadband Physics, Inc.)

• 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

http://www.broadbandphysics.com/tech/tech_images/notches.gif

jkramosil @cmail.cz

Při hledání způsobu, jak vytvořit rychlý a efektivní přenosový kanál, ani zdaleka ještě nebyly vyčerpány dostupné a reálné možnosti řešení.

Nová řešení nasazená v praxi zvyšují reálnou hodnotu kmitočtového spektra a vyvolávají tak poptávku po zavádění nových metod jeho efektivní správy.







jkramosil @cmail.cz

Děkuji za pozornost.

Documents

BCService