UWB (Ultra WideBand)

Co je UWB

• UWB (Ultra WideBand) je zatím poměrně málo známá bezdrátová technologie, ale se značným potenciálem. V roce 2000 se objevily první optimistické zprávy o nové technologii v oblasti bezdrátových sítí - ultra-širokopásmové (Ultra WideBand). UWB se posazením ve spektru odlišuje od úzkopásmových komunikací, které jsou dnes běžné, i širokopásmových, jež přicházejí se sítěmi 3G. Optimismus pramení především z rychlosti, kterou má tato technologie umožnit, a to stovek Mb/s *; a také z předpokládané nízké energetické spotřeby, jež je dána malým vysílacím výkonem. Lze ji využít pro přenosy velkých objemů dat po širokém spektru kmitočtů  na krátkou vzdálenost. UWB se už dlouho využívá pro vojenské účely, především jako radarová technologie
  

• Další výhodou je vysoká bezpečnost provozu: praktická nemožnost odposlechu či dokonce nemožnost zjištění přítomnosti bezdrátových zařízení v těchto sítích (signály vypadají jako slabý, normální šum). Jinými slovy: přístroje v UWB sítích se neruší s ostatními zařízeními v elektromagnetickém spektru
  

• * Rychlá WPAN již existuje, IEEE 802.15.3 (WPAN High Rate) byla schválená vloni a nabízí nezanedbatelných 11-55 Mbit/s. 802.15.3 pracuje, jak jinak, ve "volném" pásmu 2,4 GHz a má zabudovanou podporou pro kvalitu služeb (QoS) pro náročné domácí multimediální aplikace. Cílem specialistů na rychlé WPAN bylo ovšem navrhnout takovou WPAN, která by nabídla kapacitu od 110 Mbit/s výše, a proto sáhli k technologii UWB
  

Technologie UWB

• Současný přenos digitálních pulsů přes vysoký počet kmitočtových kanálů (pásmo 1-5 GHz) je velmi přesně časován. Vysílač a přijímač musí zkoordinovat příjem a vysílání signálu na trilióntinu sekundy
  

• Na rozdíl od většiny moderních rádiových technologií pulsní signály nemodulují nosnou o pevném kmitočtu. Informace je zakódována přímo v signálu základního pásma a modulace nosné není potřeba. Rozprostřené spektrum u IEEE 802.11 vlastně dociluje uměle toho, co UWB provádí ze své podstaty: rozložit signál v rámci velmi širokého spektra tak, aby výkon v každém jednotlivém pásmu byl pod úrovní možného křížení s jinými úzkopásmovými uživateli. To UWB provádí pomocí modulace velmi krátkodobých nízkovýkonových pulsů, nazývané také jako monocykly (kolem 0,5 ns), které přímo generují široce rozprostřený signál

Sinusový signál je úzký ve frekvenci a široký v čase

UWB signál je úzký v čase a široký ve frekvenci

• UWB je imunní vůči rušivým vlivům, neboť systémy vykazují víceméně rovnoměrně rozprostřený výkon přes velmi velký rozsah kmitočtů. Proto je lze zejména pro úzkopásmové přijímače obtížně odlišit od šumu. Signál UWB má menší výkon než jiné signály na stejném kmitočtu (včetně šumu), takže teoreticky nedochází k žádnému rušení. Další výhodou související s pulsní modulací použitou u UWB je praktické vyloučení zkreslení odrazem, resp. příjmem signálů z více cest. Odražené signály normálně mohou narušit jinak čistý rádiový příjem (obdobou v televizním vysílání jsou "duchy" na obrazovce). V případě UWB lze velmi krátké pulsy filtrovat nebo ignorovat, protože je možné je snadno odlišit od zkreslení odrazem
  

• UWB vysílač se skládá z méně komponent než klasické sinusoidní vysílače. Což bude mít kladný vliv na cenu

   
         klasický vysílač                                                                        UWB vysílač

• Proto se zdá, že UWB systémy skrývají velký potenciál pro budoucí vysoko-kapacitní bezdrátové systémy. Nicméně zbývá ještě několik problému, než bude možné tuto technologii použít ve velkém. Například nalézt cestu k legalizaci této technologie bez způsobování nepřijatelného rušení dalším uživatelům stejného frekvenčního pásma, vypořádat se s rušením způsobeným úzkopásmovými vysílači operujícími v pásmu UWB přijímače, vyřešit extrémní požadavky na šířku pásma antény

Plošná Rychlost

• IEEE 802.11b má operační dosah 100m. V pásmu 2.4GHz je asi 80Mhz použitelného spektra. V kruhu o poloměru 100m mohou operovat 3 22Mhz IEEE 802.11b systémy, aby se na vzájem nerušily. Každý z nich nabízí rychlost 11Mbps. Celkem je to tedy 33Mbps, děleno plochou kruhu nám to dává přibližně 1000 bitů za sekundu na metr čtverečný
  

• Bluetooth, v low-power módu na dosah 10m a rychlost 1Mbps. V tomto kruhu může najednou pracovat až 10 takových zařízení. Stejným výpočtem dostaneme prostorovou kapacitu 30 000 bitů za sekundu na metr čtverečný
  

• IEEE 802.11a má dosah 50m s operační rychlostí 54Mbps. Používá 200MHz dostupného spektra v dolní části 5GHz. V kruhu o poloměru 50m může pracovat až 12 zařízení. Výsledná prostorová kapacita je 83 000 bitů za sekundu na metr čtverečný
  

• UWB systémy se široce liší ve vlastnostech. Jeden z výrobců naměřil rychlosti přes 50Mbps na vzdálenost 10m. Přičemž k tomto kruhu o r=10m pracovalo 6 systémů. Prostorová kapacita vychází 1 000 000 bitů za sekundu na metr čtverečný
  

Prostorové kapacity vybraných bezdrátových technologií

OFDM (Orthogonal Frequency division multiplexing)

• Použití OFDM navrhuje do IEEE 802.15.3a MultiBand OFDM Alliance a spočívá v rozdělení spektra do několika 528MHz pásem. Informace se vysílá pomocí OFDM přes jednotlivá pásma. Informační bity jsou prokládány mezi jednotlivá pásma tak, aby byla zachována frekvenční rozmanitost a odolnost vůči zkreslení odrazem a rušení. Definuje rychlosti 55, 80, 110, 200, 320 a 480Mbps. Podpora rychlostí 55,110 a 200 Mbps má být povinná
  

Skupina 528Mhz pásem rozdělených do 4 skupin

• Skupina A - zamýšlena pro zařízení 1.generace (3.1 - 4.9 GHz)
  

• Skupina B - vyhrazeno pro budoucí použití (4.9 - 6 GHz)
  

• Skupina C - pro zařízení s vylepšeným SOP (Simultaneous Operating Piconet) výkonem (6 - 8.1 GHz)
  

• Skupina D - vyhrazeno pro budoucí použití (8.1 - 10.6 GHz)

Aplikace a využití UWB

        -  přesná lokalizace a detekce - detekce a vysledování osob i předmětů, podzemní zobrazení
       -  detekce pohybu (skrze zdi) - domácí bezpečnostní systémy, monitorování pohybu zboží
       -  přesná navigace a měření vzdáleností - senzory pro zamezení kolizím (automobily)
       -  komunikační sítě - rychlé lokální a domácí sítě (malé náklady a vysoká rychlost)
       -  medicína - sledování dechu (na ochranu proti syndromu náhlého úmrtí novorozeňat)

• Bezdrátová komunikace prostřednictvím UWB byla americkými úřady vykázána do frekvencí od 3,1 GHz do 10,6 GHz a vyzářený výkon je omezen. Mobilní provozovatelé se však nadále obávají rušení s jejich sítěmi, podobně jako letecké společnosti a NASA mají oprávněné obavy z narušení navigačních systémů Global Positioning System (GPS), proto žádají FCC, aby byla technologie UWB povolena pouze nad 6 GHz (i když GPS pracuje na 1,6 GHz)
  

• Nejzajímavěji zareagovala na omezení firma Pulse-LINK. Pulse-LINK se chlubí kapacitou až 400 megabitů za sekundu u bezdrátového připojení a tvrdí, že rychlost může ještě stoupat. Firma však hlavně začala nabízet UWB jako prostředek pro digitální přenos dat koaxiálními kabely, zejména v rozvodech kabelové televize. Přenosová kapacita je přidělena asymetricky, k uživateli mohou téct data báječnou rychlostí 1,2 gigabitů (1200 megabitů) za sekundu a od uživatele do světa rychlostí 480 kilobitů za sekundu. Provozovatel kabelové televize si přitom nemusí dělat starosti s frekvenčními rozsahy, UWB dokáže přenášet data i na pozadí televizních kanálů
  

• Využití UWB se jako první zvažuje právě pro velmi rychlé sítě s malým dosahem do deseti metrů, kde bude výrazně konkurovat např. Bluetooth, protože ve srovnání s ním bude téměř 500krát rychlejší. UWB se ve WPAN uplatní v rychlých domácích přenosových sítích (např. pro video přenosy) 
  

• Detekce odrazů krátkých pulsů UWB se už delší dobu využívá pro velmi přesné radarové systémy (Ground Penetrating Radar, GPR). UWB signály nejsou omezeny překážkami (část rozprostřeného signálu se odráží, část proniká skrz): umožňují radarové využití i pod zemí, podobně jako "rentgen" zdí. To může být výhodné např. pro vyhledávání osob pod sutinami při zemětřeseních nebo jiných katastrofách. Přesné měření se využívá v tzv. RLMS (Radar Level Measurement Systems)