BCService

1. BCService Bezdrátové a kabelové UWB technologie Radiokomunikace 2005Pardubice 9. – 11. listopadu Ing. Jan KRAMOSIL jkramosil@cmail.cz

2. BCService jkramosil @cmail.cz Propustnost přenosového kanálu a systémy UWB Základní technologické principy UWB Historie vývoje Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Aplikace na bázi UWB Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál

3. využití extrémně široké části kmitočtového spektra pro přenos informace, a to s minimální výkonovou spektrální hustotou UWB BCService jkramosil @cmail.cz Propustnost přenosového kanálu a systémy UWB Přenosová kapacita systému Přenosový kanál [ 10+, 100+ Mbps] (PCM, MSK, GMSK, QPSK, M-QAM,TCM, OFDM)

4. BCService jkramosil @cmail.cz • Komunikační systémy: • Vysokorychlostní přenosové sítě a systémy (WPAN) uvnitř budov • Vysokorychlostní přenosové sítě a systémy pro vnější prostředí s extrémně nízkými ERP • Přenosové systémy v prostředí CATV, xDSL, PLC, LAN, atd. (UWB for wired media) • Komunikační systémy se skrytým provozem (Low probability of detection systems) • Radiolokační systémy • Sledovací systémy s vysokou rozlišovací přesností (RF tracking and positioning applications) • Rádiové identifikační systémy (RFID tags) • Detektory pohybu a zabezpečovací systémy (Motion sensors and Range finders) • Detektory a zobrazovače objektů v prostředí s neprostupnými překážkami (GPR- Ground penetrating radars, WPR-Wall penetrating radars, through wall imaging systems) • Antikolizní radary (anti-collisions short range radars)

5. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy Impulsní systémy (Impulse Response UWB, IR – UWB) Mnohopásmové systémy (Multiband UWB, MB-UWB)

6. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy IR – UWB … Impulsní systémy Shannon–Hartleyova rovnice C = maximální přenosová kapacita [bit/sec] nebo [bps] B = šířka přenosového pásma kanálu [Hz] S = výkon signálu [W] N = úroveň šumu [W] Přenosová kapacita kanálu je přímo úměrná šířce přenosového pásma a klesá logaritmicky se snižováním poměru signál/šum v přenosovém kanálu. Přenosovou kapacitu je možné zvyšovat rozšiřováním přenosového pásma rychleji než zvyšováním výkonu signálu

7. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy Princip IR-UWB v původní verzi s jednoduchou pulzní modulací(PM) Zdroj: http://www.digit-life.com/articles2/uwb/

8. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy UWB a spektrální výkonová hustota [dBm/MHz] Zdroj: http://www.digit-life.com/articles2/uwb/

9. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy UWB a plošná přenosová kapacita [kbps/m2] – 2D spatial capacity Zdroj: http://www.digit-life.com/articles2/uwb/

10. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy Důležitá výhoda IR – UWB … Nižší nároky na složitost obvodového řešení transceiverů = možnost jednočipového CMOS řešení Podle způsobu řešení mnohonásobného přístupu – odlišení uživatelů: Pseudonáhodný časový posuv monopulsů(Time Hoping) TH - UWB IR - UWB Ortogonální pseudonáhodné sekvence(podobnost se systémy CDMA s rozprostřeným spektrem přímou kódovou sekvencí DS-SS) DS - UWB

11. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy Parametry DS-UWB podle návrhu std. IEEE 802.15 3a ze 7/2004: • Systém využívá dvě pásma 3,1 – 4,85 GHz a 6,2 – 9,7 GHz • Pro modulování UWB monopulsů je použita modulační metoda BPSK (Binary Phase Shift Keying) případně 4BOK (Quaternary Bi-Orthogonal Keying) • Je dosahováno přenosových rychlostí v rozsahu 28 – 1320 Mbps • Systém umožňuje provoz až 6 simultánních komunikačních systémů (pikonetů) v každém pásmu • Maximální spektrální výkonová hustota nepřesahuje v celém pásmu stanovených -41,5 dBm/MHz

12. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy MB – UWB … Mnohopásmové systémy Prvotním podnětem byla definice systémů UWB podle FCC: - šířka tzv. „frakcionálního“ pásma musí být větší než 20%, při vyjádření podle vztahu kde fH…………. horní kmitočet (pro bod -10dB) fL…………. dolní kmitočet (pro bod -10dB) - a nebo šířka kmitočtového pásma potřebná pro přenos informace musí být rovna nebo větší než 500 MHz Kromě subnanosekundových monopulzů a modulace jednoho nosného kmitočtu lze užít i jiného modulačního principu ……. OFDM

13. BCService jkramosil @cmail.cz Základní technologické principy Parametry MB-UWB podle návrhu std. IEEE 802.15 3a z 11/2004: • Pásmo od 3,1 GHz do 10,6 GHz je rozděleno na 14 subpásem(segmentů) po 528 MHz • V každém subpásmu se informace přenáší QPSK/OFDM modulací, přičemž OFDM využívá celkem 122 subnosných kmitočtů • Je dosahováno přenosových rychlostí v rozsahu 55 – 480 Mbps. • Systém umožňuje provoz 4 až 16 simultánních komunikačních systémů (pikonetů) • Informační bity se překládají přes všechna pásma zvolená pro daný pikonet, čímž se dociluje kmitočtová diverzita a odolnost vůči mnohonásobným odrazům • Maximální spektrální výkonová hustota nepřesahuje v celém pásmu stanovených -41,5 dBm/MHz

14. BCService jkramosil @cmail.cz Historie vývoje • Marconiho jiskrový telegraf 90-tá léta 19. století, 12. prosince 1901první transatlantický přenos informace. • II. světová válka, obranné systémy proti torpédům (systémy s rozprostřeným spektrem) nebo komunikační systémy s PPM (8 x duplex. kanál v pásmu 4,5 GHz) • Do 70-tých let 20. století vývoj UWB utajen ve voj. laboratořích USA i SSSR. Komunikační a radarové systémy s vysokým stupněm utajení (Low probability of detection systems). • zlomový moment - zveřejnění patentu G. F. Rosse, “Transmission and reception system for generating and receiving base-band duration pulse signals without distortion for short base-band pulse communication system,” U.S. Patent 3 728 632, Apr. 17, 1973.

15. BCService jkramosil @cmail.cz Historie vývoje • Označení UWB poprvé použito ve zprávě agentury DARPA (Defense Advanced ResearchProjects Agency) “Assessment of ultra-wideband (UWB) technology,”Ultra-Wideband Radar Rev. Panel, R-6280, Office of the OSD/DARPA,Washington, DC, July 13, 1990. • V 90-tých letech 20. století vývoj různých civilních aplikací • Zásadním impulsem pro otevření trhu se zařízeními UWB pak bylo stanovení regulačních pravidel pro jejich nasazení, která vydal FCC jako oficiální dokument: • „FCC Rules, Part 15; FCC 02-48: FCC First Report and Order“, přijatý 14. února 2002. • Tento dokument byl v dalších letech doplněn dalšími oficiálními dokumenty: • - FCC 03-33:FCC Memorandum Opinion and Order, • přijatý 13. února 2003, • - FCC Second Report and Order, přijatý 15. prosince 2004

16. FCC Rules, Part 15; FCC 02-48- kmitočtová maska -41,3 dBm/MHz WiFi PCS UMTS UWB využití extrémně široké části kmitočtového spektra pro přenos informace, a to s minimální výkonovou spektrální hustotou GPS BCService jkramosil @cmail.cz Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě USA

17. BCService jkramosil @cmail.cz Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Systémy UWB ……… 3,1 – 10,6 GHz Poznámka č. 5.340 Radiokomunikačního řádu ITU „Všechna vysílání v níže uvedených pásmech jsou zakázána“ 1400–1427 MHz 2690–2700 MHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.422 10,68–10,7 GHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.483 15,35–15,4 GHz s výjimkou vysílání uvedených v 5.511 23,6–24 GHz 31,3–31,5 GHz atd. [viz.Plán přidělení kmitočtových pásem -Národní kmitočtová tabulka, září 2004] UWB

18. Hlavní překážka rozšiřování rádiových technologií na bázi UWB v dalších zemích světa Japonsko Pouze experimentální systémy (výzkum intersyst. rušení) Singapur Hodnotí výsledky projektu „UWB friendly zone“ (Universitní areály) Jižní Korea Páce na vytvoření regulačního prostředí pro UWB ETRI – Electronics and Telecomunications Research Institute .. Projekt „Digital Home Network“) BCService jkramosil @cmail.cz Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Možné rušení již existujících rádiových systémů

19. BCService jkramosil @cmail.cz Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Země EU a CEPT volí komplexní přístup k tvorbě pravidel pro UWB. Výchozí dokument: ECC Report – 64, „THE PROTECTION REQUIREMENTS OF RADIOCOMMUNICATIONS SYSTEMS BELOW 10.6 GHz FROM GENERIC UWB APPLICATIONS“,  Helsinky,  únor 2005. 1. Fixed Service (FS); 2. Mobile Satellite Service (MSS); 3. Earth Exploration Satellite Service (EESS); 4. Radio Astronomy Service (RAS); 5. Digital video broadcasting: DVB–T; 6. Digital audio broadcasting: T–DAB; 7. Bluetooth PAN; 8. Radio LAN; 9. Public Land Mobile Service (MS): IMT-2000; 10. Radio Navigation Satellite Service (RNSS); 11. Fixed Satellite Service (FSS); 12. Amateur/Amateur Satellite Services (Amateur) ; 13. Maritime mobile service (Maritime), including Global Maritime Distress & Safety Systems (GMDSS); 14. Aeronautical Mobile Service and radio determination service (Aeronautical, AMS, ARNS); 15. Meteorological Radars. USA pouze GPS, UMTS, PCS (WiFi)

20. BCService jkramosil @cmail.cz Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Zjednodušená výchozí kmitočtová maska CEPT – porovnání s maskou FCC 1 -65 2 -85 4 3

21. BCService jkramosil @cmail.cz Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě • Pracovní dokument č. RSCOM05-23 z 19. května 2005 Výboru pro rádiové spektrum EC (RSCOM) shrnul výsledky dosažené v rámci CEPT s následujícím konstatováním: • Většina posuzovaných rádiových služeb vyžaduje daleko přísnější ochranu před rušením systémy UWB než garantuje kmitočtová maska • PSD aplikovaná v rámci FCC. Předběžně jsou požadovány limity o 20 – 30 dB nižší. • Pro posouzení míry interference u vnějších aplikací je podstatná míra agregovaných interferencí systémů UWB. • Nebyla posuzovány zcela všechny případy možných interferenčních vlivů. Zejména možné interference do mobilních systémů dalších generací v kmitočtových pásmech do 6 GHz by měly být předmětem dalšího výzkumu a jsou zároveň i plánovaným tématem diskusí na další konferenci WRC-07 (agenda 1.4).

22. BCService jkramosil @cmail.cz Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Návrh nového mandátu Evropské komise pro CEPT na pokračování prací při přípravě regulačních pravidel pro systémy UWB ve spolupráci s ETSI.(dokument RSCOM05-25) Hlavní cíl nového mandátu Připravit požadované informace tak, aby bylo možno přijmout společná pravidla EU pro početné aplikační sektory UWB technologií do poloviny roku 2006.

23. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Typ. 1 – Rádiové komunikační a měřící systémy Typ. 2 – Rádiové zobrazovací systémy Typ. 3 – Radarové systémy pro aut. průmysl Typ. 4 – UWB přenosové systémy pro přenos po kabelech a metalických vodičích

24. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Typ. 1 – Rádiové komunikační a měřící systémy • Aplikace pro datovou komunikaci: • Domácí zábava, propojování domácí spotřební elektroniky (TV, DVD, PVR, atd.) • Multimediální rozhraní pro mobilní telefony • Pozn.: V souvislosti s těmito aplikacemi se hovoří o tzv. WUSB rozhraní (Wireless USB) a o sítích WPAN. Předpokládá se převážně provoz ve vnitřním prostoru budov. • Aplikace typu WLAN pro vnější i vnitřní prostředí, které jsou UWB obdobou sítí RLAN

25. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB UWB – WPAN Home Zdroj: Analysys

26. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB • Kombinované aplikace pro datovou komunikaci a měření: • Sledování označených subjektů s vysokou přesností určení polohy subjektu • RFID aplikace • Pozn.: Předpokládá se nasazení ve vnitřním prostředí. Ve vnějším prostředí se pak jedná o systémy s omezeným dosahem. • Pro provoz většiny uvedených aplikací se v současnosti počítá s využitím kmitočtových pásem v rozmezí 3,1 – 10,6 GHz.

27. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Zdroj: MSSI

28. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Zdroj: MSSI

29. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Postup standardizace: CEPT – je k dispozici dokument ECC Rep 64 z února 2005 ETSI – je k dispozici dokument TR 101 994 – 1 z ledna 2004 - očekává se vydání standardu EN 302 065 IEEE – v rámci IEEE 802.15 WPAN High Rate Alternative PHY Task Group 3a jsou k dispozici dvě systémová řešení, a to DS-UWB a MB-UWB. V současnosti se zdá pravděpodobnější standardizace DS-UWB. - v rámci IEEE 802.15 Low Rate Alternative PHY Task Group 4a je rozpracován systémový návrh na méně nákladné systémy, s větším dosahem a využívající nižší výkon pro méně náročné aplikace

30. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Typ. 2 – Rádiové zobrazovací systémy • Aplikace pro zobrazování vnitřní struktury těles a oddělených prostor • Podpovrchové radary (GPR) • Zobrazování struktury překážek • Zobrazování prostor za překážkou (WPR) • Zobrazování struktur orgánů v lékařství • Dohled nad vymezenými prostory bez ohledu na překážky • Měření úrovně povrchu průmyslových kapalin • Pozn.: Zmiňované aplikace mají předpoklad využití, jako součást zabezpečovacích systémů. • Pro provoz většiny uvedených aplikací se v současnosti počítá s využitím kmitočtových pásem od 30MHz – 12,4 GHz (0-960 MHz – FCC).

31. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Zdroj: M.Petrík, CVUT/11/2003

32. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Postup standardizace: CEPT – je k dispozici dokument ECC Rep 64 z února 2005 ETSI – je k dispozici dokument TR 101 994 – 2 z listopadu 2004 - očekává se vydání standardu EN 302 066

33. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Typ. 3 – Radarové systémy pro automobilový průmysl • Aplikace pro antikolizní systémy • Pro provoz většiny aplikací se v současnosti počítá s využitímkmitočtových pásem nad 20 GHz. • Postup standardizace: • CEPT – je k dispozici dokument ECC Rep 23 z května 2003

34. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB Typ. 4 – UWB přenosové systémy pro přenos po kabelech a metalických vodičích • Aplikace pro datovou komunikaci • Přenos informací po kabelech v koaxiálních a hybridních (HFC) sítích CATV • Přenos po metalických vodičích silových rozvodů (varianta PLC) • Přenos po kroucených párech účastnického rozvodu telefonní sítě (varianta DSL) • Rozvoj těchto systémů cca od poloviny roku 2002 • Není klasická interferenční zátěž kmitočtového spektra

35. P 1,2 Gbps/480 Mbps per node CATV channels F UWB 400 Mbps/10m, 125 Mbps/20m BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB

36. BCService jkramosil @cmail.cz Aplikace na bázi UWB • Výhody UWB do prostředí CATV (UWB over Cable): • Poměrně vysoká přenosová kapacita až 1,2 Gbps směrem k uživateli a 480 Mbps od uživatele • Možnost překryvného (paralelního) provozu přenosového systému UWB se stávajícím přenosovým systémem využívajícím klasické modulace v rámci jedné sítě CATV. To umožňuje extrémně nízká výkonová úroveň rozprostřeného spektra UWB potřebného pro přenos • Možnost přímé návaznosti datového toku UWB šířeného sítí CATVna UWB komunikační systémy Typu 1 v domácnosti a to bez nutnosti složité konverze. • Výhody UWB do prostředí PLC a DSL: • Zcela postačující přenosová kapacita v symetrickém provozu62 Mbps, v asymetrickém provozu 100 Mbps a více v jednom směru • Díky extrémně nízké výkonové úrovni rozprostřeného spektra UWB potřebného pro přenos je minimalizováno vyzařování metalických vodičů do okolního prostředí.

37. BCService jkramosil @cmail.cz Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál Hledání dalších cest a nových řešení, jak zabezpečit co nejvyšší propustnost přenosového kanálu při současné snaze o co nejefektivnější využití kmitočtového spektra. xG Technology LLC, Sarasota, Florida USA (www.xgtechnology.com) Technologie: - x Max - xG Flash Signal Broadband Physics, Inc., Santa Clara, California USA (www.broadbandphysics.com) Modulační metoda: - SDM – Sub-Band Division Multiplexing

38. BCService jkramosil @cmail.cz Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál xMAX koncentrace až 99% přenášené energie do nosného kmitočtu a extrémní potlačení postranních pásem (-60 až -100 dB pod úroveň nosné) Testy na 166,44 MHz, 6 Mbps, -3dBm (o řád vyšší dosah než Wi-Fi – 30dBm)

39. BCService jkramosil @cmail.cz Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál xG Flash Signal Potlačení nosného kmitočtu, úroveň postranních pásem se pohybuje v hodnotách-80 až -90 dBm/MHz, podobnost s UWB, možnost opakovaného využívání již obsazeného kmitočtového pásma.

40. BCService jkramosil @cmail.cz Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál Sub-Band Division Multiplexing,SDM (Broadband Physics, Inc.) • Vyšší efektivita využití dostupné šířky kmitočtového pásma (10 – 12 bps/Hz) • Velká odolnost proti různým typům rušení a vícecestnému šíření • Zachování jednoduchosti modulačního a nemodulačního procesu

41. BCService jkramosil @cmail.cz Propustnost přenosového kanálu a systémy UWB Základní technologické principy UWB Historie vývoje Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Aplikace na bázi UWB Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál Při hledání způsobu, jak vytvořit rychlý a efektivní přenosový kanál, ani zdaleka ještě nebyly vyčerpány dostupné a reálné možnosti řešení. Nová řešení nasazená v praxi zvyšují reálnou hodnotu kmitočtového spektra a vyvolávají tak poptávku po zavádění nových metod jeho efektivní správy.

42. Děkuji za pozornost. BCService jkramosil @cmail.cz