СШП диапазон

Сверхширокополосная импульсная радиолокация (или СШП-ИК- диапазон ) — это технология беспроводного позиционирования, основанная на IEEE 802.15.4z . стандарте ^[1] Это протокол беспроводной связи, представленный IEEE для систем, работающих в нелицензируемом спектре и оснащенных приемопередатчиками с чрезвычайно широкой полосой пропускания. СШП обеспечивает очень точную дальность ^[2] (порядка сантиметров ) без значительных помех системам узкополосным . Для достижения этих строгих требований системы СШП-ИК используют доступную полосу пропускания. ^[3] (которая превышает 500 МГц для систем, совместимых с протоколом IEEE 802.15.4z), которую они поддерживают, что гарантирует очень точную синхронизацию (и, следовательно, диапазон) и устойчивость к многолучевому распространению , особенно в помещениях. ^[4] Доступная полоса пропускания также позволяет системам СШП распределять мощность сигнала по широкому спектру. ^[5] (поэтому эта технология называется расширенным спектром ^[6]), избегая узкополосных помех. ^[7]^[8]^[9]

Протокол

малой длительности СШП-ИК основан на передаче малой мощности определенных последовательностей импульсов . Мощность передачи ограничена в соответствии с правилами FCC , чтобы уменьшить помехи и энергопотребление. Стандарт поддерживает следующие диапазоны:

Субгигагерцевый диапазон, содержащий всего 1 канал и колеблющийся от 249,6 МГц до 749,6 МГц.
Низкий диапазон, содержащий 4 канала и варьирующийся от 3,1 ГГц до 4,8 ГГц.
Верхний диапазон содержит 11 каналов и находится в диапазоне от 6,0 ГГц до 10,6 ГГц.

Первичное временное разделение в системах СШП структурировано в кадрах . Каждый кадр состоит из объединения двух последовательностей:

Первый называется преамбулой (также известный как SHR или заголовок синхронизации) и состоит из заголовка, известного априори как на стороне передатчика, так и на стороне приемника. Он используется для целей синхронизации.
Второй называется блоком данных протокола физического уровня (сокращенно PPDU) и содержит данные для передачи, которые априори известны только на стороне передатчика.

Дальнейшие временные подразделения преамбулы и PPDU организованы по-разному. В целях локализации используется только преамбула (и подробно описанная ниже), поскольку она специально разработана для выполнения точной синхронизации на стороне приемника.

Последовательность SHR состоит из объединения двух других подпоследовательностей:

Первая называется последовательностью синхронизации (сокращенно SYNC) и является самой длинной. Его цель состоит в том, чтобы увеличить эффективное соотношение сигнал/шум и одновременно проявить высокопиковую автокорреляционную функцию, чтобы повысить точность синхронизации.
Второй называется началом последовательности разделителя кадров (сокращенно SFD) и, как следует из названия, используется для эффективного распознавания временных ограничений различных кадров.
Последовательности SYNC и SFD дополнительно разделяются по времени на символы.
Последовательность SYNC состоит из $N_{\mathrm {sync} }\in \{16,64,1024,4096\}$ идентичные символы.
Последовательность SFD состоит из $N_{\mathrm {sfd} }\in \{8,64\}$ различные символы, генерируемые по определенному коду, что позволяет легко определить временные ограничения кадра.
Каждый символ состоит из последовательности пакетов, генерируемых с помощью троичного кода (элементы последовательности могут быть 0, +1, -1) длиной 31 или 127. Эти коды специально разработаны для обеспечения высокопиковой автокорреляции и очень низкой автокорреляции. взаимная корреляция , чтобы упростить синхронизацию посредством поиска пиков и одновременно избежать ложных тревог (т.е. обнаружения кода, который не был передан).
Каждый пакет дополнительно делится на $L$ чипсы .
$L$ называется коэффициентом расширения и определяется как соотношение между PRF и скоростью передачи чипов. $L$ может быть равно 16 или 64 для кодов длиной 31, тогда как для кодов длиной 127 установлено значение 4; таким образом, количество фишек на символ $N_{\mathrm {cps} }\in \{496,508,1984\}$ . Целью коэффициента расширения, как следует из названия, является расширение сигнала во временной области, чтобы сделать чипы очень разреженными во времени, что позволяет уменьшить помехи другим системам, работающим в той же полосе частот.
Скорость чипа $f_{c}$ = 500 МГц или, альтернативно, время чипа $T_{c}$ = 2 нс.
Каждый чип модулируется одним и тем же импульсом.
Форма импульсного сигнала не указана в протоколе, поэтому остается на усмотрение пользователя. Однако спектр импульсов должен полностью находиться в разрешенных каналах.

Форма сигнала SHR

Передаваемая форма сигнала SHR ( эквивалент основной полосы частот ) может быть смоделирована следующим образом:

$x(t)=\sum _{k,n}c_{kn}\cdot p{\big (}t-nLT_{c}-kN_{\mathrm {cps} }T_{c}{\big )}$

где параметры определены, как показано ниже

$c_{kn}\in \{0,\pm 1\}$ .
$p(t)$ это форма импульса.
$L$ является фактором распространения.
$N_{\mathrm {cps} }$ количество фишек на символ.
$T_{c}$ это время чипа.

Вместо этого полученную форму сигнала SHR можно описать как

$y(t)=\sum _{k,n,\ell }\alpha _{\ell }\cdot c_{kn}\cdot p{\big (}t-nLT_{c}-kN_{\mathrm {cps} }T_{c}-\tau _{\ell }{\big )}+w(t)$

где дополнительные параметры определяются следующим образом

$\alpha _{\ell }$ и $\tau _{\ell }$ – комплексное усиление канала и задержка распространения, связанная с $\ell ^{th}$ путь.
$w(t)$ — это форма шума, которую обычно называют AWGN .

Чтобы связать задержку распространения с расстоянием, между передатчиком и приемником должен существовать путь прямой видимости или, альтернативно, должна быть известна подробная карта окружающей среды, чтобы выполнить локализацию на основе отраженных лучей.

При наличии многолучевого распространения большая полоса пропускания имеет первостепенное значение для различения всех реплик, которые в противном случае могли бы значительно перекрываться на стороне приемника, особенно в помещениях.

Ранжирование

Задержку распространения можно оценить с помощью нескольких алгоритмов, обычно основанных на нахождении пика взаимной корреляции между принятым сигналом и передаваемой формой сигнала SHR. Обычно используются алгоритмы максимальной корреляции и максимального правдоподобия. ^[10]^[11]

Существует два метода оценки взаимного расстояния между трансиверами. ^[12]^[13]^[14] Первый основан на времени прибытия (TOA) и называется односторонним. Он требует априорной синхронизации между якорями и заключается в оценке задержки и вычислении диапазона как

${\hat {r}}=c\cdot {\hat {\tau }}$ где ${\hat {\tau }}$ относится к расчетной задержке пути LoS.

Второй метод основан на времени прохождения туда и обратно (RTT) и называется двусторонним диапазоном. Он заключается в следующей процедуре:

Первый якорь передает кадр данных
Второй якорь получает кадр и ждет фиксированное время. $T$
Подождав некоторое время $T$ , второй якорь передает кадр подтверждения
Первый якорь получает кадр подтверждения и оценивает задержку, накопленную с момента передачи исходного кадра данных.

Во втором случае расстояние между двумя якорями можно рассчитать как

${\hat {r}}={\frac {1}{2}}\cdot c\cdot ({\hat {\tau }}-T)$ Также в этом случае ${\hat {\tau }}$ относится к расчетной задержке пути LoS.

Плюсы и минусы

Выполнение ранжирования через СШП дает несколько преимуществ:

Мощность передачи очень низкая (0,1 мВт), что позволяет экономить заряд батареи и ограничивает помехи другим системам связи.
Благодаря низкой мощности передачи, высокому коэффициенту расширения и использованию эффективных троичных кодов дальности помехи очень ограничены.
Ограниченное вмешательство позволяет множеству различных систем (таких как Wi-Fi , Bluetooth , беспроводные телефоны и т. д.) работать в одном и том же диапазоне, не нанося вреда (или внося очень небольшие ухудшения) друг другу.
СШП работает в нелицензируемом спектре, поэтому лицензия не требуется, что делает эти системы относительно дешевыми.
Высокая разреженность во временной области и использование троичных кодов ранжирования позволяют повторно использовать высокие частоты, поскольку полоса намного больше, чем типичная требуемая скорость передачи данных.
Поскольку полоса пропускания велика, поддерживаются передачи данных с высокой скоростью в случае, если для выполнения локализации необходима передача данных с малой задержкой (например, передача опорного положения якоря, скорости и времени).
Точное временное разрешение (и, следовательно, дальность) может быть достигнуто за счет широкой полосы пропускания, что также позволяет точно различать реплики многолучевого распространения на стороне приемника.
Метод, основанный на RTT, не требует априорной синхронизации.

Однако есть и некоторые недостатки, связанные с системами СШП:

Из-за низких пределов мощности передачи системы СШП могут работать только на небольшом расстоянии, в противном случае сигнал будет необнаружим на стороне приемника.
Из-за большой полосы пропускания уровень мощности шума обычно высок, что ухудшает отношение сигнал/шум и, следовательно, точность измерения дальности.
Большая полоса пропускания требует высоких частот дискретизации, что может сделать трансиверы довольно дорогими.

См. также

Ссылки

^ «IEEE 802.15.4-2020: Стандарт для низкоскоростных беспроводных сетей» . ИИЭЭ . 2020. doi : 10.1109/IEESTD.2020.9144691 . ISBN 978-1-5044-6689-9 .
^ «Точность СШП измерения дальности» . ИИЭЭ . 2015.
^ Победа, МЗ; Шольц, РА (1998). «Импульсное радио: как это работает» . ИИЭЭ . 2 (2): 36–38. дои : 10.1109/4234.660796 .
^ «Дальность действия в условиях плотного многолучевого распространения с использованием радиоканала UWB» . ИИЭЭ . 2002.
^ «Спектральная плотность случайных сигналов СШП с расширенным спектром и скачкообразной перестройкой времени с равномерным временным джиттером» . ИИЭЭ . 1999.
^ Торриери, Дэн (2005). Принципы систем связи с расширенным спектром (5-е изд.). Спрингер.
^ «О сосуществовании системы СШП с GSM900, UMTS/WCDMA и GPS» . ИИЭЭ . 2002.
^ «Характеристики сверхширокополосной системы с расширением прямой последовательности в условиях многолучевого распространения, узкополосных помех и многопользовательских помех» . ИИЭЭ . 2002.
^ «О работе систем связи СШП и ДС с расширенным спектром» . ИИЭЭ . 2002.
^ «Оценка TOA для систем IR-UWB с различными типами приемопередатчиков» . ИИЭЭ . 2006.
^ «Производительность алгоритмов оценки TOA в различных условиях многолучевого распространения в помещении» . ИИЭЭ .
^ Валтенегус, Дарджи; Поэллабауэр, Кристиан (2010). Основы беспроводных сенсорных сетей: теория и практика . Уайли.
^ Гезичи, С.; Чжи Тянь; Яннакис, Великобритания; Кобаяши, Х.; Молиш, А.Ф.; Бедный, ХВ; Шахиноглу, З. (2005). «Локализация с помощью сверхширокополосной радиосвязи: взгляд на аспекты позиционирования будущих сенсорных сетей» . ИИЭЭ . 22 (4): 70–84. дои : 10.1109/MSP.2005.1458289 .
^ Зекават, Реза; Бюрер, Р. Майкл (2011). Справочник по позиционированию: теория, практика и достижения . Уайли.

Внешние ссылки

[1] «IEEE 802.15.4-2020: Стандарт для низкоскоростных беспроводных сетей» . ИИЭЭ . 2020. doi : 10.1109/IEESTD.2020.9144691 . ISBN 978-1-5044-6689-9 .

[2] «Точность СШП измерения дальности» . ИИЭЭ . 2015.

[3] Победа, МЗ; Шольц, РА (1998). «Импульсное радио: как это работает» . ИИЭЭ . 2 (2): 36–38. дои : 10.1109/4234.660796 .

[4] «Дальность действия в условиях плотного многолучевого распространения с использованием радиоканала UWB» . ИИЭЭ . 2002.

[5] «Спектральная плотность случайных сигналов СШП с расширенным спектром и скачкообразной перестройкой времени с равномерным временным джиттером» . ИИЭЭ . 1999.

[6] Торриери, Дэн (2005). Принципы систем связи с расширенным спектром (5-е изд.). Спрингер.

[7] «О сосуществовании системы СШП с GSM900, UMTS/WCDMA и GPS» . ИИЭЭ . 2002.

[8] «Характеристики сверхширокополосной системы с расширением прямой последовательности в условиях многолучевого распространения, узкополосных помех и многопользовательских помех» . ИИЭЭ . 2002.

[9] «О работе систем связи СШП и ДС с расширенным спектром» . ИИЭЭ . 2002.

[10] «Оценка TOA для систем IR-UWB с различными типами приемопередатчиков» . ИИЭЭ . 2006.

[11] «Производительность алгоритмов оценки TOA в различных условиях многолучевого распространения в помещении» . ИИЭЭ .

[12] Валтенегус, Дарджи; Поэллабауэр, Кристиан (2010). Основы беспроводных сенсорных сетей: теория и практика . Уайли.

[13] Гезичи, С.; Чжи Тянь; Яннакис, Великобритания; Кобаяши, Х.; Молиш, А.Ф.; Бедный, ХВ; Шахиноглу, З. (2005). «Локализация с помощью сверхширокополосной радиосвязи: взгляд на аспекты позиционирования будущих сенсорных сетей» . ИИЭЭ . 22 (4): 70–84. дои : 10.1109/MSP.2005.1458289 .

[14] Зекават, Реза; Бюрер, Р. Майкл (2011). Справочник по позиционированию: теория, практика и достижения . Уайли.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]