Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

Обмен информацией происходит кадрами (пакетами). Кадр состоит из пре­амбулы (набора синхронизирующих последовательностей), заголовка (управляю­щая информация) и поля данных. Преамбула и заголовок всегда транслируются с наименьшей из возможных скоростей — 55 Мбит/с. Четыре логических кана­ла подразумевают, что в непосредственной близости могут работать по крайней мере четыре пикосети. Для этого каждому логическом каналу соответствует уни­кальный вид синхропоследовательиости в преамбуле.

Таким образом, предлагается комбинация OFDM и известного механизма ча­стотных скачков (FH). В результате, в зависимости от скорости кодирования и числа повторов символов и формируется спектр скоростей от 55 до 480 Мбит/с. Изменяя вид модуляции, можно достичь и больших скоростей. Так, применение 16-QAM при той же схеме кодирования даст уже 480 х 2 = 960 кбит/с. Другой путь заключается в использовании для передачи одновременно трёx диапазо­нов тогда при QPSK и скорости сверхточного кодирования 3/4 достигается скорость 480 х 3 = 1440 Мбит/с.

Проблема в том, что метод частотных скачков — не самый эффективный с точки зрения использования спектрального диапазона. Оппоненты MB-OFDM указывают, что сторонники данной технологии в своих измерениях средней мощ­ности излучения передатчика усредняют ее по временному интервалу порядка 1 мс. Это время соответствует длительности трех символов. Реально же при ис­пользовании механизма повторов (и при измерениях) символ в одном субканале за это время передается только один раз. В результате плотность мощности из­лучения при работе передатчика может превосходить допустимые (Федеральной комиссией связи США) - 41,3 дБм/МГц. А это уже серьезная проблема, посколь­ку речь идет о сигнале с полосой свыше 500 МГц.

Сторонники технологии DS-UWB предлагают для расширения спектра клас­сический метод прямой последовательности. При этом каждый бит заменяется специальной кодовой последовательностью длиной до 24 бит. Предусмотрено два вида модуляции — двоичная фазовая BPSK (один бит на символ) и так называ­емая 4В0К-модуляцин (модуляция на основе четырех ортогональных двоичных кодов. Известный вариант ВОК-метод ССК, основной вид модуляции в стандар­те IEEE 802.11b). 4BOK — фактически вариант квадратурной модуляции, один 4ВОК-символ содержи 2 бита.

Весь диапазон вещания разбит на две зоны: 3,1-4,85 ГГц (нижний диапазон) и от С,9 до 9,7 ГГц (верхний диапазон). В каждом диапазоне предусмотрено но шесть каналов пикосети (с шагом 39 МГц в нижнем диапазоне начиная с 3900 МГц и с шагом 78 МГц — в верхнем начиная с 7800 ГГц). Только четыре канала нижнего диапазона с центральными частотами 3939,3978,4017 и 4056 МГц счита­ются обязательными для поддержки каждым устройством, остальные каналы — дополнительные. Частота следования модуляционных символов в каждом канале равна 1/3 его центральной частоты. В зависимости от скорости предварительно­го кодирования, вида модуляции и длины кодовой последовательности скорость передачи данных может составить 28, 55, ПО, 220, 500, 660, 1000 и 1320 Мбит/с.

Отметим, что споры сторонников двух подходов к реализации СШИ-пикосетей длятся с 2003 года. Производители СБИС готовы начать выпуск необходимых компонентов (а некоторые уже начали), и ситуация должна вскоре разрешиться. Тем более что уже появляются предложения, как объединить две эти технологии и без особых затрат производить двухмодовые устройства, поддерживающие и MB-OFDM, и DS-UWB.

Недавно появились первые чипсеты стандарта IEEE 802.15.3. Так, Freescale Semiconductor, дочерняя компания фирмы Motorola, выпустила чипсет XSllO из трех микросхем трансивера с ВЧ-трактом, baseband-процессора (коммуни­кационный процессор, выполняющий все преобразования физического уровня, включая ЦАП/АЦП) и МАС-контроллера. Максимальная скорость, обеспечива­емая модемом на основе этого чипсета, — 114 Мбит/с (т.е. речь идет о версии стандарта на основе технологии DS-UWB). Энергия, потребляемая чипсетом, — 750 мВт, напряжение питания 3,3 В. Общая мощность излучения в полосе ча­стот 3,1 10,6 ГГц — менее 1 мВт. Микросхемы изготовлены на основе 0,18-мкм КМОП- и SiGe-технологии.

6. Низкоскоростные сети стандарта iеее 802.15.4 (ZigBee)

Однако мир испытывает потребность не только в сетях с высочайшими скоро­стями передачи данных. Для очень широкого спектра задач достаточно низкой скорости обмена - лишь бы сетевые устройства были максимально простыми, дешевыми, со сверхнизким потреблением энергии и несложным механизмом под­ключения к сети. Скажем, для интерактивных игр не нужна скорость обмена с компьютеров свыше 250 кбит/с, а разнообразные задачи автоматизации и систе­мы сбора информации и вовсе не требуют скоростей передачи свыше 20 кбит/с. Для решения данного круга задач и был разработан стандарт низкоскорост­ных БСПИ IEEE 802.15-4. Его разработчиком выступил альянс компаний (Invensys. Honeywell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips), назвавший себя ZigBee — (от Zig-zag — зигзаг и Bee — пчела). Подразумевалось, что топология сети будет напоминать зигзагообразную траекторию полета пчелы от цветка к цветку. Под таким замысловатым названием технологии ZigBee и получает все большее распространен не.

Стандарт IEEF, 802.15.4 (ZigBee) предусматривает работу в трех диапазонах: один канал 868,0-868,6 МГц (дли Европы), Ю каналов в диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот 2 МГц, самая нижняя из них — 906 МГц) и IG каналов в диапазоне 2400-2483,5 МГц (шаг центральных частот 5 МГц, самая нижний из них 2405 МГц) (табл. 8).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS). Модуляция и расширяющие после­довательности для диапазонов 868/915 и 2450 МГц различны.

В диапазоне 2450 МГц поток немодулированных данных разбивается на груп­пы по четыре бита. Каждая группа заменяется одной из 1б квазиортогональных последовательностей длиной 32 бита (чипа). Последовательности приведены в стандарте. Модуляция данных — квадратурная фазовая (QPSK). Черные чи­пы квазиортогональной последовательности (начиная с нулевого) модулируют синфазный (I) канал, нечетные — квадратурный (Q) канал. В результате по­следовательность в квадратурном канале смешена относительно синфазного на период одного чипа, поэтому модуляция называется Oftset-QPSK (QPSK со сдви­гом). Длительность импульса после квадратурного модулятора вдвое больше, чем длительность одного чипа (форма импульса - половина периода синусоиды с частотой, вдвое меньшей частоты чипов).

Таблица 8

Частотные диапазоны и скорости передачи в сетях IEEE 802.15.4

В диапазоне 868/915 МГц поток данных подвергается дифференциальному кодированию по схеме В% = £*_1фй*, Eq = 0. Здесь Hi и Е% — биты дои носче ко­дирования соответственно. Далее происходит замена каждого бита расширяющей последовательностью длиной 15 бит («1» заменяется на 0537i6, «0» на инверс­ную последовательность 7ЛС81б) Далее преобразованный ноток данных пере­дается в радиоканал посредством двухпозиционной фазовой модуляции (BPSK). Форма импульса при этом соответствует так называемому приподнятому коси­нусу, в данном случае - функции вида [sin(x)]/[x(1- )] , где х = 2πf/чипов t/, t=0..1/f чипов.

Сеть стандарта IЕЕЕ 802.15.4 содержит два типа устройств — так называемые полнофункциональные (FFD) и устройства с уменьшенной функциональностью (RFD). Их основное отличие: FFD могут устанавливать соединения с любыми устройствами, RFD — только с FFD. В каждой пикоести (PAN) должно быть устройство — координатор PAN. Его функции может выполнять только FFD.

Сеть, состоящая из одного FFD и нескольких RFD, образует топологию типа «звезда». Если в сети FFD несколько, топология может быть более сложной типа одноранговой сети (сети равноправных устройств, peer-to-peer) «каждый с каждым» (рис. 21) или объединение нескольких звездообразных кластеров (рис. 22). Но в любом случае одно из FFD выполняет функцию координато­ра сети. Каждому устройству сети присваивается С4-разрндный адрес. Отметим, что стандарт предусматривает взаимодействие устройств не только в рамках од­ной FAN, но и между различными соседними PAN (для чего и нужна развитая система адресации). Для упрощения обмена внутри сети координатор PAN мо­жет присвоить устройствам более короткие 16-ра)рядные адреса. В этом случае для межсетевого взаимодействия используются 16-разрядные идентификаторы сетей, также назначаемые координатором.

Рис. 21. Топологи сети IEEE 802.15.4 типа «звезда» «равный с равным»

Информационный обмен в пикосети происходит посредством последователь­ности суперфреймов. В общем случае суперфрейм включает управляющий ин­тервал (beacon), за ним следует интервал конкурентного доступа (САГ) в соот­ветствии с механизмом CSMA/CA и период назначенное доступа. Последний со­держит набор временных интервалов, назначенных определенным устройствам, чувствительным к задержкам, дли передачи данных (гарантированные тайм-слоты, GTS), например для связи беспроводного манипулятора «мышь» с ком­пьютером. Управляющий интервал передает только координатор PAN. Отметим, что в суперфрейме может не быть ни управляющего интервала, ни GTS. В об­щем, структура суперфреймов аналогична принятой в стандарте IEEE 8U2.15.3.

Каждое устройство передает информации) посредством фреймов (пакетов). Они могут быть четырех типов — управляющие (beacon frame), фреймы данных, фреймы подтверждения приема данных и фреймы команд МАС-уровня. Фрей­мы физического уровня (табл. 9) содержат заголовок с синхропоследовательностью и информацией о размере фрейма (до 127 байт) и собственно поле данных — пакет МАС-уровня.

Рис. 22. Объедине­ние нескольких кла­стеров в сети IEEE 802.15.4

Последний содержит заголовок со всей необходимой инфор­мацией о фрейме (тип, наличие крнптозащиты, необходимость подтверждения приема и т. п.), адреса и идентификаторы устройства - отправителя и получателя, собственно поле данных и проверочную контрольную сумму (табл. 10). Сама процедура обмена информацией может использовать пакеты подтвержде­ния приема данных (если потеря пакета критична).

Таблица 9

Структу­ра пакетов физиче­ского уровня стан­дарта IЕЕЕ802.15.4

Таблица 10

Структура пакетов МАС-уровня стандарта IEEE 802.15.4

7. Технология сверхширокополосной связи

Рассказывая о персональных беспроводных сетях передачи данных, нельзя не остановиться на технологии сверхширокополосой связи — направлении не то чтобы сосвем новом, но обретшим в последние годы второе дыхание. Из сугубо специальной технологии для для особых случаев (главным образом в военной области) оно обещает превратиться. В частности, в основу для сверхвысокоскоросных персональных БСПИ.

Рис. 23. Однокристальный модем МС 13192 компании Freescale Semiconductor

До 1989 года обозначения сверхширокополосных систем пользовались понятиями сигналов «без несущей», «импульсных», «несинусоидальных» и т.п. Определением термина «сверхширокополосные устройства» (UWB) введено агенством DARPA Министерства обороны США в 1990 году и скорректировано Федеральной комиссией связи США (FCC) в 2000 году. По определению FCC, к UWB- устройстввм относятся все системы со спектральной полосой не менее 1,5 ГГц. Все системы со спектральной полосой не менее 1,5 ГГц, а также устройства, у которых ширина спектральной полосы по уровню 10 дБ составляет по крайней мере 25% от значения центральной частоты( показатель широкополосности µ=2(fн-fL)/(fH+fL)≥0.25; где fH- верхняя граница спектральной полосы по уровню – 10 дБ, fL – нижняя граница). В отечественной науке к свехширокополосным относили сигналы, у которых ширина спектра ∆ соизмерима с центральной частотой 0: показатель широкополосности µ=∆ / 0≈1, в то время как у низкополосный сигнал, система» впервые введено известным отечественным спецалистом Л.Ю.Асташиным.

Работы в области сверхширокополосных систем начались в конце 50-х годов в связи с развитием радиолокационной техники как в США, так и в СССР. В США в то время несколко научных центров занимались исследованиями отклика микроволновых систем (например, антенных элементов) на короткоимпульсное (наносекунды и менее) воздействие. Такие работы в рамках создания радаров на фазированных антенных решётках вели и в исследовательском центре Sperry (позднее – Sperry Rand Corporation). В 1965 году сотрудник этого центра Джеральд Росс возглавии группу исследователей «электромагнитных явлений во временной области» (time domain electromagnetics). В результате был опубликован ряд пионерских работ. В 1972-1973 годах Д. Росс и другой сотрудник Sperry Rand Corporation Кеннет Роббинс подучили основополагающие патенты в области сверхширокополосных систем — «Передающая и детектирующая си­стема для генерации и приема импульсных сигналов без искажений для корот-коимпульсной коммуникационной системы» и «Короткоймпульсный прием­ник». Работы Росса и Роббинса заложили основу короткоимпульсной связи и локации в США. Достаточно сказать, что Росс является автором (самостоя­тельно или в соавторстве) свыше 40 патентов США в данной области. Всего же к 1989 году сотрудники Sperry Rand получили около 50 патентов США в области UWB-систем и различных аспектов их применения.

Одновременно с Россом и Роббинсом аналогичные исследования проводил Хеннинг Хармут (Американский католический университет), опубликовавший в 1969-1984 годах ряд статей и книг, посвященных UWB. В Римском исследо­вательском центре ВВС США работами по применению UWB-радаров занимал­ся Паул Ван Эттен, обнаруживший ряд важных эффектов. В 1974 году Морей разработал UWB-радарную систему для исследования подземных объектов, что явилось толчком дли нового направления — UWB-радаров дни геолокации и локации «сквозь стены». Важным этапом в развитии и UWВ-технологий ста­ло появление стробоскопических осциллографов с частотой сканирования выше 10 ГГц как за рубежом (Hewlett-Packard), так и в СССР. Не оставались в сто­роне и такие исследовательские центры, как Ливерморская и Лос-Аламосская национальные лаборатории. Отметим работы компании Mnltispectral Solutions, создавшей по заказу правительства США при участии Д. Росса коммуникаци­онную систему с высокой скрытностью и помехоустойчивостью (с малой вероят­ностью обнаружения и противодействия, LPI/D), принятую в 1987 году. Список исследователей и работ можно продолжать. Однако к 80-м годам основные тео­ретические исследования в области CWB уже были завершены, созданы первые гражданские и военные системы (радиолокация, геолокация, позиционирование, связь и т.д.).