Ultra Wide Band – UWB (7.)

Kod bežične mreže, više čvorova treba da deli prenosni kanal koristeći ili metod slučajnog pristupa kao što je Aloha ili raspoređivanjem kanala na čvorove na osnovu zahteva korisnika. Kako se broj čvorova koji dele jedan bežični medijum povećava, to količina raspoloživog propusnog opsega za svaki čvor opada. Ovaj efekat otežava činjenica da je raspoloživa širina opsega i onako mala u poređenju sa žičanim mrežama. Jedno moguće rešenje je da se obezbedi više bežičnih komunikacionih kanala za istovremenu upotrebu.

U zavisnosti od tehnologije koja se koristi za bežične prenose, bežični spektar deli se na više istovremenih kanala. Na primer, IEEE 802.11b komunikacija koja radi na 2,4 GHz sa 80 MHz spektra, koji se može ponovo koristiti, obezbeđuje 11 kanala. U ovom radu posmatramo IEEE 802.15.3a standard zasnovan na UWB komunikacijama koje se razvija za bežične PAN-ove.

Često se razmatra QoS algoritam raspoređivanja za IEEE 802.15.3 MAC protokol koji koristi višestruke kanale koji su na raspolaganju u UWB mreži. Svaki bežični uređaj snabdeven je podesivim primopredajnikom koji čvoru daje fleksibilnost da prenosi ili prima na bilo kom kanalu, čime se omogućava deoba kanala među čvorovima. Mehanizam raspoređivanja koristi algoritam distribuirane dinamičke alokacije kanala da bi rasporedio kanale među susednim pikomrežama na osnovu dinamičkih saobraćajnih zahteva.

Performanse algoritama raspoređivanja detaljno su izučavali Rangenkar i Sivalingam. Merene su sledeće metrike performansi: protok (troughput), prosečno kašnjenje paketa i efikasnost raspoređivanja. Protok se definiše kao količina podataka preneta u pikomreži u jedinici vremena. Prosečno kašnjenje je vreme između generisanja i prijema paketa. Efikasnost raspoređivanja je mera trošenja propusnog opsega kanala na osnovu algoritma raspoređivanja i definiše se kao odnos dodeljenih slotova i ukupnog broja slotova u jednom superfrejmu. Ovde, sumiramo rezultate sistemske analize jedne pikomreže.

Slika (a) predstavlja prosečno kašnjenje paketa algoritma raspoređivanja za promenljivu učestalost generisanja paketa. Posmatra se pikomreža od 64 čvora s veličinom paketa od 2032 bajta. Učestalost generisanja paketa (λ) varira od 100 do 100.000 paketa/s. Širina opsega kanala je fiksirana na 500 Mbps, a broj kanala varira od 1 do 8. Za kanal od 500Mbps svaki superfrejm može da prihvati do 1394 ЦТA, svaki veličine od 2032 bajta. Ako je superfrejm ispunjen do maksimuma (65,535 μs), približno 21.200 ЦТA-ova može biti alocirano po sekundi. Dakle, učestalost usluge (μ), za šeme s punom iskorišćenošću superfrejma, iznosi oko 2120 paketa/s za svaki red (čekanja) pod uslovom da postoji 10 konekcija u ovom scenariju. Za stabilni rad reda (queue) s neograničenim kapacitetom bafera je λ ≤ 2120 paketa/s. Ovde se razmatra kapacitet bafera od 300 paketa po čvoru. Stoga, vrednost kašnjenja paketa ima tendenciju stabilizovanja nakon što se dostigne granica popunjenosti. Kako se broj kanala raspoloživih za prenos podataka povećava, različiti čvorovi unutar pikomreže mogu da vrše prenos simultano. To uvećava brzinu usluge, čime se smanjuje prosečno kašnjenje paketa.

Sl.2.3- Efekat brzine generisanja paketa na:

a) Srednje kašnjenje paketa, b) Ukupna propusna moć

c) Efikasnost raspoređivanja za jednu piko-mrežu.

Pošto je pretpostavljeno je da je veličina paketa 2032 bajta, učestalost generisanja paketa od 10.000 paketa/s je ekvivalentno 160 Mbps. Pošto pikomreža ima 10 konekcija, ukupna učestalost generisanja paketa pikomreže, za λ = 10.000 paketa/s, iznosi 1600 Mbps.

Kao što je ranije objašnjeno, kanal od 500 Mbps s punom iskorišćenošću superfrejma može da primi 21.200 paketa/s i stoga se očekuje protok od 340 Mbps. Kako se broj kanala (C) povećava, očekivali bismo da se ukupan protok linearno povećava zajedno sa C, to jest, kada se C poveća na 2, očekuje se da protok bude 680 Mbps. Međutim, slika (b) pokazuje blago sniženje u posmatranom protoku. Do ovoga dolazi usled opadanja efikasnosti raspoređivanja kada se poveća C. Postoji 10% smanjenja efikasnosti kada se C poveća na 2, što objašnjava pad u opaženom protoku. Kada se C poveća više od 2, pad u protoku je još izraženiji i može se objasniti odgovarajućim drastičnim padom u efikasnosti raspoređivanja.

Slika (c) prikazuje efikasnost algoritma raspoređivanja. Za pikomrežu s jednim kanalom, efikasnost je 1 budući da nema rasipanja slotova pošto se svi prenosi šalju istim kanalom i u precizirano vreme. Rasipanje slotova nastaje kada pikomreža ima više kanala. Pogledajte primer pikomreže s više kanala, gde jedan čvor želi da prenese podatke ka više čvorova. Čak i ako svaki od prijemnika ima jedinstven kanal za prijem podataka, pošiljalac može da predaje samo po jednom čvoru budući da ima samo jedan predajnik. Dok pošiljalac prenosi jednom određenom primaocu, vremenski slotovi na svim ostalim kanalima ostaju neiskorišćeni, osim ako ih ne upotrebi neki drugi pošiljalac. Ovo rasipanje meri se metrikom efikasnosti kanala. Logički se može zaključiti da se, dok se povećava broj kanala, povećava i rasipanje slotova, što dovodi do smanjene efikasnosti raspoređivanja.

UWB tehnologija je u prošlosti korišćena za aplikacije skladištenja, lociranja i određivanja rastojanja (ranging). Komercijalni proizvodi su raspoloživi u ovoj oblasti već veliki broj godina.

Jedan primer je sistem lokacije sredstava koji je razvio Miltispectral Solutions Inc. Njihov PAL650 UWB sistem lokacije sredstava sastoji se od skupa aktivnih UWB tagova. UWB prijemnika i centralnog procesirajućeg čvora (hub). Jedan od UWB tagova koristi se kao referentni beacon. Taj tag funkcioniše na centralnoj frekvenciji od 6,2 Ghz sa trenutnim opsegom od 1,25 GHz. Čvor koristi tehnike multilateracije, kombinovane s merenjem vremenskih razlika dolaska (TDOA- Time different of arrival) gde se koriste podaci od namanje tri prijemnika, da bi se odredila lokacija. Pokazalo se da je domet sistema oko 600 stopa s preciznošću boljom od jedne stope.

Primer primene radara zasnovanog na UWB je „Thru-Wall Sensing“ u vremenskom domenu. Ti radari mogu da prodru kroz građevinske materijale, uključujući armirani beton i betonske blokove. Među potencijalnim primenama nalaze se taktičke operacije, pretraživanje, tajne operacije i urbano ratovanje.

Kao što je ranije pomenuto, UWB se sada aktivno razmatra za WPAN kao deo IEEE 802.15.3 i MBOA standarda. Jedan od klasičnih primera WPAN aplikacija jesu kućne aplikacije za zabavu, to jest elektronske aplikacije. U ovom scenariju, komponente kao što su televizor visoke definicije (HDTV), DVD plejer i rikorder, stereo-zvučnici biće povezani bežično upotrebom UWB-a. Potencijalni veliki opseg UWB-a čini ovu primenu realnom. Kada se kombinuje s kućnom mrežom zasnovanom na eternet ili bežičnim LAN-ovima, takođe je moguće povezati više televizora u zasebim sobama tako da oni primaju isti multimedijalni sadržaj. Još jedna važna primena WPAN-a leži u vezivanju perifernih uređaja s desktopom računara. Ovi uređaji mogu biti digitalne kamere, digitalni kamkorderi, hard diskovi, štampači itd. Kod ove primene perifernih konekcija, postoji sve veće interesovanje za dizajniranje bežičnog USB interfejsa zasnovanog na UWB tehnikama, a Intel spada među one koji najviše rade na njegovom razvoju.

U vojnom vazduhoplovstvu, komunikacija među posadom obično se obavlja putem žičane mreže koja povezuje kacige članova posade s centralnim audio-sistemom. Multispectral Solutions Incje dizajnirao i implementirao bežični sistem avionske interkomunikacije zasnovan na UWB-u (AWICS) za vojne letelice. Taj sistem koristi karakteristike UWB-a kao što su: smanjenje multipath-a, mala verovatnoća detekcije, i mala verovatnoća ometanja. Taj sistem demonstriran je na helikopterima CH-53E Super Stallion(super pastuh) i CH-46E Sea Knight(Morski vitez).

UWB se takođe razmatra za bežične senzorske mreže, pogotovu za aplikacije visoke učestalosti podataka kao što su one zasnovane na multimedija i video senzorima. Primena UWB-a na senzorske mreže nedavno je privukla pažnju. Multihop homogeni UWB senzorski sistem, označen kao UWEN, koji se sastoji od senzora niske snage i niske učestalosti podataka koji komuniciraju sa fiksiranim UWB čvorovima radi prenošenja senzorskih informacija. U ovoj šemi je iskorišćen centralizovani pristup, gde se rezultati s pojedinačnih senzora pohranjuju u odredište.

Iako se mnoge od trenutnih primena koncentrišu na sposobnosti UWB tehnologije manjeg dometa, UWB se može koristiti i za primene većeg dometa. Multispectral Solutions Inc. je već pokazao izvodljivost visoke učestalosti podataka (video link od 6 Mbps) na maksimalnoj jačini od 2 W za liniju vidnog dometa od 8 km koristeći UWB radio. Tipični 802.11 uređaj (ORiNOCO AP-2000) radi sa maksimalnom snagom od 10W i podržava brzinu podataka od 6 Mbps za maksimalni domet od 250 m koristeći IEEE 802.11a tehnologiju. Ovo ukazuje da je UWB u stanju da pruži veću brzinu prenosa na nižoj snazi u poređenju sa 802.11 standardima.

Ukratko govoreći, ovaj rad predstavlja pregled UWB umrežavanja i s time povezanih pitanja kao što su protokoli i primene. Postojeći potencijal UWB-a još uvek treba da se shvati u potpunosti i smatramo da će doći do bolje integracije UWB tehnika u budućim generacijama bežičnih proizvoda i aplikacija.