Харьковский национальный университет радиоэлектроники Кафедра телекоммуникационных систем Оптимизация использования радиочастотного спектра при использовании сверхширокополосных систем беспроводной связи Авторы: Поповский В.В. - д.т.н., профессор, зав. кафедрой ТКС Шостко И.С. – к.т.н., доцент кафедры ТКС

Проблематика беспроводных технологий Дефицит частотных диапазонов ЭМС

Пути решения проблемы Применение СШПС Управление спектром передаваемых сигналов Ограничение спектральной плотности мощности

сверхширокополосные сигналы ширина спектра излучаемых сигналов (определяемая по уровню – 10 дБ относительно максимального значения спектра) не менее 500 МГц; отношение ширины спектра ( по уровню – 10 дБ) к средней частоте спектра f 0 не менее 0,5. относительная полоса частот:

Стандартизация и основные положения Federal Communication Commission (FCC), USA Notice of Inquire, 1998 Notice of Proposed Rule Making, 2000 The First Report and Order, 2002 The First Report and Order, 2002 Memorandum Opinion and Further Notice of Proposed Rule Making, 2003 The Second Report and Order and Second Memorandum Opinion and Order, 2004 European Communications Committee (ECC) released a decision about the UWB regulation on 24th March, 2006 enters into force on 24 March 2006 implementation of the Decision, 1 October 2006 ECCs decision is applicable to radio technologies having a bandwidth wider than 50 MHz It is intended for communications; measurements; location; imaging; surveillance and medical applications primarily for indoor use unlicensed use

Маски излучений для СШП систем связи ,96 1,61 GPS f, ГГц G, дБм/МГц ,110,61,99 0,96 1,61 GPS f, ГГц G, дБм/МГц 1 - маска FCC для излучений СШП устройств, предназначенных для связи в помещениях. 2 - маска FCC для излучений переносных СШП устройств, предназначенных для связи вне помещений. Центральные частоты устройств выше 3,1 ГГц ,96 1,61 GPS f, ГГц G, дБм/МГц ,110,61,99 0,96 1,61 GPS f, ГГц G, дБм/МГц 1 2 FCC News Release. Feb

Маска излучений для СШП систем связи 1 - маска CEPT для устройств в помещении 2 - маска CEPT для устройств вне помещений ,1 ГГц10,6 ГГц 1,66 ГГц -41, f, ГГц G, дБм/МГц 19,9 ГГц -51, ,1 ГГц10,6 ГГц 2,2 ГГц -41, f, ГГц G, дБм/МГц 15,2 ГГц -61, Protection distances for UWB interference, ITU- R Task Group 1-8, Switzerland, January ECC Report 64. The protection requirements of radiocommunications systems below 10.6 GHz from generic UWB applications, 2005

Маска излучений для СШП систем связи В марте 2006 для Европы принята более жесткая маска

Маска излучений для СШП систем связи Комментарии от 29 мая 2006 года, ECC Ограничения в полосе 3,1 - 4,8 ГГц. Разрешается использовать диапазон между 4,2 - 4,8 ГГц без каких-либо ограничений к технике до 2010/2012.

Общие выводы по использованию радиочастотного спектра сверхширокополосными системами беспроводной связи маска излучений для СШП систем связи должна удовлетворять ограничениям, накладываемым на излучаемый спектр сигнала правилами, действующими в определённой стране или регионе; в СШП устройствах, предназначенных для связи должна быть предусмотрена возможность управления спектром сигнала: 1) исключать диапазоны запрещённые правилами или ограничивать спектральную плотность мощности в соответствии с маской излучений; 2) исключать диапазоны в которых возможна нежелательная интерференция с мощными узкополосными сигналами других телекоммуникационных и радиотехнических систем.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники Кафедра телекоммуникационных систем Методы построения сверхширокополосных систем беспроводной связи с коррекцией параметров сигналов в приемо- передающих устройствах Авторы: Шостко И.С. – к.т.н., доцент кафедры ТКС Алмакадма Т. – аспирант кафедры ТКС

Проблематика беспроводных технологий Дефицит частотных диапазонов ЭМС Искажение сигналов в канале распространения радиоволн Возрастание объёма и требуемой скорости передачи данных

Пути решения проблемы Выбор технологии формирования и модуляции СШПС с учётом требований к спектру сигнала; Комбинирование различных методов управления скоростью передачи; Оптимизация методов коррекции, передаваемых сигналов в элементах радиотракта.

Технология: Direct-Sequence UWB (DS-UWB) Импульсные сигналы на основе набора Гауссовских импульсов. Форма импульса определяет занимаемую полосу частот. Motorola, Freescale Semiconductor, Belkin, LeCroy

модели сигнала α t x(t) W( ) сигнал с внутриблочной модуляцией позиции импульса

Технология: DS-UWB Метод модуляции : времяимпульсная модуляция (Pulse-Position Modulation PPM) информационный сигнал предварительно модулируется BPSK Требуемая точность синхронизации: примерно 10% от длительности импульса. В системах где сигнал образуется из последовательности СКИ требуемая точность синхронизации составляет пс. чип трансивера DS-UWB Конструкция чипа передатчика DS-UWB (0.35 µm CMOS, площадь 0.5 mm 2 ). T1T1 T2T2

Схема передатчика СШП формирователь СШП формирователь Линия задержки на t 0 Линия задержки на T 2 Линия задержки на T 1 Генератор тактовых импульсов Вход данных Управление параметрами сигнала Ключ Регулируемый формирователь запуска Регулируемый формирователь запуска

Пропускная способность канала с DS-UWB Идеально подходит для приложений с низкой скоростью передачи данных, имеющих требования к точному позиционированию. Предлагается для стандарта IEEE a (низкая скорость передачи данных с точным позиционированием)

Технология: мультиполосная (Multiband UWB) Предлагается для стандарта IEEE a Метод модуляции : MultiBand -Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB OFDM ) 128 поднесущих в полосе B = 528 МГц Рабочие частоты - 3,1 ГГц - 10,6 ГГц, поддерживаемая скорость передачи данных: 53.3, 80, 106.7, 160, 200, 320, 400, 480, 640, 800, 960 и 1024 Мбит в секунду Intel, Microsoft, Hewlett Packard, Nokia, Philips, Sony, Samsung Electronics, Alereon, Wisair, Texas Instruments,…

Многополосная технология Группа 1, обязательная для всех MB- OFDM систем 128 несущих ( f s = MHz) В зависимости от требований к спектру, некоторые поднесущие могут быть исключены

Реализация метода OFDM N=128=100(для передачи данных)+12(согласование фазы и частоты сигнала)+10(сетка)+6(неиспользованы) Используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексирован ный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное

модели сигнала Характерная временная форма сигнала в UWB MB-OFDM, изменяется по закону: Спектр многополосной системы t

Временные характеристики OFDM-символов Циклический префикс позволяет избежать межсимвольной интерференции

частотные группы Номер группы полосыНижние частоты, МГц Средние частоты, МГц Высокие частоты, МГц f c = n ch, где n ch =1,…,14 номер полосы

Платформа Wireless Universal Serial Bus (WUSB) WiMedia UWB Common Radio Platform

Стандарт Wireless USB WUSB1.5 Радиус до 10 метров Скорость до 1024 Мбит/с Максимальное значение излучаемой спектральной плотности мощности ограничено значением – 41,3 дБм/МГц (7, Вт/Гц) или напряженностью поля 500 мкВ/м в полосе, шириной 1 МГц, на расстоянии 3 метра. Полоса частот (по уровню –10 дБ спектра сигнала), МГц Достоинства обеспечение ЭМС высокое качество передачи мультимедийного контента

Место WUSB

Место WUSB в частотной области

сравнение основных параметров WUSB, Wi-Fi и Bluetooth СпецификацияWireless USB 1.5 Bluetooth 4.0 Wi-Fi(IEEE n) Bluetooth 2.1+ EDR Полоса частот3.1 ГГц – 10.6 ГГц UWB (не определ ено) 2.4 GHz / 5 ГГц 2.4 ГГц Скорость передачиМакс Мбит\с Мбит\с Макс. 600 Мбит\с Макс. 3 Мбит\с Дистанция3-10 мДо 30 м100 м1-100 м МодуляцияMB-OFDM DSSS, DBPSK, DQPSK, CCS, OFDM GFSK СтандартизированЯнварь 2010Еще нетСентябрь 2009Июль 2007

Маска излучений для СШП систем связи Band Group 1 Band Group 2 Band Group 3 Band Group 4 Band Group 5 ограниче ние ограничение отменено в Европе до 30 июня 2010 Увеличенный завал

Зависимость скорости передачи данных от вида модуляции Скорость передачи данных (Mb/s) Модуляция Скорость свёрточного кодирования (R) FDSTFI Общее кол-во бит в OFDM символе (N CBP6S ) Кол-во бит данных в OFDM символе (N IBP6S ) 53.3QPSK1/3YES QPSK1/2YES QPSK1/3NOYES QPSK1/2NOYES QPSK5/8NOYES DCM1/2NO DCM5/8NO DCM3/4NO MDCM1/2NO MDCM5/8NO MDCM3/4NO MDCM4/5NO спецификация WiMedia PHY 1.5

Структура PLCP Protocol Data Unit (PPDU) спецификация WiMedia PHY 1.5

Комплексное представление сигнала для n-го символа N =N frame + N sync + N hdr структура n-го символа зависит от его места в пакете: ЦАП Сглаживаю щий фильтр Re(S n [k]) Im(S n [k]) Re(S n (t)) Im(S n (t)) спецификация WiMedia PHY 1.5

Схема передатчика чередование битов шифратор ЦАП и фильтр обратное преобразование Фурье (IFFT) фазовая модуляция QPSK, DCM, MDCM пунктурный кодерсвёрточное кодирование входной поток данных Cos(2πf c t) x 1 x 4...x 298 x 2 x 5...x 299 x 3 x 6...x 300 y 1 y 11...y 91 y 2 y 12...y 92...y 10 y 20...y 100 y 101 y y 191 y 102 y y y 110 y y 200 y 201 y y 291 y 202 y y y 210 y y 300 спецификация WiMedia PHY 1.5

Общие выводы по сравнению различных технологий СШП систем связи Преимуществом обладают сложные СШПС с разделением спектра на диапазоны. Разделение на диапазоны предоставляет возможность: - учесть особенности ЧХ радиоканала и формы спектра СШПС; - управлять спектром сигнала, исключая те диапазоны, в которых возможна нежелательная интерференция с мощными узкополосными сигналами; - удовлетворять ограничениям, накладываемым на излучаемый спектр сигнала правилами, действующими в определённой стране или регионе; - увеличить дальность связи и уменьшить степень искажения сигнала; увеличить информационную скорость передачи.