13 лет назад 9 декабря 2005 в 17:43 66

Знаете, в чем заключается главная проблема беспроводной связи? В том, что освоенный человечеством диапазон радиочастот не бесконечен. Если бы можно было безболезненно выделять для любого нового устройства свой кусочек эфира, то и проблем бы не было. “Новый радиоуправляемый интернет-чайник? Назначить ему в пожизненное пользование столько-то мегагерц в районе двенадцатого гигагерца!”. Увы, так нельзя. Эфир – как государственная граница. Она или есть (вместе с пограничными столбами, таможенными пунктами и регулировкой транспортных потоков), или ее нет, но тогда – неразбериха и хаос.

Вот и с радиоэфиром так же. Активно используемый радиодиапазон, как это ни странно, маленький и сегодня ограничивается величиной, измеряемой в десяток-другой гигагерц. А желающих работать в эфире очень много. Телевидение, радио, гражданская авиация, морской и сухопутный транспорт, навигационные, спасательные и медицинские подразделения, МВД, ФСБ, армия! Одних только обязательных служб в любом приличном государстве имеется, прямо скажем, немало. А ведь еще есть и простые граждане, а они совсем не прочь приобщиться к благам технического прогресса. Чтобы всем хватило места и помехи не угробили саму идею радиосвязи, эфир приходится лицензировать.

Ясно, что в таких условиях изобретение новой или совершенствование старой беспроводной технологии неизбежно натыкается на проблему свободного пространства. Эта проблема осложняется еще и тем, что эфирное “решето” в разных странах выглядит по-разному. Единственное, что в имеющейся ситуации играет на руку разработчикам – наличие общемировых нелицензируемых диапазонов.

Однако нелицензируемый не означает абсолютно свободный. Например, одним из наиболее активно используемых является диапазон 2,4 ГГц. Он давно освоен радиолюбителями, в нем работает аппаратура мобильной спутниковой связи, медицинское оборудование, разнообразная бытовая электроника. В него же относительно недавно пришли устройства Wi-Fi и Bluetooth. Понятно, что все 2,4-гигагерцевые приборы в той или иной степени мешают друг другу. И хотя разработчики стараются обеспечить своим решениям максимальную помехозащищенность, в условиях мегаполисов качество беспроводной связи далеко не всегда приемлемое.

МЫ ПОЙДЕМ ДРУГИМ ПУТЕМ
Как осуществляется передача информации в традиционных узкополосных системах связи? Передатчик генерирует несущий гармонический сигнал (обычно синусоида), на него накладывается модуляция (амплитудная, частотная, фазовая), в итоге получается закодированный сигнал. Несущая частота выполняет роль тягача, модуляция – прицепленного к нему фургона. В этой аналогии эфир представляет собой транспортную магистраль, по которой движутся грузовики с кабинами и прицепами разных форм.

Приемник выполняет обратную операцию: зная, как выглядит кабина тягача, он способен отделить нужные прицепы, то есть информацию от транспорта. А вот внешний вид грузовика в целом, то есть ширина спектра результирующего сигнала, определяется скоростью модуляции – чем выше скорость, тем шире спектр. Более того, тем шире и вместительнее прицепы (больше объем передаваемой информации; будем считать, что он напрямую связан с шириной прицепа). Теперь попытаемся представить множество грузовиков, снующих взад-вперед по параллельно расположенным полосам дороги.

Скорость у них одинакова, так как радиосигнал распространяется со скоростью света. А вот информационная скорость зависит от того, насколько широки кузовы прицепов (широк спектр). Если на соседних полосах окажутся слишком широкие прицепы, произойдет столкновение. Последствия – повреждение груза или даже полная потеря транспорта. Таким образом, возникает дилемма: или повышать информационную емкость сигнала, отхватывая больший кусок от небесконечного эфира, или еще более ужесточать выделение частотных каналов. Магистраль-то у нас с вами, как и диапазон радиочастот, не резиновая…

НЕЗНАКОМЕЦ В МАСКЕ
Технология Ultra Wide Band (сверхширокополосная связь), или UWB, разрабатывалась как раз для того, чтобы обойти ограничения, налагаемые узкополосной связью. Конечно, придумали ее не в одночасье. Особенности сверхширокополосного сигнала стали изучать еще в начале 60-х годов прошлого века.

Технологию UWB использовали в основном военные, весьма кстати она пришлась для создания радаров. Однако разработке нового стандарта, пригодного для использования именно в потребительских устройствах, были посвящены лишь последние несколько лет. Сейчас этот стандарт практически приобрел конкретные очертания, но дались они разработчикам нелегко.

Прежде чем описывать тернистый путь UWB, дадим сверхширокополосному (СШП) сигналу определение. Применительно к разрабатываемому стандарту на сегодняшний день под СШП-сигналом понимают любые сигналы, имеющие ширину спектра более 500 МГц в диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц и удовлетворяющие так называемой спектральной маске, ограничивающей особым образом уровень сигнала на некоторых участках диапазона (фактически спектральная маска – это набор дополнительных ограничений).

Такую формулировку СШП-сигналу дала в 2002 году федеральная комиссия по связи США (FCC), одобрив продажу и коммерческое использование некоторых типов устройств на базе технологии UWB. До сих пор американцы пребывают в одиночестве, весь остальной мир ждет официального принятия стандарта IEEE 802.15.3a.

БОРЬБА ЗА СТАНДАРТ
На протяжении нескольких лет идет отчаянная борьба между сторонниками двух разных реализаций UWB-технологии: DS-UWB (Direct Sequence – кодирование методом прямой последовательности) и MBOA-UWB (MultiBand OFDM Alliance – альянс, предлагающий многоканальную OFDM-модуляцию). В DS-UWB предлагается использовать весь обозначенный выше спектр целиком, что позволяет достичь пропускной способности до 1 Гбит/с на дистанции до 3 м.

В то же время MBOA-UWB ратует за разбиение частотного диапазона на каналы шириной 528 МГц с последующим специальным кодированием для увеличения дальности связи до 10 м (110 Мбит/с на расстоянии 10 м и 480 Мбит/с на 3 м), это нечто похожее на частотные скачки, применяемые в Bluetooth. Однозначно сказать, какой вариант лучше, нельзя – они просто разные. Тем не менее, предположить, в чью пользу склонится чаша весов, можно.

В группу компаний, продвигающих первый способ, входят Agere Systems, Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, NEC, Philips Semiconductors и Samsung. Лидером второй группы является Motorola. Несмотря на, казалось бы, подавляющее большинство грандов во главе с Intel, одолеть весьма авторитетную в вопросах связи Motorola могучей кучке пока не удалось – необходимого большинства в 75% никто не получил. И все же рано или поздно первая группа просто обязана взять верх.

Что роднит предлагаемые варианты реализации? Вместо несущего синусоидального колебания UWB использует последовательность сверхкоротких импульсов, имеющих, соответственно, сверхширокополосный спектр. Длительность таких импульсов составляет менее 0,5 нс, а время последовательной передачи – до 1000 нс. Что важно, чем короче импульс, тем сильнее расширяется спектр сигнала и тем слабее его спектральная плотность.

Фактически сигнал, “размазанный” по всему спектру, сливается с белым шумом радиоокружения, и из этого следуют два серьезных достоинства UWB. Первое: шумоподобность затрудняет несанкционированный перехват. Второе, более полезное: практически отсутствуют помехи для других участников радиообмена и повышается помехоустойчивость переданного сигнала. Даже в случае частичной потери информации из-за узкополосных помех восстановить ее не представляет труда – в алгоритмы заложена избыточность

Какова же разница между DS и MBOA? DS-UWB работает с единым и неделимым диапазоном 3,1–10,6 ГГц. А вот претендующий на звание стандарта MBOA-вариант делит диапазон на тринадцать частотных участков в четырех группах. В каждом из них передается свой сигнал, осуществляется временное разделение доступа к среде.

В чем заключается достоинство такого подхода, догадаться нетрудно. С одной стороны, если на одном из участков возникают нежелательные пересечения с другими технологиями, его можно перепрограммировать или вообще заблокировать. С другой стороны, с лицензированием неделимого 7,5-гигагерцевого участка в отдельных странах вполне могут возникнуть проблемы (чего далеко ходить, достаточно вспомнить ставший в России “неудачником” стандарт 802.11a). А вот из тринадцати частотных участков пару-тройку наверняка можно подобрать для любого государства.

КАК ОНО БУДЕТ РАБОТАТЬ
И, наконец, еще одна немаловажная деталь: стоимость готовых решений. Бытует мнение, что чем выше расположен рабочий диапазон радиоаппаратуры, тем она дороже. Это далеко не всегда так. Построение беспроводной связи UWB с точки зрения схемотехнических решений более простая задача, чем создание аналогичных узкополосных систем.

Ведь, по сути, UWB-передатчик состоит из одного транзистора, работающего в цифровом режиме: вкл-выкл. Транзистор закрыт – его состояние соответствует логическому нулю, открыт – единице. Изменение состояния формирует импульс, непосредственно передающийся через антенну в пространство.

Не нужны несущие частоты, как не требуется и традиционное предварительное усиление сигнала. UWB-приемник тоже проще в изготовлении, чем его узкополосные собратья. Кстати говоря, одно-двухчиповые решения для сверхширокополосных систем – то, что доктор прописал: все функциональные узлы занимают минимум площади (несколько квадратных миллиметров). Ну а если проще, то значит и дешевле.

Отсутствие необходимости усиливать сигнал не только упрощает конструкцию передатчика, но и самым положительным образом влияет на снижение энергопотребления. Максимум потребления, приходящийся на режим передачи, находится на уровне 200 мВт, а это значит, что UWB-системы будут иметь весьма неплохие перспективы на рынке мобильных устройств.

Таблица 1. Энергопотребление UWB-чипов
Режим TX TX RX RX RX
Скорость 55 Мбит/с 110, 200 Мбит/с 55 Мбит/с 110 Мбит/с 200 Мбит/с
90-нм чип 85 мВт 128 мВт 147 мВт 155 мВт 169 мВт
130-нм чип 104 мВт 156 мВт 192 мВт 205 мВт 227 мВт

*TX – передача, RX – прием

Давайте теперь вернемся к нашей аналогии с магистралью и попытаемся понять, как выглядит на ней информационный UWB-поток. Так как сигнал широкополосный, то в роли транспорта выступают уже не мощные тягачи, а отряды юрких мотоциклистов. Скорость у тех и других одинакова – скорость света. Задавить мотоцикл грузовиком (узкополосной помехой) вполне возможно, но за счет избыточности передаваемой информации оставшаяся команда все же соберет груз (информацию) воедино. Единственное, что требуется от приемника – знать нужную последовательность их движения в потоке, то есть уметь отличать своих мотоциклистов от чужих и от похожих на них владельцев “мотороллеров” (под которыми скрываются шумы).

ГДЕ ОНО БУДЕТ РАБОТАТЬ
Стандарт IEEE 802.15.3a пока не принят, а платформы уже есть. Заблаговременный выпуск платформ в мире мобильной связи уже давно не считается моветоном. Это демонстрация силы, на которую способны лишь действительно мощные компании. Знак для институтов стандартизации и рекламный указатель для отслеживающих все новинки профессионалов. К примеру, на весенних азиатских сессиях IDF компания Staccato Communications демонстрировала свой набор Ripcord UWB Development Kit (SC3100D), работающий в паре с мультимедийным микропроцессором для цифровых камер M-3 Series MB91382 компании Fujitsu.

Для оперативной печати фотографий и быстрого копирования эта связка подходит превосходно. Кроме того, с его помощью камеры, умеющие снимать ролики, в будущем окажутся вполне способны транслировать беспроводное потоковое видео. Еще один пример – Motorola. Первые чипсеты DS-UWB были продемонстрированы ею уже в конце прошлого года, а в этом году даже проведены улучшения скоростных и качественных характеристик. Чипсет XS110 компании Freescale (подразделение Motorola) работает на расстоянии в два раза больше максимальных 10 метров. К тому же потребителям обещают совместимость с будущими спецификациями на уровне обновления прошивки.

Так где же будет применяться UWB-связь? Персональные беспроводные сети – вот ее стихия. Ближайший конкурент и родственник – Wi-Fi – примерно на порядок выигрывая в дальнобойности, на столько же проигрывает в скорости. Козырное преимущество UWB – отличная пропускная способность, пригодная для полноценной работы с видеопотоками.

То, чего до сих пор так не хватало всем видеоманам – беспроводные трансляции и скоростная перегонка файлов “по воздуху” – наконец-то стало реальностью. Это, само собой, не единственное. Обладатели компьютеров, бытовой электроники и мобильных устройств нуждаются в технологиях, позволяющих организовывать быстрый обмен данными между любыми приборами. Кто, скажите, откажется от беспроводного монитора? Правильно: за разумную цену – никто.

Производители пророчат образование нового огромного сегмента рынка для автомобилистов. Как вам, к примеру, возможность одновременно с заправкой машины за пару мину “залить” в бортовое хранилище данных детальные карты местности? А свежие музыкальные альбомы?

TO BE CONTINUED
Мы затронули только общие вопросы технологии Ultra Wide Band. Как и всякий стандарт, она найдет свое воплощение в продуктах, объединенных более ярким и понятным названием. Если вы читали внимательно, то, конечно же, заметили любопытное значение одной из возможных скоростей передачи: 480 Мбит/с.

Совпадение с USB high speed не случайно, более того, первые спецификации технологии Wireless USB, оперирующей той же скоростью, уже приняты. Группа Wireless USB Promoter Group, куда входят семь основных компаний (Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Agere Systems, NEC, Philips Electronics и Samsung Electronics), буквально пару месяцев назад завершила разработку нового стандарта беспроводной связи, базирующейся на MBOA-UWB.

Однако Wireless USB перспективы не исчерпываются. Технология Ultra Wide Band уже дала толчок развитию беспроводного FireWire и даже, не удивляйтесь, на два порядка более медленному Bluetooth. Перспектива совсем отказаться от кабелей в локальных соединениях настолько заманчива, что ни одна из групп разработчиков конкурирующих технологий не хочет от нее отказываться, и это несмотря на немалые трудности, связанные с сопряжением новых и старых стандартов. И об этом мы обязательно расскажем. Но позже.