Привет, Хабр! Представляю вашему вниманию перевод статьи «IEEE P802.15. Wireless Personal Area Networks».



<sup>Перевод статьи: mentor.ieee.org/802.15/documents?is_dcn=coexistence%20document&is_group=004z

Файл:
09-Apr-2019 ET
Coexistence Document 15.4z
Benjamin A. Rolfe (BCA/UWBA/NXP/et al)
15-18-0523-05-004z-coexistence-document-15-4z.docx</sup>

В феврале 2019 года была создана некоммерческая организация UWB Alliance. В альянс вошли такие компании, как: Apple, Hyundai, Kia, Zebra, Decawave, Alteros, Novelda, Ubisense и другие.

С целью координации работы по продвижению и улучшению технологии передачи радиосигналов в сверх-широкой полосе (СШП или UWB). В рамках этой организации была создана рабочая группа по разработке стандарта IEEE 802.15.4z.

Добрый день. Меня зовут Евгений, я работаю в компании RealTrac Technologies. Предлагаю на ваш суд перевод отчета о работе группы по разработке стандарта IEEE 802.15.4z, а также буду рад ответить на вопросы по текущей ситуации с сверх-широкополосными технологиями, пути развития и области применения.

Введение

В настоящем документе приводится краткий анализ совместимости, который был выполнен для оценки производительности систем, использующих 802.15.4-2015 HRP и LRP PHY с поправками, внесенными P802.15.4z по отношению к другим 802 стандартам беспроводной связи, которые могут работать в том же диапазоне.

1. Терминология

Термины, используемые в настоящем документе, имеют следующее значение:

«базовый стандарт» означает стандарт 802.15.4-2015 и все утвержденные на момент подготовки настоящего документа поправки.

«802.15.4» означает базовый стандарт.

«Эта поправка» означает поправку P802.15.4z: Поправка Стандарта для низкоскоростных беспроводных сетей: усовершенствованные высокоскоростные импульсы (HRP), низкоскоростные импульсы (LRP), UWB в физической среде (PHYs) и соответствующие методы определения диапазона частот.

2. Обзор

Системы на базе 802.15.4 UWB широко используются во всем мире. Первоначальная версия 802.15.4a-2007 включила HRP UWB PHY в стандарт, а LRP UWB PHY была добавлена к 802.15.4f-2010. Поправка P802.5.4z распространяет действие как на UWB PHY, так и на новые и существующие приложения. Текущие системы UWB работают по всему миру при очень низкой спектральной плотности мощности. В настоящем документе представлен анализ совместимости с другими беспроводными системами стандарта 802, включая старые версии стандарта 802.15.4 и текущие системы стандарта 802.11.

Существует множество источников информации о совместимости UWB. Метод, используемый в этом документе, заключается в обобщении результатов в отношении совместимости между беспроводными системами 802, способными работать в одних и тех же диапазонах частот. Ссылки на САПР 802.15.4a [8] и 802.15.4f [9] и исследования [10][11] описывают совместимость UWB PHY со следующими системами:

• 802.15.4 PHY, работающие в перекрывающихся полосах частот
• 802.16 работающие в диапазоне от 3,4 до 3,8 ГГц
• 802.11 OFDM работающие в диапазонах 5ГГц и 6ГГц.

Во всем мире UWB-системы ведут передачу с очень низкой мощностью, как правило, ограниченной пределами спектральной плотности мощности (PSD), согласованными с побочными и/или непреднамеренными электромагнитными излучениями, установленными для непреднамеренных излучателей. Например, в США, а также во многих частях Азии и Европы лимит PSD составляет -41,3 дБм.

2.1 Обзор UWB 802.15.4z

2.1.1 Рассматриваемые частотные диапазоны

На рисунке 1 показаны планы каналов 802.15.4 UWB, определенные в базовом стандарте и дополненные данной поправкой. Поправка 802.15.4z определяет новые устройства с расширенными возможностями дальности действия, которые работают в плане высокоскоростных каналов; никакие изменения в устройствах, работающих в низкоскоростных планах каналов, не включены в эту поправку.


Рисунок 1: Спектральная графика

Эта поправка расширяет план канала LRP, как показано на рисунке с добавлением определений каналов в верхний диапазон UWB. Данная поправка не изменяет план канала HRP. Выделенный «Глобально доступный спектр UWB» иллюстрирует каналы в плане каналов UWB, которые доступны во всех регулятивных доменах, которые обеспечивают работу устройств LRP и HRP, как определено в базовом стандарте и данной поправке. Другие каналы доступны в более ограниченном числе регулятивных доменов.

2.1.2 Соответствующие стандарты 802

В таблице 1 перечислены другие стандарты 802, которые могут работать в перекрывающихся диапазонах. Эта информация взята из приложения Е к [5] и [6].

Таблица 1: Другие стандарты беспроводной связи 802 в тематических диапазонах


Обратите внимание, что большинство приложений WLAN используют интервал между каналами от 20 до 80 МГц. Анализ, на который делается ссылка в настоящем документе, в основном касается расстояний между каналами от 5 до 160 МГц.

2.1.3 LRP PHY

Данная поправка расширяет LRP PHY для поддержки следующих функций:

• Новые форматы пакетов PHY
  Длительность кадра, вероятно, будет короче — меньше воздействия и меньше экспозиции.
  
  Меньшее количество импульсов и меньшая длина пакетов
  Более надежная в условиях интерференции
  PSD и пиковый уровень совпадает с прежним UWB
  Уровни энергии остались без изменений
  Потребуется меньше времени и энергии на передачу пакета
  
• Новая модуляция и PRF
  
  Без изменений в воздействии
  Может быть более помехоустойчивым
  

2.1.4 HRP

Данная поправка добавляет к HRP PHY следующие характеристики:

• Новую модуляцию и PRF
  
  Не использует BPM
  Пик PRF не изменился
  Среднее значение PRF может изменяться, но равняется той же энергии в нормативных пределах
  Новые коды позволяют передавать данные с более высокой скоростью PRF, меньшее количество фреймов приведет к сокращению времени передачи фреймов
  Увеличение скорости передачи данных привело к снижению издержек.
  
• Добавление дополнительных кодов преамбулы
• Воздействие на прежнюю форму HRP
  
  Новые коды, игнорируются старыми устройствами
  Совместимые режимы PHY для взаимодействия с устаревшими устройствами
  
• Более надежная передача
  
  Лучше контролируется мгновенная пиковая мощность
  Сокращается количество необходимых ретрансляций
  

2.1.5 Улучшения MAC и их влияние на совместимость

Новые функции MAC, добавленные данной поправкой, используют существующие функции MAC для обеспечения совместимости с устаревшими устройствами стандарта 802.15.4, а также для сохранения проверенных характеристик совместимости, предусмотренных стандартом.
MAC дополнен данной поправкой с положениями, используемыми при измерении расстояния в среде передачи следующим образом:

• Широковещательная / многоадресная передача: обеспечение планирования вещания и многоадресного обмена данными
• Новые информационные элементы для передачи информации, используемой для измерения расстояния обмена соответствующей информацией
• MAC характеристики для контроля измерения расстояний с улучшенной проверкой целостности
• Изменения в MAC SAP для поддержки новых инструментов ранжирования и обмена данными

Методы доступа к каналам, используемые для оценки состояния канала и начала передачи данных, не изменяются этими дополнительными функциями MAC. Воздействие на совместимость минимально.

2.2 Обзор механизмов совместимости в 802.15.4

Механизмы совместимости в пункте 802.15.4 описаны в [8] и [9]. Совместимость также усиливается присущим 802.15.4 коротким рабочим циклом, благодаря архитектуре MAC, как поясняется в [13].

MAC изменения, внесенные в данную поправку, будут иметь минимальное влияние на показатели совместимости:

• Новые возможности планирования аналогичны и совместимы с существующими механизмами контроля доступа к каналу (CSMA-CA)
• Новые функции сохраняют совместимость в плане снижения нагрузки, эффективного рабочего цикла и контроля доступа к каналам, как описано в [8]

UWB PHY работают на очень низкой мощности, как правило, на уровне или ниже пределов фоновых электромагнитных излучений. Это, как правило, ограничивает воздействие излучателей UWB на другие системы.

2.3 Методология анализа совместимости

Исследования совместимости, упоминаемые в настоящем документе, в целом проводятся в соответствии с методологией, описанной в [12] и рассматривающей каждую систему как в роли субъекта, так и объекта воздействия. В настоящем документе анализ совместимости был рассмотрен на предмет его соответствия действующим стандартам 802, и здесь мы приводим актуальные итоги. Стандарты беспроводной связи 802 изменяются, поэтому были проведены и распространены дополнительные исследования, конкретно оценивающие совместимость между системами 802.15.4 UWB и 802.11. Выводы, сделанные по результатам этих исследований, представлены в настоящем документе.

В исследованиях совместимости [10] и [11], цитируемых в настоящем документе, используется метод моделирования Монте-Карло для оценки потенциальных воздействий при совместном использовании спектра.

3. Различные системы с одинаковыми частотными полосами

В данном пункте представлены факторы совместимости с другими системами 802, которые работают в тех же частотных диапазонах. В настоящем пункте под различными, имеются в виду отличные от IR-UWB, работающего в соответствии со спецификациями 802.15.4 LRP или HRP PHY.

3.1 802.11 Совместимость

Как подробно описано в Приложении Е к [5] и [6], системы 802.11 могут работать в различных диапазонах, как показано в таблице 1, при расстоянии между каналами от 5 МГц до 160 МГц. 802.11 Устройства на базе WLAN могут работать при относительно высокой мощности EIIRP до 1000 мВт (30 дБм) в некоторых регионах. UWB устройства работают со средним значением EIRP, ограниченным до — 41,3 дБм/МГц. 802.15.4 Устройства UWB используют номинальную полосу пропускания 500 МГц и выше.

Исследования [10] и [11] представляют результаты моделирования, иллюстрирующие воздействие систем 802.11, работающих вблизи систем на базе 802.15.4 UWB. В исследовании рассматриваются различные сценарии развертывания и условия эксплуатации.

3.1.1 Воздействие WLAN на 802.15.4 UWB

Результаты для сценариев, описанных в [10] и [11], иллюстрируют потенциальные воздействия. Исследование WGSE PT45 [10] рассматривает как отдельные помехи, так и совокупные помехи с помощью методов моделирования в сочетании с данными измерений активных сигналов. Результаты показывают, что помехи беспроводной локальной сети 802.11 на расстоянии до 946 метров приводят к снижению чувствительности более чем на 3 дБ в системах UWB связи и отслеживания местоположения. Для зондирования соответствующее расстояние составляет 212 метров. Совокупная оценка помех при моделировании методом Монте-Карло показывает, что при рабочем цикле WLAN 1,97% вероятность снижения чувствительности к UWB коммуникациям и устройствам отслеживания местоположения составляет более 3 дБ и составляет от 5 до 15%.

Для сенсоров вероятность снижения чувствительности более чем на 3 дБ составляет от 3 до 6%. В работе [11] с использованием методов моделирования исследуются дополнительные конфигурации и сценарии. Исследования показывают значительное воздействие как на коммуникацию, так и на дальность/месторасположение. В это исследование также входят рекомендации по смягчению последствий для улучшения показателей совместимости.

3.1.2 Воздействие 802.15.4 UWB на 802.11 WLAN

UWB устройства работают со средним значением EIRP, ограниченным -41 дБм/МГц, затухание сигнала, необходимая для ограничения потери чувствительности устройства UWB 802.11 на 3 дБ, показана в таблице ниже.

Таблица 2: Расчет порогового значения интерференции для системы 802.11


В худшем случае модель затухания сигнала на контрольном расстоянии d0 = 1м.

В диапазоне 6 ГГц составляет 48 дБ, основываясь на уравнении Фрииса.

Используя эту модель, требуемое разнесение для затухания сигнала на 67 дБ составляет менее 9м. Обратите внимание, что это наихудший сценарий, поскольку экранирующие эффекты и области непрямой видимости не учитываются; они еще больше сократят требуемое разнесение.
Для иллюстрации в следующей таблице показано затухание сигнала на контрольном расстоянии d0, а также минимально необходимые расстояния разнесения, например, частоты от 3 ГГц до 6 ГГц:

Таблица 3 Справка по потерям в тракте

3.2 802.15.4 Совместимые системы

RCC PHY могут работать в диапазонах, как показано в таблице 1. По-видимому, РСС PHY не будут эксплуатироваться в непосредственной близости от систем UWB. RCC используется в основном на открытом воздухе и вблизи железнодорожных путей.

3.3 Другие рассматриваемые беспроводные системы 802

Ссылка [8] подробно описывает свойства совместимости между системами на базе 802.15.4 UWB и 802.16. Результаты показывают, что значение PER падает ниже 1% на расстоянии разнесения 1 м, а при расстоянии разнесения > 6,9 м воздействие на 802.16 от сигнала LRP UWB становится незначительным.

Результаты показывают, что при использовании системы 802.16 в качестве источника помех и системы HRP UWB в качестве объекта воздействия, показатель падает ниже 1% на расстоянии разнесения 44 м и на расстоянии разнесения более 140 м становится незначительным.

Структура сигнала, полоса пропускания и спектральная плотность мощности символа LRP достаточно схожа с сигналом HRP, поэтому результаты для LRP должны быть аналогичны результатам, показанным в Ссылке [8].

4. 802.15.4 UWB системы

Это положение описывает ситуацию с совместимостью для этой поправки и существующих UWB систем 802.15.4.

4.1 HRP

В прежнем 802.15.4a HRP и новом 802.15.4z HRP режимах используются преамбульные последовательности для синхронизации и измерения расстояний. Оба стандарта последовательности разработаны таким образом, чтобы быть более надежными в условиях интерференции. Последовательности в обоих стандартах будут иметь очень низкую корреляцию с последовательностью в другом стандарте. Межстандартные помехи между преамбулами будут практически идентичны внутристандартным помехам. Оба стандарта используют полосу пропускания 500 МГц. Оба используют символ длительностью 128 нс для работы со скоростью ~7 Мбит/с и символ длительностью 32 нс для работы со скоростью ~30 Мбит/с. 802.15.4z HRP использует более высокие значения PRF, чем 802.15.4z HRP. Авторегулировка мощности передачи может немного отличаться из-за ограничений спектра пикового излучения. Тем не менее, межстандартные помехи будут, по существу, такими же, как и внутристандартные помехи.

4.2 LRP

Изменения в этой поправке зависят от того же метода доступа к каналам и, как ожидается, окажут такое же влияние, как и наличие дополнительных устаревших LRP устройств в сфере радио влияния. Механизмы совместимости, описанные в [9], идентичны. Ожидается, что системы из стеклопластика будут работать в очень низком рабочем цикле.

5. Заключение

UWB системы, описанные в этой поправке, будут иметь минимальное или полное отсутствие воздействия на другие беспроводные системы 802, работающие в сфере радио влияния. Низкая мощность сигнала и низкий рабочий цикл уменьшают влияние помех от сигнала UWB на системы, отличные от UWB. В частности, воздействие на другие системы на базе 802.15.4 и 802.11 в той же сфере радио влияния обычно не обнаруживается.

При работе в той же сфере радио влияния, что и устаревшие системы UWB 802.15.4, воздействие систем, работающих в соответствии с данной поправкой, равно или меньше, чем воздействие дополнительных устаревших устройств. Добавление преамбул и STS уменьшает влияние на устаревшие UWB, так как они не распознают сигналы в устаревших системах и, таким образом, находятся ниже уровня шума.

Как объект воздействия помех, UWB-системы, описанные в данной поправке, будут совместимы с традиционными UWB системами, так как сигналы от них будут распознаваться и надлежащим образом обрабатываться. В присутствии систем на базе 802.11, работающих в непосредственной близости, ожидается значительное воздействие на систему UWB из-за использования более высокой мощности. Степень воздействия в наибольшей степени зависит от рабочего цикла системы (систем) 802.11. Физическое разделение уменьшает воздействие.

Спасибо за внимание. Если есть вопросы по технологии UWB и ее текущей стадии развития, я готов ответить на ваши вопросы в комментариях.