Новый стандарт IEEE 802.15.4z для сетей сверхширокополосной связи — UWB

Широкополосные сети Ultra Wide Band

Сектор радиокоммуникаций Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector, ITU-R) определяет UWB как «беспроводную технологию передачи информации с помощью импульсных сигналов, эмитируемых антеннами приемо-передающих устройств малого радиуса действия в полосе частот не менее 500 МГц (или 20% от центральной рабочей частоты)». Согласно рекомендациям ITU, типовое значение усиления изотропной антенны (ITU-T K.70) для UWB-устройств должно составлять около 10 дБ [1].

В русскоязычной технической литературе термин UWB обычно переводится как «сверхширокая полоса пропускания, СШПП».

Однако следует отметить, что с увеличением радиуса действия снижаются скорости передачи. Так, на расстоянии около 10 м скорость передачи в сетях UWB уменьшится до 110 Мбит/с.

Каждый импульсный пакет в системе UWB занимает всю ширину полосы. Поэтому, в отличие от традиционных систем на основе несущей, связь СШПП относительно невосприимчива к многолучевому замиранию. Это свойство послужило причиной того, что сети UWB стали широко применяться в местах большого скопления людей и техники — например, в аэропортах, на вокзалах, крупных складах, автопарковках и т. д. [2].

По сравнению с остальными технологиями SRD LPWAN сеть UWB имеет еще одно явное преимущество — это исключительная безопасность и надежность передачи данных. Следует отметить, что из-за высокой эффективности передачи данных устройства UWB расходуют минимальное количество энергии на 1 бит передаваемой информации. Это позволяет полевым мобильным устройствам UWB функционировать многие годы в автономном режиме от одной миниатюрной батареи.

Устройства UWB предназначены для работы в широком диапазоне частот 30 МГц — 10,6 ГГц. Частота следования импульсов в UWB варьируется в зависимости от назначения устройства. Например, в СШПП-радарах используются низкие частоты следования импульсов в пределах 1–100 МГц. В телеметрии, охранных сигнализациях, передаче беспроводного видеооборудовании, офисном оборудовании (USB), медицине и других аналогичных приложениях частоты следования импульсов могут достигать 10 ГГц.

В первых устройствах UWB передаваемые последовательности данных преобразовывались в короткие импульсы с помощью импульсной модуляции или двоичной фазовой манипуляции. Также использовался метод прямого расширения спектра (DSSS). В таких устройствах длительность импульса составляла около 150 пс.

Другие типы устройств UWB применяют мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM). При этом весь спектр СШПП делится на каналы шириной 528 МГц. Именно такая структура позволила получить скорости передачи данных 480 Мбит/с.

Существующие в настоящее время чипы помогают проектировать оборудование так, что одно устройство UWB способно работать в нескольких частотных диапазонах. В качестве примера можно привести чипы компании Decawave — DW1000 UWB transceiver [3] и TI CC1200 sub-GHz radio [4].

Стандарты для сетей UWB

Впервые базовые параметры UWB были регламентированы в США стандартами FCC [5]. Cтандартизацией информационных и телекоммуникационных технологий в странах Европы занимается Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций (European Telecommunications Standards Institute, ETSI). Еще в 2003 году ETSI опубликовал первый вариант стандарта IEEE 802.15.4, который определяет физический слой (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC) для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости малого радиуса действия.

В 2007 году на базе 802.15.4 был разработан первый стандарт для сверхширокополосных сетей IEEE 80215.4a, в котором представлен физический уровень UWB PHY Impulse Radio устройств сверхширокополосной связи с высоко­скоростной импульсной несущей (High rate pulse repetition, HRP). Физический слой UWB был определен частотами в трех диапазонах: ниже 1 ГГц, 3–5 ГГц и 6–10 ГГц.

В стандарте 802.15.4а оставлена широко­полосная модуляция с прямым расширением спектра (direct sequence spread spectrum, DSSS), которая была введена в 2003 году в перво­начальном варианте для сетей WPAN.

В плане изменений следует отметить, что в стандарте IEEE 802.15.4a наряду с DSSS и PHY UWB введен физический уровень PHY CSS с использованием частотного расширения спектра CSS (Chirp spread spectrum) в полосе 2450 МГц диапазона ISM.

Кроме того, в этом стандарте регламентирована чувствительность приемника для CSS PHY и UWB PHY:

• не менее –85 дБм для 1 Мбит/с;
• не менее –91 дБм для 250 кбит/с.

В базовом варианте стандарта 802.15.4a поддерживаются все типы топологий, определенных для сетей WPAN стандартом 802.15.4: mesh-сети, «звезда» (star), «точка-точка» (point-to-point), «каждый-с-каждым» (p2p).

В данном стандарте описаны два класса устройств: FFD и RFD. Устройства с полной функциональностью FFD (full functional devices) поддерживают все функции и топологии, указанные в стандарте. Устройства RFD (reduced functional devices) имеют ограниченную функциональность и предназначены для использования в интеллектуальных датчиках [6, 7].

Следующая редакция стандарта для UWB IEEE 802.15.4-2011 была опубликована в 2011 году. В этом варианте определены и классифицированы все те UWB PHY и MAC, которые были известны к началу 2011 года. В 2015-м появилась еще одна редакция стандарта UWB 802.15.4-2015, в которой был определен новый тип физического уровня устройств сверхширокополосной связи с низкоскоростной импульсной несущей (Low rate pulse repetition) LRP UWB PHY. Поскольку эти стандарты подробно описаны во многих публикациях [8], здесь мы не будем на них останавливаться.

В декабре 2018 года была создана международная некоммерческая организация UWB Alliance (www.uwballiance.org), основными задачами которой стали развитие и распространение технологий сверхширокополосной связи. По данным, опубликованным на октябрь 2019 года, в этот альянс входят такие ведущие мировые производители электронных компонентов, как Apple, Analog Device, Alteros, Decawave, Novelda, Hyundai, Kia, uBlox, Zebra, Ubisense, и другие. Интерес этих гигантов радиоэлектронной промышленности к проблемам сверхширокополосной связи неслучаен. По опубликованным данным [9, 10], к 2023 году объем рынка устройств LPWA может превысить 15 млрд единиц. При этом значительная доля будет приходиться на устройства UWB ближнего радиуса действия. Для них в настоящее время существует определенная незаполненная ниша [11].

Устройства сверхширокополосного доступа могут иметь различные приложения, которые сегодня выглядят весьма необычно. Однако, возможно, в будущем в аэропортах и на вокзалах станет обычной картина, когда толпы «умных чемоданов» будут следовать за своими хозяевами самостоятельно под управлением систем UWB (рис. 1).

Рис. 1. «Умный чемодан», самостоятельно следующий за хозяином под управлением системы UWB [12]

До настоящего времени развитие сверхширокополосных систем сдерживалось из-за отсутствия единого подробного стандарта. Альянс UWB Alliance активно работает по проекту группы IEEE 802.15.4 Enhanced Impulse Radio (EIR) Task Group 4z, которая занимается созданием и усовершенствованием стандарта IEEE 802.15.4z, предназначенного для новых устройств UWB. Основная цель стандарта 802.15.4z заключается в модернизации характеристик устройств UWB по таким базовым функциям, как позиционирование, пропускная способность, дальность действия и безопасность [13].

В начале 2018 года были опубликованы первые документы нового стандарта P802.15.4z Standard for Low-Rate Wireless Networks Amendment: Enhanced High Rate Pulse (HRP) and Low Rate Pulse (LRP) Ultra Wide-Band (UWB) Physical Layers (PHYs) and Associated Ranging Techniques [14].

По сравнению с предыдущими версиями стандартов UWB в новом стандарте 802.15.4z появились следующие уникальные функции:

• новый метод определения расстояния между устройствами Enhanced SS — TWR Ranging;
• одновременное определение расстояния между устройствами;
• шифр подстановки (substitution cipher);
• увеличенные значения частоты следования импульсов данных (Pulse repetition frequency, PRF);
• дополнительные возможности определения расстояния между устройствами на низкоскоростном уровне LRP UWB PHY.

Также можно отметить еще один важный вопрос, рассмотренный в новом стандарте, — помехоустойчивость устройств UWB в зоне действия Wi-Fi.

Базовые изменения в стандарте IEEE 802.15.4z связаны с модернизацией LRP и HWR UWB PHY, а также MAC-уровней. Благодаря введенным изменениям уровней PHY и MAC, в новом стандарте появилась возможность реализации уникальной методики определения расстояния между устройствами USB (UWB based ranging system). Эта функция устанавливает механизм сверхширокополосного позиционирования (UWB Positioning).

В технологии UWB для вычисления расстояния между устройствами (ranging) используется параметр Time-of-Flight (ToF). Метод ToF широко используется в различных системах для определения расстояния до объекта. Суть метода заключается в том, что один приемопередатчик посылает сигнал на другое устройство, которое возвращает отраженный сигнал. Время, за которое сигнал доходит до цели и возвращается назад, называется Time-of-Flight (ToF). В устройствах позиционирования UWB используются реперные трансиверы, для которых имеются прецизионные временные метки (timestamps) и значения координат.

Изменения в предыдущих стандартах 802.15.4a/2011/2015 затрагивали только высоко­скоростной физический уровень HRP PHY. В новом стандарте 4z основные нововведения коснулись низкоскоростных физических уровней LRP.

На рис. 2 показано распределение частот низкоскоростных уровней LRP PHY 4a (синий цвет), LPR PHY 4z (бежевый цвет) и высокоскоростных уровней HRP PHY 4az (черный цвет) [15].

Рис. 2. Распределение частот низкоскоростных уровней LRP PHY 4a (синий цвет), LPR PHY 4z (бежевый цвет) и высокоскоростных уровней HRP PHY 4az (черный цвет)

Частотный спектр высокоскоростного уровня HRP в стандарте 802.15.4z не изменился по сравнению с предыдущей версией 4а-2015. Для низкоскоростного уровня LRP в новом стандарте добавлены новые каналы в верхней части спектра UWB.

На рис. 2 отмечены каналы Globally available UWB spectrum (глобально доступный спектр СШПП), которые используются во всех регионах, подпадающих под юрисдикцию стандартов IEEE.

В стандарте IEEE 802.15.4z представлена новая конфигурация MAC-уровня, включающего систему измерения времени ToF между UWB-устройствами SS-TWR (single-sided — two-way ranging). Структурная схема определения расстояния между UWB-устройствами стандарта IEEE 802.15.4z показана на рис. 3 [16].

Рис. 3. Cхема определения расстояния между UWB-устройствами стандарта IEEE 802.15.4z (Single-Sided-Two-Way-Ranging — SS-TWR)

Как видно из рис. 3, устройство А отсылает пакет устройству В, которое обрабатывает информацию и отсылает обратный сигнал. Устройство А, получив отклик, определяет время ToF и расстояние до устройства В.

Алгоритм определения ToF основан на том, что устройство А может рассчитать ожидаемое время «Tprop — estimated time of flight» по формуле:

Tprop = (Tround – Treply)/2.

В этой формуле Treply означает время ответа устройству А, которое передается в соответствующем фрейме. Кроме того, имеется возможность теоретического расчета Treply на MAC-уровне с использованием матрицы реперных данных.

Схема оценки SS-TWR, представленная в стандарте 802.15.4z, упрощает и ускоряет процесс определения ToF, поскольку в этом варианте используются два сообщения вместо трех сообщений, регламентированных в предыдущих стандартах.

Кроме того, данный подход позволяет сократить время пребывания в эфире, что увеличивает срок жизни батареи и эффективность использования радиоканала.

Позиционирование с помощью UWB в реальном времени (RTLS) с точностью до 2 см открывает новые перспективы для сверхширокополосных систем связи. Такие системы могут быть использованы в различном оборудовании NFC (Near Field Communication), в частности в банковских терминалах, торговых автоматах, системах контроля доступа и т. д. Ведущие производители электронных компонентов объявили о готовности выпускать чипы для устройств UWB нового поколения. Например, фирма Decawave, которая изготавливает чипы стандарта 802.15.4a, недавно сообщила о планах по разработке продуктов 802.15.4z [17].

Другое нововведение, связанное с модернизацией физических уровней и уровней доступа в стандарте 802.15.4z, позволило реализовать опцию Simultaneous ranging (одновременное определение расстояния между устройствами), которая дает возможность практически синхронной работы сверхширокополосного «дальномера» при использовании эффекта наложения фреймов.

Устройства UWB стандарта 802.15.4z могут принимать ответы о временах доставки пакета от всех опорных трансиверов с некоторой задержкой, но обрабатывать их все, как один кадр Rx, вместо приема отдельных кадров. Такой подход может оказаться весьма полезным для предотвращения взлома автомобилей с помощью перехваченного сигнала брелока сигнализации. Например, если сигнал с брелока UWB поступает не на один опорный трансивер, а на четыре, расположенные по углам автомобиля, то алгоритм ответного сигнала в такой системе продублировать практически невозможно. Также устройства UWB нового стандарта могут найти применение в системах автоматической парковки автомобилей [18].

В 2019 году корпорация Apple получила патент на изобретение устройства и методики, позволяющей с помощью технологии UWB определять, что это именно вы подходите к своему автомобилю, пытаетесь его открыть и завести. При получении положительных ответов автомобиль заведется. В противном случае автомобиль поднимет тревогу и оповестит полицию о попытке угона.

В начале октября Apple анонсировала новый смартфон Apple iPhone 11, оснащенный системой UWB, на базе чипа U1. Описанная выше встроенная система UWB based ranging system позволяет точно определять местонахождение другого такого смартфона, снабженного UWB. Это семейство смартфонов дает старт производству нового поколения интеллектуальных гаджетов с расширенными возможностями, которые позволят с помощью смартфона управлять бытовыми устройствами в доме и отслеживать на малых расстояниях местонахождение детей, собак и т. д. (рис. 4).

Рис. 4. Новый смартфон Apple iPhone 11 оснащен встроенным модулем UWB [19]

Следует обратить внимание на то, что в стандарте IEEE 802.15.4z представлен новый тип периодических преамбул, генерируемых с помощью последовательности Ипатова. Троичные последовательности Ипатова (Ipatov) и Хохолдта — Джастесена (Hoholdt — Justesen), имеющие практически идеальную периодическую автокорреляционную функцию, достаточно давно и успешно применяются для синхронизации, оценки и измерения параметров в системах фиксированной и мобильной связи, в радиолокации и навигации. Применение преамбул такого типа повышает точность и надежность определения метки времени, что в свою очередь является ключевым фактором точных оценок дальности.

Использование корреляционного механизма на базе последовательностей Ипатова дает возможность прецизионной генерации таких канальных импульсов отклика (channel impulse response, CIR), которые позволяют с очень высокой точностью определять первые кадры фрейма. В свою очередь приемник генерирует собственную последовательность, коррелирующую с полученной информацией. Таким образом, продуцируются импульсы CIR, предоставляющие возможность получить уникальные метки времени Rx.

Для дополнительного улучшения параметров надежности передачи информации в стандарте предусмотрено добавление в посылки PHY криптографической последовательности. Для этого предназначен шифр подстановки (substitution cipher), с помощью которого буквы и цифры открытого текста заменяются некими специальными символами. Для восстановления текста нужно выполнить обратную подстановку с использованием этого шифра.

Так же, как и в исходном стандарте, в новом варианте 802.15.4z кадр UWB состоит из импульсов данных и защитных интервалов (рис. 5). Для номинального значения частоты следования импульсов (Pulse repetition frequency, PRF), равного 64 МГц, суммарное время составляет 128 нс. В стандарте 802.15.4z новые коды позволяют использовать более высокие значения среднего PRF, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных за счет уменьшения суммарного времени передачи кадра [20].

Рис. 5. Структура кадра передачи информации в стандарте IEEE 802.15.4z [21]

Сигналы UWB скорее похожи на «розовый шум» в эфире, чем на обычные радиочастотные сигналы, что затрудняет их фильтрацию. Поэтому достаточно значимая часть нового стандарта уделена вопросам ограничения ЭМИ устройствами 802.15.4z и их влиянию на работу других сетей группы стандартов IEEE 802. Так, в документе ETSI EN 303 883 описаны ограничения по спектральной мощности излучения передатчиков UWB. Например, для частотного интервала f ≤ 1,6 ГГц значение EIRP (без устройств ослабления) составляет –90 дБм/МГц.

В указанном документе приведены и допустимые максимальные пиковые значения мощности. Так, для частотного диапазона f ≤ 1,6 ГГц эта величина не должна превышать –50 дБм.

Требования, предъявляемые к приемникам UWB нового стандарта, описаны в документе ETSI TS 103 361 [22].

Основная задача публикации ETSI EG 203 336 — определение критериев выбора оптимального варианта приемника, обеспечивающего баланс между чувствительностью и помехоустойчивостью.

В стандарте 802.15.4z описана функция отказа от использования в обработке сигнала в определенном канале (co-channel rejection) в том случае, когда качество сигнала не соответствует заданным параметрам.

Другим важным свойством приемника UWB является программируемая номинальная частота, которая может варьироваться в зависимости от конкретного приложения. Такой подход подразумевает, что источник помех на фиксированной частоте может быть общим для некоторых систем и внеполосным для других систем, работающих по тому же согласованному стандарту.

Необходимо подчеркнуть, что способность приемника функционировать строго в соответствии с заданными параметрами при наличии источника помех в полосе пропускания является одной из наиболее важных функций, описанных в стандарте 802.15.4z. Для работы в режиме контроля и подавления помех используется параметр Interferer signal handling.

Стандарт описывает параметры помехо­устойчивости приемника в отдельных частотных интервалах для конкретных приложений (service groups). С целью расчета мощности источника помех для каждой сервисной группы определяется ослабление сигнала источника помех на пути к UWB-устройству.

Например, для устройств малого радиуса действия (SRD) общего пользования, работающих на центральной частоте 869,525 МГц, EIRP которого равно 27 дБм, ослабление составляет 47 дБ.

В документе Coexistence Document for IEEE 802.15.4z [20] показано, что UWB-системы, описанные в стандарте 802.1.4z, в зоне своего действия будут иметь минимальное, а в некоторых случаях даже пренебрежимо малое воздействие на работу других беспроводных систем группы стандартов 802.

Однако другие системы 802 могут влиять на работу устройств UWB. В частности, устройства группы стандартов 802.11 (Wi-Fi) могут существенным образом воздействовать на работу UWB-систем в диапазоне частот 2,4–5,9 ГГц.

На сегодня детального варианта стандарта 802.15.4z-2018 нет в широком доступе. Окончательный вариант с исправлениями, дополнениями и замечаниями ожидается в конце 2019 года.

Выше были приведены выдержки из немногочисленных комментариев о первоначальной версии нового стандарта IEEE 802.15.4z, появившихся в ноябре 2019 года в свободном доступе в Интернете. Можно надеяться, что более подробная информация об этом стандарте появится в начале 2020 года.