Перевод: Стандарт IEEE 802.15.4z. Что нас ждет в будущем? +6



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



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


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

Стандарт


Частотныйдиапазон (MHz)


PHY описание


802.15.4


3244–4742


HRP UWB нижнего диапазона


802.15.4


5944–10 234


HRP UWB высокого диапазона


802.15.4


6289.6–9185.6


LRP UWB


802.15.4


4940–4990


LMR DSSS DPSK


LMR DSSS BPSK


802.15.4


5725–5850


LMR DSSS DPSK


LMR DSSS BPSK


802.11-2016


4000


10, 20, 40 MHz межканальное расстояние


802.11-2016


4002.5


5


802.11-2016


4850


20


802.11-2016


4890


10,20, 80, 160 MHz межканальное расстояние


802.11-2016


4937.5


5 MHz межканальное расстояние


802.11-2016


5000


10, 20, 40, MHz межканальное расстояние


802.11-2016


5002.5  


5


802.11ax-D04


5935 — 7115


10,20, 80, 160


802.16-2012


3400 — 3800


 



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

Количество


Значение


Единицы


UWB TX PSD лимит


-41


дБм/МГц


Минимальный уровень теплового шума


-114


дБм/МГц


802.11 коэффициент шума устройства


6


дБ


Эффективный минимальный уровень шума при работе устройства 802.11


-108


дБм/МГц


Требуемое затухание сигнала UWB -> 802.11


67


дБ



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

Несущая частота


Потеря на контрольном расстоянии 1 м (округленная до ближайшего целого числа)


Необходимое расстояние разделения для достижения 67 дБ общего затухания сигнала (округленное до ближайшего большего целого числа)


3 ГГц


42 дБ


18 м


4 ГГц


44 дБ


14 м


5 ГГц


46 дБ


11 м


6 ГГц


48 дБ


9 м



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.

Список литературы
[1] IEEE Std. 802.15.2-2003, IEEE Recommended Practice for Information Technology – Telecommunications and Information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements – Part 15.2: Coexistence of Wireless Personal Area Networks with Other Wireless Devices Operating in Unlicensed Frequency Bands.

[2] IEEE Std. 802.15.4-2015, IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and Information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements – Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs).

[3] [Аpproved amendments that operate from 3.1 to 10.3 GHz]

[4] P802.15.4z/D06 IEEE Draft Standard for Information Technology – 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.

[5] IEEE Std. 802.11-2016 IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and Information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements – Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.

[6] P802.11ax/D04 IEEE P802.11ax/D4.0 Draft Standard for Information technology—telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks—Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 1: Enhancements for High Efficiency WLAN

[7] IEEE 15-06-0153-00-004a TG4a Coexistence Assurance

[8] 15-06-0220-00-004a TG4a Coexistence Assurance Document and Analysis

[9] IEEE P802.15-10-0918-01-004f TG4f Coexistence Assurance Document

[10] Doc. SE45(18)112R5 Monte Carlo studies for the UWB section of the report.

[11] IEEE P802.15-19-0143-00-004z D. Neirynck RLAN and UWB systems Coexistence Study

[12] S. J. Shellhammer, Estimating Packet Error Rate Caused by Interference – A Coexistence Assurance Methodology, IEEE 802.19-05/0029r0, September 14, 2005.

[13] IEEE P802. https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/06/15-06-0357-00-004a Analysis of Effective Data Rates

[14] Frequency Sharing for Radio Local Area Networks in the 6 GHz Band, RKF Engineering Solutions, January 2018

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (7):

  1. 7land
    /#20331764 / +1

    Не нашел описание сферы применения этой технологии. Возможно, невнимательно изучил статью.
    В заключении сказано, что отсутствует влияние на другие системы, работающие в тех же диапазонах. Где можно узнать об этом более подробно?

    • realtrac
      /#20333418

      Так как в UWB Alliance вступили в первую очередь производители смартфонов, то я делаю предположение, что технология будет использоваться в них. Для беспроводной передачи данных на высоких скоростях между смартфонами и другой умной технико: приставками, телевизорами 4К и выше, проекторами и прочим оборудованием, где требуется высокоскоростная передача данных.

      • 7land
        /#20333562

        А основания?

        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.

        Это непохоже на правду. В таких формулировках, по крайней мере.
        Хотя в статье описаны результаты тестов. Поживем, увидим… :)

        • realtrac
          /#20333632

          Простите не понял основания для чего?

          По поводу влияния на другие системы. Проводились испытания влияния на WLAN. По поводу конкретных диапазонов и технологий информация есть в отдельных отчетах. Я планирую в будущем опубликовать перевод этих отчетов с результатами тестирования.

          • 7land
            /#20333796

            Основания для еще одного набора технологий в тех же диапазонах частот.
            Это еще один модуль в телефоне, еще один приемопередатчик и еще больше требования к батарейке и взаимные помехи.

            P2P или P2MP (точка-точка или точка-многоточка)? Из статьи непонятно.

            • realtrac
              /#20333814

              Не являясь сотрудником компании разработчика смартфонов предположу, что планируется какой то переход на более производительную технологию передачи данных (некий беспроводной HDMI) с отказом от какой-то текущей технологии. Или отказ от USB/Bluetooth или еще чего. В любом случае это работа компаний Apple и Samsung на перспективу.

              Мы данную технологию используем только для определения местоположения радиоузла с точностью до 1 метра. И именно по этому в рабочей группе есть сотрудники компании Decawave, так как они себя видят в первую очередь неким Qualcomm от мира UWB технологий.