UWB Bevezetés Elmélet Alkalmazások
Az UWB áttekintése (Elméleti alapok) 2006
UWB impulzus • Nagyon rövid, nagyon széles spektrumú impulzusok • Kis energiatartalom • Teljesítmény sőrőség spektrum (def): PSD = P/B • Ha adott a kisugározható teljesítmény nagysága, akkor két lehetıségünk van: - kis B, nagy P VAGY - nagy B, kis P. • Az UWB az utóbbit használja.
UWB impulzus • Gyakori UWB impulzus fajta az egyszerő négyszög impulzus (egyszerő elıállítani: pl. egy tranzisztort ki-be kapcsolgatunk). • Az antenna, valamint az átviteli közeg aluláteresztı jellege miatt a vételi oldalon a következıre módosul:
UWB impulzus • UWB impulzus az idıtartományban:
UWB impulzus • UWB impulzus a frekvenciatartományban:
UWB impulzus sorozat • Az UWB rendszerek ilyen impulzusokból álló sorozatokkal kommunikálnak:
UWB impulzus sorozat • UWB impulzus sorozat spektruma:
UWB impulzus sorozat • Probléma: magas tüskék (fésőfog spektrum) • Ahhoz, hogy a fenti spektrumot zajszerőbbé tegyék véletlen idejő késleltetéseket alkalmaznak(dither). • Így nagy mértékő javulás érhetı el:
UWB impulzus sorozat • UWB impulzus sorozat spektruma dither hozzáadása után:
Spektrális maszk • Mivel az UWB széles frekvencia sávot használ (és ez a frekvenciasáv átlapolódik más rendszerekkel), ezért elkerülhetetlen, hogy az UWB ne zavarjon más rendszereket. • Ezért az FCC spektrum maszkokat definiál, amelyek meghatározzák az egyes frekvenciasávokban kisugározható maximális teljesítmény sőrőség értékeket. • UWB esetén: 3.1 GHz - 10.6 GHz max 41.3 dBm/MHz
Spektrális maszk • Az egyes frekvenciasávokban kisugározható max. teljesítmények:
Többutas terjedés • Az UWB a többutas terjedés okozta nem kívánt hatásoknak (pl. ISI) jelentıs mértékben ellenáll. • Többutas terjedés: a jel a direkt terjedési útvonalon kívül más útvonalakon is eljut a vevıbe, azaz ugyanaz a jel a megtett útvonal hosszától függıen különbözı késleltetésekkel érkezik a vevıbe.
Többutas terjedés
Többutas terjedés • ISI akkor jelentkezik, amikor valamelyik mellékútvonalon haladó impulzus pont akkor érkezik a vevıbe, amikor a következı, a fı terjedési útvonalon érkezı is. • Az UWB impulzusok rövidsége miatt annak az esélye, hogy a mellék útvonalakon érkezı impulzusok a fı terjedési útvonalon érkezı impulzusokkal átlapolódjanak nagyon kicsi. • Ha nincs átlapolódás akkor a nem kívánt impulzusok idıtartományban kiszőrhetık.
Többutas terjedés • Két lehetıség van az ISI csökkentésére: - csökkentjük az impulzusok idıtartamát - növeljük az impulzusok közötti idıtartamot • Ha az impulzusok közötti idıtartam nagyobb, mint az az idı, ami a leghosszabb terjedési útvonalon terjedı impulzusnak kell, hogy a vevıbe érjen, akkor a többutas terjedés hatásai teljes mértékben kiküszöbölhatık.
Többutas terjedés • Átlapolódásos eset:
Többutas terjedés • Átlapolódás mentes eset:
Spektrális és területi hatékonyság • Spektrális hatékonyság: azt mutatja meg, hogy adott sávszéleséget használva, milyen átviteli sebesség érhetı el. [bps/Hz] • Területi hatékonyság: azt mutatja meg, hogy egy rendszernek mekkora a maximális adatátviteli sebessége azon a távolságon belül, amelyben a rendszer adni képes. [bps/m2]
Spektrális és területi hatékonyság • Az UWB és más rendszerek spektrális és területi hatékonysága:
• UWB spektrális hatékonysága a meglévı rendszerekhez képest kicsi, azonban a területi hatékonysága nagyon nagy.
Adatátviteli sebesség • Tipikus adatátviteli sebesség: 100 - 500 Mbps (~vezetékes Ethernet vagy az USB sebessége) • Három szabványos adatátviteli sebesség létezik: - Mbps 10 m-es minimáis távolság esetén - 200 Mbps 4 m-es - 480 Mbps, ha kisebb
Adatátviteli sebesség • Az UWB és más rendszerek adatátviteli sebessége:
Ár • Egyszerő esetben egy UWB adó egy impulzusgenerátorból, egy idızítıáramkörbıl és egy antennából áll => - alacsony fogyasztás - kis méret - alacsony ár.
UWB modulációs technikák • UWB modulációs technikák: - time-based (idı-alapú) - shape-based (jelforma-alapú)
-
UWB modulációs technikák (timebased) • PPM (pulse position modulation): • Lényege, hogy az UWB impulzusokat adott egyenlıköző idıintervallumokhoz képest korábban, vagy késleltetve küldjük. • Ha m lehetséges késleltetés értéket definiálunk, akkor m-áris (m-ary) rendszert kapunk. • Elıny: egyszerőség • Hátrány: az impulzusok nanoszekundum pontosságú elıállítása.
UWB modulációs technikák (shape-based) • BPM (bi phase modulation): • Információtovábbítás: ellenfázisú impulzusokkal
PPM és BPM
További (kevésbé gyakori modulációs technikák) • PAM (pulse amplitude modulation): az információ az impulzus amlitúdója hordozza. • OOK (On-off keying): az impulzus megléte az "1"-et, hiánya pedig a "0"-t jelenti. • OPM (orthogonal phase modultaion): az információt orthogonális jelekkel visszük át.
Egyéb modulációs technikák
Modulációs technikák összehasonlítása
UWB CDMA • Ha az UWB impulzusok késleltetése a fix idıponthoz képest csak elıjelében változik (pl. a PPM esetében), akkor a spektrumban nem kívánt csúcsok jelennek meg, ami interferenciát okozhat más rendszerekkel. • Egy lehetséges megoldás: dither használata (random késleltetés), így az egyenlı idıköző impulzus-generálás okozta csúcsok eltőnnek vagy csökkennek. • Hátránya: a vevı nagyon bonyolult felépítéső lesz, mivel nem ismeri az egyes impulzusok késleltetésének értékét.
UWB CDMA • Jobb megoldás: • Az impulzusokhoz nem véletlen, hanem pszeudovéletlen késleltetést adunk, amelyeket a vevı ismer. (pszeudo-véletlen (PN - pseudo random noise) kódolás). • További elınyök: - Ha minden felhasználóhoz egyedi PN kódot rendelünk, akkor ezzel egy kódosztásos többszörös közeg hozzáférési technikát (CDMA) valósítottunk meg. - a PN kódok alkalmazása esetén az átviendı jel más felhasználók számára fehér-zajnak tőnik, így detektálni sem tudják.
Egy egyszerő UWB adó
Egy egyszerő UWB vevı
Többszörös közeghozzáférés UWB rendszerekben • FDMA: a teljes rendelkezésre álló frekvenciasávot részekre osztják, és ezekben a rész sávokban - amelyek még mindig elég nagyok - valósítják meg a kommunikációt olyan impulzusok használatával, melyek sávszélessége belefér az egyes rész sávokba. • TDMA: nehéz, mivel a felhasználóknak egymással szinkronban kell lenniük. Csak downlink irányban jöhet szóba, például ha egy bázisállomás akar kommunikálni mobil felhasználókkal. • CDMA: UWB rendszerekben a legjobb megoldás (ld. Elızı fóliák)
UWB antennák • Az antenna megtervezése az UWB rendszerek tervezésének legsarkalatosabb pontja. • Mivel az UWB nagyon nagy sávszélességet használ, ezért az UWB rendszerekben a konvencionális antennák nem alkalmazhatók. • Az antennákat (elsı közelítésben) két csoportba lehet osztani: - rezonáló antennák (a rezonancia frekvenciájukkal azonos frekvenciájú jelet kis csillapítással kisugározzák, míg más frekvenciájú jeleket elnyomnak) - nem-rezonáló antennák (széles frekvencia tartományban képesek sugározni)
UWB antennák • Az UWB rendszerekben használt antennáknak a következı követelményeknek kell eleget tenniük: - kis méret, - nagy sávszélesség, - alacsony torzítás.
UWB antennák • Kamya Yekeh Yazdandoost és Ryuji Kohno által tervezett UWB antenna prototípusa:
•
Az UWB alkalmazási lehetıségei 2006
EMC összeférhetıség • Mint minden más rádiófrekvenciás rendszer esetében, az UWB-nél is felmerülnek EMC összeférhethıségi kérdések. • A legnagyobb nehézséget az UWB impulzusok sávközép-frekvenciájának és sávszélességének pontos kézben tartása jelenti. • Mivel az UWB rendszerek a 3.1 - 10.6 GHz-es tartományban mőködnek, ezért az 5 GHz-es WLAN sávval átlapolódnak.
Az UWB és az 5 GHz-es WLAN átlapolódása
Az UWB és az 5 GHz-es WLAN átlapolódása • Kérdés: az IEEE 802.11b rendszereket milyen mértékben zavarják a közelükben mőködı UWB adók? • Ha a távolság > 50cm => nem tapasztalható szignifikáns csökkenés az IEEE 802.11b csatorna jel-zaj viszonyában. • Ha a távolság < 50cm => az IEEE 802.11b csatorna jel-zaj viszonya 10-15 dB-el csökken.
Az UWB és az IEEE 802.11b egymásra hatása
Más, nem a 3.1 GHz – 10.6 GHz sávba esı rendszerek • Az UWB ezekre a rendszerekre is hatással van: - Air Traffic Control Radio Beacon System (1090 MHz) - Air Route Surveillance Radar (1240-1400 MHz) - Next Generation Wheather Radar (27003000 MHz) stb.
Az UWB és más rendszerek összehasonlítása
Az UWB és más rendszerek összehasonlítása • Wifi: - hatékony vezeték nélküli hálózati technológia - Ethernet kompatibilitási követelmények miatt azonban nem lehet a Wifi-t teljes mértékben pont-pont összeköttetésekre optimalizálni. - Mivel a két technológia más piacot céloz meg, nem valószínő, hogy egymás versenytársai lesznek.
Az UWB és más rendszerek összehasonlítása • Bluetooth • Bizonyos vezetékes technológiák alacsony fogyasztású vezeték nélküli alternatívája • A Bluetooth 50-szer annyi energiát fogyaszt egy bit átvitele során, mint az UWB. • Bluetooth 1.2: 2 Mbps, Bluetooth 2.0: 12 Mbps; mindkettı töredéke az UWB adatátviteli sebességének
Az UWB és más rendszerek összehasonlítása • DSSS • Koncepcionálisan sok hasonlóság az UWB-vel (mindkét esetben a kisugárzott jel sávszélessége nagy, teljesítménye pedig kicsi, a kisugárzott jel zajszerő) • Különbségek: - Az UWB sávszélessége sokkal nagyobb - Az UWB impulzusokat direkt módon állítják elı, nem pedig valamilyen modulációs eljárással.
Az UWB és más rendszerek összehasonlítása - A szórt spektrumú modulációnál a kisugárzott jel csúcsértéke és átlagértéke megegyezik. - Az UWB impulzus idıtartama sokkal kisebb, mint az impulzusok közötti idıintervallumok, így adott átlagérték biztosításához az impulzusok csúcsértékei lehetnek nagyobbak is. - az UWB adókban nincs szükség drága modulációs áramkörökre => az UWB adók lényegesen olcsóbbak a DSSS adóknál
Az UWB és más rendszerek összehasonlítása
UWB alkalmazások • Eddig fıleg katonai célokra használták az UWBt, fıleg radar rendszerekben, de egyre inkább elıtérbe kerül az UWB távközlési célokra történı felhasználása is. • UWB PAL (UWB Precision Asset Location System): • Multispectral Solutions és az USA hadügyminisztériuma fejlesztette ki • logisztikai rendszer: objektumok helyének pontos meghatározása: pl. konténerek teherhajókon
UWB alkalmazások • Konténereken 250 mW teljesítményő adók • 5 s-ként UWB impulzusok segítségével 40 bitnyi információ a központi egységnek • Nagy pontosság a többutas terjedés ellenére is • A PAL-t más területeken is ki lehet használni pl. kórházakban (berendezések ill. betegek hollétének pontos nyomonkövetése) vagy gyárakban
UWB alkalmazások • PAL adó:
UWB alkalmazások • "Vehicular Radar" • Más jármővek/út mellett lévı állatok helyzetének mérése UWB radar segítségével (baleset megelızés)
UWB alkalmazások
UWB alkalmazások • • -
Sok cég aktívan fejleszt UWB-s chipeket Felhasználási terület: számítástechnika, mobil eszközök, elektronikus készülékek.
UWB alkalmazások
UWB alkalmazások • Elsıként a Time Domain: PulsOn Evaluation Kit
UWB alkalmazások • Pulse-On Evaluation Kit paraméterei:
UWB alkalmazások • Szintén a Time Domain: UWB jelgenerátort az UWB, mint átviteli közeg jellemzıinek vizsgálatára. • XtremeSpectrum: XS100 TRINITY chipsetet: - XSI102: RF front end chip - XSI112: RF transciever chip - XSI122: digital baseband chip - XSI141: media access control (MAC) chip
UWB alkalmazások • XS100 TRINITY chipset:
UWB alkalmazások • XS100 TRINITY fıbb paraméterei:
UWB alkalmazások • Home-networking • Növekvı igény különbözı elektronikus eszközök egyetlen hálózatban történı összekapcsolására. • Otthoni elektronikus eszközök pl. PC-k, notebook-ok, TV-k, DVD lejátszók, kamerák és audio rendszerek wireless összekapcsolása. • A home-networking az IEEE 1394-es szabványt használja.
UWB alkalmazások • Home-networking:
UWB alkalmazások • Néhány elektronikus eszköz által igényelt adatátviteli sebesség a home-networking rendszerben:
•
UWB alkalmazások • A home-networking által kínált szolgáltatások: - Letölthetünk videófájlokat kameránkról PC-re szerkesztés céljából, majd PC-rıl a TV-re - Szinkronizálhatjuk PDA-nkat a PC-vel - PC-t/Notebook-ot összekapcsolhatunk játékkonzollal - Összeköthetjük mobiltelefonunkat a headset-el - Prezentációt tölthetünk le PC-rıl/Notebook-ról a projektorra
UWB alkalmazások • "Rode Side Markers" (útszéli adóvevık): • információk az autósoknak pl. az idıjárásról, az útviszonyokról vagy az aktuális útépítési munkálatokról
•
UWB alkalmazások • "Through-the-wall Intrusuion Sensor" • 1 W-os impulzusok segítségével képes érzékelni embereket akár több falon keresztül
