¿Existen proyectos a gran escala para la aplicación a gran escala de banda ultraancha en el país y en el extranjero?
Resumen: La tecnología de comunicación por impulso (Impulse Radio) de banda ultraancha UWB (Ultra-Wide Bandwidth) es muy diferente de otras tecnologías de comunicación. Tiene una baja densidad de espectro de potencia de señal, dificultad de detección y baja complejidad del sistema. Ventajas, especialmente adecuado para acceso inalámbrico de alta velocidad y comunicaciones militares en lugares densos de múltiples rutas, como interiores. Se presenta la forma de representación de la señal del sistema UWB, se analizan sus características y se presenta el estado actual de la investigación y la aplicación de las comunicaciones de banda ultraancha.
Palabras clave: Aplicación de señal de comunicación por pulsos UWB
La tecnología UWB es un nuevo tipo de tecnología de comunicación inalámbrica. Modula directamente impulsos con tiempos de subida y bajada muy pronunciados, de modo que la señal tiene un ancho de banda del orden de GHz. La tecnología de banda ultraancha resuelve los principales problemas de propagación que han afectado a la tecnología inalámbrica tradicional durante muchos años. Tiene las características de insensibilidad al desvanecimiento del canal, baja densidad espectral de potencia de las señales transmitidas, baja capacidad de interceptación, baja complejidad del sistema y puede proporcionar precisión de posicionamiento. de varios centímetros de ventaja.
1 Señales de banda ultraancha y sus características
La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) estipula:
Parte del ancho de banda se denomina señal UWB. Entre ellos, parte del ancho de banda es el valor medido a -10 dB de la densidad espectral de potencia de la señal. La Figura 1 muestra una comparación de la densidad espectral de potencia de las señales UWB y las señales de ancho estrecho; el formato de señal UWB se muestra en la Figura 2.
Una forma típica de señal UWB de modulación de posición de pulso (PPM) [1], [2] es:
Str(k)(t) representa el k-ésimo usuario La señal transmitida es la suma de una gran cantidad de pulsos de un solo ciclo con diferentes cambios de tiempo. w(t) representa la forma de onda del pulso de ciclo único transmitida, que puede ser un pulso gaussiano de ciclo único o sus pulsos diferenciales de primer y segundo orden, comenzando desde el tiempo cero (t(k)=0) del reloj del transmisor. . El tiempo de inicio del jésimo pulso es. Analice cuidadosamente cada componente de cambio de tiempo:
(1) Secuencia de pulso con el mismo cambio de tiempo: el pulso en el formulario representa un pulso de ciclo único con un paso de tiempo de Tf, que tiene un ciclo de trabajo extremadamente bajo. y una longitud de trama o impulso. El valor típico del tiempo de repetición Tf (Tiempo de trama) es de cien a mil veces la anchura del impulso de un solo ciclo. Al igual que en el sistema ALOHA, una secuencia de impulsos de este tipo puede provocar fácilmente colisiones aleatorias.
(2) Salto de tiempo pseudoaleatorio: para reducir los conflictos al acceder a varias direcciones, a cada usuario se le asigna una secuencia pseudoaleatoria específica, denominada código de salto de tiempo, con un período de Np. Cada símbolo del código de salto de tiempo es un número entero y satisface. De esta manera, el código de salto de tiempo agrega un cambio de tiempo a cada pulso, y el cambio de tiempo adicional del j-ésimo pulso de ciclo único es de segundos.
Dado que se necesita una cierta cantidad de tiempo para leer la salida del correlador de pulso de ciclo único, NhTc/Tf debe ser estrictamente menor que 1. Sin embargo, si NhTc es demasiado pequeño, la probabilidad de conflicto cuando varios usuarios acceden seguirá siendo alta. Por el contrario, si NhTc es lo suficientemente grande y el diseño del código de salto de tiempo es razonable, la interferencia multiusuario puede aproximarse como una señal de ruido blanco gaussiano aditivo AWGN (ruido gaussiano blanco aditivo).
Dado que el código de salto de tiempo es una secuencia periódica con un período de Np, también es una secuencia periódica de Np y su período es Tp=NpTf. Otra función del código de salto de tiempo es hacer que la densidad espectral de potencia de la señal UWB sea más plana.
(3) Modulación de datos: la secuencia de datos {di(k)} enviada por el k-ésimo usuario es un flujo de datos binarios. Cada símbolo transmite Ns pulsos de ciclo único, lo que aumenta la ganancia de procesamiento de la señal.
En este método de modulación, la duración de un símbolo (o elemento de código) es Ts=NsTf.
Para un tiempo de repetición de pulso fijo Tf, la velocidad de símbolo binario Rs es:
Obviamente, el sistema de comunicación de pulso de banda ultraancha que utiliza la señal anterior tiene las siguientes características: la duración de la señal es extremadamente corta, oscilando entre nanosegundos a pulsos de segundo nivel, el ciclo de trabajo de la señal es extremadamente bajo (1% ~ 0,1%), por lo que tiene una buena inmunidad contra trayectos múltiples, el espectro es bastante amplio, alcanza el nivel de GHz y la densidad espectral de potencia es baja; , por lo que la señal UWB es muy sensible a otras El sistema tiene baja interferencia y una fuerte resistencia a la interceptación. La ganancia de procesamiento del sistema UWB es muy alta y su ganancia de procesamiento total PC es:
Por ejemplo, cuando es binario; Sistema de comunicación UWB Tf = 1 μs, Tc = 1 ns, Ns = 100. Cuando la velocidad de bits Rs = 10 kbps, la ganancia de procesamiento de señal UWB de este sistema es 50 dB. La ganancia de procesamiento es muy alta en comparación con otros sistemas de comunicación.
Además, la señal UWB es una secuencia de pulsos extremadamente estrechos, por lo que tiene una capacidad de penetración muy fuerte. Puede identificar objetos ocultos u objetos en movimiento detrás de las paredes y puede realizar radares, posicionamiento y comunicación. La combinación de funciones es adecuada para comunicaciones tácticas militares.
2 Estructura básica del transmisor y receptor de señal de banda ultraancha
2.1 Modelo de transmisor y receptor relacionado
En comparación con la estructura del transceptor inalámbrico tradicional En comparación, la estructura de El transceptor UWB es relativamente simple. Como se muestra en la Figura 3, en el extremo del transmisor, los datos modulan directamente el pulso de radiofrecuencia, luego retrasan aún más el pulso a través de un dispositivo de retardo programable y finalmente lo transmiten a través de la antena de banda ultraancha. En el extremo receptor, la señal se multiplica por la forma de onda de la plantilla local a través del correlador. Después de la integración, se envía al circuito de procesamiento de señal de banda base a través del circuito de muestreo y retención. El retardo programable está controlado por la parte de seguimiento de captura, el oscilador de reloj. y generador de código (de salto de tiempo). El dispositivo genera una forma de onda de plantilla local basada en el retardo correspondiente y la multiplica por la señal recibida. Todo el transceptor está compuesto casi en su totalidad por circuitos digitales, lo que facilita la reducción de costes y la miniaturización.
2.2 Modelo de receptor Rake
Dado que las señales UWB deben analizarse en el dominio del tiempo, se utilizan principalmente en condiciones de multitrayecto denso en interiores (el multitrayecto puede alcanzar 30 ). La energía de la señal de cada ruta es muy pequeña, lo que dificulta la estimación de cada canal, por lo que es posible la recepción Rake de señales UWB. El receptor Rake combina la energía de señales multitrayecto originalmente pequeñas para mejorar la relación señal-ruido y mejorar el rendimiento del sistema.
3 Comparación entre UWB y varias otras tecnologías de redes de área personal inalámbricas
Debido a las diversas ventajas de la tecnología UWB, se ha convertido en la principal tecnología de redes de área personal inalámbricas WPAN (Wireless Personal Red de área) uno. El objetivo de WPAN es reemplazar los cables tradicionales con radio o rayos infrarrojos, realizar una interconexión inteligente de terminales de información personal dentro de un alcance de 10 metros a bajo precio y bajo consumo de energía, y construir una red de información personalizada. Su aplicación más común es conectar computadoras, impresoras, teléfonos inalámbricos, PDA y dispositivos de información. Las principales tecnologías utilizadas actualmente para implementar WPAN incluyen: IEEE802.11b (Win), Home RF, IrDA, Bluetooth y banda ultraancha. Se puede ver que las ventajas de la tecnología UWB son obvias. La principal desventaja es que la potencia de transmisión es demasiado pequeña, lo que limita su distancia de transmisión. En otras palabras, dentro de 10 m, UWB puede ejercer un rendimiento de transmisión de hasta cientos de Mbps. Para aplicaciones de larga distancia, IEEE802.11b o El rendimiento de la PAN inalámbrica Home RF será más potente que el de UWB. UWB no competirá directamente con los populares IEEE802.11by Home RF, porque UWB se usa más comúnmente en interiores a una distancia de aproximadamente 10 m. De hecho, puede ser más apropiado considerar a UWB como un sustituto de la tecnología Bluetooth, porque la velocidad de transmisión de esta última es mucho menor que la de la primera y el protocolo de la tecnología Bluetooth también es más complejo.
4 Estado de la investigación y el desarrollo nacional y extranjero
4.1 Estado de la investigación extranjera
Aspecto militar: ya en 1965, Estados Unidos estableció la base técnica de UWB .
En las siguientes dos décadas, la tecnología UWB se utilizó principalmente en aplicaciones militares en los Estados Unidos, y sus instituciones de investigación se limitaron a empresas, instituciones y grupos de investigación relacionados con el ejército. Actualmente, el Departamento de Defensa de Estados Unidos está desarrollando docenas de sistemas UWB, incluidas redes antiespionaje en el campo de batalla.
Uso civil: Debido a las diversas ventajas de la tecnología de banda ultraancha, que tiene un gran potencial en las comunicaciones inalámbricas, la investigación extranjera sobre aplicaciones de señales UWB ha sido popular en los últimos años, principalmente para las comunicaciones (como el hogar y Redes personales, sistemas de servicios de información de carreteras y distribución inalámbrica de audio, datos y vídeo, etc.), radar (como prevención de colisiones/fallos de vehículos y aeronaves, detección de intrusiones y radar de penetración terrestre, etc.) y posicionamiento preciso (como seguimiento de activos). , posicionamiento del personal, etc.). Empresas de alta tecnología como Sony, Time Domain, Motorola, Intel, Daimler-Chrysler, etc. han estado involucradas en el desarrollo de la tecnología UWB, conectando varios dispositivos electrónicos de consumo con altas velocidades de transmisión de datos para satisfacer la demanda de corto plazo de los consumidores. Miniaturización de comunicación inalámbrica de rango, bajo costo, baja potencia, transmisión de datos de alta velocidad y otros requisitos.
Los círculos académicos internacionales también están llevando a cabo investigaciones cada vez más profundas sobre las comunicaciones inalámbricas de banda ultraancha. Del 20 al 23 de mayo de 2002, IEEE celebró una conferencia dedicada a discutir la tecnología UWB y sus aplicaciones. El 14 de febrero de 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. aprobó oficialmente la propuesta para aplicar la tecnología UWB a aplicaciones civiles, definiendo tres sistemas UWB: sistema de imágenes, sistema de comunicación y medición, y sistema de radar para vehículos, y clasificó los tres sistemas. La PIRE (potencia radiada efectiva omnidireccional) se especifica por separado. Sin embargo, los protocolos y estándares para la tecnología UWB aún no se han determinado. Actualmente, solo Estados Unidos permite el uso de dispositivos UWB para uso civil, mientras que Europa está discutiendo el uso posterior de UWB y está esperando ver el estándar UWB; Estados Unidos.
4.2 Estado de la investigación nacional
En el proyecto de investigación sobre el tema de las tecnologías de la comunicación del "Décimo Plan Quinquenal" publicado a principios de septiembre de 2001, las tecnologías clave de la comunicación inalámbrica de banda ultraancha y su ** *La tecnología de almacenamiento y compatibilidad es un contenido de investigación de tecnologías centrales y tecnologías innovadoras en comunicaciones inalámbricas. Se alienta a los académicos nacionales a fortalecer la investigación y el desarrollo en esta área. Sin embargo, la investigación en profundidad actual sobre la tecnología UWB en China se limita al radar, y la investigación sobre los sistemas de comunicación UWB aún no ha formado una escala.
Referencias: lt; Principios y aplicaciones de comunicación inalámbrica de banda ultraancha (UWB): tutorial de tecnología de la información y la comunicación del siglo XXI.