Частотный спектр Wireless USB

Для начала познакомимся частотным спектром UWB сигнала и с принципом его формирования. В общем случае под UWB подразумевается любая радиочастотная технология, занимающая спектр с полосой более 20% несущей частоты передатчика, или работающая в диапазоне более 500 МГц. Комиссия Управления перспективных военных научно-исследовательских работ Министерства обороны США (DARPA) к сверхширокополосным относит системы и сигналы, обладающие коэффициентом Ν в пределах от 0,25 до 1:

Ν = (fв - fн)/(fв + fн),

где fв и fн - верхняя и нижняя частота диапазона соответственно.

Стандарт Wireless USB основан на использовании технологии сверхширокополосной UWB (Ultra-Wideband) модуляции на базе рекомендаций MultiBand OFDM Alliance (MBOA) и WiMedia Alliance. В настоящее время частотный диапазон UWB шириной 7,5 ГГц окончательно оговорен лишь федеральной комиссией по связи США (FCC), утверждение UWB комиссиями связи Японии и Евросоюза находится в процессе.

MBOA и WiMedia Alliance являются открытыми индустриальными группами для продвижения стандартов персональных беспроводных сетей — WPAN (Wireless Personal Area Networks). Wireless USB будет одним из целой серии беспроводных интерфейсов, использующих технологию UWB. На деле в перспективе нас ожидает целый букет различных беспроводных интерфейсов с единой организацией протоколов адресации и физического уровня на базе спецификаций IEEE802.15.3.

Традиционно под сверхширокополосной модуляцией - UWB, подразумевается работа передатчика, при которой генерируются миллиарды импульсов в очень широком, порядка сотен мегагерц - нескольких гигагерц, частотном спектре. Приемная часть преобразовывает импульсы в данные путем отслеживания схожих последовательностей импульсов.

Под современной UWB технологией подразумевается применение модуляции мультиплексированием по ортогональным несущим частотам (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что как раз требует использования очень широких частотных диапазонов. В случае использования OFDM в сочетании с несколькими частотными диапазонами, мы получаем технологию MultiBand OFDM, имеющую значительные преимущества перед вариантами со сравнительно узкой полосой, например, IEEE802.11a, что выражается в легкой адаптации стандарта к требованиям комитетов электросвязи любых государств, возможности отличного масштабирования в будущем и обратной совместимости обновленных версий. Простой пример: не нравится законодателям какой-либо страны ширина требуемых поддиапазонов? Пожалуйста, отключаем запрещенные поддиапазоны, и в конце концов стандарт все равно вписывается в предъявленные требования.

На практике использование частотного диапазона 3,3 ГГц - 10,4 ГГц для UWB в настоящее время "легализовано" только в США: согласно ограничениям FCC Part 15, спектральная плотность излучения не должна превышать -41 дБ м/МГц. Работы по разрешению использования этого диапазона частот для UWB в Европе, Японии и Китае еще не закончены.

В случае со стандартом транспортного уровня MultiBand OFDM, на котором базируется Wireless USB, спектральный участок шириной 7,5 ГГц разделен на пять каналов и несколько отдельных 528 МГц поддиапазонов в каждом канале. На рис. указаны средние частоты для каждого диапазона.

Рис.5. Распределение частотного спектра UWB

Таким образом, в результате получается 14 поддиапазонов шириной 528 МГц каждый, сгруппированных в 5 частотных участков, при этом следует особо подчеркнуть, что каждый из 14 поддиапазонов применительно к стандарту Wireless USB обладает возможностью поддержки обмена данными со скоростью до 480 Мбит/с.

Главное, на чем настаивают разработчики UWB - всемирное законодательное разрешение использования 7,5 ГГц диапазона излучения таких устройств на нелицензируемой основе. Не исключено, что в отдельных странах для UWB будет разрешен не весь 7,5 ГГц диапазон.

Впрочем, даже это не помешает внедрению WUSB, поскольку за счет разделения спектра на каналы и поддиапазоны останется достаточно возможностей для манипулирования частотами в пределах каждого государства. Возможность динамического (или статического) подключения тех или иных участков позволяет удовлетворить требования любых национальных комитетов электросвязи (даже российского), разумеется, за счет "национальных" прошивок firmware в каждом отдельном случае. Кстати, именно на этом этапе знакомства с UWB становится понятна бездонная канальная емкость WUSB.

Однако вернемся к практической реализации вопроса. Из пяти каналов 7,5 ГГц диапазона MultiBand OFDM, согласно требованиям MBOA, поддержка самого первого канала - Channel 1, включающего в себя три первых частотных участка, является обязательным требованием для всех UWB устройств. Использование диапазонов в каналах со второго по пятый является необязательным.

Смысл именно такого деления на каналы и поддиапазоны не случаен и является подходящим сразу по нескольким причинам. Первая из них заключается в том, что подобная частотная организация обеспечивает поддержку одновременно до четырех частотно-временных режимов модуляции на канал (рисунок ниже - расклад для канала №1), или в сумме до 20 каналов для нынешнего деления MB-OFDM. На практике предполагается, что Wireless USB устройства первого поколения будут работать только в первом частотном участке (Band#1 - Band#3).

Вторая причина, может быть, не такая уж яркая, но вполне актуальна для некоторых регионов: за счет гибкого манипулирования с активизацией поддиапазонов можно безболезненно отказаться от задействования канала №2 там, где возникают помехи другим нелицензионным видам беспроводных стандартов - U-NII (Unlicensed-National Information Infrastructure) по версии FCC. Справившись с частотным раскладом диапазона MB-OFDM можно заметить, что канал №2, занимающий частоты с 5016 МГц до 6072 МГц прямо пересекается с частотами одной из популярных версий Wi-Fi - IEEE802.11a. Несмотря на несоизмеримые уровни сигнала WUSB может при необходимости запросто "подвинуться".

Наконец, разработчиками стандарта учтена даже дифференциация назначения разных диапазонов для работы с разными приложениями. Так, использование "низкочастотных" диапазонов MB-OFDM может оказаться предпочтительным в случае обмена данными на большие расстояния, и наоборот, высокочастотные диапазоны будут отданы для коротких расстояний.

Базовым элементом - "квантом" для UWB обмена является так называемый OFDM Symbol - OFDM посылка данных со стандартной длиной 312,5 мс.

Каждая OFDM-посылка "шириной" 4 МГц вмещает в себя 100 "тональных" посылок данных. При этом особенно стоит подчеркнуть, что формат посылок остается неизменным для любой скорости обмена данными, изменяется только "тональность" модуляции в посылках и между ними, что как раз и отражает различные битрейты потока данных и различные уровни устойчивости передачи.

Шесть последовательных посылок формируют в итоге базовый пакет продолжительностью 1,875 мкс, который, в свою очередь, впоследствии преобразовывается в конкретные биты данных.

Интерфейсы Wi-Fi

Стандарт IEEE 802.11b был принят в 1999 году и сегодня является наиболее распространенным. Этот стандарт фактически представляет собой расширение базового стандарта IEEE 802.11, который предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с, а в стандарте IEEE 802.11b были уже добавлены более высокие скорость передачи – 5,5 и 11 Мбит/с. Стандартом IEEE 802.11b предусмотрено использование частотного диапазона от 2,4 до 2,4835 ГГц, который предназначен для безлицензионного использования в промышленности, науке и медицине (Industry, Science and Medicine, ISM).

Как известно, аппетит растёт во время еды. Не успели пользователи привыкнуть к беспроводным сетям, как пропускной способности уже стало не хватать. Действительно, с появлением сетевых мультимедийных центров (например, iCube Play@TV NMP-4000: сетевой мультимедийный плеер) возникают такие задачи, как передача по беспроводной сети потока DVD. Поэтому Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) одобрил создание рабочей группы 802.11n. Целью группы стала разработка нового физического уровня (PHY) и уровня доступа к среде передачи (MAC), которые позволили бы достичь реальной скорости передачи данных, как минимум, в 100 Мбит/с. То есть увеличить её в сравнении с существующими сегодня решениями примерно в четыре раза (мы имеем в виду реальную пропускную способность). Всё это, вместе с обратной совместимостью с существующими стандартами, должно будет не только сделать работу в беспроводных сетях более комфортной, но и обеспечить достаточный запас скорости на ближайшее будущее. С протоколом радиодоступа Wi-Fi связано понятие хот-спот.

Хот-спот (от англ. hot spot — «горячая точка») – участок местности (например, помещение офиса, кафе, кампуса, станция метро), где при помощи портативного устройства (ноутбука или другого устройства), работающего по беспроводному протоколу радиодоступа Wi-Fi, можно получить доступ к Интернету (реже – к корпоративному интранету). Так, многие кафе делают бесплатные хот-споты для привлечения посетителей и как дополнительный сервис.

Стандартный логотип присутствия хот-спота Wi-Fi приведен на рис. 7.9.

Рис. 7.9

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: