Wireless USB. Часть 2

Частотный спектр WUSB. Физический уровень MBOA PHY

Для начала познакомимся частотным спектром UWB сигнала и с принципом его формирования. В общем случае под UWB подразумевается любая радиочастотная технология, занимающая спектр с полосой более 20% несущей частоты передатчика, или работающая в диапазоне более 500 МГц. Комиссия Управления перспективных военных научно-исследовательских работ Министерства обороны США (DARPA) к сверхширокополосным относит системы и сигналы, обладающие коэффициентом Ν в пределах от 0,25 до 1:

...где fв и fн - верхняя и нижняя частота диапазона соответственно.

Стандарт Wireless USB основан на использовании технологии сверхширокополосной UWB (Ultra-Wideband) модуляции на базе рекомендаций MultiBand OFDM Alliance (MBOA) и WiMedia Alliance. В настоящее время частотный диапазон UWB шириной 7,5 ГГц окончательно оговорен лишь федеральной комиссией по связи США (FCC), утверждение UWB комиссиями связи Японии и Евросоюза находится в процессе.

MBOA и WiMedia Alliance являются открытыми индустриальными группами для продвижения стандартов персональных беспроводных сетей — WPAN (Wireless Personal Area Networks). Wireless USB будет одним из целой серии беспроводных интерфейсов, использующих технологию UWB. На деле в перспективе нас ожидает целый букет различных беспроводных интерфейсов с единой организацией протоколов адресации и физического уровня на базе спецификаций IEEE802.15.3.

Традиционно под сверхширокополосной модуляцией - UWB, подразумевается работа передатчика, при которой генерируются миллиарды импульсов в очень широком, порядка сотен мегагерц - нескольких гигагерц, частотном спектре. Приемная часть преобразовывает импульсы в данные путем отслеживания схожих последовательностей импульсов.

Под современной UWB технологией подразумевается применение модуляции мультиплексированием по ортогональным несущим частотам (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что как раз требует использования очень широких частотных диапазонов. В случае использования OFDM в сочетании с несколькими частотными диапазонами, мы получаем технологию MultiBand OFDM, имеющую значительные преимущества перед вариантами со сравнительно узкой полосой, например, IEEE802.11a, что выражается в легкой адаптации стандарта к требованиям комитетов электросвязи любых государств, возможности отличного масштабирования в будущем и обратной совместимости обновленных версий. Простой пример: не нравится законодателям какой-либо страны ширина требуемых поддиапазонов? Пожалуйста, отключаем запрещенные поддиапазоны, и в конце концов стандарт все равно вписывается в предъявленные требования.

Частотный план UWB по отношению к спектрам излучения современных радиоустройств изложен на иллюстрации ниже. Не удержусь от дополнительного комментария: совсем скоро на этом графике для нашей страны станет актуален еще один пик - в районе 2,1 ГГц, именно там будут излучать UMTS-устройства - телефоны, смартфоны и базовые станции сотовой связи третьего поколения (3G).

Распределение спектра излучения ключевых беспроводных технологий

На практике использование частотного диапазона 3,3 ГГц - 10,4 ГГц для UWB в настоящее время "легализовано" только в США: согласно ограничениям FCC Part 15, спектральная плотность излучения не должна превышать -41 дБ м/МГц. Работы по разрешению использования этого диапазона частот для UWB в Европе, Японии и Китае еще не закончены. Принятие стандарта в этих регионах ожидается в первой половине 2006 года, главным образом потому, что принятие рекомендаций UWB Международным союзом электросвязи (ITU) состоится только в конце 2005 года.

В случае со стандартом транспортного уровня MultiBand OFDM, на котором базируется Wireless USB, спектральный участок шириной 7,5 ГГц разделен на пять каналов и несколько отдельных 528 МГц поддиапазонов в каждом канале. На иллюстрации ниже указаны средние частоты для каждого диапазона.

Распределение частотного спектра UWB

Таким образом, в результате получается 14 поддиапазонов шириной 528 МГц каждый, сгруппированных в 5 частотных участков, при этом следует особо подчеркнуть, что каждый из 14 поддиапазонов применительно к стандарту Wireless USB обладает возможностью поддержки обмена данными со скоростью до 480 Мбит/с!

Главное, на чем настаивают разработчики UWB - всемирное законодательное разрешение использования 7,5 ГГц диапазона излучения таких устройств на нелицензируемой основе. Не исключено, что в отдельных странах для UWB будет разрешен не весь 7,5 ГГц диапазон.

Впрочем, даже это не помешает внедрению WUSB, поскольку за счет разделения спектра на каналы и поддиапазоны останется достаточно возможностей для манипулирования частотами в пределах каждого государства. Возможность динамического (или статического) подключения тех или иных участков позволяет удовлетворить требования любых национальных комитетов электросвязи (даже российского), разумеется, за счет "национальных" прошивок firmware в каждом отдельном случае. Кстати, именно на этом этапе знакомства с UWB становится понятна бездонная канальная емкость WUSB.

Однако вернемся к практической реализации вопроса. Из пяти каналов 7,5 ГГц диапазона MultiBand OFDM, согласно требованиям MBOA, поддержка самого первого канала - Channel 1, включающего в себя три первых частотных участка, является обязательным требованием для всех UWB устройств. Использование диапазонов в каналах со второго по пятый является необязательным.

Смысл именно такого деления на каналы и поддиапазоны не случаен и является подходящим сразу по нескольким причинам. Первая из них заключается в том, что подобная частотная организация обеспечивает поддержку одновременно до четырех частотно-временных режимов модуляции на канал (рисунок ниже - расклад для канала №1), или в сумме до 20 каналов для нынешнего деления MB-OFDM. На практике предполагается, что Wireless USB устройства первого поколения будут работать только в первом частотном участке (Band#1 - Band#3).

Распределение частотного спектра UWB

Вторая причина, может быть, не такая уж яркая, но вполне актуальна для некоторых регионов: за счет гибкого манипулирования с активизацией поддиапазонов можно безболезненно отказаться от задействования канала №2 там, где возникают помехи другим нелицензионным видам беспроводных стандартов - U-NII (Unlicensed-National Information Infrastructure) по версии FCC. Справившись с частотным раскладом диапазона MB-OFDM можно заметить, что канал №2, занимающий частоты с 5016 МГц до 6072 МГц прямехонько пересекается с частотами одной из популярных версий Wi-Fi - IEEE802.11a. Несмотря на несоизмеримые уровни сигнала WUSB может при необходимости запросто "подвинуться", "во избежание"...

Наконец, разработчиками стандарта учтена даже дифференциация назначения разных диапазонов для работы с разными приложениями. Так, использование "низкочастотных" диапазонов MB-OFDM может оказаться предпочтительным в случае обмена данными на большие расстояния, и наоборот, высокочастотные диапазоны будут отданы для коротких расстояний.

Думаю, после выше сказанного будет излишним разъяснение того, что использование идеи канальной диверсификации позволит добиться надежной передачи данных и высокой помехоустойчивости, плюс использовать и без того небольшую мощность передатчика целенаправленно в более узком участке.

Законный вопрос: почему для средних частот диапазонов выбраны такие "горбатые" частоты в мегагерцах и какая между ними связь? Надеюсь, иллюстрация ниже, посвященная принципу работы синтезатора частот для Channel №1 даст полноценный ответ на этот вопрос:

Распределение частотного спектра первого канала

На графике ниже показана скорость переключения синтезатора частоты при переходе на разные частотные диапазоны. В номинале она равна 2 нс, однако на практике предполагается несколько больший интервал, с учетом допуска на задержки в цепях обработки и температурный дрейф чипов.

Последний штрих к портрету формирования пакета данных - включение перед посылкой "нулевого пакета" (zero-padded prefix) для обеспечения надежного перехода между каналами и вставка так называемого "охранного интервала" (Guard Interval) между OFDM-посылками для обеспечения достаточного времени для TX/RX переключения между каналами.

Ниже приведена блок-схема MB-OFDM передатчика. По своей архитектуре приемная и передающая радиочасти интерфейса фактически не отличаются от структуры, испытанной временем и обычно применяемой во всех типичных OFDM-приложениях.

Передатчик

К сожалению, рассказ о промежуточных узлах с подробностями о применяемых при этом алгоритмах быстрого преобразования Фурье и соответствующих формулах грозит превратить материал в совершенно нечитаемый. Да и времени у автора на все это просто нет. Поэтому отсылаю любопытствующих к соответствующим документам (см. список в конце статьи).

Мы же закончим описание радиочастотной части WUSB описанием характеристик канала и особенностей MB-OFDM архитектуры, в частности, принципами формирования пакетов данных.

Базовым элементом - "квантом" для UWB обмена является так называемый OFDM Symbol - OFDM посылка данных со стандартной длиной 312,5 мс.

Каждая OFDM-посылка "шириной" 4 МГц вмещает в себя 100 "тональных" посылок данных. При этом особенно стоит подчеркнуть, что формат посылок остается неизменным для любой скорости обмена данными, изменяется только "тональность" модуляции в посылках и между ними, что как раз и отражает различные битрейты потока данных и различные уровни устойчивости передачи.

Шесть последовательных посылок формируют в итоге базовый пакет продолжительностью 1,875 мкс, который, в свою очередь, в последствии преобразовывается в конкретные биты данных.

Частотно-временные кодеки (TFC, Time Frequency Codecs) позволяют формировать и разносить пакеты как по нескольким диапазонам канала, так и передавать их в едином диапазоне. Каждый UWB пакет формируется из определенного количества компонентов, но конечная его длина зависит от скорости обмена данными:

... равно как и "зазоры" между пакетами: "короткие" 10 мкс (SIFS, Short Interframe Spacing) при переходе передатчика на частоту другого диапазона или минимальные 1,875 мкс (MIFS, Minimum Interframe Spacing) при работе в одном диапазоне.

Для стандартообразующего WiMedia PHY поддержка скоростей обмена данными 53,3 Мбит/с, 106,7 Мбит/с и 200 Мбит/с является требованием; остальные скорости - 80 Мбит/с, 160 Мбит/с, 320 Мбит/с, 400 Мбит/с и 480 Мбит/с являются опциональными. Обязательным требованием также является поддержка первого канала с тремя первыми диапазонами.