Сверхширокополосный ( 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 в 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
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
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 передают информацию, генерируя радиоэнергию в определенные временные интервалы и занимая большую полосу пропускания, что обеспечивает возможность позиционной или временной модуляции. 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
Местоположение в реальном времени
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
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 запустила Series 6 яблочного Watch в сентябре 2020 года, которая включает UWB, [11] и их AirTags с участием этой технологии было выявлено на пресс - конференции 20 апреля 2021 года [12] Samsung Galaxy Note 20 Ultra, Galaxy S21 Ultra и S21 + также поддерживают UWB [13] вместе с Samsung Galaxy SmartTag +. [14]
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. [15] 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. [16]
Цифровой ключ
UWB Digital Car Key работает в зависимости от расстояния между автомобилем и смартфоном.
Продукты
Небольшое количество микросхем UWB, ориентированных на системы определения местоположения, в настоящее время находятся в производстве или планируются к производству.
Поставщик | наименование товара | Стандарт | Группа | Объявлено | Коммерческие продукты |
---|---|---|---|---|---|
NXP | NCJ29D5 | HRP | 6–8,5 ГГц [17] | 12 нояб.2019 г. | |
NXP | SR100T | HRP | 6–9 ГГц [18] | 17 сентября 2019 г. | Samsung Galaxy Note20 Ultra [19] |
яблоко | U1 | HRP [20] | 6–8,5 ГГц [21] | 11 сентября 2019 г. | iPhone 11, Apple Watch Series 6, iPhone 12, HomePod Mini, AirTag |
Корво | DW1000 | HRP | 3,5–6,5 ГГц [22] | 7 нояб.2013 г. | |
Корво | DW3000 | HRP | 6–8,5 ГГц [23] | Янв 2019 [24] | |
3 дБ | 3DB6830 | LRP | 6–8 ГГц [25] |
Промышленное применение
UWB был оценен для использования в сигнализации метро Нью-Йорка .
Радар
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. [26] [27] [28] 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 . [29] [30] ARL также исследовала возможность того, может ли технология СШП радаров включать доплеровскую обработку для оценки скорости движущейся цели, когда платформа неподвижна. [31] 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. [32]
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. [33] [34] 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. [35]
Сверхширокополосный диапазон также используется в технологии получения точных радиолокационных изображений "сквозь стену", [36] [37] [38] точного определения местоположения и отслеживания (с использованием измерения расстояния между радиостанциями) и точного времени прибытия. подходы к локализации. [39] 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. [40]
Обмен данными
Сверхширокополосные характеристики хорошо подходят для приложений малого радиуса действия, таких как периферийные устройства ПК , беспроводные мониторы , видеокамеры , беспроводная печать и передача файлов на портативные медиаплееры . [41] 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 [42] была распущена [43] 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). [44]
Регулирование
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. [45] 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.
Прения в Международного союза электросвязи Сектор радиосвязи ( МСЭ-R ) в результате отчета и рекомендации по UWB [ править ] В ноябре 2005 года в Великобритании регулятор Ofcom объявил аналогичное решение [46] 9 августа 2007 года.
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. [ необходима цитата ]
Сосуществование с другими стандартами
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. [47] . Режущая СШП антенна [48] и фильтры [49] предназначены для сосуществования СШП устройств с узкополосными устройствами.
Технологические группы
- 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
Смотрите также
- 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)
Рекомендации
- ^ Инженерная школа USC Viterbi . Архивировано из оригинального 2012-03-21.
- ^ 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.
- ^ Разработка сверхширокополосной (СШП) . Архивировано из оригинального 2012-03-21.
- ^ Кшетримаюм, Р. (2009). «Введение в системы связи СШП». Возможности IEEE . 28 (2): 9–13. DOI : 10.1109 / MPOT.2009.931847 .
- ^ Характеристики сверхширокополосной технологии
- ^ «Беспроводное HD-видео: снова поднимаем планку пропускной способности UWB» . EETimes . Проверено 17 апреля 2018 года .
- ^ Эффективный метод оценки TOA для сквозного изображения стен с помощью СШП радара . Международная конференция по сверхширокополосной связи, 2008 г.
- ^ Снелл, Джейсон. «Чип U1 в iPhone 11 - это начало революции сверхширокополосной связи» . Шесть цветов . Проверено 22 апреля 2020 .
- ^ Карман-линт (11.09.2019). «Чип Apple U1 объяснил: что это такое и на что он способен?» . Карман-ворс . Проверено 22 апреля 2020 .
- ^ «Самая большая новость об iPhone - это крошечный новый чип внутри» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 22 апреля 2020 .
- ^ Россиньоль, Джо (15 сентября 2020 г.). «Apple Watch Series 6 с микросхемой U1 для сверхширокополосной связи» . MacRumors . Проверено 8 октября 2020 .
- ^ «Apple AirTag прибывает за 29 долларов, использует сверхширокополосную связь и делает эмодзи» . GSMArena.com . Проверено 21 апреля 2021 .
- ^ 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 .
- ^ Бон, Дитер (2021-01-14). «Samsung Galaxy SmartTag - конкурент Tile за $ 29,99» . Грань . Источник 2021-02-16 .
- ^ «Консорциум FiRa» .
- ^ «Google добавляет сверхширокополосный (UWB) API в Android» . xda-developers . 2020-11-10 . Проверено 11 ноября 2020 .
- ^ «NCJ29D5 | Сверхширокополосный для автомобильной ИС | NXP» . www.nxp.com . Проверено 28 июля 2020 .
- ^ «NXP представляет набор микросхем NFC, UWB и безопасных элементов • NFCW» . NFCW . 2019-09-19 . Проверено 28 июля 2020 .
- ^ «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 .
- ^ Дахад, Нитин (20.02.2020). «Устройства Интернета вещей для обеспечения возможности подключения к СШП» . Embedded.com . Проверено 28 июля 2020 .
- ^ Зафар, Рамиш (2019-11-03). «У iPhone 11 есть UWB с чипом U1 - готовим большие возможности для экосистемы» . Wccftech . Проверено 28 июля 2020 .
- ^ "Decawave DW1000 Datasheet" (PDF) .
- ^ «Декавава в Японии» . Технический форум Decawave . 2020-01-07 . Проверено 28 июля 2020 .
- ^ «Потому что местоположение имеет значение» (PDF) .
- ^ «3db Access - Технология» . www.3db-access.com . Проверено 28 июля 2020 .
- ^ Паулоза, Авраам (июнь 1994 г.). «Высокое разрешение диапазона радиолокатора со ступенчатой частотой сигнала» (PDF) . Центр оборонной технической информации . Проверено 4 ноября 2019 года .
- ^ Френзель, Луи (11 ноября 2002 г.). «Сверхширокополосная беспроводная связь: не такая уж новая технология становится самостоятельной» . Электронный дизайн . Проверено 4 ноября 2019 года .
- ^ Фаулер, Чарльз; Энцмингер, Джон; Корум, Джеймс (ноябрь 1990 г.). «Оценка сверхширокополосной (СШП) технологии» (PDF) . СБИС штата Вирджиния для телекоммуникаций . Проверено 4 ноября 2019 года .
- ^ 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)». Технология радарных датчиков XXI . 10188 : 101881J. Bibcode : 2017SPIE10188E..1JR . DOI : 10.1117 / 12.2266270 .
- ^ Догару, 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 .
- ^ Догару, Траян (март 2013 г.). «Доплеровская обработка с помощью сверхширокополосного импульсного радара (СШП)» . Исследовательская лаборатория армии США .
- ^ Догару, Траян (1 января 2018 г.). «Новый взгляд на доплеровскую обработку с помощью сверхширокополосного (СШП) радара» . Исследовательская лаборатория армии США - через Центр технической информации Министерства обороны США.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Raybaby - это радионяня, отслеживающая дыхание вашего ребенка» . Engadget . Источник 2021-02-03 .
- ^ "Технология проникновения сквозь стену Time Domain Corp." . timedomain.com . Проверено 17 апреля 2018 года .
- ^ Система визуализации через стену от Thales Group
- ^ Михал Афтанас Сквозное изображение через стену с помощью СШП радиолокационной системы Диссертация кандидата, 2009
- ^ Производительность сверхширокополосной оценки времени прибытия, улучшенная с помощью схемы синхронизации
- ^ 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 .
- ^ «Сверхширокополосный диапазон - возможные применения» .
- ^ «IEEE 802.15 TG3a» . www.ieee802.org . Проверено 17 апреля 2018 года .
- ^ «Запрос на авторизацию проекта IEEE 802.15.3a» (PDF) . ieee.org . Проверено 17 апреля 2018 года .
- ^ Tzero Technologies закрывается; это конец сверхширокополосного , VentureBeat
- ^ http://hraunfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-02-48A1.pdf
- ^ http://www.ofcom.org.uk/consult/condocs/uwb_exemption/statement/statement.pdf
- ^ 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.
- ^ Кшетримаюм, Р.С., Панда, Дж. Р., Пиллаламарри, Р. (2009). Печатная монопольная антенна UWB с режекторной частотой для сосуществования с устройствами WLAN IEEE 802.11a . Национальная конференция по коммуникациям, стр. 59-63.
- ^ Сангам, РС; Кшетримаюм, РС (12 сентября 2018 г.). «Сверхширокополосный режекторный фильтр, использующий микрополосковый резонатор с экспоненциальным конусным импедансом, нагруженным шлейфом». Журнал инженерии . 2018 (9): 768–772. DOI : 10,1049 / joe.2018.5071 .
Внешние ссылки
- 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