Юлия Волкова

В известном из учебника истории лозунге "Хлеба и зрелищ!" вторую часть сегодня следовало бы заменить чем-то более современным. Чем конкретно? Оператор связи скажет "трафика", провайдер Интернета - "информации", вещатель воспользуется модным ныне словечком "контент". Но все это будет только конкретизацией общей тенденции замены "живых" зрелищ на забавы электронные. Причем развлечения эти с каждым годом становятся все более "навороченными" и, как следствие, более объемными (если измерять их в байтах), что ведет к безудержному росту трафика в сетях связи, причем не только в Интернете. Многочисленные региональные, местные и локальные сети, как проводные, так и беспроводные, также захлебываются, стараясь пропустить необъятные информационные потоки. Поэтому, вероятно, наиболее актуально сегодня требование - "Пропускной способности!"

Кто на новенького?

На новом витке технического прогресса в самом центре внимания находится только-только "вылупившаяся" технология сверхширокополосных (Ultra Wideband, UWB) систем радиосвязи. Она вызывает интерес у множества научных учреждений и промышленных компаний; в рамках международных организаций электросвязи (таких, как МСЭ и СЕРТ) также ведутся исследования, касающиеся устройств, в основу работы которых положена передача на небольшие расстояния маломощных, очень коротких (до нескольких наносекунд) моноциклических импульсов. Планируется, что такие устройства будут работать на частотах от 1 до 6 ГГц, занимая всю эту полосу или только ее часть, поскольку ширина спектра UWB-излучения достигает нескольких ГГц.

Идея UWB состоит в том, что все мыслимые (да и пока немыслимые) виды сигналов - теле- и радиовещание, речевые потоки сотовой и транкинговой связи, Интернет-данные и прочая информация будут передаваться в одной полосе частот. Ведь такой широкополосный мультиплексированный цифровой поток в процессе передачи есть не что иное, как набор битов, т. е. просто нулей или единиц. Информацией в любом ее виде - звуком, картинкой, телепередачей, данными, текстом, - этот строй нулей и единиц станет только после перегруппировки на принимающем конце "рядовых" битов потока в соответствующие стройные армады. Причем на выходе приемника можно получить не один, а множество самых разнообразных сигналов, которые после соответствующей обработки станут радиовещательными программами, короткими сообщениями, текстовыми документами, компьютерными играми, репликами в телефонном разговоре, видеофильмами, сигналами оповещения и т. д.

Но это потом, после обработки. В эфире же такие сигналы не имеют ярко выраженных свойств. Они все "на одно лицо" - шумоподобны. По виду такого сигнала на экране спектроанализатора нельзя сказать, что он в себе несет. Мало того: если таких сигналов в эфире несколько, никто не отличит один от другого. Поэтому технология UWB - не просто еще одна "равная среди равных".

Чтобы лучше представить себе, чем так выделяется UWB, вспомним, что с момента появления радио и осознания проблемы помех спектр всегда кроился и перекраивался с учетом особенностей передаваемых сигналов. Такой подход был оправдан, поскольку другого было не дано. Так, телевидение с его имеющим специфическую форму широким (по тем понятиям) сигналом и важнейшей политической миссией требовало для себя исключительных полос частот. Всем остальным вход в эти участки спектра был заказан. Другие службы были вынуждены "уживаться" под одной крышей, согласовывая условия своего сосуществования, причем зачастую весьма сложные. Но все это скоро должно остаться в прошлом. Нет смысла учитывать свойства сигнала, если в эфире они не проявляются. Поэтому можно смело утверждать, что появление сверхширокополосных систем еще на несколько шагов приблизило то время, когда мы откажемся от привычного деления спектра по службам.

Применять по назначению

Технология UWB может использоваться в самых разнообразных приложениях, успешно заменяя немало существующих проводных систем. Производители говорят о ее особой экономической эффективности как радиосети внутри помещений. Хотя для этого сегодня существуют и другие решения (802.11b и Bluetooth), UWB имеет перед ними массу преимуществ, главное из которых - обслуживание более высокоскоростной связью огромного количества пользователей при затратах существенно меньших, чем обходится реализация такой связи на базе других известных технологий.

Большинство нынешних применений UWB-систем можно отнести к одной из двух категорий: устройства радиосвязи малого радиуса действия для передачи речи, данных или сигналов управления и радарные системы и системы идентификации и определения местоположения объекта.

К первой категории, в частности, относятся высокоскоростные радиолинии передачи на небольшие расстояния (до 1 км) для локальных и персональных беспроводных сетей. Например, установив UWB-станцию в квартире, вы можете организовать персональную беспроводную сеть, связывающую воедино телевизионные приемники, видеомагнитофоны, стереосистемы и компьютеры без кабельных соединений. В офисе UWB-станция заменит провода, соединяющие компьютер с мониторами, клавиатурой, мышью, громкоговорителями, принтерами, локальной сетью. А учитывая стремление западных производителей снабдить IP-адресами абсолютно все электронные приборы, в эту же сеть можно включить кофеварку, СВЧ-печь, и далее по желанию…

Вторая сфера применения радиосвязи с малым радиусом действия - системы безопасности, оснащенные датчиками движения, например, электронные заграждения и устройства предупреждения о приближении чего-то. UWB очень неплохо "вписывается" в медицинские приложения, такие, как мониторинг работы сердца, органов дыхания или отслеживание других жизненных функций организма. С помощью UWB-датчиков можно создать множество беспроводных "помощников" водителя, начиная от простых систем предотвращения столкновений или дистанционного управления замками и до значительно более сложных интеллектуальных приложений для скоростных автодорог. Последние предполагают, что приемопередатчик в кабине водителя обменивается сигналами с устройствами управления дорожным движением, размещенными вдоль трассы, сообщает водителю о ситуации на предполагаемом пути движения и предлагает варианты действий. Сети UWB просто созданы для управления промышленными роботами, и т. д. и т. п.

Еще одно применение UWB-сетей - системы распознавания меток, идентификационных карт, лицензионных марок для любых видов имущества и оборудования, перемещение которого по тем или иным причинам необходимо отслеживать, а также системы локации. В частности, легко реализовать локационные системы, которые могут обнаруживать неглубокие залежи различных минералов, определять местонахождения неметаллических труб, пластиковых мин, археологических ценностей, трещин в мостах и дорожном покрытии, людей, скрытых стенами, развалинами или снежными лавинами, и т. д. На базе технологии UWB можно создать устройства передачи изображения, обеспечивающие безопасность работ при строительстве и ремонте зданий, устранении последствий стихийных бедствий.

Таким образом, технология UWB имеет весьма и весьма многообещающее применение и к тому же рассчитана на массовое использование в самых различных условиях.

 

UWB получает официальное одобрение

14 февраля 2002 г. Федеральная комиссия по связи США (FCC), несмотря на противодействие Пентагона, разрешила коммерческое применение сверхширокополосной технологии UWB. Она будет применяться в качестве высокоскоростного беспроводного канала связи между компьютерами и другими электронными устройствами.

Скорость передачи данных современных беспроводных технологий, таких, как 802.11b (RadioEhernet), составляет 10 Мбит/с на расстоянии до 100 м. Максимально возможная плотность скорости передачи (SC) составляет примерно 1 кбит/с/м2.

Технология Bluetooth обеспечивает беспроводную передачу данных на расстоянии до 10 м со скоростью до 1 Мбит/с, что соответствует плотности скорости передачи 30 кбит/с/м2.

Стандарт 802.11а предусматривает скорость передачи информации до 54 Мбит/с на расстоянии 50 м. При этом SC может достигать значения 83 кбит/с/м2.

UWB обеспечит связь на расстоянии до 10 м с пропускной способностью 500 Мбит/с. При таких скоростях дома или в офисе можно легко передавать мультимедиа-потоки между устройствами. SC при этом составит около 1 Мбит/с/м2.

Fig. Сравнительная плотность скорости передачи для различных беспроводных технологий

UWB уже используется в локационных системах для просвечивания объектов, однако в том виде, в каком она принята FCC, технология не обеспечивает достаточной для этого мощности. В частности, с учетом принятых ограничений проникающая способность UWB-радаров для спасателей составит не более 7 м при теоретической возможности до 150 м.

По мнению Мартина Рейнолдса из Gartner Group, первые UWB-устройства в ближайшие несколько лет будут работать на скорости около 100 Мбит/с. При помощи данной технологии можно будет создать сети, в которых возможна передача данных между любыми двумя узлами. Это позволит обмениваться данными с высокой скоростью, не используя кабельную инфраструктуру. Но вполне вероятно, что этот подход окажется дороже сетей 802.11.

Разработчики Intel считают, что UWB-радиоустройства удастся интегрировать в кристаллы вместе с другими микросхемами по стандартной технологии КМОП. В этом случае их стоимость должна заметно снизиться. Исследования в этом направлении, кроме Intel, ведут компании Fujitsu, Sony и ряд других.

Дополнительную информацию можно найти на сайте http://www.uwb.org открытой рабочей группы UWBBG, созданной в мае 1998 г.

Технические особенности

UWB-устройства характеризуются рядом параметров. Главные из них: частота повторения коротких импульсов, средняя мощность в пересчете на 1 МГц и пиковая мощность в любой полосе шириной 50 МГц. Важна также относительная ширина полосы, определяемая как частное от деления необходимой ширины полосы на центральную частоту. Предполагается, что типичное значение этого показателя должно быть больше 0,25.

В беспроводной связи трафик измеряют в единицах плотности скорости передачи, т. е. в битах в секунду на единицу площади (бит/с/кв.м). Полученные недавно оценки этой характеристики связи для типичного офиса позволяют спрогнозировать среднюю величину трафика на ближайшие 10 лет: она составит около 0,05 Мбит/с/кв.м. Учитывая непредсказуемость роста объемов передаваемой информации, примем эту цифру в качестве базовой для нижней границы.

Системы UWB как нельзя лучше удовлетворяют этим требованиям по объемам трафика. Передавая широкополосные шумоподобные сигналы, они обеспечивают чрезвычайно высокую плотность скорости передачи (десятки Мбит/с/кв.км).

Что такое хорошо и что такое плохо

Ряд технических особенностей новой технологии делает ее весьма привлекательной для использования во многих ситуациях. Некоторые из этих ценных свойств описаны ниже.

Почти полная невосприимчивость к помехам от систем радиосвязи. Это известный науке факт - любой узкополосный сигнал традиционных радиосистем воспринимается сверхширокополосным приемником как незначительная помеха, борьба с которой не представляет ни малейшей трудности.

Слабая зависимость от замираний, обусловленных многолучевым распространением (это очень важно в городских районах с плотной застройкой и для подвижной связи). Благодаря малой длительности импульса многолучевого распространения просто не возникает.

Высокая степень защищенности связи от "любопытных соседей", поскольку на входе приемника обычных радиосистем UWB-сигнал проявляется как шум, а каждая сверхширокополосная система имеет свой неповторимый алгоритм "построения" битов в осмысленный сигнал, и таких алгоритмов - легион.

Простота приемного устройства. Куда уж проще - нет ни несущей частоты, ни линейных усилителей, ни каскадов промежуточной частоты.

Системы широкополосной связи на основе UWB способны обслуживать большое количество пользователей, практически не ограничивая для них скорость передачи.

Однако в мире совершенства нет, и UWB не лишена недостатков. Так, из-за широкой полосы частот и коротких импульсов требования к точности синхронизации очень высоки, а для приемопередающих устройств необходимы специальные антенны. Кроме того, излучение в очень широкой полосе может влиять на работу других радиослужб, которые уже давно и "законно" (в соответствии с Регламентом радиосвязи) работают в отдельных участках этой полосы: с ростом скорости передачи средняя мощность передатчика увеличивается и в принципе может стать сравнимой с мощностью передатчиков других радиослужб. Есть и еще негативная черта - некоторые типы UWB-устройств ведут передачу с относительно высокой пиковой мощностью.

Где радио - там помехи

Это правильно, но не всегда. Некоторые из предлагаемых сегодня сверхширокополосных устройств могут работать с малым уровнем средней мощности, а поскольку мощность эта "размазывается" относительно тонким слоем по широкому участку спектра, спектральная плотность мощности, создаваемая таким устройством, будет практически ничтожной. Сторонники новой технологии утверждают - и грамотный радиоинженер это, несомненно, подтвердит, что на входе обычных радиоприемников UWB-сигнал проявляется в виде радиочастотного фонового шума. Это справедливо для случая, когда UWB-система работает почти в одиночестве и не имеет "соседей", работающих в той же полосе частот.

К сожалению, учитывая широкий спектр применений, можно с высокой вероятностью предсказать, что некоторые из UWB-приложений (например, высококачественные системы передачи данных и радары для предотвращения столкновений на автодорогах) будут использоваться очень интенсивно и на одном квадратном метре плотно заселенного района будет одновременно работать несколько сверхширокополосных передатчиков. В результате их суммарное излучение может существенно повысить уровень искусственных шумов и, возможно, создать помехи другим системам радиосвязи, использующим те же частоты. Но это еще не все: из-за того, что спектр сигнала "размазан" по широкой полосе, рост уровня шума может также создать помехи радиослужбам, работающим в ближайших полосах частот.

Поскольку в настоящее время все полосы частот давно распределены, легко понять, что новые системы будут мешать множеству существующих. Поэтому при допуске на рынок сверхширокополосных систем необходимо оценить размеры бедствия. Для этого прежде всего имеет смысл исследовать влияние агрегатного шума, создаваемого множеством UWB-устройств в полосах частот, которые сегодня используются другими радиослужбами.

Несомненно, ряд служб требует особого внимания. Это в первую очередь системы с пассивными датчиками (радиоастрономия, метеорология и т. п.) и системы обеспечения безопасности человеческой жизни. Последние, среди которых, например, воздушная радионавигация, используют приемники, работающие с малыми уровнями полезного сигнала. Чтобы выяснить, насколько чувствителен бортовой приемник даже к слабым уровням помех, нужно решить несложную задачку расчета области обслуживания системы воздушной радионавигации. Для типичной высоты полета самолета 10 км она составит примерно 160 тыс. км2 .

Но опасность грозит не только "особо чувствительным" службам. Жертвами помех могут стать системы, использующие ненаправленные или секторные антенны (которые в последнее время получили название точка-область), например, средства радиодоступа и радиовещательные станции, работающие в нижней части предполагаемого UWB-диапазона, а также популярные сегодня системы фиксированной связи типа точка-точка и точка-многоточие, которым выделены более высокие частоты. Увеличение уровня фонового шума приемника может существенно ухудшить качество работы этих систем, приводя, в частности, к снижению пропускной способности и надежности связи или сужению зоны обслуживания.

Известно, что для нормальной работы радиосети необходимо, чтобы уровень шума на входе приемника не превышал определенного порога. В идеале он должен быть меньше собственных шумов существующих и планируемых к развертыванию систем. Однако под влиянием сигналов широкополосных передатчиков уровень шума, несомненно, будет расти. Мало того, необходимо помнить о том, что шумовой сигнал от нескольких одновременно работающих устройств UWB (плотность размещения которых пока трудно предсказать) будет суммироваться и, вполне вероятно, что для некоторых приложений он будет очень велик. К сожалению, параметры UWB-устройств пока еще четко не определены, и поэтому довольно сложно оценить, насколько серьезную угрозу представляют они для работы существующих служб.

Иная связь - иные правила

Итак, UWB - это технология, регулировать применение которой мы еще не умеем. В современном Регламенте радиосвязи нет (да и не может пока быть) положений, определяющих правила работы сверхширокополосных устройств. Нет сегодня и регуляторных положений, которые охватывали бы все аспекты и условия, необходимые для внедрения сверхширокополосных систем связи и защиты других служб. Очевидно, что подход к задаче распределения радиочастот здесь должен быть совершенно иным. И хотя пока это задача со многими неизвестными, осмысления она требует уже сегодня.

Вполне вероятно, некоторые регуляторные определения и термины в их традиционной трактовке к сверхширокополосным излучениям неприменимы (например, теряют всякий смысл такие понятия, как центральная частота, необходимая ширина полосы и побочные излучения).

У международных институтов пока нет ясности, к какой категории служб следует отнести системы, использующие технологию UWB. Действительно, как классифицировать широкополосный поток данных, принимаемый подвижным терминалом и содержащий сигналы радиовещания, короткие адресные сообщения, информационные сообщения для группы абонентов, сигналы навигационных и идентификационных систем, информацию позиционирования, указания автоматической системы дорожного движения и т. д.?

Сегодня трудно ответить и на вопрос, каковы потребности в спектре для сверхширокополосных систем связи. Но если желательно обеспечить их всемирное использование для многих приложений (именно за это ратуют производители, рвущиеся выбросить на рынок новинку, которая сулит бешеные прибыли), то эти требования должны быть согласованы.

К сожалению, разработчики UWB пока не знают, какими должны быть эксплуатационные параметры устройств, и не представляют механизма воздействия их помех на работу других служб. Поэтому неясно, какие меры необходимы для обеспечения надежной работы сверхширокополосных систем, учитывая реальную электромагнитную остановку, в которой они, как планируется, будут работать. Сложно оценить и то, какими в существующих условиях должны быть характеристики сверхширокополосного приемника.

Другая проблема из той же области - каковы могут быть разрешенные уровни мощности и другие технические параметры (пиковая и средняя мощность, частота повторения импульсов, ширина импульса) для работы сверхширокополосных устройств, чтобы гарантировать беспомеховую связь других радиослужб? И наконец, вспомним, что оценка возможных помех затруднена и тем, что одной-единственной модели распространения радиоволн, пригодной для всего диапазона частот, попросту не существует.

Хотя неизвестных, как видим, немало, темпы развития UWB-технологии могут застать нас врасплох, и, следовательно, ответы на поставленные вопросы нужно получить как можно скорее.

***

Новорожденная технология вполне способна обеспечить высокоскоростную связь "без привязи", которая не вписывается в традиционные определения фиксированной или подвижной связи. Пользователи UWB-системы не связаны со стационарным передатчиком и могут работать c персональным компьютером или ноутбуком везде, куда простирается область обслуживания этой широкополосной сети. В скором будущем такая нефиксированная связь может оказаться еще одним толчком, разрушающим устоявшиеся концепции фиксированной и подвижной связи, и стать краеугольным камнем фундамента новых средств радиосвязи, объединяющих разнородные услуги связи не только в одном информационном потоке, но и в одной технологической структуре.