Войти
Сверхширокополосный (также известный как UWB, сверхширокополосный, сверхширокополосный и сверхширокополосный ) - это технология радиосвязи, которая может использовать очень низкий уровень энергии для связи на малых расстояниях и с высокой пропускной способностью на большой части радиоспектра. UWB имеет традиционные применения в некооперативном радиолокационном изображении. Самые последние приложения предназначены для сбора данных с датчиков, точного определения местоположения и отслеживания. С сентября 2019 года поддержка UWB начала появляться в смартфонах высокого класса.
В отличие от с расширенным спектром, СШП передает способом, который не мешает обычной передаче узкополосной и несущей в той же полосе частот.
Сверхширокополосный - это технология передачи информации в широком диапазоне (>500 МГц ); теоретически и при определенных обстоятельствах это должно иметь возможность совместно использовать спектр с другими пользователями. Нормативные настройки Федеральной комиссии по связи (FCC) в США предназначены для обеспечения эффективного использования полосы пропускания радиосвязи с одновременным обеспечением возможности беспроводного подключения к персональной сети (PAN) с высокой скоростью передачи данных ; приложения с большим радиусом действия и низкой скоростью передачи данных; и радиолокационные системы и системы визуализации.
Сверхширокополосное радио ранее было известно как импульсное радио, но FCC и Международный союз электросвязи Сектор радиосвязи (ITU-R ) в настоящее время определяют СШП как передачу антенны, для которой ширина полосы излучаемого сигнала превышает меньшее из 500 МГц или 20% от средней арифметической частоты. Таким образом, системы на основе импульсов, в которых каждый передаваемый импульс занимает полосу частот СШП (или совокупность узкополосной несущей не менее 500 МГц; например, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM)), могут доступ к СШП-спектру в соответствии с правилами. Частота следования импульсов может быть низкой или очень высокой. СШП-радары и системы формирования изображений на импульсной основе обычно используют низкую частоту повторения (обычно в диапазоне от 1 до 100 мегапульсов в секунду).
С другой стороны, системы связи предпочитают высокую частоту повторения (обычно в диапазоне от одного до двух гигапульсов в секунду), что позволяет использовать системы связи с малым радиусом действия гигабит в секунду. Каждый импульс в системе СШП на основе импульсов занимает всю полосу пропускания СШП. Это позволяет СШП использовать преимущества относительной устойчивости к многолучевому замиранию, в отличие от систем на основе несущей, которые подвержены глубоким замираниям. Однако обе системы чувствительны к межсимвольным помехам.
Существенное различие между обычными радиопередачами и СШП заключается в том, что обычные системы передают информацию, изменяя уровень мощности, частоту и / или фазу синусоидальная волна. СШП-передачи передают информацию, генерируя радиоэнергию в определенные временные интервалы и занимая большую полосу пропускания, что позволяет использовать импульсную позицию или модуляцию времени. Информация также может быть модулирована СШП-сигналами (импульсами) путем кодирования полярности импульса, его амплитуды и / или использования ортогональных импульсов. СШП-импульсы могут отправляться спорадически с относительно низкой частотой следования импульсов для поддержки временной или позиционной модуляции, но также могут отправляться со скоростью, обратной ширине полосы СШП-импульсов. Системы Pulse-UWB были продемонстрированы при частоте следования импульсов в канале, превышающей 1,3 гигапульса в секунду, с использованием непрерывного потока импульсов UWB (Continuous Pulse UWB или C-UWB ), поддерживающих избыточную скорость передачи кодированных данных с прямым исправлением ошибок 675 Мбит / с.
Ценным аспектом технологии UWB является способность радиосистемы UWB определять "время полета" передачи на различных частотах. Это помогает преодолеть многолучевое распространение, поскольку по крайней мере некоторые из частот имеют траекторию прямой видимости. Благодаря кооперативному симметричному двухстороннему методу измерения расстояния могут быть измерены с высоким разрешением и точностью за счет компенсации дрейфа локальных часов и стохастической неточности.
Еще одной особенностью импульсного UWB является то, что импульсы очень короткие (менее 60 см для импульса шириной 500 МГц и менее 23 см для импульса с полосой пропускания 1,3 ГГц) - поэтому большинство отражений сигнала не перекрывают исходный импульс, и отсутствует многолучевое замирание узкополосные сигналы. Тем не менее, многолучевое распространение и межимпульсные помехи для систем с быстрыми импульсами все еще существуют, что должно быть уменьшено с помощью методов кодирования.
Один из показателей эффективности радиосвязи в таких приложениях, как связь, определение местоположения, слежение и радар - это пропускная способность канала для данной полосы пропускания и формата сигнализации. Пропускная способность канала - это теоретически максимально возможное количество битов в секунду информации, которую система может передавать по одному или нескольким каналам в области. Согласно теореме Шеннона – Хартли, пропускная способность канала правильно закодированного сигнала пропорциональна ширине полосы канала и логарифму отношения сигнал / шум (SNR). (при условии, что шум является аддитивным белым гауссовским шумом ). Таким образом, пропускная способность канала увеличивается линейно за счет увеличения полосы пропускания канала до максимально доступного значения или (в фиксированной полосе пропускания канала) за счет экспоненциального увеличения мощности сигнала. Благодаря большой полосе пропускания, присущей системам СШП, большая пропускная способность канала может быть достигнута в принципе (при достаточном SNR) без применения модуляций более высокого порядка, требующих очень высокого SNR. В идеале детектор сигнала приемника должен соответствовать передаваемому сигналу по ширине полосы, форме сигнала и времени. Несовпадение приводит к потере запаса для радиолинии СШП. Создание каналов (совместное использование канала с другими ссылками) - сложный вопрос, который зависит от многих переменных. Две СШП-линии связи могут совместно использовать один и тот же спектр с помощью ортогональных кодов скачкообразной перестройки времени для систем с временной модуляцией или ортогональных импульсов и ортогональных кодов для систем на основе быстрых импульсов.
Прямая коррекция ошибок - используется в импульсных системах UWB с высокой скоростью передачи данных - может обеспечить производительность канала, приближающуюся к пределу Шеннона. Приемники OFDM обычно исправляют большинство ошибок с помощью внутреннего кода кода проверки четности с низкой плотностью, за которым следует некоторый другой внешний код, который исправляет случайные ошибки («уровень ошибок»), которые проходят через внутренний код коррекции LDPC даже при низком уровне коэффициенты битовых ошибок. Например: код Рида-Соломона с кодированной модуляцией LDPC (RS-LCM) добавляет внешний код исправления ошибок Рида-Соломона. Стандарт DVB-T2 и стандарт DVB-C2 используют внешний код кода BCH для устранения остаточных ошибок после декодирования LDPC. WiMedia по каналу UWB использует Гибридный автоматический запрос на повторение : внутреннее исправление ошибок с использованием сверточного кодирования и кодирования Рида-Соломона, внешнее исправление ошибок с использованием последовательности проверки кадра, которая в случае сбоя проверки запускает автоматический запрос на повторение ( ARQ).
Когда требуется скрытность, некоторые СШП-форматы (в основном, импульсные) могут выглядеть как небольшое повышение фонового шума для любого приемника, не подозревающего о сложной структуре сигнала.
Многолучевые помехи (искажение сигнала из-за того, что к приемнику ведет множество разных путей с различным фазовым сдвигом и различным сдвигом поляризации) - проблема узкополосной технологии. Это также влияет на передачи СШП, но в соответствии с теоремой Шеннона-Хартли и разнообразием геометрии, применяемой к различным частотам, возможность компенсации улучшается. Многолучевость вызывает замирания, а волновые помехи разрушительны. В некоторых СШП-системах используются методы «грабли» приемника для восстановления копий исходного импульса, сгенерированных многолучевым распространением, для улучшения характеристик приемника. Другие системы СШП используют методы выравнивания каналов для достижения той же цели. Узкополосные приемники могут использовать аналогичные методы, но их возможности ограничены из-за различий в разрешающей способности узкополосных систем.
Сверхширокополосные характеристики хорошо подходят для приложений на малых расстояниях, например Периферийные устройства ПК. Из-за низких уровней выбросов, разрешенных регулирующими органами, СШП-системы, как правило, используются в помещениях малого радиуса действия. Из-за малой длительности импульсов СШП легче добиться высоких скоростей передачи данных; скорость передачи данных может быть изменена на диапазон путем агрегирования энергии импульса на бит данных (с помощью методов интеграции или кодирования). Традиционная технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) также может использоваться при соблюдении требований к минимальной полосе пропускания. Высокоскоростной UWB может обеспечить беспроводные мониторы, эффективную передачу данных с цифровых видеокамер, беспроводную печать цифровых изображений с камера без необходимости в персональном компьютере и передача файлов между мобильными телефонами мобильными телефонами и портативными устройствами, такими как портативные медиаплееры. UWB используется для систем определения местоположения в реальном времени; его возможности точности и низкое энергопотребление делают его хорошо подходящим для чувствительных к радиочастотам сред, таких как больницы. В последнее время UWB также используется для точного определения диапазона одноранговых узлов, что позволяет использовать множество приложений на основе относительного расстояния между двумя объектами. Например, UWB Digital Car Key работает в зависимости от расстояния между автомобилем и смартфоном. Еще одна особенность UWB - короткое время вещания.
Сверхширокополосный диапазон также используется в технологии получения точных радиолокационных изображений "сквозь стену", точного определения местоположения и отслеживания (с использованием измерения расстояния между радиостанциями) и точной локализации на основе времени прибытия. подходы. Он эффективен с пространственной емкостью примерно 10 бит / с / м². СШП радар был предложен в качестве активного компонента датчика в приложении Автоматическое распознавание цели, предназначенном для обнаружения людей или объектов, упавших на пути метро.
СШП в настоящее время тестируется на Сигнализация в метро Нью-Йорка.
С точки зрения использования в военных целях, сверхширокополосная связь привлекла широкое внимание благодаря своей реализации в технологии радаров с синтезированной апертурой (SAR). Благодаря тому, что он сохраняет высокое разрешение, несмотря на использование более низких частот, СШП SAR тщательно исследовался на предмет способности проникновения через объекты. Начиная с начала 1990-х годов, США Армейская исследовательская лаборатория (ARL) разработала различные стационарные и мобильные радиолокационные платформы, проникающие через землю, листву и стены, которые служат для обнаружения и идентификации скрытых СВУ и скрытых противников на безопасном расстоянии. Примеры включают railSAR, boomSAR, радар SIRE и радар SAFIRE. ARL также исследовала возможность использования технологии СШП-радара для оценки скорости движущейся цели при неподвижной платформе. В то время как в отчете за 2013 год была освещена проблема с использованием сигналов СШП из-за миграции целевого диапазона во время интервала интегрирования, более поздние исследования показали, что формы сигналов СШП могут демонстрировать лучшую производительность по сравнению с традиционной обработкой Доплера при условии правильного согласованного фильтра ..
Сверхширокополосные импульсные доплеровские радары также использовались для контроля жизненно важных функций человеческого тела, таких как частота сердечных сокращений и сигналов дыхания, а также для анализа походки человека и обнаружения падений. Он служит потенциальной альтернативой РЛС непрерывного действия, поскольку требует меньшего энергопотребления и профиля дальности с высоким разрешением. Однако его низкое отношение сигнал / шум сделало его уязвимым для ошибок.
СШП был предложенной технологией для использования в персональных сетях и появился в IEEE 802.15.3a проект стандарта PAN. Однако после нескольких лет тупика рабочая группа IEEE 802.15.3a была распущена в 2006 году. Работа была завершена WiMedia Alliance и Форумом разработчиков USB. Медленный прогресс в разработке стандартов СШП, стоимость первоначального внедрения и производительность значительно ниже, чем первоначально предполагалось, - вот несколько причин ограниченного использования СШП в потребительских продуктах (из-за чего несколько поставщиков СШП прекратили свою деятельность в 2008 и 2009 годах).
В США сверхширокополосный относится к радиотехнике с полосой, превышающей меньшее из 500 МГц или 20% арифметической центральной частоты Согласно данным Федеральной комиссии по связи США (FCC). Отчет и распоряжение FCC от 14 февраля 2002 г. разрешили нелицензионное использование UWB в диапазоне частот от 3,1 до 10,6 ГГц. Предел излучения мощности спектральной плотности FCC для передатчиков СШП составляет -41,3 дБм / МГц. Этот предел также применяется к непреднамеренным излучателям в диапазоне СШП (предел «Часть 15» ). Однако предел излучения для СШП-излучателей может быть значительно ниже (до -75 дБм / МГц) в других сегментах спектра.
Обсуждения в Международном союзе электросвязи Сектор радиосвязи (ITU-R ) привели к Отчету и рекомендациям по СШП в ноябре 2005 г. Великобритания регулирующий орган Ofcom объявил о аналогичном решении 9 августа 2007 года. Более четырех десятков устройств были сертифицированы в соответствии с правилами FCC UWB, подавляющее большинство из которых являются радиолокационными системами, системами визуализации или локации.
Высказывались опасения по поводу интерференции между узкополосными и СШП сигналами, которые используют один и тот же спектр. Ранее единственной радиотехнологией, в которой использовались импульсы, были передатчики с искровым разрядником, запрещенные международными договорами, поскольку они создают помехи для приемников средневолнового диапазона. СШП, однако, использует меньшую мощность. Эта тема широко освещалась в ходе заседаний, которые привели к принятию правил FCC в США, и на собраниях МСЭ-R, посвященных СШП, по итогам которых были подготовлены его Отчет и Рекомендации по технологии СШП. Обычно используемые электрические приборы излучают импульсный шум (например, фены для волос), и их сторонники успешно утверждали, что минимальный уровень шума не будет чрезмерно повышен при более широком развертывании маломощных широкополосных передатчиков.
Китай разрешил автомобильный радар ближнего радиуса действия СШП диапазона 24 ГГц в ноябре 2012 года.
В феврале 2002 года Федеральная комиссия по связи (FCC)) выпустил поправку (Часть 15), которая определяет правила передачи / приема СШП. В соответствии с этим выпуском любой сигнал с относительной шириной полосы более 20% или с полосой пропускания более 500 МГц считается СШП-сигналом. Постановление FCC также определяет доступ к 7,5 ГГц нелицензированному спектру от 3,1 до 10,6 ГГц, который предоставляется для систем связи и измерения. Узкополосные сигналы, которые существуют в диапазоне UWB, такие как передатчики IEEE802.11a, могут демонстрировать уровни высокой спектральной плотности мощности (PSD) по сравнению с PSD сигналов UWB, видимых приемником UWB. В результате можно было бы ожидать ухудшения характеристик частоты появления ошибок по битам СШП.
Apple выпустила первые три телефона со сверхширокополосными возможностями в сентябре 2019 года, а именно iPhone 11, iPhone 11 Pro и iPhone 11 Pro Max. Apple также выпустила серию 6 Apple Watch в сентябре 2020 года, в которой используется UWB, и ожидается, что в их просочившемся продукте AirTags он будет.
Один из SKU Galaxy Note 20 (SM-N985F) также поддерживает UWB.
Консорциум FiRa был основан в августе 2019 года с целью разработки взаимодействующих экосистем UWB, включая мобильные телефоны. Samsung, Xiaomi, Oppo в настоящее время являются членами Консорциума FiRa.
Небольшое количество микросхем UWB в настоящее время находятся в производстве или планируются к производству.
| Поставщик | Название продукта | Стандарт | Band | Объявлено | Коммерческие продукты |
|---|---|---|---|---|---|
| NXP | NCJ29D5 | HRP | 6-8,5 ГГц | 12 ноября 2019 г. | |
| NXP | SR100T | HRP | 6-9 ГГц | 17 сентября 2019 г. | Samsung Galaxy Note20 Ultra |
| Apple | U1 | HRP | 6-8,5 ГГц | 11 сентября 2019 г. | iPhone 11, Apple Watch Series 6, iPhone 12, HomePod Mini |
| Qorvo | DW1000 | HRP | 3,5-6,5 ГГц | 7 ноября 2013 г. | |
| Qorvo | DW3000 | HRP | 6-8,5 ГГц | январь 2019 г. | |
| 3dB | 3DB6830 | LRP | 6-8 ГГц |
Ожидается, что в 2021 году появятся многочисленные дополнительные коммерческие продукты.
.
