Sakaru Pasaule - urnls par
modernm komunikcijm

  
  


Atpaka Jaunais numurs Arhvs Par mums Meklana

Dzirkstestarpas reinkarncija bezvadu UWB telp

   

Dzirksteļstarpas reinkarnācija bezvadu UWB telpā

 

Pagājuši gandrīz 120 gadi kopš brīža, kad 1886. gadā vācu fiziķis Henrihs Hercs veica virkni eksperimentu, kuru rezultātā praksē tika konstatēti elektromagnētiskie viļņi, kas radās ap elektrisko dzirksteli, kura pārvietojās starp diviem novadītājiem.

 

Eksperimentos izmantotās dzirksteļstarpas un vadu vijums īstenībā bija pirmais radioraidītājs un radiouztvērējs cilvēces vēsturē. Tomēr pats izmēģinājumu veicējs šo aparatūru par tādu neuzskatīja, arī pētīto parādību neuzskatīja par pamatu tādu līdzekļu izveidošanai, kas pārraidītu informāciju lielā attālumā.

Pirmo elektrosakaru līdzekļu dzirksteļstarpu darbs ir balstīts uz impulsu izstarošanu ēterā. Tomēr drīz vien par minēto tehnoloģiju aizmirsa uz ilgu laiku, jo aizrāvās ar daudz vienkāršākiem signālu ģenerēšanas paņēmieniem, izmantojot harmoniskās svārstības. Sākot ar pagājušā gadsimta 30. gadiem, runas un datu pārraidīšana tika realizēta ar augstsprieguma un frekvenču signālu selekcijas palīdzību. Visas bija šaurjoslu sistēmas aiz katras nostiprinājās sava frekvenču josla.

Pēdējos divos trijos gados uzreiz pēc Wi-Fi radās vēl pāris tehnoloģisku risinājumu WiMax, Mobile-Fi, ZigBee, Ultra Wideband. Tie bija vērsti uz bezvadu tīklu ieviešanu visās cilvēka darbības jomās un visos apkārtējās vides objektos lidmašīnās un automobiļos, dzīvokļos un birojos, veikalos un ražošanas cehos. Pēc Sanfrancisko investīciju bankas Rutberg&Co ekonomistu aprēķiniem četru iepriekš minēto tehnoloģiju izstrādei pēdējo piecu gadu laikā tika iztērēti vismaz 4,5 miljardi ASV dolāru.

Radikāli jauna tehnoloģija, par kādu var uzskatīt ultraplatjoslas tehnoloģiju Ultra Wideband (UWB), telekomunikāciju tirgū ienāk ārkārtīgi reti. Tādēļ nav brīnums, ka tā tūlīt izraisīja sīvu polemiku. Karstākie tehnoloģijas aizstāvji paredzēja gandrīz revolūciju bezvadu sakaru, radiolokācijas, precīzās virszemes navigācijas un citos virzienos. Savukārt oponenti uzskatīja, ka tādi signāli ir potenciāls traucējumu avots šaurjoslu sistēmām, tādēļ nepieciešams aizliegt šādu sistēmu darbību, vismaz frekvencēs, kas ir zemākas par 3 GHz.

Pirmās platjoslas sakaru komercsistēmas, kas tika balstītas uz signālu ar paplašinātu spektra (DSSS, FHSSS) izmantošanu, radās tikai 20. gs. 60. gados. Beidzot pēc 30 gadiem pasaulei tika uzdāvināta ultraplatjoslas sakaru tehnoloģija, kuru vēlāk sāka dēvēt par UWB. Tā kardināli atšķiras no pirmajām dzirksteļstarpām, tomēr darbības princips ir tas pats impulsu signālu pārraidīšana.

Paredzu, ka tuvākajā laikā līdzās saīsinājumiem Wi-Fi un Wi-Max pat nespeciālisti arvien biežāk dzirdēs WiMedia. Tas saistīts ar UWB signālu izmantošanas palielināšanos daudzās nozarēs, kas var šķist absolūti negaidīti potenciālajiem konkrētās aparatūras piegādātājiem un, protams, lietotājiem. Tuvākajos gados WiMedia asociēsies ar UWB standartiem līdzīgi tam, kā Wi-Fi asociējas ar IEEE 802.11. standartiem un WiMax asociējas ar IEEE 802.16. standartiem.

Nevaru neatzīmēt to, ka šī raksta autors desmit gadu garumā aktīvi nodarbojas ar optimālu UWB signālu apstrādi un konkrētu virszemes zondēšanas radaru uz UWB signālu bāzes izstrādi. Pašlaik Latvijā ar UWB ģeoradaru izstrādi un praktisku realizāciju nodarbojas SIA Radars, kas piedalās Eiropas projektā Integrated geophysical techniques for surveying and quantifying potentially polluted sediments in European waterways (GEOWATERS) - Apvienotās ģeofiziskās metodes potenciālā piesārņoto nogulšņu daudzuma izskatīšanai un noteikšanai Eiropas ūdensceļos IST (Information Society Technology) Fifth Framework Programme ietvaros.

 

Apzīmējumi

Pastāv šādi signālu veidi (skat. 1. attēlu):

- šaurjoslu signāli, kad spektra platums (∆f) ir daudz mazāks par izstarotā signāla centrālo frekvenci, t. i., ∆f<<fc; NB 1. attēlā;

- platjoslu signāli, kad signāla bāzes >> 1 vai kad tiek lietota spektra paplašināšana (Spread Spectrum), SS 1. attēlā;

- ultraplatjoslas signāli Ultra Wideband (UWB), kad ∆f ≈fc vai pēc FCC (Federal Communication Comission) definīcijas: ∆f≥0.25fc vai ∆f≥500MHz.

 

 

Izmantošana
  • Telekomunikācijas
    • Ātrgaitas bezvadu WLAN (Wireless Local Area Networks) un WAN (Wide Area Networks).
    • Biroja tīkla iekārtas.
    • Bezvadu līdzekļi dažādu iekārtu (telefons, TV, internets, video u. c. radiotehniskās iekārtas) savienošanai mājai - Smart Home vai birojam Smart Office.
  • Pozicionēšana
    • Objekta atrašanās vietas noteicēji.
    • Loģistikas intelektuālās sistēmas.
    • Transportlīdzekļu tālvadības līdzekļi.
    • Transportlīdzekļu sadursmes brīdinājuma sensori, transportlīdzekļu novietošanas devēji.
    • Glābšanas dienesta sistēmas un ārkārtas situācijās datu devēji.
  • Radiolokācija
    • Ēku, transporta u. c. objektu apsardzes sistēmas un signalizācija.
    • Līdzekļi cīņai ar terorismu un noziedzību. Portatīvie radari slēptu objektu attēla iegūšanai. Tādi miniatūri radari ļauj redzēt cauri sienai vairāku metru attālumā.
    • Aviācijas radari komerciālai un militārai izmantošanai mērķa apveidu un radioattēlu iegūšanai.
    • Ražošanas portatīvie radari procesa kontrolei un uzraudzībai.
  • Speciālie sakari, satelītsakari u. c.
  • Speciālo sakaru (valstiskas nozīmes un militāro) izmantošana. Protams, tādu īpašību kopums kā liela izturība pret traucējumiem, noslēgtība, nelielais enerģijas patēriņš un realizācijas vienkāršība nevarēja neieinteresēt militārās un valsts organizācijas. Tas arī notika, un līdz 70. gadu beigām jebkura darbība šajā nozarē bija slepena. Piemēram, ASV līdz 1994. gadam UWB sistēmu pasūtītāji varēja būt tikai valdības un militārās organizācijas un visiem darbiem bija valdības programmu statuss.

UWB sistēmu izmantošanas piemēri

                     Zemvirsmas zondēšanas radari (GPR) darbojas frekvencēs, kas ir zemākas par 960 MHz vai 3,1-10,6 GHz diapazonā, tās ir spējīgas iekļūt zemes dzīlēs 3-7 metru un pat lielālā dziļumā un atklāt konteinerus ar bīstamiem atkritumiem vai citus slepenus priekšmetus. Militārajā jomā mīnu meklēšana, to skaitā arī plastikāta mīnu, kuras ir grūti atrast ar parasto radaru palīdzību.  

                     Radionovērošanas sistēmas zemas frekvences (līdz 960 MHz), vidējas frekvences (1,9910,6 GHz) un augstas frekvences (3,1-10,6 GHz). Tās caur sienu spējīgas konstatēt maza izmēra objektus, cilvēkus zem drupām, noteikt nemetālisku cauruļu atrašanās vietu, plaisas tiltos un ceļu segumos utt. 

                     Medicīniskā monitoringa sistēma (3,110,6 GHz) veselības aizsardzības dienestu izmantošanai saviem mērķiem (piemēram, kardiogrammas veikšanai). 

                     Videosistēmas apsardzes signalizācijām (1,99-10,6 GHz) paredzētas slēptai teritorijas kontrolei. 100-150 metru rādiusā ap apsargājamo objektu tiek radīts radioekrāns, kas ļauj konstatēt cilvēka vai objekta ielaušanos. 

                     Radari uz automašīnām (22-29 GHz) ar izvērstu antenu un ātru frekvenču pārkārtošanos, lai nodrošinātu drošu pārvietošanos uz autoceļiem. Vieni no pirmajiem tirgū varētu parādīties samērā lētie UWB radari precīzai transportlīdzekļa novietošanai, kuri brīdina par iespējamo sadursmi. 

                     Sakari biroja telpās (3,1-10,6 GHz). UWB aparatūra ar darbības rādiusu līdz 10 m. Pie šīs grupas pieder arī portatīvie līdzekļi plaukstdatori un PDA.

Priekšrocības

  • Informācijas pārraidīšanas lielais ātrums.
  • Pārraidītā signāla zemā jauda (ievērojama energopatēriņa ekonomija liels akumulatora bateriju resurss, miniaturizācija utt.).
  • Augsta pašaizsardzība pret traucējumiem.
  • Augsts elektromagnētiskās savietojamības līmenis netiek traucētas citas iekārtas..
  • Visaugstākais pārraidītās informācijas aizsardzības un konfidencialitātes līmenis UWB signāli ir slēgti.
  • Iespēja otrreiz izmantot vienu un to pašu spektra daļu (piemēram, šaurjoslu tehnoloģijām).
  • Augsta rentabilitāte un ekonomiskums masu ražošanā.

Uz citu radiolīdzekļu izstarojuma fona signāls no UWB iekārtām izskatīsies kā pele blakus zilonim.

Bez minētajiem pastāv vēl kāds svarīgs aspekts. Tradicionālās radiotehniskās sistēmas ir šaurjoslu. Tomēr tieši spektra ∆f platums vispirms arī nosaka kanāla C caurlaides spēju. Tas izriet no Šenona formulas:

C = ∆f log2 (1 + S/N ),

kur S/N attiecība signāls/troksnis. No šejienes redzams, ka kanāla caurlaides spējas palielinājumam frekvenču joslas paplašināšanai ir lielāks efekts nekā raidītāja jaudas palielināšanai, kas vienādojumā apzīmēta kā logaritms.

 

Tehnoloģijas

DS-UWB (Direct Sequence tieša secība) vada kompānija Motorola kopīgi ar Freescale, kas pieder Motorola. DS-UWB paredz visa spektra izstarošanu (joslā no 3,6 līdz 10,1 GHz) kā vienotu veselumu secīgu monociklu veidā, kas varētu ļaut sasniegt caurlaides spēju līdz 480 Mbit/s.

 

Pie citas pieejas pieturas grupa izstrādātāju, kuru vada kompānija Intel: MB OFDM Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing (daudzjoslu ortogonālais frekvenču blīvējums). Šajā gadījumā Intel uzstājas alianses MBOA (Multiband OFDM Alliance) pārstāvja lomā, kas vēlas UWB diapazonu pārdalīt daudzos apakšdiapazonos ar platumu 528 MHz (tas arī tiek uzskatīts par platjoslas), izmantojot signāla multipleksēšanas tehnoloģijas pa ortogonālajiem nesošajiem kanāliem (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). UWB spektra pārdalīšana apakšdiapazonos ir paredzēta, lai samazinātu signāla izkropļošanu katrā 528 MHz diapazonā un lai vismaz nedaudz palielinātu sakaru darbības attālumu. Tā kā abos gadījumos ir impulsu darba režīms, radies un ieviesies arī termins Impulse Radio (impulsa radio).

 

Ir radusies intriga cīņā starp MBOA aliansi un Intel. Intel uzskata, ka UWB var un vajag izvilkt līdz 100 m attālumam, neraugoties uz ekspertu piezīmēm par grūtībām cīņā ar signāla izkliedēšanu un interferenci pilsētas apstākļos. Motorola uzskata, ka labāk UWB būtu piešķirt daudz šaurāku nišu: ātrgaitas sakarus attālumā līdz 3 m.

Lai gan ultraplatjoslas tehnoloģijas ar nepārtrauktu spektra (DS-UWB) izmantošanu aizstāvji ilgi laiku tika uzskatīti par atpalikušiem no MBOA-UWB piekritējiem, pēdējās IEEE darba grupas sēdes rezultāts izrādījās pārsteidzošs viņiem pašiem. 2004. gada nogales balsojumā DS-UWB variants saņēma vairāk balsu nekā MBOA-UWB (74 pret 73), tomēr ar to nepietiek, lai pieņemtu to par standartu (nepieciešami 75 % balsu).

Tā vai citādi, bet pagaidām UWB ratus gulbis un vēzis velk katrs uz savu pusi, nekāda kompromisa nav, un rati stāv uz vietas. Interesanti, cik ilgi MBOA un DS-UWB turpinās būt opozīcijā un kad tām beidzot tas apniks!? Arī ar lētumu viss nav kārtībā. Par UWB čipu solīto trīs dolāru vietā tagad tiek prognozēta pieckārt lielāka summa. Tas nozīmē, ka plašas UWB tehnoloģijas ieviešanas plāni sadzīves tehnikas iekārtās varētu sašaurināties.

Turklāt konkurenti nesnauž. Februārī kompānija Pulse Link prezentēja savu (tagad jau trešo) UWB risinājuma variantu Pulse~LINK's CWave, solot ātrumu līdz 1 Gbit/s. Pulse Link plāno demonstrēt savu parauga variantu 2005. gada martā IEEE 802.15.3a darba grupas sēdē, kas izskata potenciālos UWB standarta variantus.

Protams, ļoti interesants notikums būs konference Ultrawideband Europe, kas 10.11. martā notiks Londonā.

Profesors Dr.habil.sc.ing.,

SIA VERSIJA viceprezidents

Vladimirs KARPUHINS

 

 

Publikācijas

 

    1. . ., M.: ,1994,216 c.
    2. UWB: Theory and Applications Ian Oppermann (Editor), Matti Hämäläinen (Editor), Jari Iinatti (Editor) 2004, 248 p.
    3. Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering
      Mohammad Ghavami, Lachlan Michael, Ryuji Kohno, 2004, 276 p.
    4. Applications of Ultra Wide Band Wireless Jack Lang, 2005, 256 p.
    5. Ultra-wideband Radio Technology, Kazimierz Siwiak, Debra McKeown, 2004, 264 p.
    6. Understanding Ultra Wide Band Radio Fundamentals By Maria-Garbriella Di Benedetto, Guerino Giancola , Prentice Hall PTR, 2004, 576 pp.
    7. Introduction to Ultra Wideband Communication Systems, An By Jeffrey Reed.Published by Prentice Hall PTR. Published: Apr. 11, 2005; Copyright 2005; 672 pp.
    8. ULTRA-Wideband Radar Technology James D. Taylor-Editor Publisher: CRC Press September 2000
    9. Surface-Penetrating Radar D. J. Daniels, Publisher: Institution of Electrical Engineers (IEE) 1996
    10. Ultra Wideband Opportunities and Threats for the Mobile Communications Sector, a new management report publishers of Planet Wireless and 3G Mobile Published: October 2004
    11. UWB Insider is a monthly electronic newsletter that provides perspective and commentary on the emerging market for ultrawideband technology. http://www.uwbinsider.com
    12. http://www.ultrawidebandplanet.com - Avots par UWB tehnoloģijām.

 

 
Design and programming by Anton Alexandrov - 2001