Hlavní navigace

Ultra-širokopásmové sítě

Rita Pužmanová

UWB (Ultra WideBand) je zatím poměrně málo známá bezdrátová technologie, ale se značným potenciálem. Lze ji totiž využít pro přenosy velkých objemů dat po širokém spektru kmitočtů s nízkým výkonem na krátkou vzdálenost. UWB se už dlouho využívá pro vojenské účely, především jako radarová technologie.

V roce 2000 se objevily první optimistické zprávy o nové technologii v oblasti bezdrátových sítí – ultra-širokopásmové (Ultra WideBand, UWB, někdy označované též jako digital pulse wireless). UWB se posazením ve spektru odlišuje od úzkopásmových komunikací, které jsou dnes běžné, i širokopásmových, jež přicházejí se sítěmi 3G. Optimismus pramení především z rychlosti, kterou má tato technologie umožnit, a to stovek Mb/s; a také z předpokládané nízké energetické spotřeby, jež je dána malým vysílacím výkonem (má se pohybovat řádově kolem tisícin současných nároků sítí jako 802.11b, viz Bezdrátové lokální sítě WLAN podle IEEE, nebo BlueTooth). Vysoká propustnost sítí založených na UWB bude vhodná zejména pro aplikace náročné na šířku pásma i QoS, tedy přenos videa nebo videokonference.

Další výhodou je vysoká bezpečnost provozu: praktická nemožnost odposlechu či dokonce nemožnost zjištění přítomnosti bezdrátových zařízení v těchto sítích (signály vypadají jako slabý, normální šum). Jinými slovy: přístroje v UWB sítích se neruší s ostatními zařízeními v elektromagne­tickém spektru. Aplikační předností UWB je možnost miniaturizace transceiverů, které by šlo používat i na označení drobného zboží.

Historie UWB začala ve čtyřicátých letech dvacátého století v souvislosti s radary. V sedmdesátých letech se armáda zaměřila i na využití pro komunikační účely. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) jej však definovala teprve v roce 1990.

Technologie UWB

Technologie UWB využívá modulace velmi krátkodobých nízkovýkonových pulsů (kolem 0,5 ns). Současný přenos digitálních pulsů přes vysoký počet kmitočtových kanálů (pásmo 1–5 GHz) je velmi přesně časován. Vysílač a přijímač musí zkoordinovat příjem a vysílání signálu na trilióntinu sekundy.

Na rozdíl od většiny moderních rádiových technologií pulsní signály nemodulují nosnou o pevném kmitočtu. Informace je zakódována přímo v signálu základního pásma a modulace nosné není potřeba. Rozprostřené spektrum u IEEE 802.11 vlastně dociluje uměle toho, co UWB provádí ze své podstaty: rozložit signál v rámci velmi širokého spektra tak, aby výkon v každém jednotlivém pásmu byl pod úrovní možného křížení s jinými úzkopásmovými uživateli.

UWB je imunní vůči rušivým vlivům, neboť systémy vykazují víceméně rovnoměrně rozprostřený výkon přes velmi velký rozsah kmitočtů. Proto je lze zejména pro úzkopásmové přijímače obtížně odlišit od šumu. Signál UWB má menší výkon než jiné signály na stejném kmitočtu (včetně šumu), takže teoreticky nedochází k žádnému rušení. Další výhodou související s pulsní modulací použitou u UWB je praktické vyloučení zkreslení odrazem, resp. příjmem signálů z více cest (multipath distortion). Odražené signály normálně mohou narušit jinak čistý rádiový příjem (obdobou v televizním vysílání jsou „duchy“ na obrazovce). V případě UWB lze velmi krátké pulsy filtrovat nebo ignorovat, protože je možné je snadno odlišit od zkreslení odrazem.

Aplikace UWB

Mezi moderní aplikace technologie UWB patří:

  • přesná lokalizace a detekce – detekce a vysledování osob i předmětů, pohotovostní a bezpečnostní systémy pro vojenské i civilní účely, podzemní zobrazení
  • detekce pohybu a sledování (skrze zdi) – domácí bezpečnostní systémy, sledování dětí v domácnostech, monitorování pohybu zboží
  • přesná navigace a měření vzdáleností – senzory pro zamezení kolizím (automobily), bezpečnost pohybu vozidel a průmyslových zařízení (systémy pracují s přesností i na méně než centimetry)
  • komunikační sítě – rychlé lokální a domácí sítě (malé náklady a vysoká rychlost)
  • medicína – sledování dechu (na ochranu proti syndromu náhlého úmrtí novorozeňat) a monitorování srdeční činnosti

Detekce odrazů krátkých pulsů UWB se už delší dobu využívá pro velmi přesné radarové systémy (Ground Penetrating Radar, GPR). UWB signály nejsou omezeny překážkami (část rozprostřeného signálu se odráží, část proniká skrz): umožňují radarové využití i pod zemí, podobně jako „rentgen“ zdí. To může být výhodné např. pro vyhledávání osob pod sutinami při zemětřeseních nebo jiných katastrofách. Přesné měření se využívá v tzv. RLMS (Radar Level Measurement Systems). Z dalších plánovaných uplatnění se předpokládá budování protikolizních automobilových systémů.

V polovině února letošního roku americká Federal Communications Commission (FCC) schválila pro použití UWB technologie určitá omezení. Redukovala povolení pouze nad 3,1 GHz, a v některých případech se vztahuje jen na výzkum a specifické společnosti (stavební apod). Mobilní provozovatelé se však nadále obávají rušení s jejich sítěmi, podobně jako letecké společnosti a NASA mají oprávněné obavy z narušení navigačních systémů Global Positioning System (GPS), proto žádají FCC, aby byla technologie UWB povolena pouze nad 6 GHz (i když GPS pracuje na 1,6 GHz).

Bezdrátové sítě na bázi UWB

Aplikace UWB v bezdrátových sítích je zatím v plenkách. Přitom prostorová kapacita UWB sítí je ve srovnání s ostatními bezdrátovými technologiemi nesrovnatelně vyšší (viz obrázek, podle Intel Technology Journal, 2001). Ta se zvyšuje lineárně s využitou šířkou pásma, podobně jako imunita vůči rušení. Prostorová kapacita se vyjadřuje v jednotkách bitů za sekundu na čtvereční metry. Jako obdobný či výstižnější termín lze použít pojem prostorová výkonnost. UWB sítě nebudou mít velký dosah, jejich přenosová rychlost rychle klesá s každým metrem, takže optimální jsou vzdálenosti do 10–50 m.

618

Porovnání prostorové kapacity bezdrátových sítí vypadá následovně:

  • IEEE 802.11b (viz článek Bezdrátové lokální sítě WLAN podle IEEE) – pracuje do vzdálenosti 100 m v pásmu 2,4 GHz (tzv. ISM, industrial, scientific and medical) s využitelným spektrem 80 MHz. V prostoru o poloměru 100 m mohou pracovat tři systémy 22 MHz IEEE 802.11b bez jakéhokoli rušení, každý umožňující maximální rychlost 11 Mb/s. Agregovaná rychlost 33 Mb/s podělená plochou tohoto kruhu dává hodnotu prostorové kapacity cca 1.000 bit/s na m2.
  • IEEE 802.11a (viz článek Bezdrátové lokální sítě WLAN podle IEEE II.) – plánovaný dosah působnosti je 50 m s teoretickou rychlostí 54 Mb/s. Dostupné kmitočtové spektrum je 200 MHz v nejnižší části pásma 5 GHz (U-NII, Unlicensed National Information Infrastructure), takže v okruhu 50 m může současně pracovat až 12 systémů s agregovanou rychlostí 648 Mb/s. Předpokládaná prostorová kapacita 802.11a je 83 kb/s na m2.
  • Bluetooth – ve svém nízkovýkonovém režimu má dosah pouze 10 m s vrcholnou rychlostí 1 Mb/s (Bluetooth 1). Studie ukazují, že 10 pikosítí (piconet) Bluetooth (tvořících tzv. Scatternet) může pracovat v jednom okruhu o průměru 10 m s minimálním dopadem na kvalitu přenosu (maximálně může takto v spolupracovat až 80 zařízení), tzn. agregovaná rychlost všech deseti sítí je 10 Mb/s. Tato rychlost dělená plochou kruhu dává prostorovou kapacitu přibližně 30 kb/s na m2.
  • UWB – vyvíjené systémy UWB se velmi liší ve svých důležitých charakteristikách, jako rychlost a dosah. Jeden výrobce naměřil maximální rychlost 50 Mb/s v dosahu 10 m a předpokládá se, že současně v tomto okruhu může pracovat šest UWB systémů, aniž by se výrazně zhoršila kvalita přenosu. Z toho vyplývá, že prostorová kapacita by se mohla pohybovat i přes 1 Mb/s na m2. Předpokládané rychlosti u UWB sítí dosahují až Gb/s.
Našli jste v článku chybu?

26. 4. 2002 20:35

Rita Pužmanová (neregistrovaný)
Prave tim, ze technologie UWB stoji na vyuziti velmi sirokeho spektra (>1,5 GHz)a pritom nizkeho vykonu, pro bezne radiove systemy pracujici ve stejnem spektru se vysilany UWB signal jevi jako sum (velmi slaby signal). Pouze prijimace zesynchronizovane s vysilaci UWB jsou schopny signal identifikovat. Jeden z podstatenych prinosu UWB je prave schopnost opetovne vyuzivat jiz vyuzivane kmitoctove spektrum a pritom nezapricinit vzajemne ruseni s beznymi (vuci UWB uzkopasmovymi) radiovymi systemy.

Do…

26. 4. 2002 16:01

Dan Lukes (neregistrovaný)
Staci abyste ve svem textu slovo "nahodne" (je tam jen jednou) nahradil slovem "pseudonahodne" - a popsal jste sifrovani (ten ten, kdo vi jak nahodna data vznikala a dokaze je rekonstruovat dokaze modifikace odstranit; pro ostani jsou ty zmeny skutecne nahodne). Ano, krome toho dostavate do prijimace i nahodna data - jenze, protoze jste s vysilacem domluveni, vy vite dopredu, ktera data vas zajimaji a ktera jsou skutecny sum. Ja to chapu tak, ze data jsou sama zasifrovana a nasledne vysilana na …
Vitalia.cz: To nejhorší při horečce u dětí: Febrilní křeče

To nejhorší při horečce u dětí: Febrilní křeče

Vitalia.cz: Vychytané vály a válečky na vánoční cukroví

Vychytané vály a válečky na vánoční cukroví

120na80.cz: Rovnátka, která nejsou vidět

Rovnátka, která nejsou vidět

Podnikatel.cz: K EET. Štamgast už peníze na stole nenechá

K EET. Štamgast už peníze na stole nenechá

120na80.cz: 5 nejčastějších mýtů o kondomech

5 nejčastějších mýtů o kondomech

DigiZone.cz: Česká televize mění schéma ČT :D

Česká televize mění schéma ČT :D

Podnikatel.cz: Udávání kvůli EET začalo

Udávání kvůli EET začalo

Podnikatel.cz: Chtějte údaje k dani z nemovitostí do mailu

Chtějte údaje k dani z nemovitostí do mailu

Vitalia.cz: Jmenuje se Janina a žije bez cukru

Jmenuje se Janina a žije bez cukru

Vitalia.cz: Mondelez stahuje rizikovou čokoládu Milka

Mondelez stahuje rizikovou čokoládu Milka

Vitalia.cz: Nahradí sluch, ale zvuk je zcela jiný

Nahradí sluch, ale zvuk je zcela jiný

Měšec.cz: Sleva na dítě a manželku pro OSVČ je zpět. Ale..

Sleva na dítě a manželku pro OSVČ je zpět. Ale..

DigiZone.cz: Vedení ČRo: personální změny od ledna

Vedení ČRo: personální změny od ledna

Vitalia.cz: Když přijdete o oko, přijdete na rok o řidičák

Když přijdete o oko, přijdete na rok o řidičák

Podnikatel.cz: Chaos u EET pokračuje. Jsou tu další návrhy

Chaos u EET pokračuje. Jsou tu další návrhy

Root.cz: Telegram spustil anonymní blog Telegraph

Telegram spustil anonymní blog Telegraph

Root.cz: Kamery Sony se dají ovládnout na dálku

Kamery Sony se dají ovládnout na dálku

120na80.cz: Popraskané rty? Některé balzámy stav zhoršují

Popraskané rty? Některé balzámy stav zhoršují

Root.cz: Nová třída SD karet A1 s vysokým výkonem

Nová třída SD karet A1 s vysokým výkonem

120na80.cz: Co všechno ovlivňuje ženskou plodnost?

Co všechno ovlivňuje ženskou plodnost?