UWB - bezprzewodowa wolność

Wizja cyfrowego domu wiąże się z łącznością bezprzewodową. Biorąc pod uwagę liczbę urządzeń mogących wykorzystywać taką infrastrukturę, wymogi na przepustowość są bardzo wysokie. Wi-Fi czy Bluetooth nie spełniają tego warunku. Standardowa prędkość Wi-Fi to dziś tylko 54 Mb/s. Gdy zajdzie potrzeba przyłączenia wielu urządzeń elektronicznych, bezprzewodowa sieć będzie musiała obsłużyć wiele szybkich strumieni danych, pobierając przy tym niewielką ilość energii. Takiej wizji odpowiada UWB.

Wizja cyfrowego domu wiąże się z łącznością bezprzewodową. Biorąc pod uwagę liczbę urządzeń mogących wykorzystywać taką infrastrukturę, wymogi na przepustowość są bardzo wysokie. Wi-Fi czy Bluetooth nie spełniają tego warunku. Standardowa prędkość Wi-Fi to dziś tylko 54 Mb/s. Gdy zajdzie potrzeba przyłączenia wielu urządzeń elektronicznych, bezprzewodowa sieć będzie musiała obsłużyć wiele szybkich strumieni danych, pobierając przy tym niewielką ilość energii. Takiej wizji odpowiada UWB.

Ultra-wideband (UWB) umożliwia bezprzewodową łączność z odpowiednio dużą prędkością transmisji danych do wielu urządzeń jednocześnie - zarówno w cyfrowym domu, jak i biurze bez kabli. Ta wschodząca technologia dostarcza wysokiej przepustowości, której wymagają cyfrowe wideo i strumienie audio. Podbudowę UWB stanowi standard IEEE 802.15.3, stworzony do zapewnienia jakości usług (QoS) w sieciach WPAN (Wireless Personal Area Network) i dopasowany do multimedialnych sieci bezprzewodowych. Oryginalnie standard używa częstotliwości 2,4 GHz jako warstwy fizycznej. Standard 802.15.3a definiuje alternatywną warstwę fizyczną dla technologii UWB, która pozwala przekroczyć prędkość 110 Mb/s na dystansie 10 m i ponad 480 Mb/s w odległości poniżej 2 m.

Czym jest Ultra-wideband?

UWB - bezprzewodowa wolność

Podział sieci bezprzewodowych

UWB jest definiowane jako technologia radiowa tworząca widmo, które zajmuje więcej niż 1/4 centralnej częstotliwości lub dysponuje szerokością kanału większą niż 500 MHz. Przykładem sygnału UWB może być transmisja RF o szerokości kanału 250 MHz, posiadająca centralną częstotliwość w zakresie 1 GHz. Typowo technologie wąskopasmowe operują na kanale o szerokości mniejszej niż 10% centralnej częstotliwości. Przykładem takiej specyfikacji jest technologia 802.11b, gdzie szerokość kanału wynosi 22 MHz z centralną częstotliwością 2,4 GHz.

Pierwszym urządzeniem opartym na technologii UWB był stworzony w 1901 r. przez Guglielmo Marconiego nadajnik radiowy do transatlantyckiej transmisji kodu Morse'a. Tego typu transmisja dominowała do czasu, gdy pojawiły się systemy wykorzystujące wąskie pasmo, służące do komunikacji głosowej. UWB ponownie odkryto w latach pięćdziesiątych zeszłego stulecia, gdy G. Ross opublikował dokument "Sperry Research development of UWB technology". W roku 1978 po raz pierwszy zademonstrowano system komunikacji UWB. Pierwsze programy wykorzystania tej technologii do transmisji danych pojawiły się w latach dziewięćdziesiątych. Obecnie o tej technologii jest bardzo głośno, przepowiada się jej wielką przyszłość.

UWB - bezprzewodowa wolność

Porównanie różnych koncepcji technologii RF

Ultra-wideband w ostatecznej formie ma oferować prędkość na poziomie 1 Gb/s na dystansie kilku metrów. Aktualnie dostępna maks. prędkość to ok. 480 Mb/s. Dzięki niej w cyfrowym domu będzie możliwe udostępnianie zdjęć, muzyki, wideo, danych i głosu pomiędzy sieciowym sprzętem elektronicznym, komputerami PC i urządzeniami mobilnymi. W czasie rzeczywistym można będzie przesłać strumień wideo z komputera PC, odtwarzacza DVD, czy kamery do płaskiego telewizora HDTV bez użycia jakiegokolwiek przewodu. Radio UWB będzie prawdziwą technologią konwergencji, stając się uniwersalnym mechanizmem transportowym dla różnych aplikacji, do tej pory wyłącznie przewodowych.

Jak działa technologia UWB?

UWB różni się zdecydowanie od wąskopasmowych konwencjonalnych systemów RF oraz technologii rozpraszania widma, takich jak Bluetooth czy 802.11a/b/g. Tradycyjny nadajnik UWB wysyła miliony impulsów przez szerokie pasmo w zakresie częstotliwości kilku GHz. Wynikiem jest ograniczony zasięg oraz częściowe wykluczenie interferencji. Współpracujący odbiornik dekoduje impulsy na dane, nasłuchując sekwencji sygnałów wysyłanych przez nadajnik.

UWB - bezprzewodowa wolność

Konwergencja segmentów urządzeń w technologii UWB

Informacje wysyłane w każdym zakresie częstotliwości są modulowane przy użyciu OFDM. OFDM dzieli dane na dużą liczbę częstotliwości. Korzyści z wykorzystania OFDM to: wysoka efektywność widmowa, odporność na interferencje radiowe i niskie przesterowania wynikające z wielościeżkowości. Możliwe jest także łatwe użycie korekcji FEC (Forward Error Correction) w celu odzyskania sygnału.

Nowe systemy UWB używają techniki modulacji MB-OFDM (MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing) w celu wykorzystania maksymalnie szerokiego pasma. Przykładowo wielozakresowy OFDM (MB-OFDM) dzieli dostępne pasmo 7,5 GHz na kilka zakresów o szerokości 528 MHz. Rozwiązanie OFDM IEEE 802.15.3a dla szybkiej transmisji danych UWB PAN opracowuje organizacja MultiBand OFDM Alliance (MBOA).

Zdolność radia do dynamicznego operowania w kilku zakresach częstotliwości pozwala na dopasowanie się do uregulowań prawnych w różnych krajach. Dodatkowe użycie wielu podzakresów pasma w powiązaniu z modulacją OFDM może znacznie ulepszyć tradycyjne systemy bezprzewodowe. Wielozakresowy OFDM pozwala na dobrą koegzystencję z systemami takimi jak 802.11a. Dostosowuje się do różnych środowisk, zapewniając skalowalność i wsteczną kompatybilność. MB-OFDM jest jedną z możliwych modulacji, które są wspierane przez tryb CSM (Common Signaling Mode) proponowany przez UWB Forum.

UWB - bezprzewodowa wolność

Belkin CableFree USB pozwala użytkownikowi na korzystanie z laptopa w dowolnym miejscu pokoju bez utraty łączności z urządzeniami USB, takimi jak drukarki, skanery, twarde dyski czy odtwarzacze mp3.

Co to jest CSM? Generalnie nie jest możliwa współpraca dwóch urządzeń opartych na różnych projektach UWB, ponieważ warstwa fizyczna może być różna. CSM jest techniką, która pozwala na współpracę różnych typów urządzeń, zapobiegając interferencjom. Pozwala także różnym urządzeniom UWB na komunikację między sobą, koordynując ich działania w jednej sieci bezprzewodowej.

UWB definiuje unikalny mechanizm pikosieci. Jest on używany do dzielenia kanału częstotliwości pomiędzy wiele niezależnych sieciowych urządzeń, pozwalając różnym systemom operować w tej samej przestrzeni bez interferencji. Istnieje kilka różnych metod wielokrotnego dostępu. Pomiędzy tradycyjnymi systemami FDM (Frequency Division Multiplexing) lub TDM (Time Division Multiplexing) często używany jest także system CDM (Code-Division Multiplexing). UWB używa kombinacji CDM oraz FDM, pozwalając na utworzenie wielu pikosieci postrzeganych przez siebie jako biały szum. To pozwala na doskonałe współdzielenie znanych zakresów częstotliwości, minimalizując potencjalnie możliwości interferencji z innymi systemami.

Warto podkreślić, że UWB jest jedyną technologią radiową, której widmo jest większe niż 25% centralnej częstotliwości. Innym kryterium określającym UWB jest wykorzystanie szerokości kanału powyżej 500 MHz.

Zastosowania UWB

UWB ma swoje unikalne i specyficzne właściwości, które decydują o atrakcyjności technologii dla pewnych aplikacji. Oferuje potencjalnie bardzo szybki przekaz danych, używając niewielkiej energii. Wadą jest ograniczony teren działania. Dlatego UWB będzie idealnym rozwiązaniem dla sieci WPAN. Ze względu na mały zasięg prawdopodobnie nie będzie dobrym rozwiązaniem dla takich aplikacji, jak WLAN lub WWAN.

Sukces UWB zależy od adaptacji przemysłu. Pozwala klientom wyeliminować połączenia kablowe produktów elektronicznych w ich domach. Oczekuje się, że technologia UWB będzie udostępniana w następujących grupach zastosowań i produktów:

  • kino domowe oraz domowe centrum rozrywki tworzone bez kabli
  • udostępnianie zawartości multimedialnej dla telewizji HDTV
  • transfer obrazów z cyfrowych kamer do innych produktów
  • szybka synchronizacja zawartości cyfrowych odtwarzaczy audio i wideo
  • bezprzewodowe połączenie pomiędzy komputerem i monitorem
  • rozwiązania sal konferencyjnych
  • pozbycie się okablowania w sprzęcie biurowym

Inną interesującą aplikacją są energooszczędne sensory sieciowe.

Na ostatnim spotkaniu członków UWB Forum zaprezentowano rozwiązania z zakresu USB2.0 przez UWB, Bluetooth przez UWB, czy bezprzewodowe komponenty wideo DVI. Wyróżniono takie produkty, jak: Belkin CableFree USB, Freescale CableFree USB, Belkin CableFree USB Hub, Ircon ExtremeUSB.

Jakie wnioski?

Inżynierowie pracują nad rozwojem technologii UWB. Popularyzacja platform wdrożeniowych UWB doprowadzi do montowania układów w fabrycznych PC i urządzeniach elektroniki domowej. Jeden z głównych producentów układów - firma Intel - także pracuje nad UWB, włączając w to platformę następnej generacji. Będzie to ważny krok w kierunku uruchomienia zaawansowanej komunikacji bezprzewodowej dla szerokiego spektrum użytkowników.

UWB uzupełnia aktualne wdrożenia sieci bezprzewodowych w środowisku WLAN. Technologia pozwala zbudować strukturę o wysokiej przepustowości w połączeniach do sieci WPAN, PC, domowej elektroniki czy urządzeń mobilnych. Znane radiowe platformy łączą się bezpośrednio, obniżając koszty połączenia pomiędzy urządzeniami elektronicznymi w domowym środowisku rozrywki. Wiele komponentów UWB jest obecnie w fazie testów i demonstracji, ale pojawiają się już końcowe produkty.

Szerokopasmowe systemy bezprzewodowe UWB to przyszłość sieci osobistych. Z pewnością już niedługo sieci bezprzewodowe zastąpią większość kabli w środowiskach domowym i biurowym.

Dwa obozy

Technologia UWB nie uniknęła starcia różnych rozwiązań na drodze do standaryzacji. Grupa robocza IEEE 802.15.3a otrzymała 25 różnych propozycji standardu, skutecznie ograniczyła tę liczbę do dwóch. Pierwszym obozem było UWB Forum, pod przewodnictwem producenta układów scalonych Freescale (dawny sektor półprzewodników Motoroli), grupującym ok. 100 członków. W większości były to instytucje akademickie i małe firmy z kilkoma wyjątkami (Motorola, MeshNetworks). Drugim konsorcjum była tworzona przez firmę Intel grupa WiMedia Alliance, do której należały wielkie korporacje, w tym: Microsoft, Kodak, Philips, Sony, HP i wiele innych.

Problemy z ustaleniem wspólnego stanowiska trwały od 2004 r. W styczniu 2006 r. grupa robocza IEEE 802.15.3a rozsądziła oba konsorcja. Stwierdzono, że rynek zweryfikuje produkty - oczywiście niekompatybilne względem siebie. Postanowiono, że WiMedia Alliance i UWB Forum będą kontynuowały oddzielne drogi na rynku. Producenci, którzy chcieli używać wielu układów od różnych producentów UWB - w pełni kompatybilnych - wybrali WiMedia Alliance. Producenci, którzy akceptowali rozwiązanie pojedynczego producenta - niewspółpracujące z innymi układami - wybrali UWB Forum.

W marcu 2006 r. IEEE powróciło do procesu tworzenia standardu UWB. Decyzja nastąpiła po kilku latach walki pomiędzy WiMedia Alliance i jego rywalem UWB Forum. Freescale i Motorola wystąpiły z UWB Forum, kontynuując pracę nad własnym rozwiązaniem Cable Free USB. W listopadzie 2006 r. WiMedia Alliance rozpoczęło certyfikację warstwy fizycznej UWB.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200