Сверхширокополосная технология для беспроводных сетей (UWB) Михаил Лях Инженер-исследователь Intel Нижний Новгород 28 апреля 2004 г. Copyright © 2004 Intel Corporation. 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.

2 Последние достижения СШТ для беспроводных сетей и обновление предложения от MBOA Вопросы международного регламентирования СШТ Успехи и планы на будущее Аннотация

3 Обзор СШТ Многополосные UWB устройства Техническое предложение от MBOA Вопросы ЭМС Хронология развития и следующие шаги План

4 Традиционно СШТ основывается на модуляции коротких импульсов, а не непрерывных колебаний Частотная модуляция 2.4ГГц Узкополосная связь Импульсная модуляция 310ГГц Частота Сверхширокопо- лосная связь Временная областьЧастотная область Время Что такое Сверхширокополосная технология? Обзор СШТ

5 Используемый спектр (Предложение FCC NPRM 03-33: убрать минимумы) Три типа использования –Системы получения изображения –Передвижные радарные системы –Коммуникационные и измерительные системы > 500 МГц 2,5 ГГц > 20% относительная ширина полосы Определение СШТ Обзор СШТ

6 1,61,61,91,92,42,4 Bluetooth, b Радиотелефоны Микроволновые печи GPS PCS a -41 дБм/МГц Ограничение FCC Rules, Part 15 Спектр СШТ Частота (ГГц) ЭИИМ 10,6 3,13,1 Правила FCC о использовании СШТ приняты после ~4 лет изучения и открытых дебатов Правила FCC о использовании СШТ приняты после ~4 лет изучения и открытых дебатов FCC считает текущие правила консервативными FCC считает текущие правила консервативными Спектральная область СШТ Источник рисунка: Intel research and development Обзор СШТ

7 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 –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 Чем вызван интерес к СШТ? СШТ – высокоскоростная, маломощная и дешевая беспроводная связь Graph source Intel research and development Обзор СШТ

8 Многополосные UWB устройства Техническое предложение от MBOA Вопросы ЭМС Хронология развития и следующие шаги План

9 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 a на малых расстояниях – серьезная задача Традиционная (импульсная) концепция СШТ Многополосные UWB устройства Необходимы новые подходы к СШ коммуникациям в связи с высоким спектром, отведенным под UWB

10 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 Что дает многополосность? Многополосная концепция является новым подходом к использованию широкого высокочастотного спектра Многополосные UWB устройства

11 Ts ~1/Ts ~1/Tp Tp Ts Временная область Частотная область Импульсная многополосная СШТ Импульсная СШТ ~1/Ts Многополосная концепция для UWB Источник рисунка: Intel Research & Development Многополосные UWB устройства

12 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 Особенности многополосных систем Много полос – много преимуществ Многополосные UWB устройства

13 Обзор СШТ Многополосные UWB устройства Техническое предложение от MBOA Вопросы ЭМС Хронология развития и следующие шаги План

14 OFDM – модуляция на многих ортогональных поднесущих –ADSL –IEEE a/g; IEEE a –DAB, DTTV –Также претендент для 4G, IEEE n и IEEE 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 Основа – OFDM Техническое предложение от MBOA

15 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 Обзор Многополосного OFDM (MB-OFDM) Техническое предложение от MBOA

16 Пример блок-схемы структуры передатчика: Типичная, проверенная OFDM-система Преимущества всех известных OFDM- решений в предложении от MBOA MB-OFDM: Структура передатчика Техническое предложение от MBOA

17 Пример обязательной и дополнительной скоростей передачи: (возможен широкий диапазон скоростей) Скорость передачи данных110 Мб/с*480 Мб/с** МодуляцияOFDM/КФМ Размер БПФ128 Скорость кода (ограничение=7)R = 11/32R = ¾ Расширение21 Информационные поднесущие100 Длительность символа242,4 нс «Зануленный» префикс60,6 нс Защитный интервал9,5 нс Период символов312,5 нс Канальная скорость передачи640 Мб/с Допуск многолучевости60,6 нс * Обязательная скорость, ** Дополнительная скорость Параметры системы MB-OFDM Источник: MBOA, Multi-band OFDM Physical Layer Proposal Техническое предложение от MBOA

18 Полосы по 528 МГц объединяются в группы: –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 Частотное планирование для MB-OFDM Техническое предложение от MBOA

19 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 Множественный доступ Техническое предложение от MBOA

20 СкоростьCM1CM2CM3CM4 110 Mб/с11,4 м10,7 м11,5 м10,9 м 480 Mб/с2,9 м2,6 м Дальность действия Дальность действия при пакетной ошибке 8% и 90% вероятности успешного соединения для группы 1 Техническое предложение от MBOA

21 Размер кристалла для Mode 1 DEV –Технология: 90 нм КМОП (2005) Аналоговая часть*Цифровая часть 90 нм2,7 мм 2 1,9 мм нм3,0 мм 2 3,8 мм 2 * Площадь компонента Сложность Активное энергопотребление для Mode 1 DEV БлокMode 1: 90 нмMode 1: 130 нм TX (110 Mb/s), всего93 мВт117 мВт RX (110 Mb/s), всего155 мВт205 мВт RX (200 Mb/s), всего169 мВт227 мВт Спящий режим15 мкВт18 мкВт Техническое предложение от MBOA

22 Реализуемость –Развитие стандартной КМОП технологии приводит к созданию чипа непосредственным путем –OFDM-решения проверены и испытаны в ADSL и a/g Последующая оптимизация с развитием технологии –Улучшение соотношения сложность/энергопотребление с уменьшением размеров вентилей (в соответствии с законом Мура) –Аналоговая часть оптимизируется сложнее Сложность MB-OFDM – лучшее решение для UWB Техническое предложение от MBOA

23 Обзор СШТ Многополосные UWB устройства Техническое предложение от MBOA Вопросы ЭМС Хронология развития и следующие шаги План

24 Краткий обзор текущего состояния Вопросы ЭМС 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 MB- OFDM и других СШ систем –Завершены измерения воздействия СШ помех на реальный приемник ФСС –Включая MB-OFDM, БГШ и импульсные СШТ-системы

25 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 Цели измерений и оборудование Вопросы ЭМС

26 Схема измерительного стенда Вопросы ЭМС

27 Амплитудное распределение сигнала MB-OFDM сходно с распределением импульсного сигнала, уже разрешенного FCC США Амплитудное распределение MB- OFDM 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 Амплитудное распределение Источник: MBOA, Interference Comparison Graph source MBOA, Interference Comparison Вопросы ЭМС

28 35 МГц, скорость кода 7/8, без перемежителя, Es/(N+I sat )=7,6 дБ Результаты моделирования Источник: MBOA, Multi-band OFDM Physical Layer Proposal Response to no Voters Вопросы ЭМС

29 Производительность приемника ФСС (вероятность ошибок, отвечающая увеличению I/(N+I sat ) на 1 дБ), код 7/8 Тип помехиПревышение воздействия белого шума Увеличение защитного расстояния (по отношению к БГШ, ~1/r 2 ) Увеличение защитного расстояния (по отношению к БГШ, ~1/r 3 ) MB-OFDM-31 дБ12 %8 % MB-OFDM-71,5 дБ19 %12 % Импульсная, ЧПИ 1 МГц 2,5 дБ33 %21 % Сводка результатов моделирования Table source MBOA, Multi-band OFDM Physical Layer Proposal Response to no Voters Вопросы ЭМС

30 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 Шумоподобный источник MB-OFDMИмпульсный источник Минимальное защитное расстояние +1.5dB+1 dB Область вредных помех Разрешено Сводка результатов Вопросы ЭМС

31 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 Выводы MB-OFDM не создает вредных помех Вопросы ЭМС

32 Обзор СШТ Многополосные UWB устройства Техническое предложение от MBOA Вопросы ЭМС Хронология развития и следующие шаги План

33 Первая стандартизи- рованная продукция Спецификации MBOA UWB, v1.0 Все продукты, даты и рисунки предварительны, только в целях планирования и могут быть изменены без уведомления. План промышленного внедрения Хронология развития и следующие шаги 2004 Q3 Q2 Q1 Q H 1H H Выход спецификаций других SIG Спецификации Wireless USB, v1.0 Массовое производство Быстрый прогресс UWB

34 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 Заключение

35 Альянс многополосного OFDM (MBOA) – Предложение от MBOA: – 3/03268r2P802-15_TG3a-Multi-band-CFP- Document.pdfhttp://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2003/Jul0 3/03268r2P802-15_TG3a-Multi-band-CFP- Document.pdf Результаты исследования ЭМС: – a-c-band-satellite-interference- measurements-tdk-rf-test-range.pdfhttp:// a-c-band-satellite-interference- measurements-tdk-rf-test-range.pdf Дополнительная информация Заключение