Ultra Wide Band – UWB (5.)

U UWB podaci se predaju preko širokih frevencijskih opsega, što dovodi do velikih brzina prenosa podataka. Kako se energija signala širi vrlo raštrkano preko celog propusnog opsega, gustina energije je vrlo mala. Ovo doprinosi smanjenju verovatnoće detekcije i presretanja. Još jedna bitna karakteristika UWB signala jeste velika otpornost na feding zbog višestrukog prostiranja (multipath fading). Multipath fadingje fenomen zapažen kod kontinualnih signala. Nastaje zbog refleksije signala od objekta, što rezultuje destruktivnim poništenjem i konstruktivnim dodavanjem. Pošto UWB nije tehnologija zasnovana na kontinualnim talasima, na nju ovo ne utiče, jer se refelksije mogu razrešiti u vremenu. Zapravo, uski impulsi koji se koriste u UWB prenosu dopuštaju razdvajanje višestrukih putanja (multipath resolution) i tako se može efektivno detektovati prenošeni simbol u multipathokruženju.

Postoje dve glavne razlike između UWB i drugih uskopojasnih i širokopojasnih sistema. Prva je u tome što propusni opseg UWB sistema iznosi 20% centralne frekvencije. Ovo je mnogo veći opseg od opsega bilo koje tehnologije koja se trenutno koristi. Druga je u tome što regularni uskopojasni sistemi koriste RF nosioce kako bi pomerili frekvenciju signala od osnovnog opsega do frekvencije nosioca. S druge strane, UWB radio je implemenitran u obliku bez nosioca. Koristi prenos vrlo kratkih impulsa koji se emituju u periodičnim sekvencama. Vremenski brzo povećanje i pad impulsa dovode do stvaranja talasa koji zauzimaju daleko veći propusni opseg.

Sve u svemu, neke od potencijalnih prednosti UWB-a su:

– Zahteva malu potrošnju;

– UWB prenos je ispod nivoa šuma i zato omogućava malu verovatnoću detekcije;

– Mala verovatnoća ometanja zbog male energije po frekventnom opsegu i korišćenja precizno pozicioniranih vremenskih oblika;

– Mogućnost probijanja kroz zidove usled niskih frekvencija koje se koriste;

– Veća otpornost na multipath fadingzahvaljujući povećanom diverzitiju;

– Dostupnost informacije o preciznoj poziciji, budući da UWB koristi precizne impulseve reda piko sekunde za prenos i preciznu sinhronizaciju između čvorova koji su povezani među sobom, što omogućava precizno određivanje lokacije u centimetar.

S druge strane, UWB ima i nekoliko nedostataka, kao što su dugo vreme akvizicije signala (čak nekoliko milisekundi), kao i problemi koji se javljaju zbog FCC propisa. Postoji i nekoliko tehničkih izazova na fizičkom nivou koje treba rešiti, kao što su: dizajn antene, modeliranje propagacije i kanala, dizajn uređaja i kola, dizajn oblika talasa.

Umrežavanje na bazi UWB-a trnutno se smatra preovlađujućim za WPAN, koje su definisane kao mreže formirane od bežičnih uređaja male potrošnje i sa relativno kratkim rastojanjima transmisije. Tehnologija za WPAN-ove je tek u začeću i doživljava ubrzano razvijanje kao deo nekoliko projekata za standarde, uključujući IEEE 802.15.3a i MB- OFDM alijansu (MBOA-Multiband OFDM Alliance). Takođe se vrše istraživanja u oblasti primene UWB u bežičnim senzorskim mrežama.

U ovom poglavlju predstavljamo pregled mreža zasnovanih na UWB i nekih njihovih primena.

Iako sve UWB transmisije koriste impulse u nizovima, modulacija može biti izvršena korišćenjem različitih tehnika. Postoje u suštini četiri metoda UWB modulacije:

– TH-SS
– DS-SS
– MB-OFDM

– DHTR-SS (delay hopped transmitted-reference spread spectrum)

TH-SS sistem je sličan tradicionalnoj impulsnoj modulaciji i predaje impulse u određenim vremenskim trenucima u jednom ramu. DS-SS sistem je sličan BPSK-CDMA sistemu. U ovom sistemu se informacioni biti množe sa PN sekvencom čipova kako bi se omogućila kanalizacija i širenje u domenu frekvencija. Signal se zatim predaje pomoću PSK koristeći Gausov monopuls i pomerajući njegovu fazu na osnovu polariteta impulsa. Prijem se vrši korišćenjem rakeprijemnika koji sadrži korelator za svaki rake fingeri kombajner maksimalnog odnosa izlaza korelatora. MB-OFDM sistem je zasnovan na OFDM tehnologiji koja je implementirana u 802.11g i 802.11a . Umesto da koristi ceo spektar kao jedan ospeg, kao što je slučaj sa DS-SS, MB-OFDM deli spektar u zasebne opsege od oko 500 MHz. Tako, spektar od 3-10 GHz sadrži 13 ovakvih opsega, koji su podeljeni u četiri grupe na osnovu njihovih primena. Kod DHTR-SS se par identičnih dubleta predaje se za svaki ram sličano DPSK sistemu.

Standard IEEE 802.15.3 se razvija za personalne bežične mreže s velikim brzinama prenosa podataka. Standardom je prethono specificiran rad u nelicenciranom opsegu frekvencija između 2,4 GHz i 2,4835 GHz i projektovan da postigne brzinu prenosa podataka od 11–55 Mbps, što je neophodno za video visoke rezolucije i HI-FI audio. Alternativni PHY sloj, zasnovan na UWB radio-prenosu, predložen je kao deo IEEE TG802.15.3a.

Do novembra 2004. IEEE grupa za razvoj TG802.15.3a nije odredila dizajn fizičkog sloja, ali je razmatrala dve mogućnosti. Prva mogućnost, promovisana od strane UWB forum-a, je zasnovana na pricipima direktnog sekvenciranja. DS-UWB pruža podršku za brzine prenosa podataka od 28, 55, 110, 220, 500, 660 i 1320 Mbps. Drugi predlog, koji je dostavila MBOA, zasnovan je na konceptu MB-OFDM i podržava brzine prenosa podataka od 55, 110, 200, 400 i 480 Mbps. MB-OFDM je tehnika prenosa kod koje se raspoloživi spektar deli u više opsega. Informacije se prenosi u svakom opsegu koristeći OFDM modulaciju. Vrđi se interliving informacionih bita kroz sve opsege kako bi se omogućila otpornost na interferenciju. MB-OFDM deli raspoloživi spektar (3.1-10.6 GHz) u 13 opsega, svaki po 528 MHz. Još uvek postoje brojni tehnološki problemi koje treba rešiti, većinom u vezi s visokim nivoom integracije koju UWB proizvodi zahtevaju: moraju biti proizvedeni po niskoj ceni i sa malom potrošnjom da bi se usaglasili sa idejom integrisane povezanosti za PAN-ove.

Tabela 2.1- Vremensko-frekvencijski kodovi za MB-OFDM uređaje.

Protokoli srednjeg nivoa pristupa

Grupa IEEE 802.15.3a prvobitno je odabrala specifikacije IEEE 802.15.3 MAC protokola za pristup kanalima. Ovo možda nije najefikasnije, budući da MAC protokol ne podrazumeva karakteristike UWBa. MBOA radi na svojoj verziji MAC protokola, ali ona još nije dostupna javnosti.

IEEE 802.15.3 MAC protokol

WPANovi nisu stvoreni unapred, već se stvaraju onda kada aplikacija određenog uređaja želi da uspostavi vezu sa sličnim aplikacijama na drugim uređajima. Ovakva mreža, stvorena u ad hoc smislu, prestaje kada se komunikacija završi.

Arhitektura mreže: Mreža je zasnovana na master-slavekonceptu, slično formiranju bluetoothmreža. Pikonet je računarska mreža koja ad hok koristi bluetoothprotokol, gde je jedan urređaj master, a ostali su slave u tom pikonetu. Master se naziva i pikonet kontrolerom (PNC), i odgovoran je za sinhronizaciju i regulisanje komunikacije između različitih slejvova u pikonetu.

U 802.15.3 WPAN može postojati jedan masteri do 255 slejvova. Master je odgovoran za sinhronizaciju i raspoređivanje prenosa podataka. Nakon što je raspoređivanje završeno, slave-ovi mogu da međusobno komuniciraju peer to peer. Ovo je suprotno od bluetooth PAN gde uređaji jedino mogu da komuniciraju s masterom point to pointkomunikacijom. Kod bluetooth-a ako uređaj  d1 želi da komunicira sa d2, d1 će poslati podatke masteru i masterće proslediti podatke do d2. Dva slaveuređaja ne mogu međusobno da komuniciraju.

Skaternet (Scatternet) je vrsta ad hok kompjuterske mreže koja se sastoji od dva ili više pikoneta koji se međusobno preklapaju. Stoga, uređaji koji pripadaju različitim pikonetima mogu međusobno da komuniciraju preko višestrukih skokova.

Pristupni kanali

Pristupni kanali u 802.15.3 MAC zasnovani su na superfrejmovima, gde je vremenski kanal izdeljen u superfrejmove različitih veličina kao što je prikazano sl. 2.1.

Sl.2.1- IEEE 802.15.3 superfrejm format.

Svaki superfrejm počinje znakom beaconkoji je šalje putem PNC-a i sastoji se iz tri glavna entiteta: beacon, CAP (contention access period), CFP (contention free period). Beacon i CAP se uglavnom koriste za sinhronizaciju i kontrolu podataka, dok se CFP koristi za prenos samih podataka. Tokom CAP-a uređaji pristupaju kanalu u distribuiranom režimu koristeći CSMA/CA uz određenu proceduru za odustajanje. PNC reguliše rad CFP-a i rezerviše vremenske slotove različitim uređajima na osnovu zahteva za njima i njihove dostupnosti. Beacon paket se koristi za slanje informacija o vremenu i za sve informacije o upravljanju pikonetom koje PNC treba da pošalje drugim uređajima. Beacon se sastoji od beacon frejma bilo kojih komandi koje šalje PNC kao dodatak beaconu. Beaconpaket sadrži detalje o trajanju superfrejma, vremenu prestanka rada CAP-a, maksimalnoj snazi prenosa i pikonet režimu. Trajanje superfrejma određuje veličinu trenutnog superfrejma i koristi se istovremeno s prestankom rada CAP-a, kako bi se pronašla dužina trajanja CAP-a. Prema rezoluciji trajanje superfrejma i CAP-a je 1ms, a opseg je od 0 do 65535 ms. Vrednost maksimalnog nivoa prenosa određena je u dBm i može da se razlikuje za svaki superfrejm. Polje pikonet režima opisuje neke od karakteristika pikoneta i superfrejma. Takođe dređuje da li CAP može da sadrži podatke, komandni saobraćaj i može da se koristi da onemogući slanje izvesnih tipova saobraćaja tokom CAP-a. Polje pikonet režima određuje da li će upravljeni vremenski slotovi biti korišćeni u trenutnom superfrejmu. Takođe definiše sigurnosni režim pikoneta.