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
