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

UWB Propustnost přenosového kanálu a systémy UWB 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

UWB Propustnost přenosového kanálu a systémy 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) využití extrémně široké části kmitočtového spektra pro přenos informace, a to s minimální výkonovou spektrální hustotou UWB

Vysokorychlostní přenosové sítě a systémy (WPAN) uvnitř budov 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)

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

IR – UWB … Impulsní systémy 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

Základní technologické principy 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/

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

Základní technologické principy 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/

Základní technologické principy 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

Základní technologické principy 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

MB – UWB … Mnohopásmové systémy 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

Základní technologické principy 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

BCService jkramosil @cmail.cz Historie vývoje Marconiho jiskrový telegraf 90-tá léta 19. století, 12. prosince 1901 první 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.

V 90-tých letech 20. století vývoj různých civilních aplikací 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

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

Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě 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

Možné rušení již existujících rádiových systémů BCService jkramosil @cmail.cz Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě Možné rušení již existujících rádiových systémů 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“)

Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě 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)

Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě 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 3 4

Rozvoj UWB systémů ve světě a v Evropě 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).

Hlavní cíl nového mandátu 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.

Typ. 1 – Rádiové komunikační a měřící systémy 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

Typ. 1 – Rádiové komunikační a měřící systémy 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

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

Kombinované aplikace pro datovou komunikaci a měření: 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.

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

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

Postup standardizace: 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

Typ. 2 – Rádiové zobrazovací systémy 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).

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

Postup standardizace: 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

Typ. 3 – Radarové systémy pro automobilový průmysl 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 využitím kmitočtových pásem nad 20 GHz. Postup standardizace: CEPT – je k dispozici dokument ECC Rep 23 z května 2003

Aplikace pro datovou komunikaci 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

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

Výhody UWB do prostředí CATV (UWB over Cable): 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 CATV na 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 provozu 62 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.

Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál 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

Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál 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)

Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál 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.

Nová řešení pro rychlý a efektivní přenosový kanál 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

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.

BCService jkramosil @cmail.cz Děkuji za pozornost.