Ultra-wideband

La banda ultra larga (nota anche come UWB , banda ultra larga e ultrabanda ) è una tecnologia radio che può utilizzare un livello di energia molto basso per comunicazioni a corto raggio ea banda larga su un’ampia porzione dello spettro radio. ^[1] UWB ha applicazioni tradizionali nell’imaging radar non cooperativo . Le applicazioni più recenti hanno come obiettivo la raccolta dei dati del sensore, l’individuazione di precisione e le applicazioni di tracciamento. ^[2] [3]

A differenza dello spettro diffuso , UWB trasmette in un modo che non interferisce con la trasmissione convenzionale a banda stretta e portante nella stessa banda di frequenza.

La banda ultra larga è una tecnologia per la trasmissione di informazioni distribuite su un’ampia larghezza di banda (> 500 MHz ); questo dovrebbe, in teoria e nelle giuste circostanze, essere in grado di condividere lo spettro con altri utenti. Le impostazioni normative della Federal Communications Commission (FCC) negli Stati Uniti intendono fornire un uso efficiente della larghezza di banda radio, consentendo al contempo la connettività wireless PAN ( Personal Area Network ) ad alta velocità di trasmissione dati ; applicazioni a lungo raggio e bassa velocità di trasmissione dati; e radar e sistemi di imaging.

La banda ultra larga era precedentemente nota come radio a impulsi , ma la FCC e il settore delle telecomunicazioni internazionali ( ITU-R ) definiscono attualmente UWB come una trasmissione di antenna per la quale la larghezza di banda del segnale emesso supera il meno di 500 MHz o il 20% del centro aritmetico frequenza ^[4] . Pertanto, i sistemi basati su impulsi, in cui ciascun impulso trasmesso occupa la larghezza di banda UWB (o un aggregato di almeno 500 MHz di portante a banda stretta, ad esempio, il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale(OFDM): può accedere allo spettro UWB secondo le regole. I tassi di ripetizione degli impulsi possono essere bassi o molto alti. I radar UWB basati su impulsi e i sistemi di imaging tendono a utilizzare basse frequenze di ripetizione (in genere nell’intervallo da 1 a 100 megapulses al secondo). D’altra parte, i sistemi di comunicazione favoriscono alte frequenze di ripetizione (tipicamente nel range da uno a due gigapulses al secondo), consentendo in tal modo sistemi di comunicazione gigabit al secondo a corto raggio. Ogni impulso in un sistema UWB basato su impulsi occupa l’intera larghezza di banda UWB. Ciò consente alla UWB di cogliere i benefici dell’immunità relativa allo sbiadimento del multipath , a differenza dei sistemi basati su carrier che sono soggetti a fenomeni di sbiadimento profondo e interferenze intersimboliche. Tuttavia, entrambi i sistemi sono suscettibili alle interferenze intersimboliche .

Teoria

Una differenza significativa tra le trasmissioni radio convenzionali e la UWB è che i sistemi convenzionali trasmettono informazioni variando il livello di potenza, la frequenza e / o la fase di un’onda sinusoidale. Le trasmissioni UWB trasmettono informazioni generando energia radio a intervalli di tempo specifici e occupando un’ampia larghezza di banda, consentendo così la posizione dell’impulsoo modulazione del tempo. L’informazione può anche essere modulata sui segnali UWB (impulsi) codificando la polarità dell’impulso, la sua ampiezza e / o usando impulsi ortogonali. Gli impulsi UWB possono essere inviati sporadicamente a frequenze cardiache relativamente basse per supportare la modulazione del tempo o della posizione, ma possono anche essere inviati a velocità fino all’inverso della larghezza di banda dell’impulso UWB. I sistemi Pulse-UWB sono stati dimostrati con frequenze di impulsi del canale superiori a 1,3 gigapulses al secondo utilizzando un flusso continuo di impulsi UWB (Continuous Pulse UWB o C-UWB ), supportando velocità di trasmissione dati con codifica forward superiore a 675 Mbit / s. ^[5]

Un aspetto importante della tecnologia UWB è la capacità di un sistema radio UWB di determinare il “tempo di volo” della trasmissione a varie frequenze. Questo aiuta a superare la propagazione del multipath , poiché almeno alcune delle frequenze hanno una traiettoria in linea di vista . Con una tecnica cooperativa di misurazione a due vie simmetrica, le distanze possono essere misurate in alta risoluzione e accuratezza compensando la deriva di clock locale e l’ imprecisione stocastica . ^[6]

Un’altra caratteristica della UWB basata sugli impulsi è che gli impulsi sono molto brevi (meno di 60 cm per un impulso di 500 MHz, meno di 23 cm per un impulso di larghezza di banda di 1,3 GHz), quindi la maggior parte dei segnali non si sovrappongono all’impulso originale e non vi è sbiadimento multipath dei segnali a banda stretta. Tuttavia, vi è ancora propagazione del multipath e interferenza a impulsi intermittenti nei sistemi a impulsi veloci, che devono essere mitigati mediante tecniche di codifica. ^{[ citazione necessaria ]}

Tecnologia

Una misura di prestazione di una radio in applicazioni quali comunicazione, localizzazione, tracciamento e radar è la capacità del canale per un dato formato di larghezza di banda e segnalazione. La capacità del canale è il numero massimo teorico possibile di bit al secondo di informazioni che un sistema può trasmettere attraverso uno o più collegamenti in un’area. Secondo il teorema di Shannon-Hartley , la capacità del canale di un segnale correttamente codificato è proporzionale alla larghezza di banda del canale e al logaritmo del rapporto segnale-rumore (SNR) (supponendo che il rumore sia additivo bianco Gaussiano). Pertanto, la capacità del canale aumenta linearmente aumentando la larghezza di banda del canale fino al valore massimo disponibile o (in una larghezza di banda del canale fissa) aumentando la potenza del segnale in modo esponenziale. In virtù delle ampie larghezze di banda intrinseche nei sistemi UWB, è possibile ottenere in linea di principio capacità di canale di grandi dimensioni (dato un SNR sufficiente) senza richiamare le modulazioni di ordine superiorerichiede un SNR molto alto. Idealmente, il rivelatore del segnale del ricevitore deve corrispondere al segnale trasmesso in larghezza di banda, forma del segnale e tempo. Una mancata corrispondenza causa una perdita di margine per il collegamento radio UWB. La canalizzazione (condivisione del canale con altri collegamenti) è un problema complesso, soggetto a molte variabili. Due collegamenti UWB possono condividere lo stesso spettro utilizzando codici di salto temporale ortogonali per sistemi a posizione di impulso (modulati nel tempo), o impulsi ortogonali e codici ortogonali per sistemi basati su impulsi veloci.

La correzione degli errori in avanti , utilizzata nei sistemi di impulsi UWB con velocità di trasmissione dei dati, può fornire prestazioni del canale prossime al limite di Shannon . ^{[7] I} ricevitori OFDM tipicamente correggono la maggior parte degli errori con un codice interno di codice di controllo di parità a bassa densità seguito da un altro codice esterno che corregge gli errori occasionali (il “error floor”) che superano il codice interno di correzione LDPC anche a basso bit error aliquote. Ad esempio: il codice Reed-Solomon con modulazione codificata LDPC (RS-LCM) aggiunge un codice esterno di correzione dell’errore Reed-Solomon . ^[8] Lo standard DVB-T2 e lo standard DVB-C2 utilizzano un codice esterno del codice BCH per rimuovere gli errori residui dopo la decodifica LDPC. ^[9]WiMedia su un canale UWB utilizza una richiesta di ripetizione automatica ibrida : correzione dell’errore interno mediante codifica convoluzionale e Reed-Solomon, correzione dell’errore esterno mediante una sequenza di controllo frame che, quando il controllo non riesce, attiva la richiesta ripetizione automatica (ARQ). ^[10]

Quando è richiesta la stealth, alcuni formati UWB (principalmente basati su impulsi) possono apparire come un leggero aumento del rumore di sottofondo a qualsiasi ricevitore inconsapevole del complesso schema del segnale.

L’interferenza a percorso multiplo (distorsione di un segnale perché richiede molti diversi percorsi al ricevitore con vari sfasamenti e vari spostamenti di polarizzazione) è un problema nella tecnologia a banda stretta. Influisce anche sulle trasmissioni dell’UWB, ma secondo il teorema di Shannon-Hartley e la varietà di geometrie che si applicano a varie frequenze, la capacità di compensazione è migliorata. Il multipath provoca lo sbiadimento e l’interferenza delle onde è distruttiva. Alcuni sistemi UWB utilizzano tecniche di ricezione “rake” per recuperare copie generate dal multipath dell’impulso originale per migliorare le prestazioni del ricevitore. Altri sistemi UWB usano tecniche di equalizzazione del canale per raggiungere lo stesso scopo. I ricevitori a banda stretta possono utilizzare tecniche simili, ma sono limitati a causa delle diverse capacità di risoluzione dei sistemi a banda stretta. ^{[citazione necessaria ]}

Antenna systems

• MIMO distribuito : per aumentare la portata della trasmissione, questo sistema sfrutta antenne distribuite tra diversi nodi.
• Antenna multipla: i sistemi a antenna multipla (come MIMO) sono stati utilizzati per aumentare il throughput del sistema e l’affidabilità della ricezione. Poiché UWB ha una risposta quasi impulsiva al canale, è preferibile una combinazione di più tecniche di antenna. L’accoppiamento del multiplexing spaziale MIMO con l’elevato throughput di UWB offre la possibilità di reti a corto raggio con frequenze multi-gigabit.

Applicazioni

Le caratteristiche della banda ultra larga sono adatte per le applicazioni a breve distanza, come le periferiche PC . A causa dei bassi livelli di emissione consentiti dalle agenzie di regolamentazione, i sistemi UWB tendono ad essere applicazioni indoor a corto raggio. A causa della breve durata degli impulsi UWB, è più facile progettare elevate velocità di trasmissione dati; la velocità dei dati può essere scambiata per intervallo aggregando l’energia dell’impulso per bit di dati (con tecniche di integrazione o codifica). Può anche essere utilizzata la tecnologia di multiplexing di divisione di frequenza ortogonale convenzionale (OFDM), soggetta ai requisiti di larghezza di banda minima. UWB ad alta velocità di trasmissione dati può abilitare i monitor wireless , il trasferimento efficiente di dati da videocamere digitali , la stampa wirelessdi immagini digitali da una fotocamera senza la necessità di un personal computer e trasferimenti di file tra telefoni cellulari e dispositivi portatili come lettori multimediali portatili . ^[11] UWB è utilizzato per i sistemi di localizzazione in tempo reale; le sue capacità di precisione e bassa potenza lo rendono adatto per ambienti sensibili alle radiofrequenze, come gli ospedali. Un’altra caratteristica di UWB è il suo breve tempo di trasmissione.

La banda ultra larga viene anche utilizzata nella tecnologia di imaging radar di precisione “see-through-the-wall”, ^{[12] [13] [14]} localizzazione e localizzazione di precisione (utilizzando le misurazioni della distanza tra radio) e tempo di arrivo preciso approcci basati sulla localizzazione. ^[15] È efficiente, con una capacità spaziale di circa 10 ¹³ bit / s / m². ^{[ citazione necessaria ] Il} radar UWB è stato proposto come componente del sensore attivo in un’applicazione di riconoscimento automatico del bersaglio , progettata per rilevare esseri umani o oggetti caduti sulle piste della metropolitana. ^[16]

UWB è stata una tecnologia proposta per l’uso in reti di aree personali ed è stata inclusa nello standard PAN di IEEE 802.15.3a. Tuttavia, dopo diversi anni di deadlock, il gruppo di task IEEE 802.15.3a ^{[17] è} stato sciolto ^[18] nel 2006. Il lavoro è stato completato da WiMedia Alliance e USB Implementer Forum. I lenti progressi nello sviluppo degli standard UWB, i costi di implementazione iniziale e le prestazioni significativamente inferiori rispetto a quanto inizialmente previsto sono diversi motivi per l’uso limitato di UWB nei prodotti di consumo (che ha causato la cessazione delle attività di diversi fornitori UWB nel 2008 e nel 2009). ^[19]

Regolamento

Negli Stati Uniti, la banda ultra larga si riferisce alla tecnologia radio con una larghezza di banda che supera il meno di 500 MHz o il 20% della frequenza aritmetica centrale , secondo la Federal Communications Commission(FCC) degli Stati Uniti . Un rapporto e un ordine della FCC del 14 febbraio 2002 ^[20] autorizzava l’uso senza licenza di UWB nella gamma di frequenze da 3.1 a 10.6 GHz . Il limite di emissione della densità spettrale FCC per i trasmettitori UWB è -41,3 dBm / MHz. Questo limite si applica anche agli emettitori non intenzionali nella banda UWB (il limite “Parte 15” ). Tuttavia, il limite di emissione per gli emettitori UWB può essere significativamente inferiore (fino a -75 dBm / MHz) in altri segmenti dello spettro.

Deliberazioni nel settore delle radiocomunicazioni dell’Unione internazionale delle telecomunicazioni ( ITU-R ) hanno portato a una relazione e una raccomandazione sulla UWB ^{[ citazione necessaria ]} nel novembre 2005. Il regolatore del Regno Unito Ofcom ha annunciato una decisione simile ^[21] il 9 agosto 2007. Più di quattro dozzine di dispositivi hanno è stata certificata secondo le norme UWB FCC, la maggior parte dei quali sono sistemi radar, di imaging o di localizzazione ^{[ citazione necessaria ]} .

C’è stata preoccupazione per l’interferenza tra i segnali a banda stretta e UWB che condividono lo stesso spettro. In precedenza, l’unica tecnologia radio che utilizzava gli impulsi erano trasmettitori spark-gap , che i trattati internazionali vietavano perché interferiscono con i ricevitori a onde medie. UWB, tuttavia, utilizza una potenza inferiore. L’argomento è stato ampiamente trattato nei procedimenti che hanno portato all’adozione delle norme FCC negli Stati Uniti e nelle riunioni relative alla UWB dell’ITU-R che ha portato alla sua relazione e alle raccomandazioni sulla tecnologia UWB. Gli apparecchi elettrici comunemente utilizzati emettono rumore impulsivo (ad esempio, asciugacapelli) ei sostenitori hanno sostenuto con successo che il rumore non sarebbe aumentato eccessivamente mediante un più ampio dispiegamento di trasmettitori a banda larga a bassa potenza.

La Cina ha consentito il radar a corto raggio per automobili a 24 GHz UWB nel novembre 2012 ^[22].

Storia

Fu pioniere di Robert A. Schorton e di altri.

Gruppi tecnologici

Vedi anche

Riferimenti