Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Сверхширокополосный (также известный как СШП , сверхширокополосный , сверхширокополосный и сверхширокополосный ) - это радиотехнология, которая может использовать очень низкий уровень энергии для связи с малым радиусом действия и с высокой пропускной способностью по большой части радиоспектра. [1] UWB имеет традиционные применения в некоперативном радиолокационном формировании изображений . Самые последние приложения предназначены для сбора данных с датчиков, точного определения местоположения [2] и отслеживания. [3] [4] С сентября 2019 года поддержка UWB начала появляться в смартфонах высокого класса.

Характеристики [ править ]

Сверхширокополосный - это технология передачи информации в широкой полосе пропускания (> 500  МГц ). Это позволяет передавать большое количество энергии сигнала, не мешая обычной узкополосной передаче и передаче несущей в той же полосе частот. Нормативные ограничения во многих странах позволяют эффективно использовать полосу пропускания радиосигнала и обеспечивают беспроводное подключение к персональной сети (PAN) с высокой скоростью передачи данных, приложениям с низкой скоростью передачи данных на большие расстояния, а также радиолокационные системы и системы визуализации, прозрачно с существующими коммуникациями. системы.

Сверхширокополосный диапазон ранее был известен как импульсное радио , но FCC и Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи ( ITU-R ) в настоящее время определяют UWB как передачу антенны, для которой ширина полосы излучаемого сигнала превышает меньшее из 500 МГц или 20% арифметического центра. частота. [5] Таким образом, системы на основе импульсов, в которых каждый передаваемый импульс занимает полосу пропускания СШП (или совокупность узкополосной несущей не менее 500 МГц; например, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)), могут получить доступ к СШП. спектр по правилам.

Теория [ править ]

Существенное различие между обычными радиопередачами и СШП заключается в том, что обычные системы передают информацию, изменяя уровень мощности, частоту и / или фазу синусоидальной волны. СШП передачи передает информацию посредством генерирования энергии радио через определенные интервалы времени и занимающую большую пропускную способность, что позволяет пульс-положениеили временная модуляция. Информация также может быть модулирована СШП-сигналами (импульсами) путем кодирования полярности импульса, его амплитуды и / или использования ортогональных импульсов. СШП-импульсы могут отправляться спорадически с относительно низкой частотой следования импульсов для поддержки временной или позиционной модуляции, но также могут отправляться со скоростью, обратной ширине полосы СШП-импульсов. Системы Pulse-UWB были продемонстрированы при частоте следования импульсов в канале, превышающей 1,3 гигапульса в секунду, с использованием непрерывного потока импульсов UWB (Continuous Pulse UWB или C-UWB ), поддерживающих скорость передачи данных, кодированных с прямым исправлением ошибок, превышающую 675 Мбит / с. [6]

Радиосистема UWB может использоваться для определения «времени пролета» передачи на различных частотах. Это помогает преодолеть многолучевое распространение , поскольку некоторые частоты имеют траекторию прямой видимости . С помощью кооперативного симметричного двустороннего метода измерения расстояния можно измерять с высоким разрешением и точностью. [7]

Приложения [ править ]

Местоположение в реальном времени [ править ]

UWB используется для систем определения местоположения в реальном времени. Его точность и низкое энергопотребление делают его подходящим для работы в условиях, чувствительных к радиочастотам, например в больницах. UWB также используется для точного определения диапазона одноранговых узлов, что позволяет использовать множество приложений на основе относительного расстояния между двумя объектами.

Мобильная телефония [ править ]

Apple выпустила первые три телефона со сверхширокополосными возможностями в сентябре 2019 года, а именно iPhone 11, iPhone 11 Pro и iPhone 11 Pro Max. [8] [9] [10] Apple также выпустила 6-ю серию Apple Watch в сентябре 2020 года, в которой есть UWB, [11] с их просочившимся продуктом AirTags, который, как ожидается, будет представлен. Samsung Galaxy Note 20 Ultra, Galaxy S21 Ultra и S21 + также поддерживают UWB [12] вместе с Samsung Galaxy SmartTag +. [13]

Консорциум FiRa был основан в августе 2019 года для разработки взаимодействующих экосистем СШП, включая мобильные телефоны. Samsung, Xiaomi, Oppo в настоящее время являются членами Консорциума FiRa. [14] В ноябре 2020 года Android Open Source Project получил первые исправления, связанные с готовящимся к выпуску UWB API; Полнофункциональная поддержка UWB ожидается в более поздних версиях Android. [15]

Цифровой ключ [ править ]

UWB Digital Car Key работает в зависимости от расстояния между автомобилем и смартфоном.

Продукты [ править ]

Небольшое количество микросхем UWB, ориентированных на системы определения местоположения, в настоящее время находятся в производстве или планируются к производству.

Поставщикнаименование товараСтандартГруппаОбъявленоКоммерческие продукты
NXPNCJ29D5HRP6–8,5 ГГц [16]12 нояб.2019 г.
NXPSR100THRP6–9 ГГц [17]17 сентября 2019 г.Samsung Galaxy Note20 Ultra [18]
яблокоU1HRP [19]6–8,5 ГГц [20]11 сентября 2019 г.iPhone 11, Apple Watch Series 6, iPhone 12, HomePod Mini
КорвоDW1000HRP3,5–6,5 ГГц [21]7 нояб.2013 г.
КорвоDW3000HRP6–8,5 ГГц [22]Янв 2019 [23]
3 дБ3DB6830LRP6–8 ГГц [24]

Промышленные приложения [ править ]

UWB был оценен для использования в сигнализации метро Нью-Йорка .

Радар [ править ]

Сверхширокополосный диапазон получил широкое внимание из-за его реализации в технологии радаров с синтезированной апертурой (SAR) . Благодаря высокому разрешению, несмотря на использование более низких частот, СШП SAR тщательно исследовался на предмет проникающей способности. [25] [26] [27] Начиная с начала 1990-х годов, Исследовательская лаборатория армии США (ARL) разработала различные стационарные и мобильные радиолокационные платформы, проникающие через землю, листву и стены, которые служили для обнаружения и идентификации скрытых и скрытых СВУ. противники на безопасном расстоянии. Примеры включают railSAR , boomSAR , радар SIRE и радар SAFIRE . [28] [29]ARL также исследовала возможность использования технологии СШП радаров для оценки скорости движущейся цели, когда платформа неподвижна. [30] В то время как в отчете за 2013 год была освещена проблема с использованием сигналов СШП из-за миграции целевого диапазона во время интервала интегрирования, более поздние исследования показали, что формы сигналов СШП могут демонстрировать лучшую производительность по сравнению с традиционной доплеровской обработкой при условии правильного согласованного фильтра. используется. [31]

Сверхширокополосные импульсные доплеровские радары также использовались для контроля жизненно важных функций человеческого тела, таких как частота сердечных сокращений и сигналов дыхания, а также для анализа походки человека и обнаружения падений. Он служит потенциальной альтернативой радиолокационным системам непрерывного действия, поскольку требует меньшего энергопотребления и профиля дальности с высоким разрешением. Однако его низкое отношение сигнал / шум делает его уязвимым для ошибок. [32] [33] Коммерческим примером этого приложения является RayBaby, радионяня, которая определяет дыхание и частоту сердечных сокращений, чтобы определить, спит ли ребенок или бодрствует. Raybaby имеет дальность обнаружения пяти метров и может обнаруживать мелкие движения размером менее миллиметра. [34]

Сверхширокополосный диапазон также используется в технологии получения точных радиолокационных изображений "сквозь стену", [35] [36] [37] точного определения местоположения и отслеживания (с использованием измерений расстояния между радиостанциями) и точного определения времени прибытия. подходы к локализации. [38] Он эффективен с пространственной пропускной способностью примерно 10 13 бит / с / м 2 . [ необходима цитата ] СШП радар был предложен в качестве активного компонента датчика в приложении автоматического распознавания целей, предназначенном для обнаружения людей или объектов, которые упали на пути метро. [39]

Передача данных [ править ]

Сверхширокополосные характеристики хорошо подходят для приложений малого радиуса действия, таких как периферийные устройства ПК , такие как беспроводные мониторы , видеокамеры , беспроводная печать и передача файлов на портативные медиаплееры . [40] СШП был предложен для использования в персональных сетях и появился в проекте стандарта PAN IEEE 802.15.3a. Однако после нескольких лет тупика рабочая группа IEEE 802.15.3a [41] была распущена [42]в 2006 году. Работа была завершена WiMedia Alliance и Форумом разработчиков USB. Медленный прогресс в разработке стандартов СШП, стоимость первоначального внедрения и производительность значительно ниже, чем первоначально предполагалось, - вот несколько причин ограниченного использования СШП в потребительских продуктах (из-за чего несколько поставщиков СШП прекратили свою деятельность в 2008 и 2009 годах). [43]

Регламент [ править ]

По данным Федеральной комиссии по связи США (FCC), в США сверхширокополосная связь относится к радиотехнологиям с полосой пропускания, превышающей менее 500 МГц или 20% центральной арифметической частоты . Отчет и приказ FCC от 14 февраля 2002 г. [44] разрешили нелицензионное использование UWB в диапазоне частот от 3,1 до 10,6  ГГц . Предел излучения спектральной плотности мощности FCC для передатчиков СШП составляет -41,3 дБм / МГц. Этот предел также применяется к непреднамеренным излучателям в диапазоне СШП ( ограничение «Часть 15» ). Однако предел излучения для СШП-излучателей может быть значительно ниже (до −75 дБм / МГц) в других сегментах спектра.

В результате обсуждений в Секторе радиосвязи Международного союза электросвязи ( ITU-R ) в ноябре 2005 г. был подготовлен Отчет и Рекомендация по UWB [ необходима ссылка ] . Регуляторный орган Великобритании Ofcom объявил о аналогичном решении [45] 9 августа 2007 г.

Высказывались опасения по поводу интерференции между узкополосными и СШП сигналами, которые используют один и тот же спектр. Ранее единственной радиотехнологией, в которой использовались импульсы, были передатчики с искровым разрядником , запрещенные международными договорами, поскольку они создают помехи для приемников средневолнового диапазона. СШП, однако, использует меньшую мощность. Этот вопрос широко освещался в ходе заседаний, которые привели к принятию правил FCC в США, и на собраниях МСЭ-R, посвященных СШП, по итогам его Отчета и Рекомендаций по технологии СШП. Обычно используемые электрические приборы излучают импульсный шум (например, фены для волос), и их сторонники успешно утверждали, что минимальный уровень шума не будет чрезмерно повышен за счет более широкого развертывания широкополосных передатчиков малой мощности. [цитата необходима ]

Сосуществование с другими стандартами [ править ]

В феврале 2002 года Федеральная комиссия по связи (FCC) выпустила поправку (Часть 15), которая определяет правила передачи / приема СШП. Согласно этому выпуску любой сигнал с относительной полосой пропускания более 20% или имеющий полосу пропускания более 500 МГц считается СШП-сигналом. Постановление FCC также определяет доступ к 7,5 ГГц нелицензированному спектру от 3,1 до 10,6 ГГц, который предоставляется для систем связи и измерения. Узкополосные сигналы, которые существуют в диапазоне СШП, такие как передатчики IEEE802.11a, могут демонстрировать уровни высокой спектральной плотности мощности (PSD) по сравнению с PSD сигналов СШП, видимых приемником СШП. В результате можно было бы ожидать ухудшения характеристик частоты появления ошибок по битам СШП. [46]

Технологические группы [ править ]

  • WiMedia Alliance
  • Bluetooth SIG
  • Беспроводной USB
  • Беспроводной гигабитный альянс
  • WirelessHD
  • Беспроводной FireWire
  • TransferJet
  • FM-UWB
  • IEEE 802.15.3
  • IEEE 802.15.4
  • IEEE 802.15.4a
  • IEEE 802.15.4f
  • ИСО / МЭК 24730-61 LRP
  • ИСО / МЭК 24730-62 HRP
  • Консорциум FiRa

См. Также [ править ]

  • Список каналов СШП
  • Узкополосный
  • Широкополосный
  • Широкополосный доступ
  • Расширенный спектр
  • Кодирование каналов
  • Методы модуляции
    • Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
    • Фазовая манипуляция (PSK)
    • Позиционно-импульсная модуляция (PPM)]
  • Wi-Fi Direct
  • Сбор энергии
  • Передатчик искрового разрядника
  • WiB (цифровое наземное телевидение)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Инженерная школа USC Viterbi . Архивировано из оригинального 2012-03-21.
  2. ^ Чжоу, Юань; Закон, Чой Смотри; Ся, Цзинцзин (2012). «Система сверхнизкого энергопотребления UWB-RFID для приложений с точным определением местоположения» . 2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW) . С. 154–158. DOI : 10,1109 / WCNCW.2012.6215480 . ISBN 978-1-4673-0682-9.
  3. ^ Разработка сверхширокополосной (СШП) . Архивировано из оригинального 2012-03-21.
  4. ^ Kshetrimayum, R. (2009). «Введение в системы связи СШП». Возможности IEEE . 28 (2): 9–13. DOI : 10.1109 / MPOT.2009.931847 .
  5. ^ Характеристики сверхширокополосной технологии
  6. ^ «Беспроводное HD-видео: повышение планки пропускной способности UWB (снова)» . EETimes . Проверено 17 апреля 2018 года .
  7. ^ Эффективный метод оценки TOA для сквозного изображения стен с помощью СШП радара . Международная конференция по сверхширокополосной связи, 2008 г.
  8. ^ Снелл, Джейсон. «Чип U1 в iPhone 11 - это начало революции сверхширокополосной связи» . Шесть цветов . Проверено 22 апреля 2020 .
  9. ^ Pocket-lint (11.09.2019). «Чип Apple U1 объяснил: что это такое и на что он способен?» . Карман-ворс . Проверено 22 апреля 2020 .
  10. ^ «Самая большая новость об iPhone - это крошечный новый чип внутри» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 22 апреля 2020 . 
  11. ↑ Россиньоль, Джо (15 сентября 2020 г.). «Apple Watch Series 6 с микросхемой U1 для сверхширокополосной связи» . MacRumors . Проверено 8 октября 2020 .
  12. ^ ID, FCC. «SMN985F GSM / WCDMA / LTE Phone + BT / BLE, DTS / UNII a / b / g / n / ac / ax, UWB, WPT и отчет о тестировании NFC LBE20200637_SM-N985F-DS_EMC + Test + Report_FCC_Cer_Issue + 1 Samsung Electronics» . Идентификатор FCC . Проверено 30 июля 2020 .
  13. ^ Бон, Дитер (2021-01-14). «Samsung Galaxy SmartTag - конкурент Tile за $ 29,99» . Грань . Проверено 16 февраля 2021 .
  14. ^ "Консорциум FiRa" .
  15. ^ "Google добавляет сверхширокополосный (UWB) API в Android" . xda-developers . 2020-11-10 . Проверено 11 ноября 2020 .
  16. ^ "NCJ29D5 | Сверхширокополосный для автомобильной ИС | NXP" . www.nxp.com . Проверено 28 июля 2020 .
  17. ^ "NXP представляет NFC, UWB и набор микросхем безопасных элементов • NFCW" . NFCW . 2019-09-19 . Проверено 28 июля 2020 .
  18. ^ «NXP Secure UWB, развернутый в Samsung Galaxy Note20 Ultra, выводит на рынок первое устройство Android с поддержкой UWB | NXP Semiconductors - Newsroom» . media.nxp.com . Проверено 24 сентября 2020 .
  19. ^ Дахад, Нитин (2020-02-20). «Устройства Интернета вещей для обеспечения возможности подключения к СШП» . Embedded.com . Проверено 28 июля 2020 .
  20. ^ Зафар, Рамиш (2019-11-03). «У iPhone 11 есть UWB с чипом U1 - готовим большие возможности для экосистемы» . Wccftech . Проверено 28 июля 2020 .
  21. ^ "Decawave DW1000 Datasheet" (PDF) .
  22. ^ "Decawave в Японии" . Форум Decawave Tech Forum . 2020-01-07 . Проверено 28 июля 2020 .
  23. ^ «Потому что местоположение имеет значение» (PDF) .
  24. ^ «Доступ 3db - Технология» . www.3db-access.com . Проверено 28 июля 2020 .
  25. ^ Paulose Авраам (июнь 1994). «Высокое разрешение диапазона радиолокатора со ступенчатой ​​частотой сигнала» (PDF) . Центр оборонной технической информации . Проверено 4 ноября 2019 года .
  26. Перейти ↑ Frenzel, Louis (11 ноября 2002 г.). «Сверхширокополосная беспроводная связь: не такая уж новая технология становится самостоятельной» . Электронный дизайн . Проверено 4 ноября 2019 года .
  27. ^ Фаулер, Чарльз; Энцмингер, Джон; Корум, Джеймс (ноябрь 1990 г.). «Оценка сверхширокополосной (СШП) технологии» (PDF) . СБИС штата Вирджиния для телекоммуникаций . Проверено 4 ноября 2019 года .
  28. ^ Ранни, Кеннет; Фелан, Брайан; Шербонди, Келли; Гетачью, Кироза; Смит, Грегори; Кларк, Джон; Харрисон, Артур; Ресслер, Марк; Нгуен, Лам; Нараян, Рам (1 мая 2017 г.). «Первичная обработка и анализ данных прямого и бокового обзора от радара Spectrally Agile Frequency-Incrementing Reconfigurable (SAFIRE)». Радарная сенсорная технология XXI . 10188 : 101881J. Bibcode : 2017SPIE10188E..1JR . DOI : 10.1117 / 12.2266270 .
  29. ^ Dogaru Траян (март 2019). «Исследование изображений для малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), устанавливаемых на наземный радар: Часть I - Методология и аналитическая формулировка» (PDF) . CCDC Армейская исследовательская лаборатория .
  30. ^ Dogaru Траян (март 2013). «Доплеровская обработка с помощью сверхширокополосного импульсного радара (СШП)» . Исследовательская лаборатория армии США .
  31. ^ Dogaru Траян (1 января 2018). «Новый взгляд на доплеровскую обработку с помощью сверхширокополосного (СШП) радара» . Исследовательская лаборатория армии США - через Центр технической информации Министерства обороны США.
  32. ^ Рен, Линьюнь; Ван, Хаофей; Найшадхам, Кришна; Килич, Озлем; Фати, Али (18 августа, 2016). «Фазовые методы определения частоты сердечных сокращений с использованием СШП импульсного доплеровского радара». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 64 (10): 3319–3331. Bibcode : 2016ITMTT..64.3319R . DOI : 10.1109 / TMTT.2016.2597824 .
  33. ^ Рен, Линьюнь; Тран, Нгиа; Фороугян, Фарназ; Найшадхам, Кришна; Пиу, Жан; Килич, Озлем (8 мая 2018 г.). "Кратковременный метод в пространстве состояний для микродоплеровской идентификации движущегося объекта с использованием СШП импульсного доплеровского радара". Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 66 (7): 3521–3534. Bibcode : 2018ITMTT..66.3521R . DOI : 10.1109 / TMTT.2018.2829523 .
  34. ^ «Raybaby - это радионяня, которая отслеживает дыхание вашего ребенка» . Engadget . Источник 2021-02-03 .
  35. ^ "Технология понимания сквозь стену компании Time Domain Corp." . timedomain.com . Проверено 17 апреля 2018 года .
  36. ^ Система визуализации через стену от Thales Group
  37. ^ Михал Афтанас Сквозное изображение через стену с помощью СШП радиолокационной системы Диссертация кандидата, 2009
  38. ^ Производительность сверхширокополосной оценки времени прибытия, улучшенная с помощью схемы синхронизации
  39. ^ Mroué, A .; Heddebaut, M .; Elbahhar, F .; Rivenq, A .; Rouvaen, JM (2012). «Автоматическое радиолокационное распознавание целей объектов, падающих на железнодорожные пути». Измерительная наука и технология . 23 (2): 025401. Bibcode : 2012MeScT..23b5401M . DOI : 10.1088 / 0957-0233 / 23/2/025401 .
  40. ^ «Сверхширокополосный - Возможные применения» .
  41. ^ "IEEE 802.15 TG3a" . www.ieee802.org . Проверено 17 апреля 2018 года .
  42. ^ «Запрос на авторизацию проекта IEEE 802.15.3a» (PDF) . ieee.org . Проверено 17 апреля 2018 года .
  43. ^ Tzero Technologies закрывается; это конец сверхширокополосной , VentureBeat
  44. ^ http://hraunfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-02-48A1.pdf
  45. ^ http://www.ofcom.org.uk/consult/condocs/uwb_exemption/statement/statement.pdf
  46. ^ Shaheen, Ehab M .; Эль-Танани, Мохамед (2010). «Влияние узкополосных помех на производительность систем СШП в моделях каналов IEEE802.15.3a». Ccece 2010 . С. 1–6. DOI : 10,1109 / CCECE.2010.5575235 . ISBN 978-1-4244-5376-4.

Внешние ссылки [ править ]

  • IEEE 802.15.4a включает физический уровень C-UWB , может быть получен из [1]
  • Стандарт ECMA-368 Высокоскоростной сверхширокополосный стандарт PHY и MAC
  • Стандартный интерфейс MAC-PHY ECMA-369 для ECMA-368
  • Стандарт ISO / IEC 26907: 2007
  • Стандарт ISO / IEC 26908: 2007
  • Рекомендации МСЭ-R - серия SM См. РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ R SM.1757 Влияние устройств, использующих сверхширокополосную технологию, на системы, работающие в службах радиосвязи.
  • FCC (GPO), раздел 47, раздел 15 Свода федеральных правил, подраздел F: сверхширокополосный
  • Использование методов MIMO для СШП
  • Многочисленные полезные ссылки и ресурсы, касающиеся испытательных стендов Ultra-Wideband и UWB - Группа WCSP - Университет Южной Флориды (USF)
  • Лаборатория сверхширокополосной радиосвязи Университета Южной Калифорнии