eng
Содержание
Предисловие...............14
Список авторов и соавторов....17
Глава 1
Знакомство с технологиями сверхширокополосной связи.....19
Литература ....31
Глава 2
Синхронизация и оценивание сверхширокополосных каналов UWB...........33
Литература ........................67
Глава 3
Сверхширокополосная локация....................70
Литература..............................106
Глава 4
Методы модуляции в системах UWB...............111
Литература................................................139
Глава 5
Формирование сверхширокополосных импульсов.....143
Литература..............................................176
Глава 6
Вопросы разработки антенн.........................179
Литература.............................................205
Глава 7......................................................206
Структуры сверхширокополосных приемников................206
Литература....................................................206
Глава 8
Моделирование сверхширокополосных каналов и его влияние на разработку систем..............................................................240
Литература........................................................261
Глава 9
Cистемы MIMO и UWB..............................................266
Глава 10
Ослабление помех многостанционного доступа в системах UWB...........293
Литература.......................................................322
Глава 11.........................................................326
Проблемы сосредоточенных помех в сверхширокополосных системах.....326
Литература.......................................................347
Глава 12
Мультипликсирование с ортогональным частотным разделением в сверхширокополосных системах...................................352
Литература................................................................375
Глава 13
Сети UWB и их приложения..............................................378
Литература....................................................................399
Глава 14
Низкоскоростные сети UWB..............................................402
Литература...........................................................................433
Глава 15
Обзор протоколов маршрутизации в специализированных мобильных сетях....435
Литература.......................541
Приложения ........................548
Глава 16
Адаптивные системы UWB...........653
Литература..............................588
Глава 17
Обнаружение и слежение в сетяхUWB -практический пример сети датчиков на основе UWB.....................................................................590
Литература........................................622
Предметный указатель............................626
Предисловие к изданию на русском языке
Книга, которую вы держите в руках, посвящена системам сверхширо-кополосной беспроводной связи. Это одно из наиболее актуальных и дина-мичных направлений развития беспроводных телекоммуникаций. Изна-чально придя из радиолокации, направление сверхширокополосной связи (UWB) отражено сегодня в ряде международных стандартов, поддержано многими производителями и промышленными альянсами.
Отметим, что на развитие сверхширокополосных систем связи сущест-венное влияние оказали отечественные специалисты – Н.В. Зернов, А.А. Карцевич, Л.Ю. Астанин, Ю.Б. Кобзарев, А.А. Костылев, А.Ф. Кардо – Сыссоев, Г.В. Глебович, В.В. Мелешко и др. Первые работы по UWB – системам связи с кодовым разделением каналов были выполнены в России в середине 1980 – х годов В.В. Крыловым в Горьковском политехническом институте. Однако с середины 1990 – х годов в нашей стране это направление активно не развивалось.
Напротив, за рубежом работы в области сверхширокополосных систем связи последние несколько десятилетий только активизировались. В 1990 году агентство перспективных исследований МО США (DARPA) впервые ввело определение понятия «сверхширокополосная система», которое в 2000 году скорректировано Федеральной комиссией связи США (FCC). Практически сразу началась работа по созданию международных стандартов.
Сегодня системы UWB уже нашли достаточно широкое практическое применение. Однако данная книга в основном сосредоточена на использова-нии UWB – систем связи в персональных (локальных) сетях передачи информации.
К достоинствам сверхширокополосной связи с использованием технологии UWB можно отнести высокую помехозащищенность, адаптивность к реальной помеховой обстановке, низкий, шумоподобный уровень сигнала, эко-номичное использование частотного ресурса, сложность перехвата и поста-новки прицельных помех, техническую простоту реализации.
UWB приемники и передатчики имеют исключительные характеристики по многолучевому распространению, высокое канальное уплотнение, они не сложны и не дороги в изготовлении. UWB приемники поддерживают высо-кую скорость передачи информации, и могут быть использованы для измерения расстояния и местоположения. UWB радары могут осуществлять строби-рование по дальности, иметь превосходную режекцию помех, высокое раз-решение при низкой возможной частоте и могут быть использованы как для наблюдения, так и для датчиков движения. UWB антенны легки и не дороги в построении.
Перечисленные достоинства технологии UWB позволяют рассматривать ее как перспективную альтернативу традиционной «синусоидальной» технологии, используемой в настоящее время в беспроводных технологиях, при-меняемых в радиоканалах в специальных комплексах информационного взаимодействия, в том числе в комплексах с БЛА и других комплексах мо-бильной высокоскоростной связи.
Необходимо отметить, что за последние годы у нас в стране началось возрождение научно – технического направления, связанного с разработкой сверхширокополосных систем различного назначения. Использование технологий UWB на ряде предприятий страны (ОАО «Концерн «Вега», ОАО «МНИРТИ», ОАО «РТИ им. академика А.И. Минца», ОАО «КБ «Луч» и др.) позволяет качественно повысить эффективность не только вновь разрабаты-ваемых систем связи и локации, но и имеющихся телекоммуникационных систем в процессе их модернизации.
В связи с этим предлагаемая книга может послужить полезным базовым пособием для отечественного заинтересованного читателя, в частности, для разработчиков современных систем коммуникации и локации, студентов и преподавателей и других специалистов самого широкого профиля.
Москва, июль 2012
д.т.н., профессор В.С. Верба
Предисловие
Популярность сверхширокополосного радио UWB растет во всем мире благодаря надеждам на получение очень высокой скорости передачи при низкой стоимости затрат. Интерес к UWB обусловил создание в 2001 году Рабочей Группы IEEE 802.15.3a. Перед группой была поставлена задача разработки нового стандарта беспроводной персональной сети (WPAN), в основу которого был положен физический уровень UWB, способный обеспечить скорость передачи порядка 500 Мбит/с. После выпуска Федеральной комиссией по электросвязи США (FCC) в феврале 2002 года первого в мировой практике официального издания масок, ограничивающих излучение, исследования и опытное конструирование систем UWB получили новый толчок к развитию. Появление этих масок открывало путь к разработке коммерческих систем UWB, по крайней мере, в США. Набор строгих ограничений FCC естественным образом определял сценарии организации связи с использованием UWB, которые предоставляли возможность высокоскоростной передачи на небольшие расстояния согласно IEEE 802.15.3aTG или невысокую скорость передачи в передающей среде на большие расстояния в соответствии с недавно сформированным документом IEEE 802.15.4aTG.
Несколько различных вариантов реализации физического уровня PHY UWB, изначально предложенных IEEE 802.15.3aTG, преобразовались в два основных предложения (метода): многополосное ортогональное частотное разделение MB-OFDM, основанное на передаче ортогональных сигналов со скачками частоты FH в полосе частот шириной 528 МГц; и DS-UWB – импульсное радио с непосредственной модуляцией последовательности импульсов. Хотя технологии MB-OFDM и DS-UWB не были специально разработаны для определения расстояния, тем не менее, они предусматривают излучение UWB в полосе частот, превышающей 500 МГц, что соответствует требованиям FCC и потенциально может обеспечить высокоточное определение расстояния. Возможность измерения расстояния представляет очень привлекательное свойство применительно к задачам определения местоположения, в частности, в специализированных сетях и сетях датчиков. Позиционирование в низкоскоростных сетях стало главной темой стандарта IEEE 802.15.4aTG, где впервые импульсное радио в сверхширокой полосе частот IR-UWB появилось в качестве наиболее привлекательного принципа.
Приведенные выше сценарии типичны для самоорганизующихся и распределенных сетей, например, специализированных сетей и сетей датчиков, в которых группы беспроводных оконечных устройств размещаются в географической области ограниченного размера и поддерживают связь между собой через несколько участков (пролетов) без инфраструктуры и центрального координирующего модуля. Свойства сверхширокого спектра создают возможность работы с низкой мощностью и способствуют точному позиционированию, что оказывает существенное влияние на разработку уровня доступа к среде МАС и алгоритмов маршрутизации и требует новых стратегий создания алгоритмов и протоколов.
Цель настоящей книги состоит в том, чтобы дать читателю общее представление об основных аспектах разработки систем связи UWB, на которых в настоящее время сосредоточено внимание исследователей всего мира. Данная книга – это, прежде всего, источник информации о новейших достижениях в теории и практическом проектировании телекоммуникационных сетей UWB.
Актуальность тематики
Книга охватывает вопросы физического уровня, уровня доступа к среде, сетевого и прикладного уровней.
Структура книги, согласно введению (глава 1), состоит из трех основных частей:
– Анализ физического слоя и задач, зависящих от технологий (главы 2-6);
– Общее представление о различных аспектах разработки систем UWB, включая моделирование каналов, совместимость с другими системами, а также контроль уровня помех и методы их подавления (главы 7-11);
– Обзор уровня доступа МАС и вопросов сетевого уровня вплоть до прикладного (главы 12-16).
Детальное описание построения книги и краткий обзор содержания различных глав можно найти во введении (глава 1).
Аудитория
Авторы видели свою задачу в том, чтобы дать читателю первоначальное обзорное представление о важных аспектах технологии UWB, опираясь на современный математический аппарат. Книга рассчитана на технических специалистов и менеджеров отрасли связи, а также на научных работников академического и промышленного направлений. Для полного понимания вопросов, рассматриваемых в книге, желательно, чтобы читатель владел базовыми знаниями в области беспроводной связи.
Использование книги в учебных курсах
Данная книга представляет хорошо сбалансированное и систематизированное описание систем связи UWB – от организации радиосвязи до практических приложений. При этом структура книги такова, что отдельные главы достаточно независимы друг от друга. Поэтому на основе данной книги могут быть сформированы различные учебные курсы, отличающиеся по структуре и длительности и рассчитанные на различные целевые аудитории.
Каждая глава построена так, чтобы читатель, даже пропустив сложные математические описания, мог извлечь из чтения пользу. Фактически, все вопросы рассматриваются как в описательной, так и в математической форме, что позволяет удовлетворить разнообразные потребности читателей.
Благодарности
Мы хотели бы поблагодарить за совместную работу всех наших коллег и соавторов этой книги, которые уделили свое время и приложили усилия для реализации данного проекта.
Наша особая благодарность – редактору Полу Петралиа и предыдущему редактору Валерии Мольер, а также всему персоналу издательства Jonh Wiley & Sons.
Хусейн Арслан
Чжи Нинь Чен
Мария-Габриэлла Ди Бенедетто
Список авторов и соавторов
Хусейн Арслан (Hüseyin Arslan), Исмаил Гювенч (Ismail Güvenç), Мустафа Е. Захин (Mustafa E. Şahin) и Садиа Ахмед (Sadia Ahmed), электротехнический отдел Университета Южной Флориды, Тампа, Флорида, США
(Maria-Gabriella Di Benedetto), Университет Ла Сапьенца, Рим, Италия
Ирена Маравич (Irena Maravić), Европейская лаборатория молекулярной биологии, Гейдельберг, Германия
Мартин Веттерли (Martin Vetterli), отдел интегральных микросхем (IC) Швейцарского федерального технологического института, Лозанна, Швейцария; и отдел EECS Калифорнийского университета в Беркли, Беркли, Калифорния, США
Синан Гезичи, Хисаши Кобаяши и Х. Винсет Пур, (Sinan Gezici, Hisashi Kobayashi and H. Vincent Poor), Отдел электронного проектирования, Принстонский университет, Принстон, Нью-Джерси, США
Зафир Сахиноглы (Zafer Sahinoglu), Исследовательские лаборатории фирмы Mitsubishi Electric, Кембридж, Массачусетс, США
Чжи Хан (Zhi Han), Мичиганский технологический университет, Хоуфтон, Мичиган, США
Тимоти Н. Дэвидсон (Timothy N. Davidson), Университет Мак Мастер, Гамильтон, Онтарио, Канада
Ксилинь Луо (Xiliang Luo), Университет Миннесоты, Миннеаполис, Миннесота, США
Ксяньринь Ву (Xianren Wu), Мичиганский технологический университет, Хоуфтон, Мичиган, США
Георгиос Б. Джианнакис (Georgios B. Giannakis), Университет Миннесоты, Миннеаполис, Миннесота, США
Чжи Нинь Чен (Zhi Ning Chen), Исследовательский институт инфокоммуникаций, Сингапур
Чиа-Чин Чонг (Chia-Chin Chong), лаборатория DoCoMo USA, Сан-Хосе, Калифорния, США
Томас Кайзер (Thomas Kaiser), Исследовательская группа «умных» антенн, Университет Дуйсбург-Эссен, Дуйсбург, Германия
Ибрахим Сабериния (Ebrahim Saberinia), Университет Невады, Лас-Вегас, Невада, США
Ахмед Х. Тьюфик (Ahmed H. Tewfik), Университет Миннесоты, Миннеаполис, Миннесота, США
Кришна М. Сайваленхем (Krishna M. Sivalingam) и Анируддха Ренхнекар (Aniruddha Rangnekar), отдел CSEE Университета Мэриленда, Балтимор, Мэриленд, США
Лука Де Нардис (Luca De Nardis) и Джан Марио Маджио (Gian Mario Magio), Исследовательский центр беспроводной связи Беркли, Беркли, Калифорния, США
Дэвид А. Сами (David A. Sumi), Бранимир Войчич (Branimir Vojcic) и Джиньхао Ксю (Jinghao Xu), Университет Джорджа Вашингтона, Вашингтон, Округ Колумбия, США
Франческа Джимо (Francesca Cuomo) и Кристина Мартелло (Cristina Martello), отдел инфокоммуникаций Университета Ла Сапьенца, Рим, Италия
Ян Опперман (Jan Oppermann), Киджинь Ю (Kegen Yu), Альберто Раббачин (Alberto Rabbachin), Лучиан Стойка (Lucian Stoica), Пол Чонг (Paul Cheong), Жан-Филипп Монтилье (Jean-Philippe Montillet) и Сакари Тиураниеми (Sakari Tiuraniemi), Центр беспроводной связи, университет Оулу, Финляндия
Глава 1
Знакомство с технологиями сверхширокополосной связи
Хусейн Арслан (Hüseyin Arslan) и Мария-Габриэла Ди Бенедетто (Maria-Gabriella Di Benedetto)
1.1 Введение
Два последних десятилетия ознаменовались бурным развитием систем беспроводной связи. Стремительный рост рынка беспроводной связи прогнозируется и в будущем, поскольку спрос на все беспроводные услуги постоянно возрастает. Новые поколения беспроводных радиосистем призваны обеспечить мобильным абонентам гибкость в использовании скорости передачи (высокие, средние и низкие) и множество разнообразных приложений (таких как видео, передача данных, определение дальности и т.д.) и при этом обслужить как можно больше пользователей. Однако решать эти задачи приходится в условиях ограниченности основных ресурсов, таких как спектр и мощность. Так как все больше и больше устройств становятся мобильными, технологии будущего столкнутся с проблемой перегрузки спектра, и основной задачей станет обеспечение сосуществования различных беспроводных устройств. Таким образом, учитывая ограниченный доступный диапазон частот, удовлетворение спроса на более высокую пропускную способность и скорости передачи представляет собой актуальную проблему, требующую новых технических решений, совместимых с устройствами, работающими в различных частотных диапазонах
Сверхширокополосная система UWB , работающая в режиме наложения спектров (иногда ее называют нелицензируемой системой общего пользования), сосуществует с другими – узкополосными – системами, работающими как в лицензируемых, так и нелицензируемых диапазонах. Передаваемая мощность устройств UWB контролируется органами государственного регулирования (такими как Федеральная комиссия связи FCC в США), поэтому степень влияния сигналов UWB на работу узкополосных систем пренебрежимо мала. Таким образом, системам UWB разрешается сосуществовать с другими технологиями только при условии строгих ограничений по мощности. Несмотря на это, технология UWB предлагает привлекательные решения во многих приложениях беспроводной связи, включая беспроводные индивидуальные сети WPAN , беспроводную телеметрию и телемедицину, а также беспроводные сети датчиков. Благодаря своему широкому рабочему диапазону, UWB потенциально может обеспечить для приложений с малым радиусом действия намного большую пропускную способность, чем у существующих узкополосных систем.
Согласно современному определению, к сверхширокополосным системам UWB относится любая технология беспроводной связи, формирующая сигналы в диапазоне шире 500 МГц или имеющая относительную ширину полосы частот больше 0,2. Один из возможных способов реализации системы UWB представляет метод импульсного радио (IR ), основанный на передаче очень коротких (порядка нескольких наносекунд) и маломощных импульсов. При этом на каждый символ приходится не один, а несколько импульсов, число которых определяется коэффициентом расширения спектра системы. Коэффициент расширения спектра служит для гибкого регулирования скорости передачи, коэффициента ошибок по битам BER и области покрытия системы. Положение импульсов в пределах цикла (кадра) определяется индивидуальным псевдослучайным кодом, присваиваемым каждому абоненту (в случае систем UWB с псевдослучайным переключением временных интервалов). При реализации систем UWB методом импульсного радио используются и другие варианты, например, расширение спектра методом прямой последовательности. Преимущество импульсного радио в том, что оно устраняет необходимость в преобразованиях с повышением и понижением частоты, а также позволяет использовать несложные приемопередатчики. Кроме того, данный метод позволяет применять различные методы модуляции, включая амплитудную манипуляцию АМН (OOK ), амплитудно-импульсную модуляцию АИМ (PAM ), фазоимпульсную модуляцию ФИМ (PPM ) и фазовую манипуляцию ФМН (PSK ), а также использовать различные типы приемников, такие как детектор мощности, RAKE и приемник с выделением несущего сигнала.
Другой перспективный метод реализации систем UWB – это модуляция на нескольких несущих, которая может осуществляться методом ортогонального частотного разделения каналов – ОЧРК (OFDM ). Метод ОЧРК приобрел большую популярность благодаря таким своим особенностям, как устойчивость к многолучевой интерференции, реализация частотного разнесения с использованием кодирования с прямым исправлением ошибок (FEC ), возможность эффективного накопления энергии многолучевых компонентов и обеспечение высокой эффективности использования полосы частот за счет адаптивных методов модуляции и кодирования с применением поддиапазонов. ОЧРК позволяет решить многие проблемы, возникающие при высокоскоростной передаче данных, самой серьезной из которых является разброс задержек во времени. При использовании ОЧРК поток символов, переносящих данные, разделяется на несколько потоков с меньшими скоростями, и эти подпотоки передаются на различных несущих частотах. Так как период передачи символа увеличивается в число раз, равное числу неперекрывающихся несущих (поднесущих), то многолучевые отраженные сигналы лишь незначительно влияют на часть соседних символов. Оставшуюся часть межсимвольных помех (ISI ) можно устранить циклическим расширением символа ОЧРК.
1.1.1 Преимущества UWB
Системы UWB обладают уникальными, присущими только им многочисленными преимуществами. Прежде всего, это возможность нелицензированной работы в очень широком диапазоне частот, о чем уже говорилось выше. Работа в режиме наложения значительно повышает эффективность использования спектра и открывает новые возможности реализации беспроводных приложений. Внедрение интеллектуальных свойств в сочетании с удачным использованием спектра обеспечат дальнейшее развитие существующих приложений UWB.
Системы UWB (как на основе импульсного радио, так и на нескольких несущих) также обеспечивают отличную гибкость в использовании спектра. Системы UWB характеризуются множеством различных параметров, позволяющих разрабатывать адаптивные приемопередатчики и оптимизировать качественные показатели системы в зависимости от требуемых скорости передачи, диапазона, мощности, качества обслуживания и предпочтений пользователей. Технология UWB, вероятно, сможет обеспечить на очень коротких расстояниях (менее 1 м) высокие скорости передачи данных (порядка 1 Гбит/с). Однако, при наличии соответствующих адаптивных приемопередатчиков, дальность передачи можно легко увеличить за счет уменьшения скорости. Точно так же скорость и дальность передачи можно “обменять” на мощность, особенно в низкоскоростных приложениях, работающих на небольшие расстояния. При этом важнее всего то, что одно и то же устройство может предоставлять услуги различным пользователям с разнообразными требованиями, без привлечения дополнительных аппаратных средств.
Сигналы UWB имеют высокое разрешение во времени, что оставляет небольшой запас на замирания, и, как следствие, устойчивость к помехам многолучевого распространения. Поскольку сигналы UWB распространяются в очень широком диапазоне частот (вплоть до очень низких частот), то потери за счет проникновения в материал незначительны, что создает хороший энергетический запас линии связи. Более того, часто приемник может отслеживать множество отдельных многолучевых составляющих (благодаря большому количеству разрешимых трактов), и поэтому система обладает отличными возможностями накопления энергии. Например, приемники типа RAKE (с когерентным сложением) могут захватывать отраженные сигналы многолучевого распространения, накапливать энергию и тем самым улучшать характеристики системы.
Высокое разрешение во времени представляет главное достоинство сигналов UWB в части использования диапазона. Благодаря очень короткой длительности передаваемых импульсов, возможно даже использование диапазона частот ниже дециметрового. В системах UWB на основе импульсного радио в приемопередатчиках не нужно выполнять преобразования с повышением и понижением частоты, что создает потенциальное преимущество в плане снижения стоимости и уменьшения размеров устройств. Среди других преимуществ UWB – низкая передаваемая мощность и устойчивость к подслушиванию (благодаря тому, что сигналы UWB похожи на шум).
1.1.2 Приложения
Системы UWB используются в различных приложениях – от беспроводной связи до формирования радиолокационных изображений и мобильных радиолокаторов. Свехширокая полоса частот и широкий разброс характеристик проникновения в материал позволяют использовать UWB в системах формирования радиолокационных изображений, в том числе для радаров просмотра земли, при формировании отраженных и сквозных изображений стен, а также в системах наблюдения и при формировании изображений в медицинских приборах. Технология UWB позволяет получить с высоким разрешением изображения того, что находится внутри препятствия или за ним.
Отличное разрешение во времени и возможность точного регулирования диапазона систем UWB могут быть использованы в мобильных радиолокационных системах, служащих для предотвращения столкновений, управляемой парковки и т.д. Возможности определения местоположения и взаимного расположения объектов также представляют перспективные приложения технологии UWB, которые в последнее время вызывают большой интерес.
И, наконец, последнее, но не наименее важное, приложение – это беспроводная связь. Возможно, именно благодаря этому приложению системы UWB вошли в мир беспроводных технологий, включая беспроводные домашние сети, системы высокой плотности внутри офисных зданий и деловых центров, беспроводные “мыши”, клавиатуры, акустические системы и устройства стандарта USB на основе технологии UWB, а также беспроводные персональные сети WPAN и WBAN , беспроводную телеметрию и телемедицину.
1.1.3 Трудности
Несмотря на все преимущества UWB, существует ряд теоретических и практических вопросов, тщательная проработка которых необходима для успешного продвижения данной технологии на рынке беспроводной связи. Разработка кодов для многостанционного доступа, подавление помех многостанционного доступа (MAI ), обнаружение и подавление сосредоточенных помех (NBI ), синхронизация приемника по очень узким импульсам, точное моделирование каналов UWB, оценивание задержки и передаточных коэффициентов каналов многолучевого распространения, а также адаптивная схема приемопередатчика – вот лишь некоторые из тех проблем, которые еще требуют серьезных исследований. Помимо перечисленных проблем физического уровня, остается открытым и концептуальный вопрос о роли технологии UWB в беспроводных сетях. В то же время остаются актуальными вопросы о роли технологии UWB в организации специализированных беспроводных сетей и сетей датчиков.
Ниже приведен неполный перечень проблем, связанных с сверхширокополосной технологией UWB:
• сосуществование с другими системами и работа в условиях сильных сосредоточенных помех;
• формирование (адаптация) спектра передаваемых сигналов (многополосные системы, UWB на основе ортогонального ЧРК и т.д.);
• разработка практичных, простых и маломощных приемопередатчиков;
• точная синхронизация и оценивание параметров канала;
• высокая частота дискретизации при цифровой реализации;
• потребность в мощных средствах обработки сигналов с высокими качественными показателями и когерентной структурой цифровых приемников;
• потребность в разработке широкополосных высокочастотных компонентов (антенн, малошумящих усилителей и т.д.);
• проблемы многостанционного доступа, включая разработку соответствующих кодов и взаимные влияния между абонентами;
• точное моделирование сверхширокополосного канала в различных средах;
• разработка адаптивных систем и межуровневое согласование для систем UWB;
• сетевое планирование с учетом особенностей технологии UWB.
1.2 Круг вопросов, рассматриваемых в книге
Данная книга охватывает различные аспекты сверхширокополосной технологии UWB – от вопросов радиосвязи до построения сетей UWB и специальных приложений. Книга призвана пролить свет на проблемы, связанные с технологией UWB и перечисленные в конце предыдущего раздела. Основное внимание уделено системам UWB на основе импульсного радио, но достаточно подробно рассмотрены и системы UWB с ОЧРК.
В системе UWB передача ведется в очень широкой полосе частот, что создает множество независимых трактов. При заданной общей величине мощности передачи, эта мощность распределяется в очень широком диапазоне частот. Во временной области возможность различения сигналов на приеме с высокой разрешающей способностью, обусловленная сверхширокой полосой, может ухудшить характеристики приема. Из-за того, что суммарная мощность распределена по множеству составляющих многолучевого распространения, мощность в каждом отдельном канале может оказаться очень малой [1]. Кроме того, из-за широкополосной природы сигналов UWB, составляющие, распространяющиеся по разным трактам, могут испытывать различные частотно-селективные искажения. В результате принимаемый сигнал составляется из импульсов различной формы, что делает синхронизацию, оценку канала и схему оптимального приемника более сложными, чем в других широкополосных системах. При этом для реализации стандартных методов в цифровых приемниках UWB потребовались бы очень быстрые аналого-цифровые преобразователи, работающие в гигагерцовом диапазоне и поэтому потребляющие много энергии. В данных условиях синхронизация и оценка состояния канала относятся к наиболее важным задачам разработки систем UWB. Поэтому обсуждению вопросов синхронизации и оценки канала будет посвящена целая глава. Проблема организации несложного оценивания канала и вопросы синхронизации цифровых приемников UWB будут рассмотрены во 2 главе “Синхронизация и оценивание сверхширокополосных каналов UWB”.
С вопросами синхронизации тесно связана и задача точной оценки времени поступления сигналов UWB. Точная синхронизация и высокая разрешающая способность времени поступления важны не только для приема и детектирования сигналов, но и для точного распределения диапазона. Прикладные задачи по определению местоположения и использованию частотного диапазона могут быть решены на основе соответствующих несложных алгоритмов синхронизации. Этому аспекту посвящена 3 глава “Сверхширокополосное позиционирование”. В этой главе представлен обзор традиционных методов определения дальности и координат местоположения, а также исследуются их характеристики с точки зрения оценки дальности.
Выбор подходящего метода модуляции для систем UWB пока остается одной из основных проблем. При этом возможны различные варианты модуляции – в зависимости от приложений, технических требований, ограничений, диапазона частот, передаваемой и принимаемой мощности, требуемого качества обслуживания, требований регулирующих органов, сложности аппаратного обеспечения, скорости передачи, надежности канала и пропускной способности. Поэтому очень важно выбрать метод модуляции, подходящий для решения конкретной задачи. Так, в системах UWB могут использоваться двоичная фазовая манипуляция ДФМН или ФМ2 (BPSK ), квадратурная фазовая манипуляция КФМН или ФМ4 (QPSK ), амплитудно-импульсная модуляция АИМ (PAM), амплитудная манипуляция АМН (OOK), фазоимпульсная модуляция ФИМ (PPM), интервально-импульсная модуляция ИИМ (PIM ) и модуляция формы импульса МФИ (PSM ) [2]. В приложениях UWB наиболее популярна модуляция ДФМН (BPSK) благодаря равномерному спектру мощности и низкому коэффициенту ошибок по битам BER. Однако при ДФМН необходимо точное фазовое детектирование модулированного сигнала, требующее выполнения в приемнике сложных алгоритмов оценки канала. В отличие от ДФМН, при АМН и ФИМ достаточно только информации о наличии или отсутствии энергии, а оценка канала при некогерентном приеме не требуется. Вместе с тем, при данных видах модуляции можно использовать и когерентные приемники с целью улучшения эксплуатационных характеристик системы. На выбор метода модуляции влияет также уровень шумов в беспроводном канале. При модуляции высших порядков высокая скорость передачи данных обеспечивается за счет плохих показателей ошибок BER в каналах с шумами. Поэтому для низкоскоростных приложений, работающих по каналам плохого качества, предпочтительнее использовать методы модуляции низших порядков. К методам модуляции, применяемым в системах UWB, можно также отнести передачу в нескольких частотных диапазонах или на нескольких несущих, а также различные варианты многостанционного доступа, такие как псевдослучайное переключение временных интервалов (TH ) и метод модуляции прямой последовательностью (DS ). Этим вопросам посвящена 4 глава “Методы модуляции в системах UWB”, где будет сделан сравнительный анализ различных методов модуляции.
Как и в случае модуляции, задача регулирования формы огибающей спектра системы UWB посредством формирования импульсов также может решаться по-разному. Как уже отмечалось в предыдущем разделе, при наложении систем UWB на тот или иной спектр, регулирующие органы устанавливают “спектральные маски”, которые строго ограничивают передаваемую мощность сигналов UWB. Часто спектральные маски бывают неравномерными, то есть в некоторых частях спектра устанавливаются более жесткие ограничения, чем в остальных. На спектр передаваемого сигнала влияют метод модуляции, схема многостанционного доступа и особенно сильно – форма огибающей спектра для используемых импульсов UWB. Поэтому выбор формы импульса представляет ключевое решение при разработке систем UWB. Вопросы, связанные с формированием импульсов UWB, будут обсуждаться в 5 главе “Формирование сверхширокополосных импульсов”.
Еще одна важная проблема, возникающая при создании беспроводных систем UWB – это разработка антенн. Среди наиболее сложных задач можно выделить согласований в широкой полосе частот входных сопротивлений (импедансов), усилений, фаз, диаграмм направленности и поляризации. Поэтому в 6 главе “Вопросы разработки антенн” обсуждаются проблемы, связанные с разработкой антенн для систем UWB, а также влияние антенн на передачу сигналов UWB. Отметим, что в данной главе вопросы разработки антенн увязаны с вопросами формирования импульсов, и специальные рекомендации по разработке антенн UWB даются с учетом источников импульсов.
Для многих существующих приложений систем UWB требуются недорогие, небольшие по размеру и потребляющие мало мощности приемопередатчики. Поэтому создание практичных и недорогих приемопередатчиков представляет жизненно важное условие внедрения технологии UWB. Требования к приемопередатчикам UWB и соответствующие компромиссы при разработке конкретных технических решений будут рассмотрены в 7 главе “Структуры сверхширокополосных приемников”. В этой главе обсуждаются различные структуры приемников и приведена сравнительная характеристика различных подходов с точки зрения их способности использовать априорную (дополнительную) информацию. Также исследуется зависимость надежности различных структур приемников от доступности и точности этой дополнительной информации.
Чтобы создать эффективные и качественные алгоритмы работы приемопередатчика и построить надежную систему радиосвязи, необходимо точное и реалистическое моделирование радиоканала. К сожалению, механизмы распространения радиосигналов в беспроводных каналах связи сложны и разнообразны. По этой причине моделирование канала в течение многих лет остается объектом глубоких исследований. Моделирование канала UWB во многом отличается от хорошо известных моделей узкополосных каналов. В 8 главе “Моделирование сверхширокополосного канала и его влияние на разработку системы” будет дан обзор исследований в области моделирования распространения сигналов UWB по каналу и влияния этих исследований на разработку систем связи UWB. Данная глава содержит базовые понятия и предпосылки для моделирования канала UWB с многолучевым распространением, обсуждение двух распространенных методов зондирования канала, описание статистической модели канала UWB, анализ влияния особенностей канала UWB на разработку системы и некоторые другие важные аспекты.
Вопрос использования свойств радиоканала для улучшения характеристик приемопередатчика имеет богатую и длинную историю, о чем свидетельствует литература по беспроводной связи. Один из таких методов представляют многоэлементные антенны, используемые для различных целей, включая сложение разнесенных сигналов, ослабление помех и увеличение скорости передачи. В последние годы большой интерес у специалистов в области беспроводной связи вызывают системы, использующие антенны со многими входами и выходами – MIMO . Системы MIMO, часто рассматриваемые как вспомогательная технология, могут найти применение в беспроводных системах любого типа, включая и UWB. Поэтому в 9 главе “Системы MIMO и UWB” представлены перспективы использования MIMO в системах UWB и преимущества, которые это дает для расширения спектра, повышения скорости передачи данных, подавления помех и технологических упрощений. В этой же главе можно найти обзор литературы, посвященной использованию многоэлементных антенн в системах UWB, включая методы мультиплексирования с пространственным разделением, пространственного разнесения, формирования лучей и другие вопросы. Также, в дополнение к моделям каналов из 8 главы, рассматриваются вопросы измерений и моделирования каналов UWB с пространственным разделением, что формирует прочную основу для разработки алгоритмов работы систем MIMO и приемопередатчиков UWB.
Одно из важнейших свойств систем беспроводной связи представляет многостанционный доступ, обеспечивающий эффективное совместное использование доступного спектра частот различными абонентами. В беспроводных системах наиболее популярны: многостанционный доступ с временным разделением МДВР (TDMA ), многостанционный доступ с частотным разделением МДЧР (FDMA ) и многостанционный доступ с кодовым разделением МДКР (CDMA ). В сетях UWB, как и в любой системе связи, обеспечение многостанционного доступа представляет одну из ключевых задач. В идеале система должна быть разработана так, чтобы различные абоненты не создавали друг другу помех. На практике это невозможно, так как все системы стремятся предоставить доступ как можно большему числу пользователей, обеспечив максимально эффективное использование спектра. В результате помехи из-за многостанционного доступа (внутриканальные помехи, помехи соседних каналов и корреляция кода абонента с кодами других пользователей) становятся серьезной проблемой беспроводной связи. В 10 главе “Ослабление помех многостанционного доступа в сверхширокополосных системах” рассматриваются вопросы многостанционного доступа в системах UWB на основе импульсного радио и описываются методы обработки сигналов, уменьшающие влияние помех от других абонентов на детектирование информационных символов.
Еще один важный вид помех, особенно в системах UWB, представляют сосредоточенные (узкополосные) помехи. Влияние узкополосных сигналов на систему UWB может оказаться значительным, и в худшем случае эти сигналы могут полностью “заглушить” приемник UWB. И хотя узкополосные мешающие сигналы влияют лишь на незначительную часть спектра UWB, они, из-за своей относительно высокой (по сравнению с сигналом UWB) мощности, могут существенно ухудшить качественные показатели и пропускную способность системы UWB [3]. Последние исследования показали, что коэффициент ошибок по битам в приемниках UWB серьезно ухудшается под влиянием сосредоточенных помех [4-8]. Высокий коэффициент расширения спектра сигнала UWB до некоторой степени позволяет справиться с сосредоточенными помехами. Однако во многих случаях только расширение спектра, даже с очень высоким коэффициентом, оказывается недостаточным для того, чтобы компенсировать влияние мощных источников помех. Следовательно, либо в системе UWB следует избегать передачи на частотах с сильными сосредоточенными помехами, либо в приемниках UWB должны использоваться методы подавления узкополосных помех, позволяющие улучшить качественные показатели, пропускную способность и использование диапазона частот. Вопросы, связанные с сосредоточенными помехами, будут подробно рассмотрены в 11 главе “Проблемы сосредоточенных помех в сверхширокополосных системах”.
Некоторые из упомянутых выше проблем относятся к системам UWB, реализованным как на основе импульсного радио, так и с использованием нескольких несущих. Однако подход, основанный на ортогональном частотном разделении каналов – ОЧРК (OFDM), имеет свои особенности и преимущества, которые заслуживают, по крайней мере, одной отдельной главы – тем более, что многополосные системы с ортогональным ЧРК представляют одну из главных идей стандарта IEEE 802.15.3a, которую поддержали более 100 крупных компаний и университетов. Поэтому в 12 главе “Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением в сверхширокополосных системах” подробно рассмотрен подход к созданию систем UWB на основе ОЧРК.
Вопросы физического уровня и многостанционного доступа – это далеко не единственные научно-исследовательские задачи и возможности, касающиеся систем UWB. Существует и множество других аспектов в части сетевого планирования, адаптации и межуровневой оптимизации. Сети UWB потенциально могут обеспечить высокие скорости передачи в широкой полосе при малых затратах энергии – помимо других свойств, таких как точное определение местоположения и низкая вероятность преднамеренного подавления и подслушивания. Благодаря этому возрастает интерес к созданию сетей передачи данных на основе технологии UWB. Например, рабочая группа по стандартизации IEEE TG802.15.3a в настоящее время разрабатывает альтернативную схему канального уровня для высокоскоростной передачи, совместимую с протоколом многостанционного доступа для беспроводных персональных сетей WPAN стандарта IEEE 802.15.3. Новая схема будет работать на расстояниях нескольких десятков метров, обеспечивая скорость передачи порядка нескольких сотен мегабит в секунду. Также рассматривается возможность создания беспроводных сетей датчиков на основе UWB и использования сетей UWB в военных целях. Обзор данных вопросов содержится в 13 главе “Сети UWB и их приложения”.
Наряду с активной “раскруткой” высокоскоростных сетей UWB, наблюдается возрастающий интерес к применению технологии UWB в маломощных и низкоскоростных сетях, например, в сетях датчиков [9]. Вопросы, связанные с низкоскоростными приложениями и сетями, будут обсуждаться в 14 главе “Низкоскоростные сети UWB”.
При создании сетей UWB одну из самых больших трудностей представляет разработка эффективных протоколов маршрутизации для специализированных мобильных сетей. Протоколы маршрутизации, используемые в специализированных мобильных сетях, и некоторые особенности этих протоколов в сетях UWB будут подробно рассмотрены в 15 главе “Обзор протоколов маршрутизации для специализированных мобильных сетей”. Описанные в данной главе протоколы маршрутизации, отслеживающие мощность (энергию), могут эффективно использоваться в специализированных сетях на основе UWB.
Как уже отмечалось в предыдущем разделе, одно из важнейших преимуществ технологии UWB – это гибкость, позволяющая создавать адаптивные схемы приемопередатчиков и сети в целом. Адаптивное планирование сети и методы межуровневой оптимизации становятся объектом возрастающего интереса в сфере беспроводной связи. Поэтому в 16 главе “Адаптивные системы UWB” акцент будет сделан на адаптивность систем UWB. В частности, будут рассмотрены вопросы использования свойства адаптивности UWB для поддержки беспроводных каналов в специализированных сетях и динамической настройки беспроводной связи между устройствами, расположенными на заданной территории, без поддержки централизованной инфраструктуры.
Заключительная глава 17 “Обнаружение и слежение в сетях UWB – практический пример сети датчиков на основе UWB” дает пример конкретного применения системы UWB в беспроводной сети датчиков и для определения местоположения. Системы UWB на основе импульсного радио имеют ряд характерных свойств, которые хорошо подходят для применения в сетях датчиков. Так, системы UWB на основе импульсного радио (потенциально обеспечивающие несложную и недорогую реализацию и шумоподобные сигналы) устойчивы к сложным условиям многолучевого распространения и имеют очень хорошее разрешение во временной области, что позволяет использовать их в приложениях, связанных с обнаружением и слежением. В данной главе рассматривается пример архитектуры системы датчиков, основанной на маломощных несложных приемопередатчиках UWB и протоколе управления доступом к среде МАС с временным разделением МДВР.
Книга, которую вы держите в руках, посвящена системам сверхширо-кополосной беспроводной связи. Это одно из наиболее актуальных и дина-мичных направлений развития беспроводных телекоммуникаций. Изна-чально придя из радиолокации, направление сверхширокополосной связи (UWB) отражено сегодня в ряде международных стандартов, поддержано многими производителями и промышленными альянсами.
Отметим, что на развитие сверхширокополосных систем связи сущест-венное влияние оказали отечественные специалисты – Н.В. Зернов, А.А. Карцевич, Л.Ю. Астанин, Ю.Б. Кобзарев, А.А. Костылев, А.Ф. Кардо – Сыссоев, Г.В. Глебович, В.В. Мелешко и др. Первые работы по UWB – системам связи с кодовым разделением каналов были выполнены в России в середине 1980 – х годов В.В. Крыловым в Горьковском политехническом институте. Однако с середины 1990 – х годов в нашей стране это направление активно не развивалось.
Напротив, за рубежом работы в области сверхширокополосных систем связи последние несколько десятилетий только активизировались. В 1990 году агентство перспективных исследований МО США (DARPA) впервые ввело определение понятия «сверхширокополосная система», которое в 2000 году скорректировано Федеральной комиссией связи США (FCC). Практически сразу началась работа по созданию международных стандартов.
Сегодня системы UWB уже нашли достаточно широкое практическое применение. Однако данная книга в основном сосредоточена на использова-нии UWB – систем связи в персональных (локальных) сетях передачи информации.
К достоинствам сверхширокополосной связи с использованием технологии UWB можно отнести высокую помехозащищенность, адаптивность к реальной помеховой обстановке, низкий, шумоподобный уровень сигнала, эко-номичное использование частотного ресурса, сложность перехвата и поста-новки прицельных помех, техническую простоту реализации.
UWB приемники и передатчики имеют исключительные характеристики по многолучевому распространению, высокое канальное уплотнение, они не сложны и не дороги в изготовлении. UWB приемники поддерживают высо-кую скорость передачи информации, и могут быть использованы для измерения расстояния и местоположения. UWB радары могут осуществлять строби-рование по дальности, иметь превосходную режекцию помех, высокое раз-решение при низкой возможной частоте и могут быть использованы как для наблюдения, так и для датчиков движения. UWB антенны легки и не дороги в построении.
Перечисленные достоинства технологии UWB позволяют рассматривать ее как перспективную альтернативу традиционной «синусоидальной» технологии, используемой в настоящее время в беспроводных технологиях, при-меняемых в радиоканалах в специальных комплексах информационного взаимодействия, в том числе в комплексах с БЛА и других комплексах мо-бильной высокоскоростной связи.
Необходимо отметить, что за последние годы у нас в стране началось возрождение научно – технического направления, связанного с разработкой сверхширокополосных систем различного назначения. Использование технологий UWB на ряде предприятий страны (ОАО «Концерн «Вега», ОАО «МНИРТИ», ОАО «РТИ им. академика А.И. Минца», ОАО «КБ «Луч» и др.) позволяет качественно повысить эффективность не только вновь разрабаты-ваемых систем связи и локации, но и имеющихся телекоммуникационных систем в процессе их модернизации.
В связи с этим предлагаемая книга может послужить полезным базовым пособием для отечественного заинтересованного читателя, в частности, для разработчиков современных систем коммуникации и локации, студентов и преподавателей и других специалистов самого широкого профиля.
Москва, июль 2012
д.т.н., профессор В.С. Верба
Предисловие
Популярность сверхширокополосного радио UWB растет во всем мире благодаря надеждам на получение очень высокой скорости передачи при низкой стоимости затрат. Интерес к UWB обусловил создание в 2001 году Рабочей Группы IEEE 802.15.3a. Перед группой была поставлена задача разработки нового стандарта беспроводной персональной сети (WPAN), в основу которого был положен физический уровень UWB, способный обеспечить скорость передачи порядка 500 Мбит/с. После выпуска Федеральной комиссией по электросвязи США (FCC) в феврале 2002 года первого в мировой практике официального издания масок, ограничивающих излучение, исследования и опытное конструирование систем UWB получили новый толчок к развитию. Появление этих масок открывало путь к разработке коммерческих систем UWB, по крайней мере, в США. Набор строгих ограничений FCC естественным образом определял сценарии организации связи с использованием UWB, которые предоставляли возможность высокоскоростной передачи на небольшие расстояния согласно IEEE 802.15.3aTG или невысокую скорость передачи в передающей среде на большие расстояния в соответствии с недавно сформированным документом IEEE 802.15.4aTG.
Несколько различных вариантов реализации физического уровня PHY UWB, изначально предложенных IEEE 802.15.3aTG, преобразовались в два основных предложения (метода): многополосное ортогональное частотное разделение MB-OFDM, основанное на передаче ортогональных сигналов со скачками частоты FH в полосе частот шириной 528 МГц; и DS-UWB – импульсное радио с непосредственной модуляцией последовательности импульсов. Хотя технологии MB-OFDM и DS-UWB не были специально разработаны для определения расстояния, тем не менее, они предусматривают излучение UWB в полосе частот, превышающей 500 МГц, что соответствует требованиям FCC и потенциально может обеспечить высокоточное определение расстояния. Возможность измерения расстояния представляет очень привлекательное свойство применительно к задачам определения местоположения, в частности, в специализированных сетях и сетях датчиков. Позиционирование в низкоскоростных сетях стало главной темой стандарта IEEE 802.15.4aTG, где впервые импульсное радио в сверхширокой полосе частот IR-UWB появилось в качестве наиболее привлекательного принципа.
Приведенные выше сценарии типичны для самоорганизующихся и распределенных сетей, например, специализированных сетей и сетей датчиков, в которых группы беспроводных оконечных устройств размещаются в географической области ограниченного размера и поддерживают связь между собой через несколько участков (пролетов) без инфраструктуры и центрального координирующего модуля. Свойства сверхширокого спектра создают возможность работы с низкой мощностью и способствуют точному позиционированию, что оказывает существенное влияние на разработку уровня доступа к среде МАС и алгоритмов маршрутизации и требует новых стратегий создания алгоритмов и протоколов.
Цель настоящей книги состоит в том, чтобы дать читателю общее представление об основных аспектах разработки систем связи UWB, на которых в настоящее время сосредоточено внимание исследователей всего мира. Данная книга – это, прежде всего, источник информации о новейших достижениях в теории и практическом проектировании телекоммуникационных сетей UWB.
Актуальность тематики
Книга охватывает вопросы физического уровня, уровня доступа к среде, сетевого и прикладного уровней.
Структура книги, согласно введению (глава 1), состоит из трех основных частей:
– Анализ физического слоя и задач, зависящих от технологий (главы 2-6);
– Общее представление о различных аспектах разработки систем UWB, включая моделирование каналов, совместимость с другими системами, а также контроль уровня помех и методы их подавления (главы 7-11);
– Обзор уровня доступа МАС и вопросов сетевого уровня вплоть до прикладного (главы 12-16).
Детальное описание построения книги и краткий обзор содержания различных глав можно найти во введении (глава 1).
Аудитория
Авторы видели свою задачу в том, чтобы дать читателю первоначальное обзорное представление о важных аспектах технологии UWB, опираясь на современный математический аппарат. Книга рассчитана на технических специалистов и менеджеров отрасли связи, а также на научных работников академического и промышленного направлений. Для полного понимания вопросов, рассматриваемых в книге, желательно, чтобы читатель владел базовыми знаниями в области беспроводной связи.
Использование книги в учебных курсах
Данная книга представляет хорошо сбалансированное и систематизированное описание систем связи UWB – от организации радиосвязи до практических приложений. При этом структура книги такова, что отдельные главы достаточно независимы друг от друга. Поэтому на основе данной книги могут быть сформированы различные учебные курсы, отличающиеся по структуре и длительности и рассчитанные на различные целевые аудитории.
Каждая глава построена так, чтобы читатель, даже пропустив сложные математические описания, мог извлечь из чтения пользу. Фактически, все вопросы рассматриваются как в описательной, так и в математической форме, что позволяет удовлетворить разнообразные потребности читателей.
Благодарности
Мы хотели бы поблагодарить за совместную работу всех наших коллег и соавторов этой книги, которые уделили свое время и приложили усилия для реализации данного проекта.
Наша особая благодарность – редактору Полу Петралиа и предыдущему редактору Валерии Мольер, а также всему персоналу издательства Jonh Wiley & Sons.
Хусейн Арслан
Чжи Нинь Чен
Мария-Габриэлла Ди Бенедетто
Список авторов и соавторов
Хусейн Арслан (Hüseyin Arslan), Исмаил Гювенч (Ismail Güvenç), Мустафа Е. Захин (Mustafa E. Şahin) и Садиа Ахмед (Sadia Ahmed), электротехнический отдел Университета Южной Флориды, Тампа, Флорида, США
(Maria-Gabriella Di Benedetto), Университет Ла Сапьенца, Рим, Италия
Ирена Маравич (Irena Maravić), Европейская лаборатория молекулярной биологии, Гейдельберг, Германия
Мартин Веттерли (Martin Vetterli), отдел интегральных микросхем (IC) Швейцарского федерального технологического института, Лозанна, Швейцария; и отдел EECS Калифорнийского университета в Беркли, Беркли, Калифорния, США
Синан Гезичи, Хисаши Кобаяши и Х. Винсет Пур, (Sinan Gezici, Hisashi Kobayashi and H. Vincent Poor), Отдел электронного проектирования, Принстонский университет, Принстон, Нью-Джерси, США
Зафир Сахиноглы (Zafer Sahinoglu), Исследовательские лаборатории фирмы Mitsubishi Electric, Кембридж, Массачусетс, США
Чжи Хан (Zhi Han), Мичиганский технологический университет, Хоуфтон, Мичиган, США
Тимоти Н. Дэвидсон (Timothy N. Davidson), Университет Мак Мастер, Гамильтон, Онтарио, Канада
Ксилинь Луо (Xiliang Luo), Университет Миннесоты, Миннеаполис, Миннесота, США
Ксяньринь Ву (Xianren Wu), Мичиганский технологический университет, Хоуфтон, Мичиган, США
Георгиос Б. Джианнакис (Georgios B. Giannakis), Университет Миннесоты, Миннеаполис, Миннесота, США
Чжи Нинь Чен (Zhi Ning Chen), Исследовательский институт инфокоммуникаций, Сингапур
Чиа-Чин Чонг (Chia-Chin Chong), лаборатория DoCoMo USA, Сан-Хосе, Калифорния, США
Томас Кайзер (Thomas Kaiser), Исследовательская группа «умных» антенн, Университет Дуйсбург-Эссен, Дуйсбург, Германия
Ибрахим Сабериния (Ebrahim Saberinia), Университет Невады, Лас-Вегас, Невада, США
Ахмед Х. Тьюфик (Ahmed H. Tewfik), Университет Миннесоты, Миннеаполис, Миннесота, США
Кришна М. Сайваленхем (Krishna M. Sivalingam) и Анируддха Ренхнекар (Aniruddha Rangnekar), отдел CSEE Университета Мэриленда, Балтимор, Мэриленд, США
Лука Де Нардис (Luca De Nardis) и Джан Марио Маджио (Gian Mario Magio), Исследовательский центр беспроводной связи Беркли, Беркли, Калифорния, США
Дэвид А. Сами (David A. Sumi), Бранимир Войчич (Branimir Vojcic) и Джиньхао Ксю (Jinghao Xu), Университет Джорджа Вашингтона, Вашингтон, Округ Колумбия, США
Франческа Джимо (Francesca Cuomo) и Кристина Мартелло (Cristina Martello), отдел инфокоммуникаций Университета Ла Сапьенца, Рим, Италия
Ян Опперман (Jan Oppermann), Киджинь Ю (Kegen Yu), Альберто Раббачин (Alberto Rabbachin), Лучиан Стойка (Lucian Stoica), Пол Чонг (Paul Cheong), Жан-Филипп Монтилье (Jean-Philippe Montillet) и Сакари Тиураниеми (Sakari Tiuraniemi), Центр беспроводной связи, университет Оулу, Финляндия
Глава 1
Знакомство с технологиями сверхширокополосной связи
Хусейн Арслан (Hüseyin Arslan) и Мария-Габриэла Ди Бенедетто (Maria-Gabriella Di Benedetto)
1.1 Введение
Два последних десятилетия ознаменовались бурным развитием систем беспроводной связи. Стремительный рост рынка беспроводной связи прогнозируется и в будущем, поскольку спрос на все беспроводные услуги постоянно возрастает. Новые поколения беспроводных радиосистем призваны обеспечить мобильным абонентам гибкость в использовании скорости передачи (высокие, средние и низкие) и множество разнообразных приложений (таких как видео, передача данных, определение дальности и т.д.) и при этом обслужить как можно больше пользователей. Однако решать эти задачи приходится в условиях ограниченности основных ресурсов, таких как спектр и мощность. Так как все больше и больше устройств становятся мобильными, технологии будущего столкнутся с проблемой перегрузки спектра, и основной задачей станет обеспечение сосуществования различных беспроводных устройств. Таким образом, учитывая ограниченный доступный диапазон частот, удовлетворение спроса на более высокую пропускную способность и скорости передачи представляет собой актуальную проблему, требующую новых технических решений, совместимых с устройствами, работающими в различных частотных диапазонах
Сверхширокополосная система UWB , работающая в режиме наложения спектров (иногда ее называют нелицензируемой системой общего пользования), сосуществует с другими – узкополосными – системами, работающими как в лицензируемых, так и нелицензируемых диапазонах. Передаваемая мощность устройств UWB контролируется органами государственного регулирования (такими как Федеральная комиссия связи FCC в США), поэтому степень влияния сигналов UWB на работу узкополосных систем пренебрежимо мала. Таким образом, системам UWB разрешается сосуществовать с другими технологиями только при условии строгих ограничений по мощности. Несмотря на это, технология UWB предлагает привлекательные решения во многих приложениях беспроводной связи, включая беспроводные индивидуальные сети WPAN , беспроводную телеметрию и телемедицину, а также беспроводные сети датчиков. Благодаря своему широкому рабочему диапазону, UWB потенциально может обеспечить для приложений с малым радиусом действия намного большую пропускную способность, чем у существующих узкополосных систем.
Согласно современному определению, к сверхширокополосным системам UWB относится любая технология беспроводной связи, формирующая сигналы в диапазоне шире 500 МГц или имеющая относительную ширину полосы частот больше 0,2. Один из возможных способов реализации системы UWB представляет метод импульсного радио (IR ), основанный на передаче очень коротких (порядка нескольких наносекунд) и маломощных импульсов. При этом на каждый символ приходится не один, а несколько импульсов, число которых определяется коэффициентом расширения спектра системы. Коэффициент расширения спектра служит для гибкого регулирования скорости передачи, коэффициента ошибок по битам BER и области покрытия системы. Положение импульсов в пределах цикла (кадра) определяется индивидуальным псевдослучайным кодом, присваиваемым каждому абоненту (в случае систем UWB с псевдослучайным переключением временных интервалов). При реализации систем UWB методом импульсного радио используются и другие варианты, например, расширение спектра методом прямой последовательности. Преимущество импульсного радио в том, что оно устраняет необходимость в преобразованиях с повышением и понижением частоты, а также позволяет использовать несложные приемопередатчики. Кроме того, данный метод позволяет применять различные методы модуляции, включая амплитудную манипуляцию АМН (OOK ), амплитудно-импульсную модуляцию АИМ (PAM ), фазоимпульсную модуляцию ФИМ (PPM ) и фазовую манипуляцию ФМН (PSK ), а также использовать различные типы приемников, такие как детектор мощности, RAKE и приемник с выделением несущего сигнала.
Другой перспективный метод реализации систем UWB – это модуляция на нескольких несущих, которая может осуществляться методом ортогонального частотного разделения каналов – ОЧРК (OFDM ). Метод ОЧРК приобрел большую популярность благодаря таким своим особенностям, как устойчивость к многолучевой интерференции, реализация частотного разнесения с использованием кодирования с прямым исправлением ошибок (FEC ), возможность эффективного накопления энергии многолучевых компонентов и обеспечение высокой эффективности использования полосы частот за счет адаптивных методов модуляции и кодирования с применением поддиапазонов. ОЧРК позволяет решить многие проблемы, возникающие при высокоскоростной передаче данных, самой серьезной из которых является разброс задержек во времени. При использовании ОЧРК поток символов, переносящих данные, разделяется на несколько потоков с меньшими скоростями, и эти подпотоки передаются на различных несущих частотах. Так как период передачи символа увеличивается в число раз, равное числу неперекрывающихся несущих (поднесущих), то многолучевые отраженные сигналы лишь незначительно влияют на часть соседних символов. Оставшуюся часть межсимвольных помех (ISI ) можно устранить циклическим расширением символа ОЧРК.
1.1.1 Преимущества UWB
Системы UWB обладают уникальными, присущими только им многочисленными преимуществами. Прежде всего, это возможность нелицензированной работы в очень широком диапазоне частот, о чем уже говорилось выше. Работа в режиме наложения значительно повышает эффективность использования спектра и открывает новые возможности реализации беспроводных приложений. Внедрение интеллектуальных свойств в сочетании с удачным использованием спектра обеспечат дальнейшее развитие существующих приложений UWB.
Системы UWB (как на основе импульсного радио, так и на нескольких несущих) также обеспечивают отличную гибкость в использовании спектра. Системы UWB характеризуются множеством различных параметров, позволяющих разрабатывать адаптивные приемопередатчики и оптимизировать качественные показатели системы в зависимости от требуемых скорости передачи, диапазона, мощности, качества обслуживания и предпочтений пользователей. Технология UWB, вероятно, сможет обеспечить на очень коротких расстояниях (менее 1 м) высокие скорости передачи данных (порядка 1 Гбит/с). Однако, при наличии соответствующих адаптивных приемопередатчиков, дальность передачи можно легко увеличить за счет уменьшения скорости. Точно так же скорость и дальность передачи можно “обменять” на мощность, особенно в низкоскоростных приложениях, работающих на небольшие расстояния. При этом важнее всего то, что одно и то же устройство может предоставлять услуги различным пользователям с разнообразными требованиями, без привлечения дополнительных аппаратных средств.
Сигналы UWB имеют высокое разрешение во времени, что оставляет небольшой запас на замирания, и, как следствие, устойчивость к помехам многолучевого распространения. Поскольку сигналы UWB распространяются в очень широком диапазоне частот (вплоть до очень низких частот), то потери за счет проникновения в материал незначительны, что создает хороший энергетический запас линии связи. Более того, часто приемник может отслеживать множество отдельных многолучевых составляющих (благодаря большому количеству разрешимых трактов), и поэтому система обладает отличными возможностями накопления энергии. Например, приемники типа RAKE (с когерентным сложением) могут захватывать отраженные сигналы многолучевого распространения, накапливать энергию и тем самым улучшать характеристики системы.
Высокое разрешение во времени представляет главное достоинство сигналов UWB в части использования диапазона. Благодаря очень короткой длительности передаваемых импульсов, возможно даже использование диапазона частот ниже дециметрового. В системах UWB на основе импульсного радио в приемопередатчиках не нужно выполнять преобразования с повышением и понижением частоты, что создает потенциальное преимущество в плане снижения стоимости и уменьшения размеров устройств. Среди других преимуществ UWB – низкая передаваемая мощность и устойчивость к подслушиванию (благодаря тому, что сигналы UWB похожи на шум).
1.1.2 Приложения
Системы UWB используются в различных приложениях – от беспроводной связи до формирования радиолокационных изображений и мобильных радиолокаторов. Свехширокая полоса частот и широкий разброс характеристик проникновения в материал позволяют использовать UWB в системах формирования радиолокационных изображений, в том числе для радаров просмотра земли, при формировании отраженных и сквозных изображений стен, а также в системах наблюдения и при формировании изображений в медицинских приборах. Технология UWB позволяет получить с высоким разрешением изображения того, что находится внутри препятствия или за ним.
Отличное разрешение во времени и возможность точного регулирования диапазона систем UWB могут быть использованы в мобильных радиолокационных системах, служащих для предотвращения столкновений, управляемой парковки и т.д. Возможности определения местоположения и взаимного расположения объектов также представляют перспективные приложения технологии UWB, которые в последнее время вызывают большой интерес.
И, наконец, последнее, но не наименее важное, приложение – это беспроводная связь. Возможно, именно благодаря этому приложению системы UWB вошли в мир беспроводных технологий, включая беспроводные домашние сети, системы высокой плотности внутри офисных зданий и деловых центров, беспроводные “мыши”, клавиатуры, акустические системы и устройства стандарта USB на основе технологии UWB, а также беспроводные персональные сети WPAN и WBAN , беспроводную телеметрию и телемедицину.
1.1.3 Трудности
Несмотря на все преимущества UWB, существует ряд теоретических и практических вопросов, тщательная проработка которых необходима для успешного продвижения данной технологии на рынке беспроводной связи. Разработка кодов для многостанционного доступа, подавление помех многостанционного доступа (MAI ), обнаружение и подавление сосредоточенных помех (NBI ), синхронизация приемника по очень узким импульсам, точное моделирование каналов UWB, оценивание задержки и передаточных коэффициентов каналов многолучевого распространения, а также адаптивная схема приемопередатчика – вот лишь некоторые из тех проблем, которые еще требуют серьезных исследований. Помимо перечисленных проблем физического уровня, остается открытым и концептуальный вопрос о роли технологии UWB в беспроводных сетях. В то же время остаются актуальными вопросы о роли технологии UWB в организации специализированных беспроводных сетей и сетей датчиков.
Ниже приведен неполный перечень проблем, связанных с сверхширокополосной технологией UWB:
• сосуществование с другими системами и работа в условиях сильных сосредоточенных помех;
• формирование (адаптация) спектра передаваемых сигналов (многополосные системы, UWB на основе ортогонального ЧРК и т.д.);
• разработка практичных, простых и маломощных приемопередатчиков;
• точная синхронизация и оценивание параметров канала;
• высокая частота дискретизации при цифровой реализации;
• потребность в мощных средствах обработки сигналов с высокими качественными показателями и когерентной структурой цифровых приемников;
• потребность в разработке широкополосных высокочастотных компонентов (антенн, малошумящих усилителей и т.д.);
• проблемы многостанционного доступа, включая разработку соответствующих кодов и взаимные влияния между абонентами;
• точное моделирование сверхширокополосного канала в различных средах;
• разработка адаптивных систем и межуровневое согласование для систем UWB;
• сетевое планирование с учетом особенностей технологии UWB.
1.2 Круг вопросов, рассматриваемых в книге
Данная книга охватывает различные аспекты сверхширокополосной технологии UWB – от вопросов радиосвязи до построения сетей UWB и специальных приложений. Книга призвана пролить свет на проблемы, связанные с технологией UWB и перечисленные в конце предыдущего раздела. Основное внимание уделено системам UWB на основе импульсного радио, но достаточно подробно рассмотрены и системы UWB с ОЧРК.
В системе UWB передача ведется в очень широкой полосе частот, что создает множество независимых трактов. При заданной общей величине мощности передачи, эта мощность распределяется в очень широком диапазоне частот. Во временной области возможность различения сигналов на приеме с высокой разрешающей способностью, обусловленная сверхширокой полосой, может ухудшить характеристики приема. Из-за того, что суммарная мощность распределена по множеству составляющих многолучевого распространения, мощность в каждом отдельном канале может оказаться очень малой [1]. Кроме того, из-за широкополосной природы сигналов UWB, составляющие, распространяющиеся по разным трактам, могут испытывать различные частотно-селективные искажения. В результате принимаемый сигнал составляется из импульсов различной формы, что делает синхронизацию, оценку канала и схему оптимального приемника более сложными, чем в других широкополосных системах. При этом для реализации стандартных методов в цифровых приемниках UWB потребовались бы очень быстрые аналого-цифровые преобразователи, работающие в гигагерцовом диапазоне и поэтому потребляющие много энергии. В данных условиях синхронизация и оценка состояния канала относятся к наиболее важным задачам разработки систем UWB. Поэтому обсуждению вопросов синхронизации и оценки канала будет посвящена целая глава. Проблема организации несложного оценивания канала и вопросы синхронизации цифровых приемников UWB будут рассмотрены во 2 главе “Синхронизация и оценивание сверхширокополосных каналов UWB”.
С вопросами синхронизации тесно связана и задача точной оценки времени поступления сигналов UWB. Точная синхронизация и высокая разрешающая способность времени поступления важны не только для приема и детектирования сигналов, но и для точного распределения диапазона. Прикладные задачи по определению местоположения и использованию частотного диапазона могут быть решены на основе соответствующих несложных алгоритмов синхронизации. Этому аспекту посвящена 3 глава “Сверхширокополосное позиционирование”. В этой главе представлен обзор традиционных методов определения дальности и координат местоположения, а также исследуются их характеристики с точки зрения оценки дальности.
Выбор подходящего метода модуляции для систем UWB пока остается одной из основных проблем. При этом возможны различные варианты модуляции – в зависимости от приложений, технических требований, ограничений, диапазона частот, передаваемой и принимаемой мощности, требуемого качества обслуживания, требований регулирующих органов, сложности аппаратного обеспечения, скорости передачи, надежности канала и пропускной способности. Поэтому очень важно выбрать метод модуляции, подходящий для решения конкретной задачи. Так, в системах UWB могут использоваться двоичная фазовая манипуляция ДФМН или ФМ2 (BPSK ), квадратурная фазовая манипуляция КФМН или ФМ4 (QPSK ), амплитудно-импульсная модуляция АИМ (PAM), амплитудная манипуляция АМН (OOK), фазоимпульсная модуляция ФИМ (PPM), интервально-импульсная модуляция ИИМ (PIM ) и модуляция формы импульса МФИ (PSM ) [2]. В приложениях UWB наиболее популярна модуляция ДФМН (BPSK) благодаря равномерному спектру мощности и низкому коэффициенту ошибок по битам BER. Однако при ДФМН необходимо точное фазовое детектирование модулированного сигнала, требующее выполнения в приемнике сложных алгоритмов оценки канала. В отличие от ДФМН, при АМН и ФИМ достаточно только информации о наличии или отсутствии энергии, а оценка канала при некогерентном приеме не требуется. Вместе с тем, при данных видах модуляции можно использовать и когерентные приемники с целью улучшения эксплуатационных характеристик системы. На выбор метода модуляции влияет также уровень шумов в беспроводном канале. При модуляции высших порядков высокая скорость передачи данных обеспечивается за счет плохих показателей ошибок BER в каналах с шумами. Поэтому для низкоскоростных приложений, работающих по каналам плохого качества, предпочтительнее использовать методы модуляции низших порядков. К методам модуляции, применяемым в системах UWB, можно также отнести передачу в нескольких частотных диапазонах или на нескольких несущих, а также различные варианты многостанционного доступа, такие как псевдослучайное переключение временных интервалов (TH ) и метод модуляции прямой последовательностью (DS ). Этим вопросам посвящена 4 глава “Методы модуляции в системах UWB”, где будет сделан сравнительный анализ различных методов модуляции.
Как и в случае модуляции, задача регулирования формы огибающей спектра системы UWB посредством формирования импульсов также может решаться по-разному. Как уже отмечалось в предыдущем разделе, при наложении систем UWB на тот или иной спектр, регулирующие органы устанавливают “спектральные маски”, которые строго ограничивают передаваемую мощность сигналов UWB. Часто спектральные маски бывают неравномерными, то есть в некоторых частях спектра устанавливаются более жесткие ограничения, чем в остальных. На спектр передаваемого сигнала влияют метод модуляции, схема многостанционного доступа и особенно сильно – форма огибающей спектра для используемых импульсов UWB. Поэтому выбор формы импульса представляет ключевое решение при разработке систем UWB. Вопросы, связанные с формированием импульсов UWB, будут обсуждаться в 5 главе “Формирование сверхширокополосных импульсов”.
Еще одна важная проблема, возникающая при создании беспроводных систем UWB – это разработка антенн. Среди наиболее сложных задач можно выделить согласований в широкой полосе частот входных сопротивлений (импедансов), усилений, фаз, диаграмм направленности и поляризации. Поэтому в 6 главе “Вопросы разработки антенн” обсуждаются проблемы, связанные с разработкой антенн для систем UWB, а также влияние антенн на передачу сигналов UWB. Отметим, что в данной главе вопросы разработки антенн увязаны с вопросами формирования импульсов, и специальные рекомендации по разработке антенн UWB даются с учетом источников импульсов.
Для многих существующих приложений систем UWB требуются недорогие, небольшие по размеру и потребляющие мало мощности приемопередатчики. Поэтому создание практичных и недорогих приемопередатчиков представляет жизненно важное условие внедрения технологии UWB. Требования к приемопередатчикам UWB и соответствующие компромиссы при разработке конкретных технических решений будут рассмотрены в 7 главе “Структуры сверхширокополосных приемников”. В этой главе обсуждаются различные структуры приемников и приведена сравнительная характеристика различных подходов с точки зрения их способности использовать априорную (дополнительную) информацию. Также исследуется зависимость надежности различных структур приемников от доступности и точности этой дополнительной информации.
Чтобы создать эффективные и качественные алгоритмы работы приемопередатчика и построить надежную систему радиосвязи, необходимо точное и реалистическое моделирование радиоканала. К сожалению, механизмы распространения радиосигналов в беспроводных каналах связи сложны и разнообразны. По этой причине моделирование канала в течение многих лет остается объектом глубоких исследований. Моделирование канала UWB во многом отличается от хорошо известных моделей узкополосных каналов. В 8 главе “Моделирование сверхширокополосного канала и его влияние на разработку системы” будет дан обзор исследований в области моделирования распространения сигналов UWB по каналу и влияния этих исследований на разработку систем связи UWB. Данная глава содержит базовые понятия и предпосылки для моделирования канала UWB с многолучевым распространением, обсуждение двух распространенных методов зондирования канала, описание статистической модели канала UWB, анализ влияния особенностей канала UWB на разработку системы и некоторые другие важные аспекты.
Вопрос использования свойств радиоканала для улучшения характеристик приемопередатчика имеет богатую и длинную историю, о чем свидетельствует литература по беспроводной связи. Один из таких методов представляют многоэлементные антенны, используемые для различных целей, включая сложение разнесенных сигналов, ослабление помех и увеличение скорости передачи. В последние годы большой интерес у специалистов в области беспроводной связи вызывают системы, использующие антенны со многими входами и выходами – MIMO . Системы MIMO, часто рассматриваемые как вспомогательная технология, могут найти применение в беспроводных системах любого типа, включая и UWB. Поэтому в 9 главе “Системы MIMO и UWB” представлены перспективы использования MIMO в системах UWB и преимущества, которые это дает для расширения спектра, повышения скорости передачи данных, подавления помех и технологических упрощений. В этой же главе можно найти обзор литературы, посвященной использованию многоэлементных антенн в системах UWB, включая методы мультиплексирования с пространственным разделением, пространственного разнесения, формирования лучей и другие вопросы. Также, в дополнение к моделям каналов из 8 главы, рассматриваются вопросы измерений и моделирования каналов UWB с пространственным разделением, что формирует прочную основу для разработки алгоритмов работы систем MIMO и приемопередатчиков UWB.
Одно из важнейших свойств систем беспроводной связи представляет многостанционный доступ, обеспечивающий эффективное совместное использование доступного спектра частот различными абонентами. В беспроводных системах наиболее популярны: многостанционный доступ с временным разделением МДВР (TDMA ), многостанционный доступ с частотным разделением МДЧР (FDMA ) и многостанционный доступ с кодовым разделением МДКР (CDMA ). В сетях UWB, как и в любой системе связи, обеспечение многостанционного доступа представляет одну из ключевых задач. В идеале система должна быть разработана так, чтобы различные абоненты не создавали друг другу помех. На практике это невозможно, так как все системы стремятся предоставить доступ как можно большему числу пользователей, обеспечив максимально эффективное использование спектра. В результате помехи из-за многостанционного доступа (внутриканальные помехи, помехи соседних каналов и корреляция кода абонента с кодами других пользователей) становятся серьезной проблемой беспроводной связи. В 10 главе “Ослабление помех многостанционного доступа в сверхширокополосных системах” рассматриваются вопросы многостанционного доступа в системах UWB на основе импульсного радио и описываются методы обработки сигналов, уменьшающие влияние помех от других абонентов на детектирование информационных символов.
Еще один важный вид помех, особенно в системах UWB, представляют сосредоточенные (узкополосные) помехи. Влияние узкополосных сигналов на систему UWB может оказаться значительным, и в худшем случае эти сигналы могут полностью “заглушить” приемник UWB. И хотя узкополосные мешающие сигналы влияют лишь на незначительную часть спектра UWB, они, из-за своей относительно высокой (по сравнению с сигналом UWB) мощности, могут существенно ухудшить качественные показатели и пропускную способность системы UWB [3]. Последние исследования показали, что коэффициент ошибок по битам в приемниках UWB серьезно ухудшается под влиянием сосредоточенных помех [4-8]. Высокий коэффициент расширения спектра сигнала UWB до некоторой степени позволяет справиться с сосредоточенными помехами. Однако во многих случаях только расширение спектра, даже с очень высоким коэффициентом, оказывается недостаточным для того, чтобы компенсировать влияние мощных источников помех. Следовательно, либо в системе UWB следует избегать передачи на частотах с сильными сосредоточенными помехами, либо в приемниках UWB должны использоваться методы подавления узкополосных помех, позволяющие улучшить качественные показатели, пропускную способность и использование диапазона частот. Вопросы, связанные с сосредоточенными помехами, будут подробно рассмотрены в 11 главе “Проблемы сосредоточенных помех в сверхширокополосных системах”.
Некоторые из упомянутых выше проблем относятся к системам UWB, реализованным как на основе импульсного радио, так и с использованием нескольких несущих. Однако подход, основанный на ортогональном частотном разделении каналов – ОЧРК (OFDM), имеет свои особенности и преимущества, которые заслуживают, по крайней мере, одной отдельной главы – тем более, что многополосные системы с ортогональным ЧРК представляют одну из главных идей стандарта IEEE 802.15.3a, которую поддержали более 100 крупных компаний и университетов. Поэтому в 12 главе “Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением в сверхширокополосных системах” подробно рассмотрен подход к созданию систем UWB на основе ОЧРК.
Вопросы физического уровня и многостанционного доступа – это далеко не единственные научно-исследовательские задачи и возможности, касающиеся систем UWB. Существует и множество других аспектов в части сетевого планирования, адаптации и межуровневой оптимизации. Сети UWB потенциально могут обеспечить высокие скорости передачи в широкой полосе при малых затратах энергии – помимо других свойств, таких как точное определение местоположения и низкая вероятность преднамеренного подавления и подслушивания. Благодаря этому возрастает интерес к созданию сетей передачи данных на основе технологии UWB. Например, рабочая группа по стандартизации IEEE TG802.15.3a в настоящее время разрабатывает альтернативную схему канального уровня для высокоскоростной передачи, совместимую с протоколом многостанционного доступа для беспроводных персональных сетей WPAN стандарта IEEE 802.15.3. Новая схема будет работать на расстояниях нескольких десятков метров, обеспечивая скорость передачи порядка нескольких сотен мегабит в секунду. Также рассматривается возможность создания беспроводных сетей датчиков на основе UWB и использования сетей UWB в военных целях. Обзор данных вопросов содержится в 13 главе “Сети UWB и их приложения”.
Наряду с активной “раскруткой” высокоскоростных сетей UWB, наблюдается возрастающий интерес к применению технологии UWB в маломощных и низкоскоростных сетях, например, в сетях датчиков [9]. Вопросы, связанные с низкоскоростными приложениями и сетями, будут обсуждаться в 14 главе “Низкоскоростные сети UWB”.
При создании сетей UWB одну из самых больших трудностей представляет разработка эффективных протоколов маршрутизации для специализированных мобильных сетей. Протоколы маршрутизации, используемые в специализированных мобильных сетях, и некоторые особенности этих протоколов в сетях UWB будут подробно рассмотрены в 15 главе “Обзор протоколов маршрутизации для специализированных мобильных сетей”. Описанные в данной главе протоколы маршрутизации, отслеживающие мощность (энергию), могут эффективно использоваться в специализированных сетях на основе UWB.
Как уже отмечалось в предыдущем разделе, одно из важнейших преимуществ технологии UWB – это гибкость, позволяющая создавать адаптивные схемы приемопередатчиков и сети в целом. Адаптивное планирование сети и методы межуровневой оптимизации становятся объектом возрастающего интереса в сфере беспроводной связи. Поэтому в 16 главе “Адаптивные системы UWB” акцент будет сделан на адаптивность систем UWB. В частности, будут рассмотрены вопросы использования свойства адаптивности UWB для поддержки беспроводных каналов в специализированных сетях и динамической настройки беспроводной связи между устройствами, расположенными на заданной территории, без поддержки централизованной инфраструктуры.
Заключительная глава 17 “Обнаружение и слежение в сетях UWB – практический пример сети датчиков на основе UWB” дает пример конкретного применения системы UWB в беспроводной сети датчиков и для определения местоположения. Системы UWB на основе импульсного радио имеют ряд характерных свойств, которые хорошо подходят для применения в сетях датчиков. Так, системы UWB на основе импульсного радио (потенциально обеспечивающие несложную и недорогую реализацию и шумоподобные сигналы) устойчивы к сложным условиям многолучевого распространения и имеют очень хорошее разрешение во временной области, что позволяет использовать их в приложениях, связанных с обнаружением и слежением. В данной главе рассматривается пример архитектуры системы датчиков, основанной на маломощных несложных приемопередатчиках UWB и протоколе управления доступом к среде МАС с временным разделением МДВР.