Ultra Wide Band – UWB (2.)

Izazovi

UWB komunikacione tehnologije imaju i svoje nedostatke, u stvari postoji mnogo izazova zato sto se koristi impuls čije trajanje se meri u nano sekundama. O nekim glavnim poteškoćama UWB komunikacija diskutuje se u nastavku.

Izobličenje oblika impulsa

Prenosne karakteristike UWB impulsa su dosta komplikovanije nego one kod kontinualnih uskopojasnih sinusoida. Uskopojasni signali ostaju sinusoidni kroz ceo prenosni kanal. Međutim, prenosni kanal može značajno da ošteti UWB impuls male snage. Ovo izobličenje se može matematički predstaviti široko korišćenom Frisovom (Friis) transmisionom formulom:

(1.9)

gde su i snage prijemnog i predajnog signala, i dobitak predajne i prijemne usmerene antene, respektivno, c je brzina svetlosti, dje razdaljina između predajnika i prijemnika a fje frekvencija signala.

Ova formula pokazuje da će snaga primljenog signala opasti srazmerno povećanju frekvencije. Kod uskopojasnih signala s vrlo uskim frekvencijskim opsegom, promena frekvencije minimalno menja snagu na prijemu i to može da bude zanemareno. Kod širokog opsega frekvencija koje zauzima UWB spektar, prijemna snaga se drastično menja i ovo oštećuje oblik impulsa. Ovo će ograničiti performanse UWB prijemnika koji koreliše primljeni impuls s predefinisanim oblikom impulsa kao što je u slučaju prilagođenog filtra.

Procena kanala

Procena kanala je osnov za odlučivanje na prijemu u bežičnim komunikacionim sistemima. Zato što nije moguće meriti svaki kanal, važno je koristiti trening sekvencu da bi se ustanovili parametri kanala, kao što su slabljenje i kašnjenje na putanji prostiranja. Većina UWB prijemnika koreliše prijemni signal sa predefinisanim uzorkom signala, pa je neophodno poznavati parametare bežičnog kanala da bi se predvideo oblik predefinisanog signala koji je prilagođen na prijemni signal. Međutim, kao rezultat širokog propusnog opsega i smanjene energije signala, UWB impulsevi su izloženi jakom izobličenju impulsa, što procenu kanala čini vrlo složenom kod UWB komunikacionih sistema.

Sinhronizacija visoke frekvencije (High-Frequency Synchronization – HFS)

Vremenska sinhronizacija je glavni izazov i osnovna tema istraživanja kod UWB komunikacionih sistema. Kao i kod bilo kog drugog bežičnog komunikacionog sistema, vremenska sinhronizacija između prijemnika i ppredajnika je neophodna kod UWB komunikacija. Odabiranje i sinhronizacija impula čije se trajanje meri u nano sekundama jeste glavno ograničenje u dizajniranju UWB sistema. Ako želimo da odabiramo uske impulse potrebni su nam veoma brzi analogno-digitalni konvertori (ADC). Uz to, striktno ograničenje snage i kratko trajanje impulsa napravili su UWB sistem vrlo osetljiv na vremenske greške kao što su džiter (jitter) i pomeraj. Ovo može da postane glavni problem kod prijemnika za impulsnu položajnu modulaciju (PPM) koji se oslanjaju na tačnu detekciju pozicija prijemnog signala.

Interferencija višestrukog pristupa

Kod više-korisničkih komunikacionih sistema, ili sistema s višestrukim pristupom, različiti korisnici ili uređaji šalju informacije nezavisno i konkurentno preko deljenog prenosnog medijuma ( kao što je vazduh kod bežičnih komunikacija). Na prijemnom kraju, jedan ili više prijemnika moraju da imaju mogućnost da razdvoje korisnike i da detektuju informacije za zainteresovane korisnike. Interferencija ostalih korisnika i zainteresovanih korisnika naziva se interferencija višestrukog pristupa (Multiple – access Interference-MAI), koja je limitirajući faktor kapaciteta kanala i performansi takvog prijemnika. Na slici je predstavljen kanal sa višestrukim pristupom:

Sl. 1.9- UWB kanal sa višestrukim pristupom

Kao što je na slici prikazano, odvajanje svake korisničke informacije od kombinacije jako oštećenih UWB signala male snage od svih korisnika je vrlo je težak zadatak.

Modulacija signala

Modulacija je proces modifikovanja talasnog oblika signala ili impulsa tako da prenose informacije. Ovde smo zainteresovani za diskretno predstavljanje informacija. Najprostije diskretno stanje je binarno, koje je predstavljeno pozitivnom i negativnom jedinicom, tako da se sa dva stanja može da kodira binarna informacija. Najčešće se koristi više od dva stanja, npr. ternarno stanje koje je predstavljeno sa +1, -1, +0, -0. Uopšteno govoreći, možemo imati M stanja.

Modulaciono stanje UWB signala mora se razlikovati u prisustvu šuma i interferencije da bi se pravilno prepoznao signal. Mora se pronaći jedan UWB signal između svih ostalih.

UWB impulsne tehnologije koriste različite načine kodiranja informacija za prenos. Impulsi mogu biti poslati individualno, u paketima, ili skoro kontinualno, u nizu. Informacije se mogu kodirati na bazi amplitude, polariteta i pozicije impulsa. Modulacije variraju od jednostavne na bazi pozicije impulsa do energetski efikasnijih bazi polariteta impulsa i do veoma energetski efikasnih M-arnih modulacija (modulacija sa više nivoa ili stanja).

Na donjoj slici predstavljen je osnovni model komunikacionog sistema koje se sastoji iz tri osnovna elementa.

Sl.1.10- Model opšteg komunikacionog sistema.

Predajnik ima primarni zadatak da grupiše niz digitalnih podataka u simbole, da ih zatim mapira na analogni signal i emituje ga u etar pomoću antene. Kroz kanal se predstvaja način prostiranja signala kroz etar, u kome dolazi do refleksije i ometanja (elektomagnetni impulsi udaraju u druge objekte). Prijemnik prikuplja elektromagnetnu energiju na anteni, tj. prima slab signal, koji potom rekonstruiše u odgovarajuće simbole, a zatim i u binarni niz.

Postoji nekoliko tehnika modulacije UWB impulsa koje se koriste u komercijalne svrhe, a možemo ih podeliti na tehnike bazirane na vremenu i tehnike bazirane na obliku.

Obično se razmatraju sledeće impulsne UWB modulacione tehnike:

– Impulsna položajna modulacija – PPM (Pulse Position Modulation)

– Bi-fazna modulacija – BPM (Bi-Phase Modulation)

– OOK modulacija (On-Off Keying Modulation)

– Ortogonalna impulsna modulacija – OPM (Orthogonal Pulse Modulation)

– Impulsna amplitudna modulacija – PAM (Pulse Amplitude Modulation)

Sl.1.11- Podela različitih metoda modulacije u UWB komunikacijama.

Najprostiji metod modulacije je PPM gde se slanje svakog impulsa zakašnjava ili pomera unapred u odnosu na referentnu vremensku poziciju. Binarni komunikacioni sistem može da bude uspostavljen s vremenskim pomerajem unapred ili unazad (npr. 1 se pomera unapred, a 0 unazad). M-arni sestem može da bude kreiran na osnovu tačno određenog vremenskog pomeraja svakog impulsa. Prednost PPM je u tome što je jednostavna, ali UWB sistem mora veoma tačno da kontroliše vreme da bi mogao da demoduliše impulse.

Sl.1.12- Poređenje modulacionih tehnika u UWB komunikacijama.

Druga prosta metoda zasnovana je na inverziji impulseva, odnosno formiraju se impulsi koji imaju suprotne faze; ova modulacija se naziva bi-fazna modulacija (BPM). BPM se dosta koristi u UWB sistemima, jednostavna je za razumevanje, ali je primenljiva samo na binarni sistem. Jedan od razloga upotrebe BPM u odnosu na PPM jeste to što zahteva za 3 dB manju snagu. Pošto PPM mora da pomera impuls, gubi se vreme i kada se informacija ne prenosi. Ako PPM zakašnjava za jednu širinu impulsa, BPM može da pošalje duplo veći broj impulsa tj. ostvaruje duplo veću brzinu prenosa.

Takođe je interesantna i ortogon alna impulsna modulacija (OPM) koja zahteva da se generišu impulsi specifičnog oblika, koji su međusobno ortogonalni. Ove tri tehnike najčešće se koriste u UWB sistemima.

Pored ovih tehnika može se još koristiti i OOK modulacija koja radi na principu „ima-nema“ impulsa (ako ima signala, biće 1, a ako nema, dobijamo 0). Glavna mana OOK modulacije je što različiti šumovi mogu da izobliči signal do te mere da na prijemu može da dođe dođe do greške u odlučivanju. Ona je takođe binarni modulacioni metod, kao i BPM, i ne može da se koristi za M-arne modulacione metode, za koje se koriste PPM, PAM, OPM. Kod PAM tehnike amplituda impulsa varira i takvi impulsi prenose digitalnu informaciju (npr. impuls sa većom aplitudom nosi 1, a sa manjom 0). Glavne mane ove modulacije su te što je impuls s manjom amplitudom manje otporan na šumove i smetnje, a impulsevi s većom amplitudom zahtevaju veću snagu.