UWB. Bevezetés Elmélet Alkalmazások

Átírás

1 UWB Bevezetés Elmélet Alkalmazások

2 Az UWB áttekintése (Elméleti alapok) 2006

3 UWB impulzus Nagyon rövid, nagyon széles spektrumú impulzusok Kis energiatartalom Teljesítmény sőrőség spektrum (def): PSD = P/B Ha adott a kisugározható teljesítmény nagysága, akkor két lehetıségünk van: - kis B, nagy P VAGY - nagy B, kis P. Az UWB az utóbbit használja.

4 UWB impulzus Gyakori UWB impulzus fajta az egyszerő négyszög impulzus (egyszerő elıállítani: pl. egy tranzisztort ki-be kapcsolgatunk). Az antenna, valamint az átviteli közeg aluláteresztı jellege miatt a vételi oldalon a következıre módosul:

5 UWB impulzus UWB impulzus az idıtartományban:

6 UWB impulzus UWB impulzus a frekvenciatartományban:

7 UWB impulzus sorozat Az UWB rendszerek ilyen impulzusokból álló sorozatokkal kommunikálnak:

8 UWB impulzus sorozat UWB impulzus sorozat spektruma:

9 UWB impulzus sorozat Probléma: magas tüskék (fésőfog spektrum) Ahhoz, hogy a fenti spektrumot zajszerőbbé tegyék véletlen idejő késleltetéseket alkalmaznak(dither). Így nagy mértékő javulás érhetı el:

10 UWB impulzus sorozat UWB impulzus sorozat spektruma dither hozzáadása után:

11 Spektrális maszk Mivel az UWB széles frekvencia sávot használ (és ez a frekvenciasáv átlapolódik más rendszerekkel), ezért elkerülhetetlen, hogy az UWB ne zavarjon más rendszereket. Ezért az FCC spektrum maszkokat definiál, amelyek meghatározzák az egyes frekvenciasávokban kisugározható maximális teljesítmény sőrőség értékeket. UWB esetén: 3.1 GHz GHz max 41.3 dbm/mhz

12 Spektrális maszk Az egyes frekvenciasávokban kisugározható max. teljesítmények:

13 Többutas terjedés Az UWB a többutas terjedés okozta nem kívánt hatásoknak (pl. ISI) jelentıs mértékben ellenáll. Többutas terjedés: a jel a direkt terjedési útvonalon kívül más útvonalakon is eljut a vevıbe, azaz ugyanaz a jel a megtett útvonal hosszától függıen különbözı késleltetésekkel érkezik a vevıbe.

14 Többutas terjedés

15 Többutas terjedés ISI akkor jelentkezik, amikor valamelyik mellékútvonalon haladó impulzus pont akkor érkezik a vevıbe, amikor a következı, a fı terjedési útvonalon érkezı is. Az UWB impulzusok rövidsége miatt annak az esélye, hogy a mellék útvonalakon érkezı impulzusok a fı terjedési útvonalon érkezı impulzusokkal átlapolódjanak nagyon kicsi. Ha nincs átlapolódás akkor a nem kívánt impulzusok idıtartományban kiszőrhetık.

16 Többutas terjedés Két lehetıség van az ISI csökkentésére: - csökkentjük az impulzusok idıtartamát - növeljük az impulzusok közötti idıtartamot Ha az impulzusok közötti idıtartam nagyobb, mint az az idı, ami a leghosszabb terjedési útvonalon terjedı impulzusnak kell, hogy a vevıbe érjen, akkor a többutas terjedés hatásai teljes mértékben kiküszöbölhatık.

17 Többutas terjedés Átlapolódásos eset:

18 Többutas terjedés Átlapolódás mentes eset:

19 Spektrális és területi hatékonyság Spektrális hatékonyság: azt mutatja meg, hogy adott sávszéleséget használva, milyen átviteli sebesség érhetı el. [bps/hz] Területi hatékonyság: azt mutatja meg, hogy egy rendszernek mekkora a maximális adatátviteli sebessége azon a távolságon belül, amelyben a rendszer adni képes. [bps/m2]

20 Spektrális és területi hatékonyság Az UWB és más rendszerek spektrális és területi hatékonysága: UWB spektrális hatékonysága a meglévı rendszerekhez képest kicsi, azonban a területi hatékonysága nagyon nagy.

21 Adatátviteli sebesség Tipikus adatátviteli sebesség: Mbps (~vezetékes Ethernet vagy az USB sebessége) Három szabványos adatátviteli sebesség létezik: - Mbps 10 m-es minimáis távolság esetén Mbps 4 m-es Mbps, ha kisebb

22 Adatátviteli sebesség Az UWB és más rendszerek adatátviteli sebessége:

23 Ár Egyszerő esetben egy UWB adó egy impulzusgenerátorból, egy idızítıáramkörbıl és egy antennából áll => - alacsony fogyasztás - kis méret - alacsony ár.

24 UWB modulációs technikák UWB modulációs technikák: - time-based (idı-alapú) - shape-based (jelforma-alapú) -

25 UWB modulációs technikák (timebased) PPM (pulse position modulation): Lényege, hogy az UWB impulzusokat adott egyenlıköző idıintervallumokhoz képest korábban, vagy késleltetve küldjük. Ha m lehetséges késleltetés értéket definiálunk, akkor m-áris (m-ary) rendszert kapunk. Elıny: egyszerőség Hátrány: az impulzusok nanoszekundum pontosságú elıállítása.

26 UWB modulációs technikák (shape-based) BPM (bi phase modulation): Információtovábbítás: ellenfázisú impulzusokkal

27 PPM és BPM

28 További (kevésbé gyakori modulációs technikák) PAM (pulse amplitude modulation): az információ az impulzus amlitúdója hordozza. OOK (On-off keying): az impulzus megléte az "1"-et, hiánya pedig a "0"-t jelenti. OPM (orthogonal phase modultaion): az információt orthogonális jelekkel visszük át.

29 Egyéb modulációs technikák

30 Modulációs technikák összehasonlítása

31 UWB CDMA Ha az UWB impulzusok késleltetése a fix idıponthoz képest csak elıjelében változik (pl. a PPM esetében), akkor a spektrumban nem kívánt csúcsok jelennek meg, ami interferenciát okozhat más rendszerekkel. Egy lehetséges megoldás: dither használata (random késleltetés), így az egyenlı idıköző impulzus-generálás okozta csúcsok eltőnnek vagy csökkennek. Hátránya: a vevı nagyon bonyolult felépítéső lesz, mivel nem ismeri az egyes impulzusok késleltetésének értékét.

32 UWB CDMA Jobb megoldás: Az impulzusokhoz nem véletlen, hanem pszeudovéletlen késleltetést adunk, amelyeket a vevı ismer. (pszeudo-véletlen (PN - pseudo random noise) kódolás). További elınyök: - Ha minden felhasználóhoz egyedi PN kódot rendelünk, akkor ezzel egy kódosztásos többszörös közeg hozzáférési technikát (CDMA) valósítottunk meg. - a PN kódok alkalmazása esetén az átviendı jel más felhasználók számára fehér-zajnak tőnik, így detektálni sem tudják.

33 Egy egyszerő UWB adó

34 Egy egyszerő UWB vevı

35 Többszörös közeghozzáférés UWB rendszerekben FDMA: a teljes rendelkezésre álló frekvenciasávot részekre osztják, és ezekben a rész sávokban - amelyek még mindig elég nagyok - valósítják meg a kommunikációt olyan impulzusok használatával, melyek sávszélessége belefér az egyes rész sávokba. TDMA: nehéz, mivel a felhasználóknak egymással szinkronban kell lenniük. Csak downlink irányban jöhet szóba, például ha egy bázisállomás akar kommunikálni mobil felhasználókkal. CDMA: UWB rendszerekben a legjobb megoldás (ld. Elızı fóliák)

36 UWB antennák Az antenna megtervezése az UWB rendszerek tervezésének legsarkalatosabb pontja. Mivel az UWB nagyon nagy sávszélességet használ, ezért az UWB rendszerekben a konvencionális antennák nem alkalmazhatók. Az antennákat (elsı közelítésben) két csoportba lehet osztani: - rezonáló antennák (a rezonancia frekvenciájukkal azonos frekvenciájú jelet kis csillapítással kisugározzák, míg más frekvenciájú jeleket elnyomnak) - nem-rezonáló antennák (széles frekvencia tartományban képesek sugározni)

37 UWB antennák Az UWB rendszerekben használt antennáknak a következı követelményeknek kell eleget tenniük: - kis méret, - nagy sávszélesség, - alacsony torzítás.

38 UWB antennák Kamya Yekeh Yazdandoost és Ryuji Kohno által tervezett UWB antenna prototípusa:

39 Az UWB alkalmazási lehetıségei 2006

40 EMC összeférhetıség Mint minden más rádiófrekvenciás rendszer esetében, az UWB-nél is felmerülnek EMC összeférhethıségi kérdések. A legnagyobb nehézséget az UWB impulzusok sávközép-frekvenciájának és sávszélességének pontos kézben tartása jelenti. Mivel az UWB rendszerek a GHz-es tartományban mőködnek, ezért az 5 GHz-es WLAN sávval átlapolódnak.

41 Az UWB és az 5 GHz-es WLAN átlapolódása

42 Az UWB és az 5 GHz-es WLAN átlapolódása Kérdés: az IEEE b rendszereket milyen mértékben zavarják a közelükben mőködı UWB adók? Ha a távolság > 50cm => nem tapasztalható szignifikáns csökkenés az IEEE b csatorna jel-zaj viszonyában. Ha a távolság < 50cm => az IEEE b csatorna jel-zaj viszonya db-el csökken.

43 Az UWB és az IEEE b egymásra hatása

44 Más, nem a 3.1 GHz 10.6 GHz sávba esı rendszerek Az UWB ezekre a rendszerekre is hatással van: - Air Traffic Control Radio Beacon System (1090 MHz) - Air Route Surveillance Radar ( MHz) - Next Generation Wheather Radar ( MHz) stb.

45 Az UWB és más rendszerek összehasonlítása

46 Wifi: Az UWB és más rendszerek összehasonlítása - hatékony vezeték nélküli hálózati technológia - Ethernet kompatibilitási követelmények miatt azonban nem lehet a Wifi-t teljes mértékben pont-pont összeköttetésekre optimalizálni. - Mivel a két technológia más piacot céloz meg, nem valószínő, hogy egymás versenytársai lesznek.

47 Az UWB és más rendszerek összehasonlítása Bluetooth Bizonyos vezetékes technológiák alacsony fogyasztású vezeték nélküli alternatívája A Bluetooth 50-szer annyi energiát fogyaszt egy bit átvitele során, mint az UWB. Bluetooth 1.2: 2 Mbps, Bluetooth 2.0: 12 Mbps; mindkettı töredéke az UWB adatátviteli sebességének

48 DSSS Az UWB és más rendszerek összehasonlítása Koncepcionálisan sok hasonlóság az UWB-vel (mindkét esetben a kisugárzott jel sávszélessége nagy, teljesítménye pedig kicsi, a kisugárzott jel zajszerő) Különbségek: - Az UWB sávszélessége sokkal nagyobb - Az UWB impulzusokat direkt módon állítják elı, nem pedig valamilyen modulációs eljárással.

49 Az UWB és más rendszerek összehasonlítása - A szórt spektrumú modulációnál a kisugárzott jel csúcsértéke és átlagértéke megegyezik. - Az UWB impulzus idıtartama sokkal kisebb, mint az impulzusok közötti idıintervallumok, így adott átlagérték biztosításához az impulzusok csúcsértékei lehetnek nagyobbak is. - az UWB adókban nincs szükség drága modulációs áramkörökre => az UWB adók lényegesen olcsóbbak a DSSS adóknál

50 Az UWB és más rendszerek összehasonlítása

51 UWB alkalmazások Eddig fıleg katonai célokra használták az UWBt, fıleg radar rendszerekben, de egyre inkább elıtérbe kerül az UWB távközlési célokra történı felhasználása is. UWB PAL (UWB Precision Asset Location System): Multispectral Solutions és az USA hadügyminisztériuma fejlesztette ki logisztikai rendszer: objektumok helyének pontos meghatározása: pl. konténerek teherhajókon

52 UWB alkalmazások Konténereken 250 mw teljesítményő adók 5 s-ként UWB impulzusok segítségével 40 bitnyi információ a központi egységnek Nagy pontosság a többutas terjedés ellenére is A PAL-t más területeken is ki lehet használni pl. kórházakban (berendezések ill. betegek hollétének pontos nyomonkövetése) vagy gyárakban

53 PAL adó: UWB alkalmazások

54 UWB alkalmazások "Vehicular Radar" Más jármővek/út mellett lévı állatok helyzetének mérése UWB radar segítségével (baleset megelızés)

55 UWB alkalmazások

56 UWB alkalmazások Sok cég aktívan fejleszt UWB-s chipeket Felhasználási terület: - számítástechnika, - mobil eszközök, - elektronikus készülékek.

57 UWB alkalmazások

58 UWB alkalmazások Elsıként a Time Domain: PulsOn Evaluation Kit

59 UWB alkalmazások Pulse-On Evaluation Kit paraméterei:

60 UWB alkalmazások Szintén a Time Domain: UWB jelgenerátort az UWB, mint átviteli közeg jellemzıinek vizsgálatára. XtremeSpectrum: XS100 TRINITY chipsetet: - XSI102: RF front end chip - XSI112: RF transciever chip - XSI122: digital baseband chip - XSI141: media access control (MAC) chip

61 UWB alkalmazások XS100 TRINITY chipset:

62 UWB alkalmazások XS100 TRINITY fıbb paraméterei:

63 UWB alkalmazások Home-networking Növekvı igény különbözı elektronikus eszközök egyetlen hálózatban történı összekapcsolására. Otthoni elektronikus eszközök pl. PC-k, notebook-ok, TV-k, DVD lejátszók, kamerák és audio rendszerek wireless összekapcsolása. A home-networking az IEEE 1394-es szabványt használja.

64 UWB alkalmazások Home-networking:

65 UWB alkalmazások Néhány elektronikus eszköz által igényelt adatátviteli sebesség a home-networking rendszerben:

66 UWB alkalmazások A home-networking által kínált szolgáltatások: - Letölthetünk videófájlokat kameránkról PC-re szerkesztés céljából, majd PC-rıl a TV-re - Szinkronizálhatjuk PDA-nkat a PC-vel - PC-t/Notebook-ot összekapcsolhatunk játékkonzollal - Összeköthetjük mobiltelefonunkat a headset-el - Prezentációt tölthetünk le PC-rıl/Notebook-ról a projektorra

67 UWB alkalmazások "Rode Side Markers" (útszéli adóvevık): információk az autósoknak pl. az idıjárásról, az útviszonyokról vagy az aktuális útépítési munkálatokról

68 UWB alkalmazások "Through-the-wall Intrusuion Sensor" 1 W-os impulzusok segítségével képes érzékelni embereket akár több falon keresztül