Новые технологии беспроводной связи

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 
 
 

 

 

 

 

Кафедра Радиотехники 

 

 

 

 

 

                                                Материал для СРСП

Новые технологии беспроводной связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                            Выполнил: Утельбаев И.К.

                                                                               гр. БРЭ-09-9

                                                                     Проверил:  Павлова Т.А .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2011

Содержание

1. Введение

2. Технология UWB

3. Технология WiHD

4. Технология WiGig

5. Заключение

6. Список использованной литературы

Введение

В данной работе представлены новые технологии беспроводной связи. Разработок очень много, но именно эти три(UWB, WiGig, WiHD) являются наиболее перспективными. Сама концепция этих технологией уже разработана и имеются малые недостатки, которые в ближайшем будущем будут решены и эти технологии лишь будут ждать своего внедрения в гражданскую инфраструктуру. А в военной отрасли они уже используются, но из-за своей полезности и эффективности будут внедрены и в гражданскую.

Сверхширокополосный: новая беспроводная технология UWB

Стандарты 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n (Wi-Fi), HomeRF 1.0, HomeRF 2.0, ZigBee, Bluetooth 1.1, Bluetooth 2.0+EDR, 802.16d, 802.16e (WiMAX) и много чего еще здесь не упомянуто. В любом случае в таком многообразии радиоинтерфейсов и сетей элементарно запутаться даже тем, кто старается более или менее следить за рынком беспроводной связи, не говоря уже о «простых» потребителях. Какие интерфейсы друг с другом совместимы, какие мешают друг другу работать, какая у них зона охвата, а скорость, а надежность, а защищенность, а распространенность – сплошные вопросы, способные кого угодно сбить с толку. Вроде, пора бы производителям приостановиться, сконцентрировав свои усилия на нескольких наиболее перспективных стандартах, но не тут-то было, сейчас начинается активная компания по продвижению очередной беспроводной технологии – UWB. И сегодня мы постараемся разобраться, что же это за зверь, кому и зачем он нужен, как устроен и когда его можно будет подержать в руках.

Аббревиатура UWB расшифровывается как Ultra-Wideband, что в переводе означает «сверхширокополосная связь» (изредка называют ультраширокополосной). Несмотря на то, что в Интернете о технологии активно заговорили всего несколько лет назад, за плечами UWB практически двадцатилетняя история. Конечно, во время разработки самых первых сверхширокополосных устройств никто и не задумывался о том, что им найдется место среди компьютерных интерфейсов. Изначально уникальные свойства сверхширокополосных сигналов применялись для построения сверхточных радаров ограниченного радиуса действия, созданных по заказу министерства обороны США. Несколько лет спустя перспективная военная технология оказалась полезной и в гражданской отрасли, однако основным ее применением по-прежнему оставались устройства определения местоположения. Лишь в начале нового века на волне роста популярности беспроводной связи крупнейшие IT-компании обратили свой взор на концепцию UWB, а осознав ее перспективность, вцепились в нее мертвой хваткой, начав широкомасштабные инвестиции в разработку универсального стандарта.

Основы

Отличие сверхширокополосной  связи от большинства современных  радиоинтерфейсов легко угадывается  прямо из названия. Сейчас самым  распространенным приемом беспроводной передачи является выделение достаточно узкой полосы частот (шириной, допустим, в несколько десятков мегагерц) и передача данных за счет незначительных отклонений от несущей (базовой) частоты, при этом не выходя за границы заданной узкой полосы. Такой метод называется частотной модуляций. В случае UWB у нас имеется совершенно другая картина – для передачи сигнала задействуется широчайший диапазон частот (в несколько гигагерц), частично или полностью перекрывающий диапазоны, уже занятые другими устройствами.

Если тебя интересует точное определение, то под понятие сверхширокополосного интерфейса попадают те, для которых 0.25<X<1, где «X» вычисляется по формуле (Fu-Fd)/(Fu+Fd), а «Fu» и «Fd» обозначают, соответственно, значения верхней и нижней границы диапазона используемых частот. В принципе, сейчас уже нет особого смысла считать по этой формуле, так как за UWB уже официально закреплена полоса частот между 3.1 ГГц и 10.6 ГГц (правда, на данный момент это касается лишь территории США и некоторых других стран).

Впрочем, не все так просто. Естественно, под гражданские прихоти просто так никогда бы не разрешили выделить столь широкий диапазон, иначе это свело бы с ума большинство военных радаров и препятствовало бы работе массе другого радиооборудования. Весь фокус состоит в том, что спектральная плотность энергии сигнала UWB не превышает определенного значения (-41 дБм/МГц), которое неизмеримо ниже аналогичного показателя для классических радиоинтерфейсов (Wi-Fi, Bluetooth и так далее). По этой причине для всех остальных не-UWB-устройств сверхширокополосный сигнал просто смешивается с массой другого «электронного» шума, и возможные помехи можно считать пренебрежимо малыми.

На деле же компаниям, заинтересованным в массовом продвижении UWB, стоило немалых  усилий убедить ответственные органы в том, что сверхширокополосный  сигнал не мешает работе другого оборудования. Но в конце концов, после нескольких лет экспериментов и споров, необходимое разрешение было получено. Однако для UWB были поставлены весьма жесткие рамки: диапазон – от 3.1 ГГц до 10.6 ГГц, плотность – ниже -41 дБм/МГц (в других странах, возможно, будет еще строже). Кстати, частоты ниже 3.1 ГГц запрещены для UWB из-за все-таки ощутимого влияния на точность работы системы глобального позиционирования GPS.

Способ передачи UWB-сигнала также принципиально отличается от всего того, что мы видели раньше. Данные предаются в виде одиночных сверхкоротких (длительностью всего несколько наносекунд) энергетических импульсов, псевдослучайно распределяемых по всей ширине полосы.

Преимущества  и недостатки

У тебя, наверняка, уже  назрел вопрос, чего же такого хорошего в этой самой сверхширокополосной  связи. Сейчас объясним. В первую очередь UWB интересен тем, что он гораздо  эффективнее использует выделенный диапазон частот. Благодаря отсутствию несущей частоты сигнал как бы размазывается по всему диапазону, при этом, к примеру, в пределах одного помещения может без проблем работать огромное количество UWB-устройств, и даже никакого намека на взаимные помехи. Для сравнения, у того же оборудования Wi-Fi совместное проживание нескольких отдельных сетей превращается в довольно серьезную проблему.

Второе, не менее важное преимущество заключается в сверхвысокой пропускной способности. Уже сейчас при связи на расстоянии не более  трех метров достигнута стабильная скорость передачи на уровне 480 Мбит/с (такое значение выбрано не случайно, но об этом чуть позже). В перспективе после доработки технологии сверхширокополосные интерфейсы смогут взять и гигабитный рубеж, и нет особых преград для дальнейшего роста скорости. Конечно, о таких заоблачных характеристиках классические радиоинтерфейсы пока не могут и мечтать.

Преимуществом под номером  три является крайне низкое энергопотребление, по крайней мере, таким оно должно стать уже в ближайшее время. Так как UWB-устройства испускают крайне слабые импульсы, они не должны пожирать много энергии. Прогнозируется, что запросы доработанных UWB-модулей будут на уровне 50-70 мВт, а это поразительно низкое значение, особенно относительно сегодняшних жадных до электроэнергии интерфейсов.

И, наконец, четвертое  достоинство сверхширокополосных  систем заключается в существенном упрощении конструкции передатчика. Отныне больше нет нужды во всяких генераторах частоты и стабилизаторах – полноценный модуль UWB можно реализовать вообще на одном чипе. Точно так же избавляется от лишних деталей и приемник, однако тут возникают определенные затруднения с выделением нужного сигнала из общей массы: одиночные слабые импульсы существенно сложнее отлавливать, нежели видоизмененную несущую частоту. В принципе, разработка грамотных алгоритмов должна обойти эту неприятность, а плюсом в этой сложности приема окажется повышенный на порядок уровень безопасности.

Правда, не все со сверхширокополосными интерфейсами так уж гладко. Как  и у многих других молодых технологий, на этапе появления первых серийных устройств наблюдаются определенные проблемы, над которыми еще предстоит  потрудиться инженерам. Самым существенным недостатком UWB-оборудования пока остается достаточно низкая дальнобойность. Если на расстоянии трех метров честно держится полугигабитная скорость, то при отдалении всего-то на десять метров пропускная способность падает в четыре с лишним раза – до 110 Мбит/с, дальше дела обстоят еще хуже – в итоге после тридцатиметровой отметки сигнал полностью смешивается с прочим шумом. Конечно, быстрое рассеивание сигнала можно считать и плюсом, так как он заведомо не будет мешать другим сетям в соседних помещениях, да и безопасность будет заметно выше, но все-таки утешение в этом слабое.

Впрочем, можно услышать робкие прогнозы, что в будущем  доведенные до ума сверхширокополосные  системы будут демонстрировать  гигабитную скорость на расстоянии в  пару километров, но пока такие числа можно записать лишь в фантастический роман. Кстати, проблемой для UWB является не только расстояние, но и всякие препятствия типа людей, стен и тому подобного – с прохождением через них он справляется даже хуже узкополосного Wi-Fi, у которого с этим далеко не все так замечательно.

Теперь мы подошли  к заветному вопросу, зачем же стоило городить UWB, когда у нас уже есть несколько версий Wi-Fi, пара версий Bluetooth и другие конкурирующие интерфейсы. Однако если присмотреться повнимательнее, то UWB окажется совсем не лишним. Действительно, сверхширокополосная связь готова предложить нам достаточно высокие скорости (сравнимые с USB 2.0 и FireWire 400) на небольших расстояниях (опять же сравнимых с USB 2.0 и FireWire 400). И ведь ни один другой интерфейс не в состоянии предложить нам нечто подобное – пропускную способность Wi-Fi (если не считать еще не вышедший 802.11n) и, тем более, Bluetooth даже смешно как-то сравнивать с UWB. А ведь высокая пропускная способность становится в последнее годы все более важным параметром – хочется и большие объемы данных быстро пересылать, и цифровое видео транслировать, и вообще не задумываться о таких мелочах, как ширина канала.

На данный момент продвижение UWB планируется в трех основных направлениях, однако в дальнейшем уникальные возможности сверхширокополосной связи вполне возможно будут применяться и для решения многих других задач, ранее недоступных для узкополосных радиоинтерфейсов (например, коммутация компьютерных комплектующих внутри корпуса и другие пока малореальные проекты).

Итак, первое приоритетное направление – это беспроводное подключение компьютерной периферии (внешние жесткие диски и приводы лазерных дисков, принтеры, сканеры и многое-многое другое). Для этих целей высокая пропускная способность при ограниченном радиусе действия – как раз то, что нужно.

Второе – это обмен данными между мобильными устройствами (телефоны, смартфоны, КПК, ноутбуки и т.д.). Тут как нельзя кстати придется низкое энергопотребление.

И третье – это связь бытовой электроники (телевизоры, Blu-ray/HD-DVD/DVD-плееры, видеокамеры, проекторы и т.д.). Здесь снова пригодятся сверхвысокие скорости.

Возможно, ты обратил внимание, что  для каждой из этих отраслей уже имеются свои относительно старые, но сверхпопулярные интерфейсы. Для периферии – это, конечно, USB, для мобильных устройств – это Bluetooth, а для бытовой электроники – это FireWire. В общем, есть и другие претенденты, но три основных лидера выделяются достаточно четко. Однако UWB не собирается конкурировать с этими тремя стандартами. Почему? Потому, что он просто в них вольется. Да, именно так! Сверхширокополосные системы, вероятнее всего, так и не станут отдельным стандартом, а дополнят собой USB, повысив его до ранга Wireless USB (WUSB), улучшат FireWire, сделав из него Wireless FireWire (W1394), и расширят Bluetooth, из которого получится «Ultra Wide Bluetooth». Действительно, зачем с нуля разрабатывать новую многоуровневую технологию, когда уже есть отточенные, выверенные, популярные интерфейсы, которым всего-то нужно обрезать провода или добавить пропускной способности, как в случае Bluetooth (то есть изменить только физический уровень (PHY) и уровень доступа к среде (MAC))?

Стандарты

Когда над созданием  технологии бьются сразу несколько  крупных амбициозных корпораций, между участниками альянса обязательно возникают непримиримые споры, порой и вовсе доходящие до разделения на несколько враждующих группировок, каждая из которых занимается разработкой идеального (на свой взгляд) варианта технологии и совершенно не желает слушать доводы оппонентов. Очевидно, такие действия никоим образом не способствуют скорейшему выходу готового стандарта и серийных устройств на рынок. К сожалению, такая междоусобица в свое время закралась и в лагерь UWB. Споры начались практически с самого начала. Одна группа компаний видела будущее UWB в качестве самостоятельного стандарта, никак не зависящего от USB, FireWire, Bluetooth и прочих беспроводных или проводных интерфейсов – по их замыслу универсальный сверхширокополосный стандарт просто должен был придти им на смену. Другая группа посчитала, что беспроводных интерфейсов сейчас и так предостаточно, и добавлять к ним очередного, пусть даже и куда более совершенного конкурента – крайне противоречивое решение, да и вкладывать средства в разработку принципиально новых протоколов – слишком расточительно. Поэтому они выступили за апгрейд существующих интерфейсов – USB, FireWire, Bluetooth. В итоге, в этом вопросе, судя по всему, одержала верх вторая сторона.

Другое противостояние разразилось на почве принципов  модуляции сигнала. Корпорация Intel, совместно с многочисленными  сторонниками, предложила использовать так называемый метод MultiBand OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), который предполагает разбиение всего громадного диапазона на четырнадцать полос по 528 МГц каждая. Ожидается, что первое поколение UWB-устройств будет работать только в первых девяти поддиапазонах. Такой подход позволит быстро адаптировать технологию под законодательство отличных от США стран – запрещенные поддиапазоны просто блокируются, при этом обещанная пропускная способность в 480 Мбит/с останется при использовании даже одной 528 МГц полосы. К тому же есть надежда, что такой подход позволит хоть немного повысить радиус действия UWB, за счет того, что сигнал внутри каждой ограниченной полосы будет затухать несколько медленнее.