По следам IDF: беспроводная технология передачи данных Ultra Wide Band


Не секрет, что любые коммуникации требуют все более возрастающей пропускной полосы — вместе с ростом вычислительных возможностей должны расти и коммуникационные. Итак, в качестве запоздавшего эпиграфа к статье перефразируем известного философа Матроскина:

«Что бы обработать что-то ненужное, нужно сначала переслать что-то ненужное».

Введение

Понятия коммуникаций и вычислений сосуществуют ныне настолько тесно, что их неразрывная связь становится очевидной даже для PR-отделов крупнейших IT-компаний. Зачастую нет особенной необходимости разделять эти понятия. Сегодня, говоря о возрастающей мощности вычислительных устройств, мы говорим как о росте производительности их процессоров, так и о росте пропускной способности их коммуникационных каналов. Под коммуникационными каналами в широком смысле мы понимаем внутренние:

  • кэши
  • системные шины
  • интерфейсы памяти
  • интерфейсы накопителей

…и внешние:

  • интерфейсы периферийных устройств
  • беспроводные сетевые каналы
  • проводные сетевые каналы

структуры передачи данных.

Внешние проводные каналы связи развиваются в двух основных направлениях — снижение цены и увеличение доступности оптических каналов (сверху вниз) и повышение пропускной способности проводных (снизу вверх). Впрочем, пока два основных физических носителя не приблизились друг к другу (в основном, в плане цены) настолько, чтобы открыто конкурировать — в 90% случаев можно не раздумывая отдать предпочтение той или иной технологии только на основе характера решаемой задачи.

Внутренние проводные каналы в данный момент серьезно меняются, переходя от специализированных параллельных интерфейсов к высокоуровневым последовательным пакетным (Serial ATA, 3GIO/PCI Express, Hyper Transport). Что позволяет надеяться на постепенное сближение внешних и внутренних коммуникационных технологий: в будущем даже отдельные компоненты системного блока будут объединены в некую полноценную сеть. Логически это вполне оправдано — современный чипсет, например, выполняет роль сетевого коммутатора, снабженного множеством интерфейсов, таких как шина памяти DDR или процессорная шина и AGP/PCI.

Беспроводные каналы, с точки зрения спектра применений, находятся ныне всего лишь в эпохе становления. Сегодня они эффективно применимы только для небольшой части коммуникационных задач, впрочем, включая и важнейшую задачу создания глобальной сетевой инфраструктуры. Для локальных коммуникаций беспроводные технологии подходят лишь частично — в первую очередь из-за низкой пропускной способности. На данный момент, обычный пользователь с наибольшей вероятностью будет иметь дело с одним из двух беспроводных стандартов:

  • BlueTooth — в роли беспроводного интерфейса низкой пропускной способности для периферии и коммуникации между близко расположенными устройствами.
  • 802.11a / 802.11b — стандартная Ethernet-сеть с общей средой для создания сетевой инфраструктуры общего назначения.

BlueTooth и его последователи возьмут на себя заботу об освобождении от проводов вашего рабочего места, заменив как многочисленные низкоскоростные периферийные интерфейсы (клавиатура, мышь, непритязательный сканер или принтер, IrDA). А стандарт 802 будет играть роль «последнего сетевого провода» связывая инфраструктуру и конечные точки доступа. Первая разновидность 802-го стандарта имеет достаточно высокую пропускную способность, более 50 Мбит, и нацелена скорее на насыщенные и компактные сети предприятий и офисов. Использованная базовая частота (5 ГГц) гораздо хуже проникает в соседние помещения, нежели в случае второго, 11-Мбитного (2,4 ГГц) варианта стандарта. 802.11b, в итоге более подходит для дома и разнообразных жилых и общественных структур, таких как аэропорты, кафе, кинотеатры, торговые комплексы.

На роль широкотерриториального сетевого стандарта передачи данных претендуют сотовые стандарты коммуникаций, включая столь трудно приживающийся 3G. Однако отметим, что широкое распространение 802.11 способно основательно попортить малину третьему поколению сотовых сетей, т.к. зачастую их ниши пересекаются.

Разобравшись с инфраструктурой, давайте вернемся к периферии и внутренним коммуникациям. Мало того, что BlueTooth обладает пропускной полосой, недостаточной для печати и сканирования, обмена данными с беспроводными терминалами, он совершенно не годится на роль внутреннего беспроводного интерфейса. Давайте заглянем в системный блок. Там, внутри, по-прежнему уйма проводов…

В идеале хотелось бы иметь:

  • Достаточную для подключения накопителей пропускную полосу, т.е. на один или два порядка выше оной для инфраструктуры.
  • Способность работать как на коротких, так и на средних расстояниях. Все это, чтобы в будущем закрыть этим интерфейсом не только внутрисистемные коммуникации, но и инфраструктурную нишу 802 стандарта и нишу внешней периферии.
  • Существенно более низкая цена реализации — не только существенно ниже чем 802, но и ниже, чем BlueTooth.
  • Простота реализации — возможность создания одночиповых решений, не требующих дополнительной обвязки, или даже внедрения этого решения в высокоинтегрированные чипы общего назначения.

На первый взгляд, совместить все эти требования в ближайшее время не представляется возможным. Однако:

Ultra Wide Band

Фактически, этот термин не означает какого-либо конкретного стандарта беспроводных коммуникаций (собственно, сам стандарт находится в глубокой разработке, и еще далек от финала), а является методом модуляции и передачи данных, способным существенно изменить всю беспроводную картину в ближайшем будущем. Давайте без лишних прелюдий обратимся к схеме, наглядно демонстрирующей основополагающий принцип UWB:

Вверху UWB, внизу традиционная модуляция, в противоположность UWB названная здесь Narrow Band (далее NB). Слева вид сигнала во времени, справа — его частотный спектр — т.е. распределение энергии по полосе частот. Подавляющее большинство современных стандартов передачи данных является NB-стандартами — все они оперируют в пределах достаточно узкой полосы частот, а именно, допуская достаточно небольшие отклонения от так называемой базовой (или несущей) частоты. Например, справа внизу мы видим спектральное распределение энергии обычного передатчика 802.11b. Ему отводится достаточно узкая (ширина одного канала 80 МГц) полоса спектра с опорной частотой 2,4 ГГц. В пределах этой небольшой полосы передатчик излучает существенный объем энергии, необходимой для последующего уверенного приема в пределах расчетного диапазона расстояний (для 802.11b — 100 метров). Сам диапазон строго определяется FCC и иными регулирующими государственными комиссиями и, разумеется, требует лицензирования. Данные кодируются и передаются путем частотной модуляции (управления отклонением от базовой частоты) в пределах уже описанного канала.

Теперь давайте посмотрим на UWB — здесь традиционный подход поставлен с ног на голову. Во временном пространстве передатчик излучает короткие импульсы специальной формы, подобранной так, чтобы равномерно размазать всю энергию импульса по заданному достаточно широкому участку спектра (приблизительно от 3 ГГц до 10 ГГц). Данные, в свою очередь, кодируются полярностью и взаимным расположением импульсов. В результате, обладая достаточно высокой суммарной передаваемой в эфир мощностью и, следовательно, значительным расстоянием уверенного приема, UWB сигнал в каждой конкретной точке спектра (т.е. на каждой конкретной лицензируемой полосе частот) не превышает крайне низкого, во много раз меньше, чем у NB-сигналов, значения. В результате, согласно соответствующему правилу FCC, такой сигнал становится допустимым к использованию, несмотря на то, что он занимает, в том числе, и уже отведенные для других применений участки спектра:

Итак, основная доля энергии UWB-сигнала приходится на диапазон частот от 3,1 до 10,6 ГГц, причем, при этом спектральная плотность энергии не превышает определенного 15 частью правил FCC предела (-41dBm/MHz). В диапазоне частот ниже 3,1 ГГц сигнал практически сходит на нет, его уровень опускается ниже -60. Фактически, чем идеальнее форма формируемого передатчиком импульса, тем меньше энергии выйдет за пределы основного диапазона. Но, как бы там ни было, допустимое отклонение импульса от идеальной формы необходимо учесть и строго лимитировать — отсюда и возникает это второе значение. Участок спектра ниже 3,1 ГГц не используется, в первую очередь для того, чтобы не создавать помех GPS-системам, точность работы которых значительно падает в условиях наличия сторонних сигналов, даже плотностью ниже -41. Поэтому на участке 3,1 ГГц и менее был создан дополнительный запас в 20 dBm (до -60), не являющийся строго обязательным, но, видимо, приветствуемый военными ведомствами.

Итак, нам удалось захватить существенную полосу спектра, не нарушив существующих правил. Суммарная энергия передатчика, которую мы можем вложить в эту полосу, определяется площадью спектральной характеристики (см. закрашенные зоны на предыдущей схеме). Даже невооруженным глазом видно, что в случае UWB она существенно выше традиционных NB-сигналов, таких как 802.11b или 802.11a. Соответственно, в случае UWB мы можем либо передавать данные на большее расстояние, либо передавать больше данных, особенно, когда в эфире совместно работает множество близко расположенных устройств. Давайте посмотрим на диаграмму с расчетной предельной плотностью передаваемых данных на квадратный метр:

Плотность передаваемых данных, способных сосуществовать на одном квадратном метре эфира, в случае UWB во много раз превышает популярные NB-стандарты. Т.е. мы сможем использовать UWB даже для внутрисистемной или (а почему бы и нет?) коммуникации между чипами в пределах одного устройства!

Фактически, UWB решает вопрос «простоя» спектра — в некотором роде, так же, как Hyper Threading пытается решить вопрос простоя функциональных блоков процессора. Отведенные различным службам полосы частот, как правило, остаются незанятыми — даже в очень плотной городской среде в каждый конкретный момент времени большая часть спектра пустует, а значит, радиоэфир используется нерационально:

  1. Непостоянная манера использования многих частот. Т.е. низкая временная эффективность использования спектра.
  2. Необходимые для NB-модуляций охранные полосы (промежутки между каналами, дабы они не создавали помех друг другу). Т.е. низкая частотная эффективность использования спектра.
  3. Чрезмерная и, как правило, нерегулируемая мощность передачи (а следовательно, и дальность проникновения) передаваемых сигналов, даже в ситуации, когда реальное расстояние не столь велико. Т.е. низкая пространственная эффективность использования спектра.

Куда ни посмотри — все плохо; пора браться за совершенствование методов радиокоммуникации и разделения эфира.

В случае NB в основном (для специалистов подчеркиваю, в основном — реальная картина более сложна, но выходит за рамки этой статьи) частота и ширина отведенной полосы спектра определяет пропускную полосу канала, а мощность передатчика — дальность. В UWB два этих понятия переплетаются, и мы можем распределять (торговать) наши возможности между дальнобойностью и пропускной полосой. В результате, на небольших расстояниях, например, в случае уже упомянутой коммуникации между чипами, мы получим огромные пропускные полосы, при этом, не увеличивая суммарной передаваемой мощности и не засоряя эфир, а значит, не мешая соседним устройствам. Давайте посмотрим на зависимость пропускной полосы передаваемых в UWB-модуляции данных от расстояния:

Если в случае традиционного NB-стандарта 802.11a имеется искусственно созданная зависимость пропускной полосы от расстояния (фиксированный набор пропускных полос, дискретно переключаемых по мере увеличения расстояния), то UWB реализует эту зависимость куда как более естественно. На коротких расстояниях его пропускная полоса взлетает в заоблачные дали, делая вполне оправданными даже наши мечты о межчиповой коммуникации, однако на существенных расстояниях, вопреки нашим ожиданиям, UWB проигрывает NB-стандарту. В чем дело? С одной стороны, теоретический объем передаваемой энергии, а, следовательно, и предельный объем передаваемой информации, выше. С другой стороны, не будем забывать, что в реальной жизни информация всегда передается с избытком. Кроме энергетического объема играют роль конструктивные особенности. Например, характер модуляции, а точнее то, насколько устойчиво и с какими потерями она принимается и детектируется приемником. Давайте сравним классический:

… и UWB-трансиверы:

Классический трансивер (приемопередатчик по-нашему) содержит генератор опорной частоты (synth), как правило, стабилизированный неким референсным кварцевым элементом (Ref Osc). Далее, в случае приема эта частота вычитается из принятого сигнала, в случае передачи — модулируется (складывается) с передаваемыми данными. В случае UWB схема передатчика проста до невозможности — мы просто формируем импульс необходимой формы и отправляем его на антенну. В случае приема — мы усиливаем сигнал, применяем полосный фильтр, выделяющий нашу рабочую зону спектра, и вновь на этом все заканчивается — мы получаем готовый импульс. Вся тонкость в том, как его распознать! Здесь и лежит ключ к увеличению эффективного расстояния UWB. Разумеется, распознать одиночный импульс существенно труднее, чем серию колебаний несущей частоты. Итак, для триумфального шествия UWB необходимо создать не только ключи (генераторы импульсов) строго определенной формы, переключающиеся с характерными промежутками порядка 3 ГГц, но и разработать качественные детекторы этих импульсов, что на порядок сложнее. Как бы там ни было, конструктивно UWB существенно проще NB-трансиверов, и может быть полностью реализован на чипе. А самое главное, UWB-передатчик вообще не требует какой-либо аналоговой обвязки — сигнал может уходить в эфир что называется «прямо с чипа», а в случае приемника эта обвязка также минимизирована и, что самое главное, может быть реализована в рамках не только гибридных, но и базовых технологий, т.е. CMOS и ее приемников.

Еще одна интересная особенность UWB происходит от ее военного предка — радиолокации (именно там широкополосные технологии находили свое основное применение ранее). А именно — потенциальная возможность создавать сети, способные определять геометрическое расположение участников. Для этого будут применяться наборы (решетки) антенн, изготовить которые в случае UWB очень просто. Подобная возможность полезна для адресации объектов — представьте себе универсальный пульт радиоуправления, который чувствует, на какое устройство вы навели его в данный момент. Еще одно применение — создание динамической диаграммы направленности антенны, дабы наилучшим образом принимать сигналы, идущие от конкретного устройства, и не обращать внимание на остальные. Этот подход еще более увеличит пространственную эффективность использования эфира.

Первые стандарты и продукты на основе UWB будут доступны в 2005 году.

И напоследок — сравнительная таблица характеристик:

 Дальность, метровЧастотаШирина каналаПропускная способность
UWBДо 50 (пока)От 3,1 до 10,6 ГГцСтолько жеСотни Мбит
802.11b1002,4 ГГц80 МГцДо 11 Мбит
802.11a505 ГГц200 МГцДо 54 Мбит
BlueTooth102,4 ГГц До 1 Мбит

 




Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.