Научная статья на тему 'Сверхширокополосная беспроводная связь: история и перспективы развития'

Сверхширокополосная беспроводная связь: история и перспективы развития Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1672
483
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Соколова М. В.

Основными тенденциями развития современных систем радиосвязи являются глобализация, персонализация, конвергенция и безопасность. внедряются новые методы, обеспечивающие повышение скорости передачи, снижение влияния помех в каналах и экономное расходование полосы частот. С этой точки зрения возможности широкополосного беспроводного доступа (ШБД) привлека ют как пользователей и, следовательно, операторов связи, так и разработчиков.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Соколова М. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Сверхширокополосная беспроводная связь: история и перспективы развития»

Сверхширокополосная беспроводная связь:

история и перспективы развития

ОСНОВНЫМИ ТЕНДЕНЦИЯМИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ ЯВЛЯЮТСЯ ГЛОБАЛИЗАЦИЯ, ПЕРСОНАЛИЗАЦИЯ, КОНВЕРГЕНЦИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ. ВНЕДРЯЮТСЯ НОВЫЕ МЕТОДЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ, СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ В КАНАЛАХ И ЭКОНОМНОЕ РАСХОДОВАНИЕ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ. С ЭТОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ШИРОКОПОЛОСНОГО БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА (ШБД) ПРИВЛЕКАЮТ КАК ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ И, СЛЕДОВАТЕЛЬНО, ОПЕРАТОРОВ СВЯЗИ, ТАК И РАЗРАБОТЧИКОВ.

Соколова М.В.,

аспирант МТУСИ

В отличие от проводных технологий широкополосного доступа xDSL и сетей кабельного телевидения, беспроводная сеть может быть развернута за короткий срок, требует значительно меньших капитальных затрат на построение и прекрасно подходит для регионов, где применение кабельных широкополосных сетей доступа экономически нецелесообразно или невозможно.

Широкополосные конкуренты

Существующие технологии широкополосной беспроводной связи, такие как Wi-Fi (IEEE 802.11) и WiMAX (IEEE 802.16), благодаря своим характеристикам приобрели большую популярность. Тем не менее, из-за малого радиуса действия базовых станций и ряда других особенностей технология Wi-Fi не очень подходит для сплошного покрытия больших территорий с низкой плотностью пользователей и для организации "последней мили", к тому же заявленные значения скоростей передачи информации уже с трудом отвечают современным запросам. Технология WiMAX (802.16) позволяет обеспечить связь со скоростью 100 Мбит/с на расстояниях до 70 км [7]. Однако необходимо учитывать, что подобная скорость представляет собой суммарную скорость передачи для всех абонентов базовой станции, а указанное расстояние отвечает обслуживанию базовой станции единственного абонента в условиях прямой видимости. По мере роста числа абонентов эффективная скорость и

радиус действия значительно сокращаются. Более того, в отличие от Wi-Fi построение сетей WiMAX требует тщательного частотного планирования.

Таким образом, учитывая скорость проникновения услуг связи, есть все основания полагать, что требования к качеству и скорости передачи информации будут возрастать. Не стоит также забывать и об усложняющейся электромагнитной обстановки, а также ограниченности частотного ресурса. Очевидно, что предпочтительными будут технологии, позволяющие повторно использовать занятые диапазоны частот и, тем самым, повышать эффективность использования радиочастотного спектра, будут предпочтительными [1, 2, 3, 7].

История создания СШП связи

Подобные возможности предоставляются сверхширокополосными (СШП) системами, и, хотя повышенный интерес к ним возник относительно недавно, история вопроса насчитывает более 100 лет. Первый всплеск исследований связан с предложенной Максвеллом теорией электромагнитного излучения. Через несколько лет после опубликования теории, в своей лаборатории Герц демонстрирует распространение электромагнитных волн в свободном пространстве, пока еще не осознавая всех возможностей применения. Но уже в 1985 г. Маркони патентует устройство, позволяющее передавать телеграфные сообщения. Позже, Тесла

изобретает аналогичное устройство, но исследования приостанавливаются в связи с началом Первой мировой войны.

Работы в области СШП систем возобновились в конце 1950-х гг. в связи с развитием радиолокационной техники. В 1972 — 1973 гг. американские исследователи Д. Росс и К. Роббинс получают основополагающие патенты в области СШП связи, параллельно с ними аналогичные исследования проводит Х. Хармут. В 1987 г. американская компания Multispectral Solutions при участи Д. Росса по заказу правительства США разрабатывает систему связи с высокой скрытностью и помехоустойчивостью. В это же время проводятся исследования советскими учёными, преимущественно в области радарной техники (работы Зернова, Астанина, Костылева и др.), к началу 1990х гг. уже созданы первые гражданские и военные СШП системы (радиолокация, геолокация, позиционирование и др.). Однако, с началом "перестройки" многие работы по разработке сверхширокополосных технологий приостанавливаются.

Третья волна исследований связана с попытками коммерческого применения СШП систем. В 1987 г. американский ученый Л. Фуллертон получил свой первый патент в области сверхширокополосной связи и основал компанию Time Domain. За десять лет компания превратилась в одного из лидеров в области портативных сверхширокополосных устройств связи и радаров. В описанной Фуллертоном системе сверхширокополос-ной связи передача ведется короткими импульсами (20-0,1 нс). Регулярная последовательность таких импульсов (рис. 1) не несет никакой информации, ее спектр имеет выраженный "гребенчатый характер", поэтому подобный сигнал может интерферировать с сигналами других радиотехнических систем. Информация кодируется посредством временной позиционно-импульсной модуляции. Смещение импульса в по-

0 0.2 0,4 0.6 0.8

I, не

Рис. 1. Моноцикл Гаусса

следовательности вперед относительно исходного положения задает логический 0, а назад — 1. Отметим, что ввиду чрезвычайно малой длительности импульсов энергия сигнала в каждом луче практически полностью затухает до момента прихода его следующего луча. Следовательно, СШП технология обеспечивает устойчивую связь без меж-символьных искажений [2, 8].

Современные СШП технологии

В конце 2002 г. рабочая группа 1ЕЕЕ 802.15, проводящая открытую стандартизацию систем беспроводных коммуникаций для персональных компьютерных сетей, выпустила запрос на предложения стандарта нового (альтернативного) физического уровня для беспроводных сетей на основе СШП технологии с высокой пропускной способностью, обеспечиваемой на сравнительно небольших расстояниях (порядка 510 м). Ожидаемые технические характеристики такой системы помимо высокой пропускной способности предполагают обеспечение связи на больших расстояниях при пропускной способности меньшего уровня, низкое энергопотребление, обеспечение множественного доступа и возможность последующего наращивания частотного диапазона по мере расширения спектральной маски для СШП-передатчиков.

Очевидно, что классическая технология передачи данных в широкой полосе частот, описанная выше на примере импульсного радио Фуллертона, не способна удовлетворить техническим требованиям, поставленным рабочей группой 1ЕЕЕ 802.15.4a. Чтобы обеспечить работу беспроводной сети на том уровне, который диктуется современными задачами, необходимы кардинально новые подходы к СШП технологии. По принципу действия существующие методы сверх-широкополосной (СШП) связи можно разделить на две большие группы, в первом случае расширение спектра осуществляется с помощью псевдослучайных последовательностей (ПСП). Другой подход в создании СШП систем связан с использованием СШП каналов связи, когда весь диапазон канала делится на субканалы, которые могут использоваться для передачи информации либо одновременно, либо поочередно, таким образом совмещаются достоинства узкополосных сигналов с достоинствами СШП каналов.

В настоящее время рабочей группой 1ЕЕЕ 802.15.4а рассматриваются следующие

решения. Решение на базе импульсного подхода было доведено до практической реализации в виде действующего в реальном масштабе времени прототипа (была достигнута скорость передачи данных свыше 220 Мбит/с), публичную демонстрацию которого компания Intel провела на Intel Developer Forum в г. Токио [9].

В предложенном стандарте для более эффективного использования диапазона передача данных осуществляется широкополосными радиоимпульсами (рис. 2).

Частотная полоса, занимаемая импульсом, управляется двумя параметрами: fc — центральная частота импульса, а fs — величина порядка ширины спектра импульса. Кроме того, вся используемая полоса 3,110,6 МГц разбивается на поддиапазоны ~700 МГц, и в каждом поддиапазоне выбираются свои параметры импульса, для того чтобы соседние поддиапазоны не перекрывались. Модуляция сигнала производится в нескольких поддиапазонах, для более эффективного использования разрешенной частотной полосы [10].

Разделение на поддиапазоны предоставляет возможность динамически управлять спектром сигнала, исключая те поддиапазоны, в которых возможна нежелательная интерференция с мощными узкополосными сигналами, а также удовлетворять ограничениям, накладываемым на излучаемый спектр сигнала правилами, действующими в определенной стране или регионе. Важным преимуществом предлагаемого подхода является меньший пик-фактор излучаемого сигнала при той же излучаемой мощности, что упрощает реализацию приемного и передающего тракта на КМОП-структурах.

Другое решение, на базе подхода с использованием модуляции со многими ортогональными поднесущими (подобный тип модуляции используется в xDSL-технологиях и в локальных сетях, отвечающих протоколу

0 1,5 3

t, нс

Рис. 2 Временная форма и спектр импульса длительностью 3 нс с центральной частотой 4 ГГц

IEEE 802.11), в настоящее время поддерживается альянсом из многих известных компаний и может рассматриваться как наиболее вероятный кандидат на будущий стандарт IEEE 802.15.4а для беспроводных сетей следующего поколения. Сущность данного подхода заключается в том, что OFDM-модуляция сигнала производится в полосе порядка 500 МГц, а затем с помощью аналогового гетеродина переносится на центральную частоту того поддиапазона, в котором в данный момент ведется передача. Достоинствами такой архитектуры является, во-первых, присущая OFDM-системам устойчивость к многолучевому распространению, а значит отсутствие острой необходимости в дополнительных входных цепях типа RAKE. Во-вторых, требуемая точность синхронизации приемного и передающего устройств ниже, чем в импульсном решении, что существенно сказывается на сложности входного тракта и на времени, затрачиваемом на синхронизацию. В-третьих, ортогональное частотное разделение позволяет увеличить гибкость спектральной приспо-сабливаемости системы за счет включения/выключения отдельных поднесущих. К недостаткам данного подхода можно отнести требование высоких вычислительных ресурсов для осуществления быстрого преобразования Фурье и относительно высокое отношение пиковой мощности к средней излучаемой мощности в OFDM-символе.

Перспективы развития СШП связи

В основе технологий сверхширокополос-ного радиодоступа лежит применение сверхширокополосных сигналов, т. е. сигналов, имеющих сверхширокополосную несущую, форма которой определяется характеристиками радиолинии. Сверхширокопо-лосность сигнала можно определить следующим образом [3]:

(1)

в=АГ-1

Аф

где А С — эффективная полоса сигнала, Аф — эффективная физическая полоса радиолинии.

Сигналы, удовлетворяющие условию РС ~1, будем называть сверхширокополос-ными.

В рассмотренных выше системах использовались так называемые аналого-цифровые СШП сигналы, т. е. сигналы, имеющие гармоническую несущую и дискретную, расширяющую спектр функцию. Тем не менее, анализ развития современных телеком-

муникационных систем показывает необходимость поиска новых решений, так как применение гармонических несущих не удовлетворяет новым требованиям. Цифровые несущие вызывают всё больший интерес [1].

Цифровую несущую можно определить как последовательность квантованных по величине значений напряжения или тока при отсутствии модуляции. Примером простейшей цифровой несущей может служить меандр. С точки зрения технико-экономической эффективности в качестве цифровой несущей наиболее целесообразно использовать функции Уолша [1, 5], обладающие такими свойствами как ортогональность, полнота и замкнутость системы функций, периодичность, простота схем генерации и модуляции и др. В отличие от гармонических функций, которые имеют три независимых параметра, функции Уолша имеют четыре параметра: амплитуду, временное положение (фазу), частоту и временную базу (период).

Однако, непрерывные несущие Уолша с прямоугольной формой импульса не являются оптимальными при распространении сигнала. Для синтеза элемента оптимальной несущей на входе радиолинии необходимо знать её системные характеристики (например, передаточную функцию или связанную с ней импульсную характеристику). Поскольку центральная часть радиолинии — физическая среда распространения радиоволн — обладает существенной сложностью, то для её описания широко используются различные эмпирические модели [5, 6]. При моделировании среды распространения СШБД целесообразно использовать подход "чёрного ящика", который заключается в том, что радиолиния описывается одной из системных характеристик, например, передаточной функцией. Определим передаточную функцию радиолинии с помощью метода полиномиальной аппроксимации эмпирической модели Хата. Далее в результате стандартного синтеза полиномами Баттерворта [6] при значении нижней частоты моделируемой радиолинии /^ = 500 МГц, а верхней — = 1500 МГц и некото-

рых дополнительных преобразованиях, получаем динамическую модель аппроксимируемой радиолинии:

к П • р

(2)

при нормировке П = 1.

В качестве критерия оптимальности формы СШП сигнала целесообразно принять минимум энергии импульса несущей Уолша при заданном пиковом значении сигнала на выходе радиолинии [1, 6], что означает не только увеличение скорости передачи информации (сужение элементов СШС при заданной длительности Ти), но и улучшение электромагнитной совместимости СШБД.

Таким образом, необходимо минимизировать квадратичный функционал

(^ВЫХ, ^вых) ( ^ВЫХ, ^вых) ( HSbx, HSbJ

= (I H\z Sbx, SJ,

(3)

где (.,.) — скалярное произведение; 5вх = = ^вх(^) — форма импульса несущей Уолша. Н — передаточная функция радиолинии.

Аналитическое решение такой задачи достаточно сложно, поэтому применив численные методы, находим форму импульса оптимальной несущей на входе радиолинии (рис. 3) для различных значений широкопо-лосности радиолинии. Отметим, что спектральная плотность входного сигнала является обратной по отношению к АЧХ радиолинии. Это приводит к тому, что спектральная плотность сигнала на выходе радиолинии будет равномерной, что и обеспечит минимальную длительность импульса на выходе при принятых ограничениях [5].

Вопросы частотного регулирования

Преимущества СШП систем, среди которых скрытность, повышенная помехоустойчивость, большая пропускная способность, электромагнитная совместимость и др., делают их одним из наиболее привлекательных кандидатов на роль систем следующего поколения. Указанные достоинства позволя-

где к — параметр, определяющий широко-полосность модели радиолинии; П — ослабление сигнала на трассе распространения,

ют применять подобные системы в самых различных сферах, от высокоскоростной передачи данных для мобильных пользователей и подключения удаленных узлов операторов связи до систем чрезвычайной связи и биомедицинских датчиков. Тем не менее, достаточно остро стоят вопросы частотного регулирования. Например, первая попытка утвердить СШП-излучение как не требующее частотной координации в США в 1998 г. вызвала бурную полемику, так как формально излучение СШП-передатчиков соответствовало требованиям Кодекса федерального регулирования США, что автоматически давало право на безлицензионную работу в диапазонах частот, где это условие соблюдается. Оппоненты утверждали, что СШП-передатчики не являются источниками непреднамеренного излучения, а значит, не подпадают под действие указанного нормативного документа. Пиковая мощность у них может быть значительной, поэтому необходимо установить более жесткие нормы и на нее. Кроме того, СШП-сигналы — потенциальный источник помех для работающих средств. Однако представленные доказательства базировались лишь на теоретических расчетах, поскольку улавливать слабые СШП-сигналы традиционное

измерительное оборудование не позволяло. В феврале 2002 г. было принято компромиссное решение разрешить совместное функционирование СШП систем с уже работающими службами в общей полосе частот, но наложить ограничения по мощности и частотам.

В Европе наиболее жесткие нормы установлены на уровни побочного излучения, включая излучения на гармониках, паразитное и интермодуляционное, а также вызванное побочными составляющими при преобразовании частоты [7, 8, 10].

В России данный вопрос находится в стадии разработки, тем не менее уже существуют несколько стандартов, которые определяют нормы на внеполосные и побочные изучения, а также на индустриальные помехи (причем для них предусмотрены самые жесткие ограничения).

Литература

1. Урядников Ю.Ф., Аджемов С.С. Сверхши-рокополосная связь. Теория и применение — М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

2. Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи — М.: Техносфера, 2004. — 168 с.

3. Аджемов С.С., Соколова М.В., Урядников Ю.Ф., Штыркин В.В. Сверхширокополосная связь — результат развития технологий широкополосного доступа. — Электросвязь, 2006. — №2. — с. 18-23.

4. Имореев И.Я., Синявин А.Н. Излучение сверхширокополосных сигналов. — Антенны, выпуск 1(47), 2001. — с. 8-15.

5. Соколова М.В., Григорьева ЕД Моделирование элемента несущей сверхширокополосного сигнала на выходе радиолинии // Материалы V Международной научно-технической конференции. — М.: МИРЭА, 2007. — с. 210-213.

6. Соколова М.В., Григорьева ЕД, Урядников Ю.Ф. Анализ сверхширокополосного сигнала на выходе радиолинии // Труды МТУСИ. — М.: ИД Медиа Паблишер, 2007. — с.105-110.

7. Wi-Fi/WiMAX Настоящее и будущее широкополосного доступа, — Мобильные телекоммуникации, апрель 2006.

8. http://grouper.ieee.oig/groups/802/15/

9. Intel Corporation. Intel's Multi-band UWB PHY Proposal for IEEE 802.15.3a // IEEE 802.15.3a Working Group, submission, Mar. 2003.

10. T.W. Barrett. History of UltraWideBand (UWB) Radar & Communications: Pioneers and Innovators//Progress In Electromagnetics Symposium 2000, Cambridge, MA, July 2000.

ЫЕС и ЫЕГСЕЛк объединяют усилия в области разработки интегрированного решения

точки доступа для фемтосот 3Э

NEC предоставляет операторам телекоммуникационных сетей готовое, комплексное решение, в которое входят: точка доступа для фемтосот 3G (3G Femtocell Access Point), шлюз фемтосоты (Femtocell Gateway) и система инициализации и управления точкой доступа (Access Point Management and Provisioning System). NEC предлагает несколько вариантов точек доступа для фемтосот 3G на выбор — NETGEAR Femtocell Voice Gateway (DVG834GH) образует часть ширящегося спектра точек доступа NEC на базе стандартных интерфейсов от разных поставщиков. NETGEAR DVG834GH поддерживает интерфейсы Iu-over-IP и SIP. Интерфейс Iu-over-IP между точкой доступа и шлюзом фемтосот является производным от существующего стандарта 3GPP GAN (Generic Access Network) с минимальными расширениями, которые в настоящее время рассматриваются на предмет стандартизации. NETGEAR DVG834GH поддерживает стандартный 3GPP-совместимый радиоинтерфейс, позволяя конечным пользователям делать или при-

нимать телефонные вызовы с применением существующих аппаратов 3G. Система инициализации и управления точками доступа NEC на базе стандартных спецификаций TR-069 будет взаимодействовать с NETGEAR DVG834GH, управлять этим устройством и инициализировать его.

Решение NETGEAR DVG834GH содержит мощный абонентский шлюз со встроенными модемом ADSL2+, маршрутизатором, коммутатором Ethernet 10/100, точкой доступа к беспроводной сети 802.11 g, поддержкой услуг "голос поверх IP" (VoIP), двойным межсетевым экраном SPI и точкой доступа к мобильной сети 3G на основе технологии WCDMA. NETGEAR DVG834GH позволит операторам мобильных сетей расширить и улучшить зону обслуживания и емкость сети 3G в помещениях жилого дома и/или малого офиса, а также обеспечить беспрепятственный доступ к самым передовым службам домашней сети через существующие телефоны 3G.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.