Ультrawideband (UWB) импульсные радио: преимущества перед Wi-Fi и Bluetooth

Используя импульсные радио как пример, мы рассмотрим преимущества ультраширокополосной (UWB) технологии по сравнению с другими технологиями беспроводной связи короткого диапазона.

Ультраширокополосная (UWB) связь — технология беспроводной связи короткого диапазона — как Wi-Fi или Bluetooth — которая использует очень большую относительную и/или абсолютную частотную полосу для передачи и приема информации. Согласно правилам FCC, UWB-устройство может работать на безлицензионной основе в диапазоне 3.1–10.6 ГГц (PDF).

В этой статье мы посмотрим на некоторые важные характеристики UWB-технологии.

UWB разделяет радиоспектр

Части частотного диапазона, выделенного для UWB, уже используются существующими системами связи. Например, как показано ниже, и 802.11ac — протокол высокопропускной WLAN связи — и UWB имеют право использовать частотную полосу около 5 ГГц.

 

Рисунок 1. Диаграмма работы UWB ниже «шумового пола». Изображение любезно предоставлено ITU

 

UWB пытается более эффективно использовать редкие спектральные ресурсы.

Как UWB-технология может использовать тот же спектр, что и существующие беспроводные системы, не вызывая помех? Это достигается за счет ограничения плотности спектральной мощности электромагнитного сигнала, излучаемого UWB-передатчиком.

Согласно FCC (американскому регулятору частот), плотность спектральной мощности внутреннего UWB-передатчика должна быть ниже -41.3 дБм/МГц между 3.1 и 10.6 ГГц. Это ограничивает помехи, вызванные UWB-устройством.

Рисунок 2 показывает спектральную маску, предписанную FCC для внутреннего UWB-передатчика.

 

 Рисунок 2. Спектральная маска для внутреннего UWB-передатчика. Изображение любезно предоставлено Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

 

UWB предлагает преимущества в скорости передачи данных, иммунитете к многолучевости, высокой точности дальномерения, низком потреблении энергии и простоте реализации. Рассмотрим класс UWB-систем, называемый импульсными радио, для лучшего понимания ключевых особенностей этой технологии.

Импульсное радио

В то время как обычные узкополосные системы передают непрерывную волну, импульсное радио передает ультракороткие импульсы (менее 1 нс) для передачи информации.

После каждого импульса передатчик остается «тихим» относительно долгое время. Например, импульсное радио может передавать только один 1-нс импульс каждые 100-нс интервалов. В этом случае мы говорим, что коэффициент заполнения (duty cycle) составляет 1% (импульс присутствует только 1% времени передачи).

 

Рисунок 3. Типичная последовательность импульсов, передаваемая импульсным радио

 

Эти импульсы могут быть модулированы разными способами для передачи информации. Рисунок 4 ниже показывает, как позиционная модуляция импульса и бифазная модуляция меняют немодулированную последовательность.

 

Рисунок 4. Позиционная и бифазная модуляция меняют немодулированную последовательность. Изображение любезно предоставлено Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

Обратите внимание, что короткая длительность во временной области соответствует широкой полосе в частотной области. Поэтому, в зависимости от длительности сигнала, UWB-передатчиком будет излучен широполосный сигнал.

 

Рисунок 5. Сигналы, передаваемые импульсным радио, занимают большую частотную полосу. Изображение любезно предоставлено Time Domain Corporation

 

И центральная частота, и полоса пропуска передаваемых сигналов полностью зависят от ширины импульса.

Низкое потребление энергии

Поскольку импульсы передаются только в небольшом проценте времени передачи, средняя излучаемая передатчиком мощность очень низка. Имея излучаемую мощность порядка микроватт, UWB-устройство может продлить срок службы батареи.

Высокая скорость передачи данных

Хотя излучаемая мощность ограничена, UWB позволяет безлицензионное использование экстремально широкополосного спектра. Это позволяет достигать высоких скоростей передачи данных (>100 Мбит/с). Однако такая высокая скорость достижима только на относительно коротком расстоянии передачи 10 м. Это потому, что на каждый бит информации излучается очень низкая мощность.

На более низких скоростях (<1 Мбит/с) можно использовать большой коэффициент растяжения для поддержки больших расстояний. Следующая таблица сравнивает скорость и дальность UWB с другими технологиями внутренней беспроводной связи.

 

Система	Макс. скорость (Мбит/с)	Дальность (м)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB против сопоставимых технологий внутренней беспроводной связи. Данные любезно предоставлены Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

Устойчивость к многолучевости

UWB-сигналы демонстрируют большую устойчивость к многолучевости, чем обычные беспроводные технологии. Предположим, что кроме прямого пути распространения электромагнитной волны от передатчика к приемнику есть еще один путь, вызванный отражениями от объекта.

 

Рисунок 6. Изображение многолучевого эффекта

 

Время (t), за которое передаваемый сигнал проходит общее расстояние (d) заданного пути, можно получить уравнением:

 

d = c x t

 

где c — скорость электромагнитной волны, приблизительно 3×10⁸ м/с. Следовательно, для каждого переданного импульса на входе приемника появляются два импульса. Это проиллюстрировано на Рисунке 7, где переданные и принятые импульсы показаны на одной диаграмме.

 

Рисунок 7. Для каждого переданного импульса на входе приемника появляются два импульса.

 

На рисунке два принятых импульса легко различимы, потому что они не перекрываются. Однако в общем случае это не так. Изучая рисунок, мы видим, что импульсы не будут интерферировать — только если разность задержек между двумя путями (t₁-t₀) больше ширины импульса (PW).

Поскольку UWB-импульсы имеют очень короткую длительность, импульсы, приходящие от разных путей, с большей вероятностью не будут интерферировать с нашим желаемым импульсом. Следовательно, мы можем легко извлечь желаемый сигнал из тех, что исходят от нежелательных отражений. Это дает UWB-системе большую иммунность к многолучевости. Альтернативно энергия может быть суммирована rake-приемником.

Высокая точность дальномерения

Как обсуждалось выше, острое временное разрешение UWB-сигналов позволяет иметь систему, способную разрешать многолучевые компоненты без сложных алгоритмов. Это делает UWB подходящей для приложений дальномерения на основе времени прибытия (ToA).

Стоит упомянуть, что хотя эти временные схемы дальномерения выигрывают от высокого временного разрешения UWB-сигналов, у них свои ограничения. Например, из-за очень короткой длительности UWB-импульсов, джиттер тактового генератора становится ограничивающим фактором.

Заключение

Как мы видели на примере импульсных радио, UWB может быть выгодной технологией короткого диапазона связи благодаря своей скорости передачи данных, иммунитету к многолучевости, высокой точности дальномерения, низкому потреблению энергии и простоте реализации. По этим причинам многие коммерческие разработчики обращаются к UWB вместо вариантов ближней бесконтактной связи (NFC) для улучшения реализации дизайна и безопасности.