Технология сверхширокополосной радиосвязи на короткие расстояния (СШП, по английски Ultra Wide Band – UWB) не нова и всегда вызывала интерес. Но только сейчас, когда устройств для СШП передачи становится все больше, она как никогда близка к тому чтобы оправдать возложенные на нее ожидания. Давайте подробнее изучим эту технологию и наиболее перспективные её практические применения.
Популярность UWB обусловлена уникальными свойствами сигнала. Во-первых, он занимает широкую полосу частот, порядка нескольких сотен МГц и даже ГГц, по сравнению с узкополосными сигналами. Кроме того, в отличие от других радиотехнологий, при передаче СШП не используется амплитудная или частотная модуляция для кодирования информации. Вместо этого идут короткие последовательности очень узких импульсов (2 наносекунды) и BPSK (бинарная фазовая манипуляция) или BPM (пакетная позиционная модуляция). Кроме того, мощность сигналов СШП была ограничена, чтобы не мешать узкополосным сигналам, передаваемым в той же нелицензируемой полосе частот. Допустимая спектральная плотность мощности сверхширокополосных сигналов находится на уровне, сравнимом с уровнем шума.
Преимущества UWB передачи
Благодаря этим свойствам технология сверхширокополосной передачи обладает многочисленными преимуществами, отличающими ее от других методов беспроводной связи. В основном это: высокая скорость передачи данных, низкая задержка, устойчивость к помехам и влиянию явления многолучевости на качество передачи, низкое энергопотребление, низкие аппаратные требования и стоимость изготовления оборудования. Что касается последних, то они вытекают из того, что передатчик не нуждается в усилителе мощности, который обычно является и его наиболее энергоемким компонентом, а также нет необходимости использовать смеситель частот. Кроме того, здесь маленькие антенны.
Ограниченная мощность сигналов СШП дает дополнительные преимущества помимо экономии энергии. Во-первых, подслушивание сверхширокополосной передачи маловероятно из-за малой мощности излучаемого сигнала, ведь перехват данных сложен и требует близости к передатчику. Важна и безопасность пользователей — мощность UWB импульсов намного ниже, даже в несколько тысяч раз, чем мощность передатчика в обычном мобильном телефоне. Также стоит отметить высокую проходимость СШП сигнала через препятствия без затухания (благодаря широчайшему спектру).
Развитие UWB технологии
Над техникой UWB передачи работали с самого начала истории радиосвязи, десятилетиями изучая возможности и перспективы ее развития. Изначально он применялся в военных целях, а потому долгое время вообще не использовался в коммерции.
- Регуляторное агентство США FCC (Федеральная комиссия по связи) было первым, кто определил параметры сигнала UWB в 2000 году. Согласно его руководящим принципам, для того, чтобы иметь возможность классифицировать данный сигнал как сверхширокополосный, он должен соответствовать следующему условию: ширина полосы должна быть больше 500 МГц или его дробная ширина должна быть больше одной четверти центральной частоты. Кроме того, спектральная плотность мощности для использования внутри помещений ограничена значением –41,3 дБм/МГц. Для передач UWB FCC выделила полосу частот в нелицензируемом диапазоне между 3,1 ГГц и 10,6 ГГц.
- Вскоре и ETSI (Европейский институт стандартов в области телекоммуникаций) присоединился к данному вопросу. Правила европейской организации более строгие. Вместо одной полосы ETSI распределил сигналы СШП по двум диапазонам: от 3,1 до 4,8 ГГц и от 6 до 8,5 ГГц. В случае первого частотного диапазона дополнительно требуется реализовать механизм DAA (Detect And Avoid). Это заставляет передавать сигнал СШП только тогда, когда узкополосные сигналы не передаются по данному каналу передачи в то же время. Во втором интервале, определенном ETSI, от этой защиты можно отказаться, если плотность мощности не превышает –41,3 дБм/МГц.
Впервые технология UWB была стандартизирована в 2007 году в качестве альтернативы LR-WPAN (низкоскоростной беспроводной персональной сети) в стандарте IEEE 802.15.4a-2007.1.
Тем временем были созданы организации, поддерживающие и продвигающие сверхширокополосные технологии — UWB Alliance и консорциум FiRa (Fine Ranging). Последний фокусируется на использовании технологии UWB для точного измерения расстояния и определения положения, что является одним из флагманских приложений сверхширокополосной технологии.
UWB в измерении расстояния
На рисунке ниже показана примерная последовательность импульсов СШП, модулированных методом BPSK. В этом случае два последовательных сигнала представляют один символ. Каждый пакет может занимать один слот Tc в кадре Tf. Для уменьшения вероятности интерференции между СШП сигналами дополнительно используется метод кодирования со скачкообразной перестройкой времени для определения положения сигнала в кадре. Таким образом, в примере коды для каждого символа равны {2, 1}, {2, 3} и {1, 0} соответственно, поэтому первый и второй сигналы сдвигаются на два и один пробел соответственно. Что касается передаваемой информации, интерпретация которой зависит от поляризации сигнала, то последовательность импульсов показанная на рисунке, представляет собой двоичные данные 101.
Этот метод в сочетании с методом измерения ToF (Time of Flight) позволяет определять расстояния с очень высокой точностью даже в условиях, когда многолучевость является проблемой. Для этого используются сигналы с временными метками. Это позволяет рассчитать время необходимое импульсам для прохождения. На этой основе определяется расстояние, отделяющее передатчик от приемника.
В связи с тем, что время пролета рассчитывается для первого полученного сигнала, оно рассчитывается для импульса, который достигает приемника напрямую, например, через стену. Остальные сигналы, поступающие с задержкой из-за отражения сигнала от препятствий, игнорируются из-за большего пройденного им расстояния. Однако мощность принимаемого сигнала значения не имеет. Даже если импульс был подавлен при прохождении препятствия, если он сначала достигает пункта назначения по прямому маршруту, он будет использоваться для расчета времени полета. Это делает метод более совершенным, чем методы, основанные на измерениях RSSI (Индикация уровня принимаемого сигнала). Явление многолучевости в их случае может повлиять на точность измерений, поскольку слабый сигнал говорит о том, что расстояние больше.
Измерения расстояний с использованием сверхширокополосных импульсов выполняются несколькими способами, которые подходят для различных устройств. Примером может служить метод TWR (Two-Way Ranging). Расстояние между устройством с известным местоположением и устройством, находящимся на неопределенном расстоянии, определяется путем измерения времени, которое требуется СШП импульсам для перемещения туда и обратно между ними. Метод TWR, кстати, применяют в системах бесключевого доступа к автомобилю.
Последовательность измерений в этом методе следующая: устройство А инициирует связь, посылая сообщение адресованное эталонному устройству В. В записывает время его получения и отправляет ответ. Когда он достигает приемника А, то вычисляет время прохождения сигнала на основе разницы между временем передачи и временем прихода ответа. Вычитает из этого значения время, которое потребовалось устройству B для обработки и ответа на инициирующее сообщение. Эта информация отправляется А в ответном сообщении от Б.
Метод TWR также можно использовать для определения абсолютного положения. Для этого должно быть установлено расстояние до трех и более эталонных устройств. Правда такое расположение значительно нагружает устройство инициирующее связь, увеличивая его энергопотребление.
Методы TDoA и PDoA
Альтернативой является метод TDoA (разница во времени прибытия). В этом случае устройство с неизвестным местоположением отправляет сообщение инициализации только один раз. В результате по сравнению с методом TWR достигается большая экономия энергии и, таким образом, продлевается срок службы батареи. Метод TDoA использует множество эталонных устройств, расположенных в фиксированных и известных местах и синхронизированных друг с другом. Когда устройство, положение которого необходимо определить, передает сигнал запроса, его принимают эталонные узлы, которые фиксируют время прихода этого сообщения. Информация об этом передается ими на контроллер, где искомое местоположение рассчитывается на основе разницы во времени приема сигнала вызова.
Метод PDoA (разность фаз прибытия) позволяет вычислить относительное положение на основе информации о расстоянии и направлении. Для этого необходимо как минимум две антенны. Затем прибор может измерять разность фаз принимаемых им сигналов. Это позволяет определить направление, с которого был отправлен сигнал.
Перспективы сверхширокополосной радиосвязи
Доступ без ключа к автомобилям, а также домам или гостиничным номерам, является одним из наиболее перспективных применений технологии СШП, но не единственным. Другим ее важным применением станут системы определения местоположения в реальном времени RLTS (Real-Time Location Systems), которые популярны в промышленности, в управлении ресурсами предприятий и складов. При этом ключевое значение имеет сантиметровая точность позиционирования, обеспечиваемая в системах использующих сверхширокополосную передачу.
Еще одним применением является внутренняя навигация: возможность определения с точностью до сантиметра местоположения, например, покупателя в супермаркете. Еще одно перспективное направление — мобильные платежи: уже продемонстрированы первые системы бесконтактных платежей на основе UWB. Технология также может работать при потоковой передаче высококачественного звука, например на интеллектуальные динамики.
В общем несмотря на малую дальность, UWB имеет немало своих преимуществ и сфер применения, а значит можно ожидать дальнейшего её развития.