Připomeňme základní charakteristiku UWB: rádiová technologie založená na přenosu velmi krátkých pulsů (v délce nanosekund či pikosekund). Přitom vysílání probíhá ve velmi širokém kmitočtovém pásmu. Protože však používá velice nízkovýkonové vysílání, nezpůsobuje rušení s jinými rádiovými technologiemi a může s nimi v okupovaném pásmu snadno koexistovat. Ostatním rádiovým systémům se totiž vysílání UWB jeví jako nepříliš výrazný šum. Díky svým vlastnostem může UWB směle dosahovat nejen 480 Mbit/s (např. u bezdrátového USB), ale překročit i pro bezdrátové přenosy celkem závratnou rychlost 1 Gbit/s.
Normalizací rychlých UWB sítí se zabýval podvýbor IEEE 802.15.3a, který svoji skupinu nedávno rozpustil (viz článek Budoucnost Ultrawidebandu ohrožena?). Nicméně novější podvýbor 802.15.4a se věnuje využití UWB pro pomalé sítě, jako alternativě vůči normě 802.15.4 z roku 2003, která má svůj komerční obraz v průmyslové specifikaci ZigBee (norma IEEE definuje fyzický rádiový přenos, zatímco ZigBee specifikuje logickou síť a aplikační software).
Stávající norma 802.15.4 pracuje ve třech bezlicenčních pásmech: v pásmu 868 MHz s rychlostí 20 kbit/s, v pásmu 902–928 MHz rychlostí 40 kbit/s a v pásmu 2,4 GHz rychlostí 250 kbit/s. Dosah komunikace je 10 m, ale jakmile vzdálenost překročí specifikovaný dosah, norma umožňuje vytvořit samokonfigurující se topologii s komunikací přes více skoků (ad hoc mesh).
Pro propojení bezdrátových uzlů, zabudovaných v nejrůznějších typech objektů, není primární starostí přenosová rychlost, ale minimalizace spotřeby energie pro dosažení maximální životnosti sítě. Energetická náročnost komunikačního provozu, podobně jako propustnost u rychlých UWB sítí, souvisí s úrovní rušení a může se podle ní dynamicky měnit. U pomalých sítí není nutné rušení stoprocentně zamezit, ale je potřeba ho ohlídat.
Evropská unie si je celkem dobře vědoma obrovského potenciálu této nové komunikační technologie, takže není divu, že na její zkoumání a vývoj systémů věnuje i něco ze svých unijních prostředků pro výzkum a vývoj.
Mamutí projekt PULSERS
V současné době se věnuje UWB jeden z nejrozsáhlejších výzkumných projektů vůbec: PULSERS (Pervasive Ultra-wideband Low Spectral Energy Radio Systems). Jedná se o tzv. integrovaný projekt (IP) 6. rámcového programu EU (viz též článek Broadband for all), což znamená, že se na něm podílí několik desítek partnerů (pod vedením Philips a švýcarského výzkumného centra IBM), má řadu cílů a přepokládaných použitelných výstupů a je také časově i finančně velice náročný. Do první fáze projektu, která probíhala v letech 2004–2005, se zapojilo 30 partnerů, a do druhé fáze, která navázala v lednu letošního roku, dokonce 36 organizací. Celkový objem projektu v těchto dvou fázích činí 37 milionů eur (a navíc se předpokládá pokračování projektu ještě ve třetí fázi).
Projekt má za úkol vyvinout kompletně novou komerčně přijatelnou technologii. Takže začal od samotných základů – zkoumání vlastností UWB přes otázky regulace a normalizace až po definování scénářů pro zákaznické produkty.
Potenciálních aplikací je mnoho: vedle bezdrátové sériové sběrnice (USB) jsou to malé (osobní) bezdrátové sítě, ale také sítě lokální, které zatím nabízejí propustnost jen v desítkách Mbit/s (až připravované 802.11n slibuje 100 Mbit/s bezdrátovou lokální síť, viz článek Výrobci chtějí urychlit přípravu 100 Mbit/s WiFi). Vysoká přenosová rychlost je účelná pro současné multimediální a video aplikace, včetně živých přenosů, filmů i HDTV, pro propojení TV přijímačů, STB, DVD přehrávačů, sterea a reproduktorů.
UWB není pouze technologie pro čistě komunikační sítě, ale podporuje také velmi přesné radarové systémy (i pod zemí) a jejich prostřednictvím i sledování podezřelých osob (např. při vojenských operacích v zástavbě). Ve vojenství se proto používá UWB již delší dobu. Radarové systémy jsou nově použitelné i pro civilní účely, zejména pro automobilový průmysl s cílem omezit nehodovost na pozemních komunikacích. Loni Evropská komise schválila využití technologie UWB v autech pro radary s krátkým dosahem pro detekci nebezpečí kolizí a následné automatické aktivace brzd pro zamezení srážce. Rozhodnutí o alokaci rádiového kmitočtu 24 GHz vyplynulo z několikaletých diskusí mezi správci evropského kmitočtového spektra – CEPT (Conférence Européenne des Administrations des Postes et Télécommunications) a Radio Spectrum Committee – a odborníky na bezpečnost provozu.
Předpokládá se, že UWB najde uplatnění i na dalších různorodých trzích, o nichž zatím dnes ani netušíme. Datové rychlosti se u velmi levných a jednoduchých systémů mohou pohybovat v řádech kbit/s, což může být výhodné u senzorových sítí, které se potýkají s řešením napájení, protože UWB vysílání je samo o sobě velice málo náročné na příkon.
Projekt PULSERS se zaměřuje oběma směry: na systémy s vysokou rychlostí pro komunikační sítě a na systémy sice pomalejší, ale nabízející sledování umístění (localization & tracking) s cílovou přesností 30 cm. Druhá kategorie se hodí pro rozvíjející se senzorové sítě, které mají slibné uplatnění v nejrůznějších oblastech (IEEE 802.15.4a).
V právě zakončené první fázi projektu se podařilo definovat UWB systémy, vyvinout nové prvky a začlenit se do procesu normalizace této rádiové technologie. Projekt rovněž již identifikoval různorodé scénáře aplikací a zasadil se o zveřejnění výsledků prokazujících snadnou koexistenci s jinými rádiovými technologiemi. Projektu se účastnila řada výzkumných institucí a univerzit, ale také zástupců výrobců čipů a zařízení (např. STMicroelectronics, Wisair, Philips a Motorola).
Řada výstupů z první fáze je veřejně k dispozici. Mezi nimi jsou i pro „ne-experty“ na UWB zajímavé následující publikace Coexistence and Interoperability study between HDR and LDR-LT operational modes a Definition of UWB business feasibility.
Právě zahájená druhá fáze projektu se zaměřuje na vyvinutí systému pro velmi vysokou propustnost, ale pozornost se v souvislosti s větší pozorností na IEEE 802.15.4a věnuje také pomalým rozlehlým sítím. V navazující poslední fázi si projekt klade za cíl integrovat UWB s jinými sítěmi a zrealizovat pilotní testování specifických aplikací.
Předchůdci PULSERS: projekty UCAN a ULTRAWAVES
Projekt UCAN (Ultra-wideband Concepts for Ad-hoc Networks), financovaný ještě v rámci 5. rámcového programu EU, lze považovat za malého předchůdce obřího projektu PULSERS. Z EU čerpal fondy jen ve výši 3,5 milionu eur, běžel od roku 2002 a byl oficiálně zakončen v polovině roku 2005. Mezi partnery projektu najdeme výzkumná centra a univerzity ve Francii, Itálii, Španělsku a Německu a také dva výrobce čipů, STMicroelectronics a Freescale.
Projekt se zaměřil na impulsní UWB (IR-UWB, Impulse-Radio, nikoli InfraRed, což by se mohlo mylně nabízet) jako technologii vhodnou pro ad-hoc malé bezdrátové sítě. Nahodilé sítě jsou výhodné pro momentální komunikační účely v různých prostředích, zejména díky jejich schopnosti autokonfigurace.
Výsledkem je systém předvedený již v několika zemích nejen pro komunikaci, ale i pro lokalizaci a přesná měření. Dosah je do 10 m s přesností až 15 cm v přímé viditelnosti. Porovnání s jinými malými bezdrátovými sítěmi je velice příznivé, protože Bluetooth není schopen přesné lokalizace a navíc má velkou energetickou spotřebu, RFID má velice krátký dosah a většinou se omezuje na pasivní značky, bez baterií pro napájení. IR-UWB se přitom s ostatními technologiemi velice dobře snáší, protože svůj nepříliš vysoký vysílací výkon ještě rozptyluje do velmi širokého kmitočtového pásma.
Připomeňme, že fyzickou vrstvu UWB sítě lze řešit technicky různě: na bázi OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), což prosazuje WiMedia Alliance (a její členové jako Intel, Texas Instruments, Motorola, HP, Microsoft, Philips, Nokia, Sony, STMicroelectronics), a impulsní rádio UWB založené na modulaci DSSS (Direct Sequence Spread-Spectrum), které prosazuje především Freescale. UCAN vyvinul obdobný systém jako Freescale, ale s jinou modulační technikou.
Ve své době ale projekt dosáhl pouze rychlosti 10 Mbit/s na vzdálenost 10 m, takže ve výsledku se ukázalo, že IR-UWB bude úspěšnější pro pomalé senzorové sítě, např. pro skladové prostory či pro detekci požárů v lese. Technologie fyzické vrstvy IR-UWB pro pomalé sítě je charakteristická ultrakrátkými pulsy (s délkou do 1 ns) a extrémně nízkou energetickou spektrální hustotou. Přístup k rádiovému médiu se realizuje nejčastěji pseodonáhodným časovým přeskakováním (THS, Time Hopping Sequence).
Ještě starší byl evropský projekt ULTRAWAVES (Ultra WideBand Audio Video Entertainement System) probíhající v letech 2002–2004, zaměřený úzce na vývoj domácího systému širokopásmového propojení audio a video zařízení. Projektu se účastnili výrobci jako Wisair (Izrael) a Philips, dvě výzkumná centra RadioLabs (Itálie) a ENSTA-ARMINES (Francie) a dvě severské univerzity (finská Universita v Oulu a švédská Chalmers University of Technology).
Technické parametry cílového systému byly stanoveny následovně: 100 Mbit/s v rámci buňky na fyzické vrstvě, dosah 30 m pro vysokou rychlost 10 Mbit/s a do 100 m pro nižší rychlost 100 kbit/s. Simultánní podpora až čtyř nezávislých buněk v domácím prostředí, podpora až čtyř MPEG-2 kanálů (pro širokopásmové aplikace ve vysoké kvalitě) a až deset obousměrných kanálů pro přenos v reálném čase (pro videokonference a interaktivní hry).
Všechny tři projekty přinesly a PULSERS ještě přinese řadu zajímavých informací. Většina dosavadních výsledků je veřejně dostupná ve formě zpráv na stránkách příslušného projektu. Význam PULSERS jakožto integrovaného projektu by měl jít ale mnohem dál a neomezit se jen na návrh technického řešení UWB systémů, ale zasadit se o povolení technologie evropskými regulátory.
Kde se domníváte, že bude UWB pro komunikační účely letos povoleno?
