Transcript Сверхширокополосная технология для беспроводных сетей (UWB) Михаил Лях Инженер-исследователь Intel Нижний Новгород 28 апреля 2004 г. Intel и логотип Intel являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками корпорации.

Сверхширокополосная
технология для
беспроводных сетей (UWB)
Михаил Лях
Инженер-исследователь
Intel Нижний Новгород
28 апреля 2004 г.
Intel и логотип Intel являются торговыми марками или зарегистрированными
торговыми марками корпорации Intel или ее дочерних компаний в США и других
странах.
*Другие названия могут быть объявлены собственностью их владельцев.
Copyright © 2004 Intel Corporation.
Аннотация
 Последние достижения СШТ для
беспроводных сетей и обновление
предложения от MBOA
 Вопросы международного
регламентирования СШТ
 Успехи и планы на будущее
2
План





Обзор СШТ
Многополосные UWB устройства
Техническое предложение от MBOA
Вопросы ЭМС
Хронология развития и следующие шаги
3
Обзор СШТ
Что такое Сверхширокополосная технология?
Узкополосная
связь
Сверхширокополосная связь
 Традиционно СШТ основывается на модуляции коротких
импульсов, а не непрерывных колебаний
Временная область
Импульсная
модуляция
1
1
0
Время
0
1
Частотная область
0
3
Частота
10
ГГц
1
Частотная
модуляция
2.4
4
ГГц
Обзор СШТ
Определение СШТ
 Используемый спектр
> 20% относительная ширина полосы
> 500 МГц
2,5 ГГц
(Предложение FCC NPRM 03-33: убрать
минимумы)
 Три типа использования
– Системы получения изображения
– Передвижные радарные системы
– Коммуникационные и измерительные системы
5
Обзор СШТ
Bluetooth™,
802.11b
Радиотелефоны
Микроволновые печи
PCS
ЭИИМ
GPS
Спектральная область СШТ
802.11a
Ограничение
“FCC Rules, Part 15”
-41 дБм/МГц
Спектр
СШТ
1,6 1,9
2,4
3,1
5
Частота (ГГц)
10,6
Источник рисунка: Intel research and development
 Правила FCC о использовании СШТ приняты 14.02.2002
после ~4 лет изучения и открытых дебатов
 FCC считает текущие правила консервативными
6
Обзор СШТ
Чем вызван интерес к СШТ?
 Высокая скорость передачи
 7,5 ГГц “свободного спектра”
в США
 “Фоновое” излучение для
других служб
 Электромагнитная совместимость
 Реализуемость всего устройства
на КМОП архитектуре: низкое
энергопотребление и себестоимость
Graph source Intel research and development
– Мощность передатчика в 100 раз меньше чем у Bluetooth при тех же дальности и скорости
передачи
 Уникальная способность к определению положения приемопередатчика
– Возможна точность до 1 см
СШТ – высокоскоростная, маломощная и
дешевая беспроводная связь
7
План





Обзор СШТ
Многополосные UWB устройства
Техническое предложение от MBOA
Вопросы ЭМС
Хронология развития и следующие шаги
8
Многополосные UWB устройства
Традиционная (импульсная) концепция СШТ
 Модуляция импульсного сигнала
 Генерация быстрыми переключениями для малого времени нарастания
 Форма импульса (время нарастания, длительность) определяет полосу сигнала
 Способ модуляции (фаза, амплитуда, позиция импульсов) и частота следования
импульсов определяют производительность
 Спектр FCC вызывает необходимость пересмотра концепции
построения UWB радиоустройств
 Высокий частотный спектр ставит под вопрос традиционные импульсные методы
 Сложности с созданием высокочастотных компонент на основе современной КМОП
технологии
 Сосуществование с БЛВС стандарта 802.11a на малых расстояниях – серьезная
задача
Необходимы новые подходы к СШ коммуникациям в
связи с высоким спектром, отведенным под UWB
9
Многополосные UWB устройства
Что дает многополосность?
 Для совместимости в импульсных системах могут
быть использованы фильтры
 Негибкость
 Сложность с построением на КМОП
 Многополосность – новая концепция
 Деление спектра на меньшие полосы (≥ 500 МГц)
 Число и ширина полос, а также центральные частоты, определяются
структурой устройства
 Устройства динамически обнаруживают и избегают использования
спектра других систем, улучшая сосуществование
 Возможна как совместная, так и раздельная модуляция данных по
полосам
Многополосная концепция является новым подходом
к использованию широкого высокочастотного спектра
10
Многополосные UWB устройства
Импульсная
многополосная СШТ
Импульсная
СШТ
Многополосная концепция для UWB
Tp
Временная область
Tp
Tp
Частотная область
Tp
~1/Tp
~1/Ts
Ts
~1/Ts
~1/Ts
~1/Ts
Ts
Ts
Ts
Источник рисунка: Intel Research & Development
11
Многополосные UWB устройства
Особенности многополосных систем
 Гибкость
 Возможность разделить информационные потоки в разных полосах
 Эффективное использование свободного спектра
 Масштабируемость
 Эффективная работа как на высоких, так и на низких скоростях
 Возможно улучшение производительности в случае выделения новых
частотных полос при сохранении обратной совместимости с
первоначальными устройствами
• Обеспечение электромагнитной совместимости
 Возможность программной настройки и динамического управления
отдельными полосами для избежания взаимных помех
 Гибкость спектра способствует международной ратификации
Много полос – много преимуществ
12
План





Обзор СШТ
Многополосные UWB устройства
Техническое предложение от MBOA
Вопросы ЭМС
Хронология развития и следующие шаги
13
Техническое предложение от MBOA
Основа – OFDM
 OFDM – модуляция на многих ортогональных поднесущих
–
–
–
–
ADSL
IEEE 802.11a/g; IEEE 802.16a
DAB, DTTV
Также претендент для 4G, IEEE 802.11n и IEEE 802.20
 Ключевые особенности OFDM
– Спектральная эффективность
– Внутренняя устойчивость к узкополосным помехам
– Узкополосная помеха воздействует лишь на отдельные поднесущие
– Информация с «испорченных» поднесущих может быть восстановлена
помехоустойчивыми кодами с прямым исправлением ошибок
– Выдающаяся устойчивость к многолучевым условиям
– Циклический префикс сохраняет ортогональность между тонами
– Эффективно собирается мощность с разных лучей
– Использование БПФ – эффективное внедрение
14
Техническое предложение от MBOA
Обзор Многополосного OFDM (MB-OFDM)
 Спектр делится на несколько полос по 528 МГц
 Передача осуществляется с помощью OFDM
– Сигнал OFDM эффективно формируется блоком ОБПФ/БПФ
– Ограничение порядка модуляции (КФМ) снижает сложность и требования к
точности
 Данные кодируются сквозь все частотные полосы
– Используется частотное разнесение
– Обеспечивается устойчивость к помехам и многолучевости
 Префикс в 60,6 нс обеспечивает устойчивость к
многолучевым искажениям в самых трудных условиях
 Защитный интервал в 9,5 нс достаточен для переключения
полосы
15
Техническое предложение от MBOA
MB-OFDM: Структура передатчика
 Пример блок-схемы структуры
передатчика:
Входные
данные
Скрамбл
ер
Сверточный
кодер
Выкалы
вание
Перемеж
итель
Модулятор
ОБПФ,
пилотные
поднесущие,
префикс
ЦАП
exp(j2fct)
Частотно-временной код
 Типичная, проверенная OFDM-система
 Преимущества всех известных OFDMрешений в предложении от MBOA
16
Техническое предложение от MBOA
Параметры системы MB-OFDM
 Пример обязательной и дополнительной скоростей
передачи: (возможен широкий диапазон скоростей)
Скорость передачи данных
110 Мб/с*
480 Мб/с**
Модуляция
OFDM/КФМ
OFDM/КФМ
Размер БПФ
128
128
Скорость кода (ограничение=7)
R = 11/32
R=¾
Расширение
2
1
Информационные поднесущие
100
100
Длительность символа
242,4 нс
242,4 нс
«Зануленный» префикс
60,6 нс
60,6 нс
Защитный интервал
9,5 нс
9,5 нс
Период символов
312,5 нс
312,5 нс
Канальная скорость передачи
640 Мб/с
640 Мб/с
Допуск многолучевости
60,6 нс
60,6 нс
Источник: MBOA, Multi-band OFDM Physical Layer Proposal
* Обязательная скорость, ** Дополнительная скорость
17
Техническое предложение от MBOA
Частотное планирование для MB-OFDM
 Полосы по 528 МГц объединяются в группы:
Группа №1
Полоса
№1
Полоса
№2
3432
МГц
3960
МГц
Группа №2
Полоса Полоса
№3
№4
4488
МГц
5016
МГц
Полоса
№5
5544
МГц
Группа №3
Полоса Полоса
№6
№7
6072
МГц
Группа №4
Полоса
№8
Полоса
№9
Полоса
№10
Полоса
№11
7128
МГц
7656
МГц
8184
МГц
8712
МГц
6600
МГц
Группа №5
Полоса Полоса
№12
№13
9240
МГц
9768
МГц
Полоса
№14
10296
МГц
f
– Спектр делится на 5 групп
– Группа №1 – обязательная, остальные (№2 – №5) - дополнительные
– До 4 ЧВК на группу  поддержка до 18 пиконетов
– При наличии помех в U-NII диапазоне группа №2
исключается
18
Техническое предложение от MBOA
Множественный доступ
 В системе MB-OFDM расширение спектра
производится за счет:
– Временного повторения
– Частотно-временного перемежения
– Канального кодирования
 Частотно-временные коды:
Номер
канала
Маска
преамбулы
Mode 1 DEV: 3 полосы
ЧВК длины 6
1
1
1
2
3
1
2
3
2
2
1
3
2
1
3
2
3
3
1
1
2
2
3
3
4
4
1
1
3
3
2
2
19
Техническое предложение от MBOA
Дальность действия
 Дальность действия при пакетной ошибке 8% и
90% вероятности успешного соединения для
группы №1
Скорость
CM1
CM2
CM3
CM4
110 Mб/с
11,4 м
10,7 м
11,5 м
10,9 м
480 Mб/с
2,9 м
2,6 м
20
Техническое предложение от MBOA
Сложность
 Размер кристалла для Mode 1 DEV
– Технология: 90 нм КМОП (2005)
Аналоговая часть*
Цифровая часть
90 нм
2,7 мм2
1,9 мм2
130 нм
3,0 мм2
3,8 мм2
* Площадь компонента
 Активное энергопотребление для Mode 1 DEV
Блок
Mode 1: 90 нм
Mode 1: 130 нм
TX (110 Mb/s), всего
93 мВт
117 мВт
RX (110 Mb/s), всего
155 мВт
205 мВт
RX (200 Mb/s), всего
169 мВт
227 мВт
Спящий режим
15 мкВт
18 мкВт
21
Техническое предложение от MBOA
Сложность
 Реализуемость
– Развитие стандартной КМОП технологии приводит к
созданию чипа непосредственным путем
– OFDM-решения проверены и испытаны в ADSL и
802.11a/g
 Последующая оптимизация с развитием
технологии
– Улучшение соотношения
сложность/энергопотребление с уменьшением
размеров вентилей (в соответствии с законом Мура)
– Аналоговая часть оптимизируется сложнее
MB-OFDM – лучшее решение для UWB
22
План





Обзор СШТ
Многополосные UWB устройства
Техническое предложение от MBOA
Вопросы ЭМС
Хронология развития и следующие шаги
23
Вопросы ЭМС
Краткий обзор текущего состояния
 Вопросы, связанные с ЭМС, являются весьма важными
для MBOA
 Участники MBOA предпринимают различные шаги для
прояснения вопросов ЭМС
– Завершено детальное моделирование физического уровня
широкополосной ФСС
– Завершен анализ параметров, влияющих на сосуществование
СШТ-устройств и систем ФСС
– Завершен анализ амплитудного распределения (APD) для MBOFDM и других СШ систем
– Завершены измерения воздействия СШ помех на реальный
приемник ФСС
– Включая MB-OFDM, БГШ и импульсные СШТ-системы
24
Вопросы ЭМС
Цели измерений и оборудование
 Цели:
– Измерить уровень помех на приемники спутникового ТВ в полосе
3,7–4,2 ГГц
– Сравнить воздействие БГШ, MB-OFDM и импульсного СШ
сигнала
– Исследовать порог помехозащищенности
– Определить требуемое защитное расстояние до тарелки
 Измерительное оборудование
– Измерения проводились на радиочастотах, предназначенных для
наружных измерений
– Радиоизмерительный стенд TDK в Остине
– Измерения проводились с 8 по 18 декабря 2003 года
– Спутниковый телеприемник был установлен локальным
провайдером
– Размер тарелки выбирался провайдером как типичный для
данной местности
25
Вопросы ЭМС
Схема измерительного стенда
20°
Дисплей
10-футовая
тарелка с
позиционером
Приемник
MBOFDM /
Импульс
Анализатор
спектра
-3dB
Шаговый
аттенюатор
+28dB
Разветвитель
Аттенюатор
-10dB
Анализатор
спектра
Осциллограф
с памятью
26
Разветвитель
-10dB
Аттенюатор
БГШ
2dBi
дисконическая
антенна
Вопросы ЭМС
Амплитудное
распределение
 Амплитудное распределение
сигнала MB-OFDM сходно с
распределением импульсного
сигнала, уже разрешенного FCC
США
 Амплитудное распределение MBOFDM сигнала при I/(N+Isat) = -3,5;
-9,5; -13,5 дБ отличается от БГШ
меньше, чем на 1,5 дБ
 Для узкополосных приемников
амплитудное распределение
сигнала MB-OFDM практически не
отличается от БГШ
27
Источник: MBOA, Interference Comparison
Graph source MBOA, Interference Comparison
Вопросы ЭМС
Результаты моделирования
 35 МГц, скорость кода 7/8, без перемежителя, Es/(N+Isat)=7,6 дБ
Interference comparison between various UWB waveforms
0
10
-1
BER with no Interference
BER with 1 dB rise in noise floor
WGN interference
MB-OFDM, 3-band interference
MB-OFDM, 7-band interference
1 MHz PRF impulse radio
Bit Error Rate
10
-2
10
-3
10
-4
10
-10
-9
-8
-7
-6
Iuwb/(N+Isat)
-5
-4
Источник: MBOA, Multi-band OFDM Physical Layer Proposal Response to no Voters
28
-3
Вопросы ЭМС
Сводка результатов моделирования
 Производительность приемника ФСС (вероятность
ошибок, отвечающая увеличению I/(N+Isat) на 1 дБ), код
7/8
Тип помехи
Превышение
воздействия
белого шума
Увеличение защитного
расстояния (по
отношению к БГШ,
~1/r2)
Увеличение защитного
расстояния (по
отношению к БГШ, ~1/r3)
MB-OFDM-3
1 дБ
12 %
8%
MB-OFDM-7
1,5 дБ
19 %
12 %
Импульсная, ЧПИ 1
МГц
2,5 дБ
33 %
21 %
Table source MBOA, Multi-band OFDM Physical Layer Proposal Response to no Voters
29
Вопросы ЭМС
Сводка результатов
 Анализ, моделирование и измерения воздействия на
системы широкополосной фиксированной спутниковой
службы приводят к совпадающим результатам:
– Сигналам MB-OFDM соответствуют импульсоподобные
характеристики, сходные с импульсными сигналами с ЧПИ 3 МГц
– Помехи, создаваемые сигналами MB-OFDM, оказываются
меньшими уровня, разрешенного правилами FCC
– Различие между воздействием сигнала MB-OFDM белым шумом
составляет меньше 1,5 дБ при нормальных условиях работы
приемника ФСС
Разрешено
+1.5dB
Минимальное защитное расстояние
Шумоподобный
источник
MB-OFDM
30
Область
вредных
помех
+1 dB
Импульсный
источник
Вопросы ЭМС
Выводы
 Система MB-OFDM создает меньше помех, чем
импульсное радио
 MBOA готов доказать что не создается вредных
помех потенциально страдающим службам
 Система MB-OFDM предоставляет уникальную
возможность точного управления внеполосным
излучением
 Система MB-OFDM обеспечивает гибкость спектра
для защиты будущих систем
MB-OFDM не создает вредных помех
31
План





Обзор СШТ
Многополосные UWB устройства
Техническое предложение от MBOA
Вопросы ЭМС
Хронология развития и следующие шаги
32
Хронология развития и следующие шаги
План промышленного внедрения
Спецификации
MBOA UWB,
v1.0
Спецификации
Wireless USB,
v1.0
Выход
спецификаций
других SIG
Q1
Q2
Q3
Q4
Массовое
производство
Первая
стандартизированная
продукция
1H
2004
1H
2H
2005
2006
Быстрый прогресс UWB
Все продукты, даты и рисунки предварительны, только в целях планирования и могут быть изменены без уведомления.
33
Заключение
Заключение
 СШТ – высокоскоростная, маломощная и
дешевая беспроводная связь
 Многополосная система имеет множество
преимуществ
 MB-OFDM лучшее решение для СШ
персональных беспроводных сетей
 MB-OFDM не создает вредных помех
 UWB – быстро прогрессирующая технология
34
Заключение
Дополнительная информация
 www.intel.com/technology/utrawideband
 Альянс многополосного OFDM (MBOA)
– http://www.multibandofdm.org
 Предложение от MBOA:
– http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2003/Jul0
3/03268r2P802-15_TG3a-Multi-band-CFPDocument.pdf
 Результаты исследования ЭМС:
– http://www.multibandofdm.org/papers/15-04-001301-003a-c-band-satellite-interferencemeasurements-tdk-rf-test-range.pdf
35