Харьковский национальный университет радиоэлектроники Кафедра телекоммуникационных систем

1. Харьковский национальный университет радиоэлектроникиКафедра телекоммуникационных систем Оптимизация использования радиочастотного спектра при использовании сверхширокополосных систем беспроводной связи Авторы: Поповский В.В. - д.т.н., профессор, зав. кафедрой ТКС Шостко И.С. – к.т.н., доцент кафедры ТКС

2. Проблематика беспроводных технологий • Дефицит частотных диапазонов • ЭМС

3. Пути решения проблемы • Применение СШПС • Управление спектром передаваемых сигналов • Ограничение спектральной плотности мощности

4. сверхширокополосные сигналы • ширина спектра излучаемых сигналов (определяемая по уровню – 10 дБ относительно максимального значения спектра) не менее 500 МГц; • отношение ширины спектра ( по уровню – 10 дБ) к средней частоте спектра f0не менее 0,5. • относительная полоса частот:

5. Стандартизация и основные положения • Federal Communication Commission (FCC), USA • Notice of Inquire, 1998 • Notice of Proposed Rule Making, 2000 • The First Report and Order, 2002 • Memorandum Opinion and Further Notice of Proposed Rule Making, 2003 • The Second Report and Order and Second Memorandum Opinion and Order, 2004 • European Communications Committee (ECC) released a decision about the UWB regulation on 24th March, 2006 • enters into force on 24 March 2006 • implementation of the Decision, 1 October 2006 • ECC’s decision is applicable to radio technologies having a bandwidth wider than 50 MHz • It is intended for communications; measurements; location; imaging; surveillance and medical applications • primarily for indoor use • unlicensed use

6. -40 -40 G, дБм/МГц G, дБм/МГц G, дБм/МГц G, дБм/МГц -45 -45 1 -50 -50 -55 -55 2 -60 -60 1,99 1,99 3,1 3,1 10,6 10,6 -65 -65 -70 -70 GPS GPS -75 -75 0,96 1,61 0,96 1,61 f, ГГц f, ГГц f, ГГц f, ГГц 100 100 101 101 -40 -40 -45 -45 -50 -50 -55 -55 -60 -60 -65 -65 -70 -70 GPS GPS -75 -75 0,96 1,61 0,96 1,61 100 100 101 101 Маски излучений для СШП систем связи 1 - маска FCC для излучений СШП устройств, предназначенных для связи в помещениях. 2 - маска FCC для излучений переносных СШП устройств, предназначенных для связи вне помещений. Центральные частоты устройств выше 3,1 ГГц FCC News Release. Feb. 14. 2002

7. 3,1 ГГц 3,1 ГГц 10,6 ГГц 10,6 ГГц -40 -40 G, дБм/МГц G, дБм/МГц -41,3 -41,3 -45 -45 -50 -50 -51,3 -55 -55 1 -60 -60 -61,3 -65 -65 2 -70 -70 -75 -75 f, ГГц f, ГГц 2,2 ГГц 15,2 ГГц 100 100 101 101 19,9 ГГц 1,66 ГГц Маска излучений для СШП систем связи - Protection distances for UWB interference, ITU-R Task Group 1-8, Switzerland, January 2003. - ECC Report 64. The protection requirements of radiocommunications systems below 10.6 GHz from generic UWB applications, 2005 1 - маска CEPT для устройств в помещении 2 - маска CEPT для устройств вне помещений

8. Proposed Ofcom and ECC masks -30 -40 -50 -60 -70 PSD [dBm/МГц] -80 -90 -100 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Частота [МГц] Ofcom Choise 1 Choice 2 Мин. уровень Report 64 TEMP12 Rev.1 Маска излучений для СШП систем связи • В марте 2006 для Европы принята более жесткая маска

9. Маска излучений для СШП систем связи Комментарии от 29 мая 2006 года, ECC Ограничения в полосе 3,1 - 4,8 ГГц. Разрешается использовать диапазон между 4,2 - 4,8 ГГц без каких-либо ограничений к технике до 2010/2012.

10. Общие выводы по использованию радиочастотного спектра сверхширокополосными системами беспроводной связи • маска излучений для СШП систем связи должна удовлетворять ограничениям, накладываемым на излучаемый спектр сигнала правилами, действующими в определённой стране или регионе; • в СШП устройствах, предназначенных для связи должна быть предусмотрена возможность управления спектром сигнала: 1) исключать диапазоны запрещённые правилами или ограничивать спектральную плотность мощности в соответствии с маской излучений; 2) исключать диапазоны в которых возможна нежелательная интерференция с мощными узкополосными сигналами других телекоммуникационных и радиотехнических систем.

11. Харьковский национальный университет радиоэлектроникиКафедра телекоммуникационных систем Методы построения сверхширокополосных систем беспроводной связи с коррекцией параметров сигналов в приемо-передающих устройствах Авторы: Шостко И.С. – к.т.н., доцент кафедры ТКС Алмакадма Т. – аспирант кафедры ТКС

12. Проблематика беспроводных технологий • Дефицит частотных диапазонов • ЭМС • Искажение сигналов в канале распространения радиоволн • Возрастание объёма и требуемой скорости передачи данных

13. Пути решения проблемы • Выбор технологии формирования и модуляции СШПС с учётом требований к спектру сигнала; • Комбинирование различных методов управления скоростью передачи; • Оптимизация методов коррекции, передаваемых сигналов в элементах радиотракта.

14. Технология: Direct-Sequence UWB (DS-UWB) Motorola, Freescale Semiconductor, Belkin, LeCroy Импульсные сигналы на основе набора Гауссовских импульсов. Форма импульса определяет занимаемую полосу частот.

15. 1 2 3 W() 4 5 6 x(t) t α модели сигнала сигнал с внутриблочной модуляцией позиции импульса

16. T2 T1 Технология: DS-UWB Метод модуляции :времяимпульсная модуляция (Pulse-Position Modulation — PPM) информационный сигнал предварительно модулируется BPSK Требуемая точность синхронизации: примерно 10% от длительности импульса. В системах где сигнал образуется из последовательности СКИ требуемая точность синхронизации составляет 10...20 пс. чип трансивера DS-UWB Конструкция чипа передатчика DS-UWB (0.35 µm CMOS, площадь 0.5 mm2).

17. Управление параметрами сигнала Регулируемый формирователь запуска Линия задержки на t0 Линия задержки на T1 Линия задержки на T2 Регулируемый формирователь запуска Вход данных Ключ СШП формирователь Генератор тактовых импульсов СШП формирователь Схема передатчика

18. Пропускная способность канала с DS-UWB Идеально подходит для приложений с низкой скоростью передачи данных, имеющих требования к точному позиционированию.Предлагается для стандарта IEEE802.15.4a (низкая скорость передачи данных с точным позиционированием)

19. Технология: мультиполосная (Multiband UWB) Intel, Microsoft, Hewlett Packard, Nokia, Philips, Sony, Samsung Electronics, Alereon, Wisair, Texas Instruments,… Предлагается для стандарта IEEE802.15.3a Метод модуляции : MultiBand -Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB OFDM ) 128 поднесущих в полосе B = 528 МГц Рабочие частоты - 3,1 ГГц - 10,6 ГГц, поддерживаемая скорость передачи данных: 53.3, 80, 106.7, 160, 200, 320, 400, 480, 640, 800, 960 и 1024 Мбит в секунду

20. Многополосная технология Группа 1,обязательнаядля всех MB-OFDMсистем 128 несущих ˟ ( ∆fs = 4.125 MHz) В зависимости от требований к спектру, некоторые поднесущиемогут быть исключены

21. Реализация метода OFDM Используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное N=128=100(для передачи данных)+12(согласование фазы и частоты сигнала)+10(сетка)+6(неиспользованы)

22. 2 0 2 4 t 6 8 10 модели сигнала Характерная временная форма сигнала в UWB MB-OFDM , изменяется по закону: Спектр многополосной системы

23. Временные характеристики OFDM-символов Циклический префикс позволяет избежать межсимвольной интерференции

24. частотные группы fc = 2094 + 528 nch, где nch=1,…,14 — номер полосы

25. WiMedia UWB Common Radio Platform ПлатформаWireless Universal Serial Bus (WUSB)

26. Стандарт Wireless USB WUSB1.5 • Радиус до 10 метров • Скорость до 1024 Мбит/с • Максимальное значение излучаемой спектральной плотности мощности ограничено значением – 41,3 дБм/МГц (7,413 10-14 Вт/Гц) или напряженностью поля 500 мкВ/м в полосе, шириной 1 МГц, на расстоянии 3 метра. • Полоса частот (по уровню –10 дБ спектра сигнала), 3100-10600 МГц Достоинства • обеспечение ЭМС • высокое качество передачи мультимедийного контента

27. Место WUSB

28. Место WUSB в частотной области

29. сравнение основных параметров WUSB, Wi-Fi и Bluetooth

30. ограничение отмененов Европедо 30 июня 2010 Band Group 1 Band Group 2 Band Group 3 Band Group 4 Band Group 5 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 14 9 13 Увеличенный завал ограничение ограничение Маска излучений для СШП систем связи

31. Зависимость скорости передачи данных от вида модуляции спецификация WiMedia PHY 1.5

32. Структура PLCP Protocol Data Unit (PPDU) спецификация WiMedia PHY 1.5

33. Сглаживающий фильтр ЦАП Re(Sn[k]) Re(Sn(t)) Сглаживающий фильтр Im(Sn[k]) ЦАП Im(Sn(t)) Комплексное представление сигнала для n-го символа спецификация WiMedia PHY 1.5 структура n-го символа зависит от его места в пакете: N =Nframe+ Nsync+ Nhdr

34. x1x4...x298x2x5...x299x3x6...x300 входной поток данных y1y11...y91y2y12...y92...y10y20...y100 y101y111...y191y102y112...y192...y110y120...y200 y201y211...y291y202y212...y292...y210y220...y300 шифратор свёрточное кодирование пунктурный кодер чередование битов обратное преобразование Фурье (IFFT) фазовая модуляция QPSK, DCM, MDCM ЦАП и фильтр Cos(2πfct) Схема передатчика спецификация WiMedia PHY 1.5

35. Общие выводы по сравнениюразличных технологий СШП систем связи Преимуществом обладают сложные СШПС с разделением спектра на диапазоны. Разделение на диапазоны предоставляет возможность: • - учесть особенности ЧХ радиоканала и формы спектра СШПС; • - управлять спектром сигнала, исключая те диапазоны, в которых возможна нежелательная интерференция с мощными узкополосными сигналами; • - удовлетворять ограничениям, накладываемым на излучаемый спектр сигнала правилами, действующими в определённой стране или регионе; • - увеличить дальность связи и уменьшить степень искажения сигнала; • увеличить информационную скорость передачи.