В одной полосе — стройся!

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, да и не только в Интернете. Многочисленные региональные, местные и локальные сети, как проводные, так и беспроводные, также с трудом пропускают необъятные информационные потоки. Поэтому, вероятно, наиболее актуальное сегодня требование — «Пропускной способности!»

Кто на новенького?

На новом витке технического прогресса в самом центре внимания находится недавно «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 возможностей передачи на небольшие расстояния маломощных, очень коротких (до нескольких наносекунд) моноциклических импульсов. Планируется, что устройства, реализующие эти возможности, будут работать на частотах 1—6 ГГц, занимая всю эту полосу или только ее часть, поскольку ширина спектра UWB-излучения достигает нескольких гигагерц.

Идея UWB состоит в том, что все мыслимые (да и немыслимые пока) виды сигналов, включая теле- и радиопередачи, речевые потоки сотовой и транкинговой связи, Интернет-данные, будут передаваться в одной полосе частот. Ведь такой широкополосный цифровой поток есть не что иное, как передача наборов битов, т. е. просто нулей или единиц. Информацией — звуком, картинкой, телепередачей, данными и текстом — этот набор 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» и подобны шуму. По виду такого сигнала на экране спектроанализатора нельзя сказать, что он в себе несет. Мало того, если таких сигналов в эфире несколько, их трудно отличить один от другого. Это и определяет особенности технологии UWB.

Чтобы лучше представить себе, чем так выделяется UWB, вспомним, что с момента появления радио и осознания проблемы помех спектр постоянно кроился и перекраивался с учетом особенностей передаваемых сигналов. Так, в середине прошлого века телевидение с его имеющим специфическую форму широким (по меркам того времени) сигналом и важнейшей политической миссией получало исключительные полосы частот. Всем остальным вход в эти участки спектра был заказан. Другие службы были вынуждены уживаться в оставшихся диапазонах, 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 многие существующие проводные системы. Производители говорят о ее особой экономической эффективности как радиосети внутри помещений. Хотя для этого сегодня существуют и другие решения (скажем, 802.11b и Bluetooth), UWB имеет перед ними немало преимуществ, главное из которых — способность обеспечить более высокоскоростную связь для огромного числа пользователей при относительно небольших затратах.

Большинство нынешних применений UWB-систем можно отнести к одной из двух категорий. Первая — это средства радиосвязи малого радиуса действия для передачи речи, данных или сигналов управления, вторая — 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 способна заменить 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 объектов. UWB очень неплохо «вписывается» и в медицинские приложения, такие, как мониторинг работы сердца, органов дыхания и т. п. С помощью UWB-датчиков можно создать множество беспроводных «помощников» водителя, начиная от простых систем предотвращения столкновений или дистанционного управления замками до значительно более сложных интеллектуальных приложений для скоростных автодорог. В последнем случае предполагается, 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. Кроме того, сети UWB просто созданы для управления промышленными роботами.

UWB-сети могут найти применение и в системах распознавания меток, идентификационных карт, лицензионных марок для любых видов имущества и оборудования, перемещение которого по тем или иным причинам необходимо отслеживать, а также в системах локации. В частности, легко реализовать локационные системы, которые способны обнаруживать неглубокие залежи различных минералов, определять местонахождения неметаллических труб, пластиковых мин, археологических ценностей, трещин в мостах и дорожном покрытии, находить людей под завалами 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 многообещающие перспективы в плане массового использования в самых различных условиях.

Технические особенности

Главные параметры, характеризующие UWB-устройства, — 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 отношение необходимой ширины полосы к значению центральной частоты (предполагается, что типичное значение этого параметра должно превышать 0,25).

В беспроводных телекоммуникациях трафик измеряют в единицах плотности скорости передачи, т. е. в битах в секунду на единицу площади (бит/с/м2). С учетом объемов трафика типичного офиса можно предположить, что средняя величина трафика в ближайшие 10 лет будет составлять около 0,05 Мбит/с/м2. Поскольку рост объемов передаваемой информации непредсказуем, примем эту цифру в качестве базовой для нижней границы. Возможности систем UWB с лихвой покрывают эти требования по объемам трафика. Передавая широкополосные шумоподобные сигналы, они обеспечивают чрезвычайно высокую плотность скорости передачи (десятки Мбит/с/км2).

Что такое хорошо и что такое плохо

Ряд технических особенностей новой технологии делает ее весьма привлекательной для использования во многих ситуациях. Вот некоторые из достоинств UWB.

Почти полная невосприимчивость к помехам от систем радиосвязи. Как известно, любой узкополосный сигнал традиционных радиосистем воспринимается сверхширокополосным приемником как незначительная помеха, борьба с которой не представляет особой трудности.

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

Высокая степень защищенности связи от «любопытных соседей». 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 краткости 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», функционирующих в той же полосе частот.

К сожалению, учитывая широкий спектр применений новой технологии, 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 и 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 к настоящему времени все полосы частот давно распределены, легко понять, что новые системы будут мешать множеству существующих. Поэтому, прежде чем допускать на рынок сверхширокополосные системы, 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, например, воздушная радионавигация. Такие системы 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 эта область занимает 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-много точек», 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 пока нет положений, определяющих правила работы сверхширокополосных устройств и условия соответствующей защиты других служб. Очевидно, что подходить к задаче распределения радиочастот здесь нужно совершенно по-новому. И хотя пока это задача со многими неизвестными, осмысления она требует уже сегодня.

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, данные о позиционировании, указания автоматической системы дорожного движения и т. д.?

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

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 обстановку, 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 — определить разрешенные уровни мощности и другие технические параметры (пиковая и средняя мощность, частота повторения импульсов, ширина импульса), гарантирующие, что работа сверхширокополосных устройств не создаст помех для других радиослужб. Оценить возможные помехи трудно еще и потому, 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 беспроводную связь, которая не вписывается в традиционные определения фиксированной или подвижной связи. Пользователи UWB-системы не привязаны к стационарным передатчикам и могут работать c персональным компьютером или ноутбуком везде, куда простирается область обслуживания их широкополосной сети. В скором будущем такая нефиксированная связь может оказаться еще одним революционным фактором, разрушающим устоявшиеся концепции фиксированной и подвижной связи, стать краеугольным камнем фундамента новых средств радиосвязи, объединяющих разнородные услуги связи не только в одном информационном потоке, но и в одной технологической структуре.

UWB получает официальное одобрение 14 февраля 2002 года 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. 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, аналитика 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 высокоскоростная передача данных между любыми двумя узлами, не связанными кабельной инфраструктурой. Но вполне вероятно, что этот подход окажется дороже сетей 802.11. Разработчики Intel (http://www.intel.com) 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 наряду с Intel ведут компании Fujitsu, Sony и ряд других. Дополнительную информацию можно найти на сайте открытой рабочей группы UWBBG (http://www.uwb.org), созданной в мае 1998 года.