Ultra Wide Band – UWB (1.)

Prednosti UWBa

Priroda kratkotrajnih impulsa koje koristi UWB tehnologija nudi nekoliko prednosti nad uskopojasnim komunikacionim sistemima.

Sposobnost deljenja frekventnog spektra

Zahtevana snaga (FCC) od -41,3 dBm/MHz (odgovara 75 nW/MHz) za UWB sisteme, svrstava ih u kategoriju nenamjeravanih emitera zračenja, kao što su televizori i kompjuterski monitori. Ovakvo ograničenje snage dozvoljava UWB sistemima da se nađu ispod nivoa šuma tipičnog za uskopojasni prijemnik i omogućava da UWB signali koegzistiraju s postojećim radio servisima bez ili sa minimalnom interferencijom. Ipak, sve ovo zavisi od tipa modulacije koja se koristi za transfer podataka u UWB sistemu.

Sl.1.6- Koegzistencija UWB signala sa uskopojasnim i širokopojasnim signalima u RF spektru.

Veliki kapacitet kanala

Jedna od glavnih prednosti širokog opsega UWB impulsa je poboljšan kapacitet kanala. Kapacitet kanala definiše se kao maksimalna količina podataka u sekundi koja se može poslati kroz taj kanal. Veliki kapacitet kanala kod UWB komunikacionih sistema proizilazi iz Hartli-Šenonove formule za kapacitet:

(1.7)

gde C predstavlja kapacitet kanala, B širinu propusnog opsega kanala, a SNR (signal-to-noise ratio) je odnos snage signala i snage šuma.

Kao što se vidi u jednačini, kapacitet kanala C linearno raste s širinom opsega B, zbog toga nekoliko GHz širine opsega koja je dostupna UWB signalima omogućava da očekujemo veliku propusnu moć od nekoliko Gb/s. Ipak, zbog trenutnog ograničenja snage u UWB prenosu, tako veliki protoci mogući su samo na kratkim rastojanjima, do 10 metara. Ovo čini UWB sisteme odličnim kandidatima za bežične aplikacije kratkog dometa s velikom brzinom prenosa podataka, kao što su WPAN (Wireless personal area network). UWB tehnologija je idealna za širok niz primena u vojnom, civilnom i komercijalnom sektoru.

Sposobnost rada s malim odnosom signal–šum

Formula za maksimalni kapacitet kanala takođe ukazuje na to da je kapacitet kanala logaritamski zavisan od odnosa signal–šum. Usled toga UWB komunikacioni sistemi su sposobni da rade u grubim komunikacionim kanalima sa niskim SNR-om, a da ipak omoguće veliki kapacitet, pre svega zahvaljujući njihovom širokom opsegu.

Mala verovatnoća presretanja i detekcije

Zbog niske prosečne transmisione snage UWB komunikacioni sistemi su posebno otporni na detekciju i presretanje. S tako niskim transmisionim snagama prisluškivači moraju biti veoma blizu transmitera (oko 1 metar) da bi bili u stanju da detektuju emitovanu informaciju. Osim toga, UWB impulsi su vremenski modulisani kodovima jedinstvenim za svaki par predajnik–prijemnik. Vremenska modulacija ekstremno uskih impulsa daje dodatnu sigurnost UWB emisijama zato što je detekcija impulseva u trajanju piko sekunde bez znanja vremena njihovog nailaska skoro nemoguća. Zahvaljujući tome, UWB sistemi nude značajnu mogućnost ostvarivanja visokobezbednih komunikacija s malom verovatnoćom presretanja i detekcije, što je kritično u vojnim operacijama.

Otpornost na ometanje

Za razliku od dobro definisanih uskopojasnih frekventnih spektara, UWB spektar pokriva širok opseg frekvencija od blizu DC do nekoliko gigaherca i nudi veliko procesno pojačanje (Processing gain – PG) za UWB signale. PG je mera otpornosti radio-sistema na ometanje i definiše se kao odnos radio-frekventnog opsega prema informacionom opsegu signala:

(1.8)

Frekvencijski diverziti uzrokovan visokim PG-om čini UWB signale relativno otpornim na namerno i nenamerno ometanje, zato što nijedan ometač nije u stanju da ometa svaku frekvenciju u UWB spektru odjednom. Ukoliko je neka od frekvencija ometana još uvek postoji širok opseg frekvencija koje su netaknute. Performanse UWB komunikacionih sistema mogu biti degradirane, u zavisnosti od modulacione šeme, jakom uskopojasnom interferencijom iz klasičnih radio-predajnika koji koegzistiraju u frekventnom opsegu UWB prijemnika.

Visoke performanse u kanalima sa višestrukim prostiranjem

Fenomen poznat kao višestruko prostiranje (multipath) neizbežan je u bežičnim komunikacionim kanalima. On je uzrokovan višestrukim refleksijama prenošenog signala sa različitih površina, kao što su zgrade, dveće i ljudi. Prava linija između predajnika i prijemnika je linija vidljivosti. Reflektovani signali sa površine ne pripadaju liniji vidljivosti.

Sl.1.7- a) Efekat višestrukog prostiranja na bežičnom linku, b) Efekat višestrukog prostiranja na uskopojasnim signalima, c) Efekat višestrukog prostiranja na UWB signalima.

Efekat višestrukog prostiranja poprilično je problematičan za uskopojasne signale i može izazvati degradaciju signala do -40dB zbog sabiranja signala sa linije vidljivosti i van linije vidljivosti koji nisu u fazi. S druge strane, veoma kratko trajanje UWB impulseva čini ih manje osetljivim na višestruko prostiranja. Zbog toga što je trajanje prenosa UWB impulsa manje od nanosekunde, u većini slučajeva reflektovani impuls ima ekstremno kratku priliku da se sudari s impulsom sa linije vidljivosti i izazove degradaciju signala. Iako ih kratko trajanje UWB impulseva čini manje osetljivim na efekte višestrukog prostiranja u poređenju sa uskopojasnim signalima, to ne znači da su UWB komunikacije u potpunosti imune na izobličenja zbog višestrukog prostiranja. Istraživanja su pokazala da u zatvorenom prostoru, s velikim brojem objekata, izobličenje signala raste.

Svojstvo visoke prodornosti

Za razliku od uskopojasne tehnologije UWB sistemi mogu efektivno da prodiru kroz različite materijale. Niske frekvencije koje su uključene u širok opseg UWB frekvenicja imaju veliku talasnu dužinu što omogućava UWB signalima da prodiru kroz čitav niz različitih materijala, uključujući i zidove. Ovo svojstvo čini UWB tehnologiju upotrebljivom za komunikaciju kroz zidove i u radarima koji prodiru kroz zemlju. Ipak, svojstvo prodornosti UWB signala korisno je samo onda kada im je omogućeno da zauzmu deo niskofrekventnog dela radio-spektra.

Jednostavna arhitektura primopredajnika

UWB prenos je bez nosioca, što znači da podaci nisu modulisani na kontinualnom talasnom obliku sa specifičnom nosećom frekvencijom, kao što je to slučaj u uskopojasnim i širokopojasnim tehnologijama. Prenos bez nosica zahteva manje RF komponenata nego prenos na bazi nosioca. Zahvaljujući tome arhitektura UWB primopredajnika je značajno jednostavnija, a samim tim i jeftinija za proizvodjnu.

Sl. 1.8- a) Tipični uskopojasni primopredajnik i b) Primer UWB primopredajnika.

Prenos impulsa male snage eliminiše potrebu za pojačivačem snage u UWB emiterima. Takođe u UWB prenosu bez nosioca nema potrebe za mišačima i lokalnim oscilatorima za translaciju noseće frekvencije na zahtevani frekventni opseg. Kao posledica toga, ne postoji potreba za regeneracijom nosioca na prijemnoj strani. Generalno, prednji kraj UWB primopredajnika jeste primetno jednostavniji nego onaj kod uskopojasnih primopredajnika. Ova jednostavnost čini kompletnu CMOS (complementary metal-oxide semiconductors) implementaciju UWB primopredajnika mogućom, što dovodi do manjeg pakovanja i niže cene proizvoda.