Palabras clave: Aplicación de señal de comunicación por pulsos de banda ultraancha
La tecnología de banda ultraancha es una nueva tecnología de comunicación inalámbrica. Al modular directamente pulsos con tiempos de subida y bajada pronunciados, la señal tiene un ancho de banda de GHz. La tecnología de banda ultraancha (UWB) resuelve los principales problemas de propagación que han afectado a las tecnologías inalámbricas tradicionales durante muchos años. Tiene las ventajas de insensibilidad al desvanecimiento del canal, baja densidad espectral de potencia de las señales transmitidas, baja capacidad de interceptación, baja complejidad del sistema y precisión de posicionamiento de varios centímetros.
1 La señal de banda ultraancha y sus características
La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) estipula:
Parte del ancho de banda se denomina señal UWB. Entre ellos, parte del ancho de banda es el valor medido con una densidad espectral de potencia de señal de -10 dB. La Figura 1 muestra una comparación de la densidad espectral de potencia entre señales UWB y señales de ancho estrecho; la Figura 2 muestra el formato de la señal UWB.
Las formas típicas de señal UWB de modulación de posición de pulso (PPM) [1], [2] son:
Str(k)(t) representa la señal de transmisión del k-ésimo usuario , Es la suma de una gran cantidad de pulsos de un solo ciclo con diferentes desfases de tiempo. W(t) representa la forma de onda de ciclo único transmitida, que puede ser un pulso gaussiano de ciclo único o sus pulsos diferenciales de primer y segundo orden, comenzando desde el tiempo cero del reloj del transmisor (t(k)=0). La hora de inicio del jésimo pulso es. Analice cuidadosamente cada componente de cambio de tiempo:
(1) Secuencia de pulso con el mismo cambio de tiempo: el pulso en forma representa un pulso de ciclo único con un paso de tiempo de Tf y un ciclo de trabajo muy bajo. Los valores típicos para la longitud del cuadro o el tiempo de repetición del pulso Tf (tiempo de cuadro) son de 100 a 1000 veces el ancho del pulso de un solo ciclo. Al igual que en el sistema ALOHA, estas secuencias de impulsos pueden provocar fácilmente colisiones aleatorias.
(2) Salto de tiempo pseudoaleatorio: para reducir los conflictos en el acceso múltiple, a cada usuario se le asigna una secuencia pseudoaleatoria específica, denominada código de salto de tiempo, con un período de Np. Cada símbolo del código de salto de tiempo es un número entero y satisface. De esta manera, el código de salto de tiempo agrega un cambio de tiempo a cada pulso, y el cambio de tiempo adicional del j-ésimo pulso de ciclo único es de segundos.
Debido a que se necesita una cierta cantidad de tiempo para leer la salida del correlador de pulso de ciclo único, NhTc/Tf debe ser estrictamente menor que 1. Sin embargo, si NhTc es demasiado pequeño, la probabilidad de colisión seguirá siendo alta cuando accedan varios usuarios. Por el contrario, si NhTc es lo suficientemente grande y el diseño del código de salto de tiempo es razonable, la interferencia multiusuario se puede aproximar como una señal AWGN (ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN).
Debido a que el tiempo- El código de salto es una secuencia periódica con un período de Np, por lo que también es una secuencia periódica de Np con un período de Tp = NpTf. Otra función del código de salto de tiempo es hacer que la densidad del espectro de potencia de la señal UWB sea más plana. p>
(3) Modulación de datos: los datos enviados por el késimo usuario. La secuencia {di (k)} es un flujo de datos binarios. Cada símbolo transmite ns pulsos de ciclo único, lo que aumenta la ganancia de procesamiento de la señal.
En este modo de modulación, la duración de un símbolo (o más) es Ts=NsTf. Para un tiempo de repetición de pulso fijo Tf, la tasa de símbolo binario Rs es:
. Obviamente, el sistema de comunicación por pulsos de banda ultraancha que utiliza la señal anterior tiene las siguientes características: la duración de la señal es muy larga, pulsos de nanosegundos y subnanosegundos, el ciclo de trabajo de la señal es extremadamente bajo (1% ~ 0,1%), por lo que. tiene buena inmunidad a múltiples caminos, el espectro es bastante amplio, alcanza el nivel de GHz y la densidad espectral de potencia es baja, por lo que las señales UWB tienen poca interferencia con otros sistemas y tienen una fuerte capacidad anti-intercepción; muy alta y su ganancia total de procesamiento de PC es:
Por ejemplo, cuando un sistema de comunicación binario UWB Tf=1μs, Tc=1ns, Ns=100, velocidad de bits Rs=10kbps, la ganancia de procesamiento de la La señal UWB de este sistema es de 50 dB. En comparación con otros sistemas de comunicación, su ganancia de procesamiento es muy alta. Además, la señal UWB tiene una secuencia de pulsos extremadamente estrecha, por lo que tiene una capacidad de penetración muy fuerte. Puede distinguir objetos ocultos u objetos en movimiento detrás de las paredes, puede lograr la combinación de radar, posicionamiento y comunicación, y es adecuado para comunicaciones tácticas militares.
Estructura básica del transmisor y receptor de señal de banda ultraancha
Modelos de transmisor 2.1 y receptores relacionados
En comparación con la estructura del transceptor inalámbrico tradicional, la estructura de ultra- transceptores de banda ancha es relativamente simple. Como se muestra en la Figura 3, en el extremo del transmisor, los datos modulan directamente el pulso de radiofrecuencia, y luego el dispositivo de retardo programable retrasa aún más el pulso y finalmente se transmite a través de la antena de banda ultraancha. En el extremo receptor, la señal se multiplica por la forma de onda de plantilla local a través del correlador, se integra y se envía al circuito de procesamiento de señal de banda base a través del circuito de muestreo y retención. El retraso programable es controlado por la sección de seguimiento de adquisición, el oscilador de reloj y el generador de código (de salto de tiempo), y la forma de onda de plantilla local se genera de acuerdo con el retraso correspondiente, que luego se multiplica por la señal recibida. Todo el transceptor está compuesto casi en su totalidad por circuitos digitales, lo que facilita la reducción de costes y la miniaturización.
2.2 Modelo de receptor RAKE
Dado que las señales UWB requieren un análisis en el dominio del tiempo, se utilizan principalmente para rutas múltiples densas en interiores (las rutas múltiples pueden alcanzar 30), y la energía de la señal de cada ruta es muy pequeño Es difícil estimar los canales individuales, por lo que es posible la recepción Rake de señales UWB. Después de que el receptor Rake combina la energía de las señales de trayectorias múltiples con una energía más pequeña, puede mejorar la relación señal-ruido y el rendimiento del sistema.
3 Comparación entre UWB y otras tecnologías de redes de área personal inalámbricas
Debido a sus diversas ventajas, la tecnología de banda ultraancha se ha convertido en una de las principales tecnologías para redes de área personal inalámbricas (WPAN) . El objetivo de WPAN es reemplazar los cables tradicionales con radio o rayos infrarrojos, lograr una interconexión inteligente de terminales de información personal dentro de un alcance de 10 m a bajo precio y bajo consumo de energía, y formar una red de información personalizada. Sus aplicaciones más comunes son la conexión de ordenadores, impresoras, teléfonos inalámbricos, PDA y equipos de información. Actualmente existen cinco tecnologías principales para implementar WPAN: IEEE 802.11b (win), HORRF, IrDA, Bluetooth y UWB. Se puede ver que las ventajas de la tecnología UWB son obvias y la principal desventaja es que la distancia de transmisión está limitada por la baja potencia de transmisión. En otras palabras, dentro de un rango de 10 mm, UWB puede alcanzar un rendimiento de transmisión de varios cientos de Mbps, y el rendimiento de IEEE802.11b+0B o PAN inalámbrico de radiofrecuencia doméstica será más potente que el de UWB para aplicaciones de larga distancia. UWB no competirá directamente con IEEE802.11b+0b y las frecuencias de radio domésticas, porque UWB se usa principalmente en interiores y la distancia es de aproximadamente 10 m. De hecho, puede ser más apropiado considerar a UWB como un sustituto de la tecnología Bluetooth, porque la velocidad de transmisión de esta última es mucho menor que la de la primera y el protocolo de la tecnología Bluetooth también es más complejo.
4 Investigación y desarrollo en el país y en el extranjero
4.1 Situación actual de la investigación extranjera
Militar: Ya en 1965, Estados Unidos estableció la base técnica de UWB. Durante las siguientes dos décadas, la tecnología UWB se utilizó principalmente para aplicaciones militares en los Estados Unidos, y sus instituciones de investigación se limitaron a empresas, instituciones y grupos de investigación relacionados con el ejército. Actualmente, el Departamento de Defensa de Estados Unidos está desarrollando docenas de sistemas de banda ultraancha, incluidas redes resistentes a escuchas en el campo de batalla.
Uso civil: Debido a las ventajas de la tecnología UWB, tiene un gran potencial en las comunicaciones inalámbricas. En los últimos años, la investigación extranjera sobre la aplicación de señales UWB ha sido un tema candente, principalmente utilizada en comunicaciones (como redes domésticas y personales, sistemas de servicios de información de carreteras y distribución inalámbrica de audio, datos y vídeo, etc.). ), radar (como prevención de colisiones/fallos de vehículos y aeronaves, detección de intrusiones y radar de penetración terrestre, etc.) y posicionamiento preciso (como seguimiento de activos y posicionamiento de personal, etc.). Daimler - Empresas de alta tecnología como Chrysler han participado en el desarrollo de la tecnología UWB para conectar varios dispositivos electrónicos de consumo con altas velocidades de transmisión de datos para satisfacer las necesidades de miniaturización, bajo costo, bajo consumo de energía y transmisión de datos de alta velocidad de corto plazo. Comunicaciones inalámbricas a distancia.
Los círculos académicos internacionales están llevando a cabo investigaciones cada vez más profundas sobre las comunicaciones inalámbricas de banda ultraancha. Del 20 al 23 de mayo de 2002, IEEE celebró una conferencia para discutir la tecnología de banda ultraancha y sus aplicaciones. El 14 de febrero de 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos aprobó oficialmente la propuesta para aplicar la tecnología UWB a aplicaciones civiles, definiendo tres sistemas UWB: sistema de imágenes, sistema de comunicación y medición, y sistema de radar para vehículos, y estipuló tres tipos de UWB. sistemas respectivamente. La PIRE (potencia radiada isotrópicamente efectiva) de este sistema. Sin embargo, aún no se han determinado los protocolos y estándares para la tecnología de banda ultraancha. Actualmente, sólo Estados Unidos permite el uso de equipos UWB civiles. Europa está discutiendo el uso adicional de UWB; mire el estándar UWB en los Estados Unidos.
4.2 Estado de la investigación nacional
En el proyecto de investigación de tecnología de comunicación 863 "Décimo Plan Quinquenal" publicado a principios de septiembre de 2001, las tecnologías clave de la comunicación inalámbrica de banda ultraancha y su * * * el almacenamiento y la tecnología compatible son un contenido de investigación de la comunicación inalámbrica * * tecnología y tecnología innovadora, y se alienta a los académicos nacionales a fortalecer la investigación y el desarrollo en este campo. Sin embargo, la investigación nacional en profundidad sobre la tecnología de banda ultraancha se limita al radar, y la investigación sobre sistemas de comunicación de banda ultraancha aún no ha alcanzado una escala.
Referencias: Wang, Kan Chunrong, Xu.