Error code swlb 403 livejournal

?

Из старого архива: Без проводов. Часть 4. UWB

И всё-таки мало! Чего уж только не понапридумывали, чтобы убрать провода, связывающие компьютер с периферией, и всё равно мало! То дальность невысока, то скорость низкая, то сеть нельзя создать, то совместимости никакой. Вот и приходится инженерам снова садиться за рабочие столы и выдумывать новые технологии. Не так давно общественности был представлен новый стандарт, намного превосходящий все предыдущие наработки. Называется он IEEE 802.15.3a, а в общем виде — UWB (Ultra Wide Band) — сверхширокая полоса.
Основной причиной малой пропускной способности существующих протоколов беспроводной связи является малая ширина используемой полосы частот и не слишком эффективное её использование. Новая же технология UWB работает по принципу «чем больше полоса частот, тем выше пропускная способность канала связи».
Первые разработки системы широкополосной связи появились в шестидесятых и обеспечивали работу разных радиостанций в одной общей полосе частот. Через тридцать лет появились прототипы сверхширокополосной связи. Стахановцами в освоении UWB оказались американцы Д.Росс, К.Робертс, Л.Фуллертон, которые получили свыше 50 патентов на свои достижения. Подобные работы велись и в Советском Союзе — соответствующие генераторы были созданы в физико-техническом институте имени академика Иоффе. Однако в последнее десятилетие 20в. большинство исследований было прекращено.
В стандарте UWB используется самый широкий из всех технологий передачи данных диапазон частот — от 3 до 10 ГГц. В эфир передаётся не мощное гармоничное колебание, как обычно, а сверхкороткий импульс длительностью от 0,2 до 2 нс, а вся «трансляция» тянется от 10 до 1000 нс. Чтобы не мешать другим сигналам, работающим на той же частоте, используется режим модуляции Time Hopping — смещение излучаемого импульса во времени по псевдослучайному закону, что позволяет распределить энергию в широкой полосе частот, а сам сигнал сделать похожим на шум. В UWB-передатчике отсутствует необходимость использовать усилитель мощности и цепи преобразования частоты. Однако коммутирующие элементы должны быть стабильными и обеспечивать высокое быстродействие (10-100 пс). Тем не менее, в широкополосном диапазоне требуется намного меньше затрат энергии (так как в эфир отправляются импульсы с меньшим отношением сигнал/шум), чем при передаче узкополосного сигнала. Поэтому UWB-чипы оказываются экономичнее в работе, чем чипы bluetooth или Wi-Fi, — всего около 0,05 мВт; при этом они достаточно дёшевы.
Благодаря широчайшей полосе частот можно добиться сногсшибательной скорости передачи данных: от 110 Мбит/сек и выше. Для сравнения: «Синий зуб» обеспечивает всего 232 Кбит/сек. Правда, у новой технологии есть и серьёзный минус: пропускная способность резко падает с увеличением расстояния. Так, на дистанции в 3 метра можно достичь скорости USB 2.0 — до 480 Мбит/сек; а вот при удалении на 10 метров она падает до 110. По этому параметру Wi-Fi заметно выигрывает: 54 Мбит/сек на дистанции до 100 м.
Ещё один минус нововведения в том, что среди разработчиков возникло два течения, усиленно друг с другом борющихся. Инициатор введения стандарта UWB — Intel — выступала за применение технологии мультиплексирования сигнала по ортогональным несущим (OFDM-UWB). Эта технология разбивает весь спектр частот на промежуточные поддиапазоны шириной 528 МГц. Такое решение призвано снизить искажения в каждом поддиапазоне и немного увеличить дальность связи. В этом случае удаётся достичь максимальной скорости в 480 Мбит/сек на расстоянии в 3 метра. Возможно, Intel так усиленно «пробивает» этот вариант для того, чтобы унифицировать UWB и USB 2.0, а впоследствии внедрить UWB в разрабатываемый стандарт Wireless USB. В дальнейшем компания надеется увеличить дальность до 50 и даже 100 метров, — тогда ЩЩЩ действительно отойдёт на второй план.
Ребята из второго крыла, возглавляемого Motorola, ратуют за вариант DS-UWB (Direct Sequence), при котором весь спектр используется как единое целое, что позволяет добиться умопомрачительной скорости в 1 Гбит/сек на тех же трёх метрах удалённости.
В любом случае, решения как Intel, так и Motorola имеют достаточную пропускную способность для того, чтобы обмениваться потоками мультимедийных данных в режиме реального времени между множеством «завязанных» в беспроводную сеть устройств, а также «вылезать» в интернет и одновременно подключать к ПК множество периферийных гаджетов. Ещё одно преимущество UWB состоит в том, что сигналы имеют хорошую устойчивость к многолучевому затуханию, которое возникает при отражении волны от стен, потолка и подобных крупногабаритных артефактов. Так что объединённые в сеть устройствах могут находиться в разных комнатах и на разных этажах.
Противники внедрения UWB пытались убедить американскую Федеральную комиссию по связи не разрешать выводить на рынок системы, основанные на передаче сигнала в сверхшироком диапазоне частот. Потому как сие излучение вроде как может мешать нормальной работе систем GPS, сотовых сетей (на это особо делали упор мобильные операторы) и военных радиолокационных станций. Но всё же разработчики IEEE802.15.3а смогли доказать, что импульсы UWB чрезвычайно маломощны и никаких сбоев за собой не повлекут. В итоге ФКС разрешила совместное функционирование UltraWideBand с уже работающими приложениями в одной полосе частот, но всё-таки наложила некоторые ограничение по мощности и частотам.
Все UWB-системы подразделяются на три группы в зависимости от дальности связи и скорости обмена информацией. Первая группа — это низкочастотные решения (до 100 кбит/сек) — они предназначены для выполнения телеметрических задач и способны обеспечивать высокую скрытность передачи данных на расстоянии до нескольких километров при малой мощности излучения. Среднескоростные имеют радиус действия от 10 до 100 м и могут составить серьёзную конкуренцию всем версиям WiFi — a/b/g. Скорость передачи данных варьируется от 1 до 100 Мбит/сек. Высокоскоростные системы имеют радиус действия до 10 метров, зато и скорость превышает 100 Мбит/сек. Эта версия более экономична, чем Bluetooth, она же самая перспективная для разработчиков.
Собственно, перспективы огромны благодаря большому числу преимуществ над узкополосными и простыми широкополосными системами связи. Первым делом стоит отметить главное, ради чего это затевалось — большие скорости передачи информации; по пропускной способности UWB соперничает с FireWire (IEEE 1394) и USB 2.0. Второй пункт — высокая помехозащищённость: влияние узкополосных помех слишком незначительно, плюс совокупная длительность передающих импульсов составляет около 1% от всего времени трансляции, так что 99% — это просто шум, который затем «вырезается». В-третьих, стоит упомянуть высокую устойчивость связи в условиях многолучевого распространения радиоволн. Обычные сигналы многократно отражаются от стен и этакой кашей прилетают на антенну приёмника. В UWB эта проблема решена: передаваемый наноимпульс успевает затухнуть ещё до того, как до антенны доберётся его «отражение». Четвёртое преимущество — отличная защищённость от перехвата. Благодаря механизму передачи импульсов всякие шпионские приёмники и детекторы воспринимают UWB-излучение как посторонний шум и случайные помехи. Пятый плюс вытекает из четвёртого — сигналы UWB-систем практически не создают видимых помех для других устройств. Идём дальше: под пунктом шесть значится возможность многократного повторного использования одной и той же полосы радиочастот различными передающими радиосистемами. Это значит вот что: поскольку сигнал UWB не излучается в каком-либо конкретном частотном диапазоне, а распространяется на участке спектра, то сверхширокополосные передатчики могут делить одну и ту же частоту с другими системами — как гражданскими, так и военными. А так как в каждой конкретной точке спектра радиочастот мощность UWB-сигнала крайне мала (не превышая уровень побочных излучений мобильников, телевизоров и т.д.), то все решения на основе сверхширокополосной связи могут использоваться без лицензирования. Очередной, седьмой пункт, — высокая проникающая способность UWB-сигналов, благодаря чему связь можно осуществлять в местностях со сложным рельефом — между зданиями и даже в толще земли! Восьмой плюс таков: по причине сверхкоротких импульсов появляется возможность определять расстояние до объектов с точностью до нескольких сантиметров! Девятая хорошая весть: из-за низкой излучаемой мощности мало того, что обеспечивается скрытность передачи радиосигналов и практически исчезает вероятность перехвата информации, так ещё и потребляется при этом минимум энергии. Ещё обязательно скажем о том (под десятым пунктом), что конечные UWB-устройства предельно просты как по изготовлению, так и по принципиальной конструкции — нет усилителя мощности, гетеродина, элементов частотной фильтрации, а формируемый сигнал отправляется сразу на антенну, то есть передача осуществляется прямо с платы. Просто и дёшево. Наконец, у UWB-систем крайне высокая плотность передачи данных. Этот показатель — один из важнейших, который характеризует эффективность систем беспроводной связи. Чем выше суммарная скорость передачи данных на квадратный метр рабочей зоны, тем лучше. У Bluetooth этот показатель на уровне 30 кбит/сек/ кв.м., у UWB — до 1 Мбит/сек/кв.м.; вообще же потребности средненького офиса ограничиваются полтинником, — как видно, запас богатенький.
Применение UWB-систем не ограничивается одними лишь офисными потребностями, — вариантов использования сверхширокополосной связи множество. Убеждайтесь сами:
1. Радиорелейные сети подземного зондирования. Сигналы проникают на глубину до 7 метров и позволяют обнаруживать подземные захоронения — будь то воины, ядовитые отходы или залежи мин, которые не отыскиваются с помощью обычных РЛС.
2. Системы радионаблюдения (низкочастотные — до 960 МГц, среднечастотные — от 1,99 до 3,1 ГГц и высокочастотные — до 10,6 ГГц). С помощью этого приложения запросто можно с достаточной точностью определять местоположение людей под завалами, трещины в дорожном покрытии, неметаллические трубы в стенах.
3. Медицинский мониторинг на основе UWB гораздо эффективнее позволят снять кардиограмму.
4. Видеосистемы охранной сигнализации позволяют скрытно контролировать территорию — вокруг охраняемой зоны на расстоянии 100-150 метров создаётся невидимый радиоэкран, фиксирующий любое сквозь него проникновение — будь то миролюбивая кошка или злобный человек с монтировкой.
5. Автомобильные радары работают на частотах 22-29 ГГц — с ними можно практически вслепую перестраиваться из ряда в ряд и парковаться задним ходом.
6. Наконец, собственно внутриофисная связь (всё те же 3,1 — 10,6 ГГц). Можно законнектить ноутбуки, принтеры, PDA и другие офисные девайсы.
Первой компанией, которая получила сертификацию ФКС на своё UWB-изделие, стала Freescale Semiconductor, которая недавно была переименована в таковую из Semiconductor Products Sector of Motorola. Чипсет XS110 использует протокол DS-UWB (что и следовало ожидать — всё-таки детище «Моторолы»), который, как известно, в настоящее время является одним из кандидатов на стандарт IEEE 802.15.3 для сетей WPAN. Используя протокол DS-UWB, XS110 поддерживает обмен данными на скорости до 110 Мбит/с при минимальном энергопотреблении. На конгрессе 3GSM зимой этого года Freеscale Semiconductor представила участникам мобильный телефон Samsung Electronics, поддерживающий технологию Ultra Wide Band. Для демонстрации впечатляющих возможностей технологии UWB стендисты Freеscale передали сделанный встроенной фотокамерой телефона снимок на размещённый поблизости ноутбук. На завершение этой операции потребовалось — внимание — менее одной секунды! По заявлению представителей компании, телефон может так же запросто передавать MP3-файлы, данные из адресной книги и другую объёмную информацию. Эти процессы показывались на выставке постоянно и непрерывно — скорость и возможности поражали даже специалистов.
Помимо тех компаний, которые составляют костяк двух «фракций» стандарта UWB, в разработку конечных устройств втянулась японская компания Sanyo. Руководство заявило о том, что их чипсет UWB cможет применяться, например, в цифровых камерах, LCD-проекторах, мобильных телефонах, DVD-рекордерах и телевизорах. «Жучок» будет поддерживать многополосную OFDM передачу и обеспечивать пропускную способность до 480 Мбит/с. По данным компании, данная моделька включает малошумящий усилитель, поддерживающий диапазон 3,1-10,6 ГГц, а также высокоскоростной аналогово-цифровой преобразователь и канальный процессор с пониженной потребляемой мощностью. Малошумящий усилитель не превышает уровень шума в 2,5-3 дБ, а аналогово-цифровой преобразователь способен обрабатывать более 1 млрд. сэмплов в секунду. Низкое энергопотребление микросхем позволяет предполагать суммарную потребляемую мощность гаджета на уровне около 300-500 мВт. Предполагается, что начальная цена модуля будет порядка 14 долларов США.
Перспективы развития сами собой вырисовываются в мозгу. Вот и консалтинговая компания ASIS глаголит, что в ближайшие 5 лет рост UWB-рынка составит 285% в год и уже к 2007 году во всём мире будет 274 млн UWB-гаджетов, из которых 59 млн смогут работать на больших радиусах.