Übersetzung: IEEE 802.15.4z Standard. Was erwartet uns in Zukunft?

Hallo Habr! Ich präsentiere Ihnen die Übersetzung des Artikels "IEEE P802.15. Drahtlose persönliche Netzwerke . "



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

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

Im Februar 2019 wurde die gemeinnützige Organisation UWB Alliance gegründet. Die Allianz umfasst Unternehmen wie Apple, Hyundai, Kia, Zebra, Decawave, Alteros, Novelda, Ubisense und andere.

Um die Arbeit zur Förderung und Verbesserung der Technologie zur Übertragung von Funksignalen in einem Ultra-Wide-Band (UWB oder UWB) zu koordinieren. Innerhalb dieser Organisation wurde eine Arbeitsgruppe zur Entwicklung des IEEE 802.15.4z-Standards eingerichtet.

Guten Tag. Mein Name ist Eugene, ich arbeite für RealTrac Technologies. Ich schlage Ihrem Gericht eine Übersetzung des Berichts über die Arbeit der IEEE 802.15.4z-Standardentwicklungsgruppe vor und beantworte gerne Fragen zur aktuellen Situation mit Ultrabreitbandtechnologien, Entwicklungspfaden und Anwendungen.

Einführung

Dieses Dokument enthält eine kurze Kompatibilitätsanalyse, die durchgeführt wurde, um die Leistung von Systemen unter Verwendung von 802.15.4-2015 HRP und LRP PHY in der durch P802.15.4z geänderten Fassung in Bezug auf andere 802-Funkstandards zu bewerten, die möglicherweise in demselben Bereich arbeiten. .

1. Terminologie

Die in diesem Dokument verwendeten Begriffe haben folgende Bedeutung:

„Grundstandard“ bezeichnet den Standard 802.15.4-2015 und alle zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments genehmigten Änderungen.

"802.15.4" bedeutet den Grundstandard.

„Diese Änderung“ bedeutet Änderung P802.15.4z: Änderung des Standards für drahtlose Netzwerke mit niedriger Geschwindigkeit: Verbesserte Impulse mit hoher Geschwindigkeit (HRP), Impulse mit niedriger Geschwindigkeit (LRP), UWB in der physischen Umgebung (PHYs) und verwandte Methoden zur Bestimmung des Frequenzbereichs.

2. Übersicht

Systeme, die auf 802.15.4 UWB basieren, sind weltweit weit verbreitet. Die ursprüngliche Version von 802.15.4a-2007 enthielt den HRP UWB PHY im Standard, und der LRP UWB PHY wurde zu 802.15.4f-2010 hinzugefügt. Die Änderung P802.5.4z gilt sowohl für UWB PHY als auch für neue und vorhandene Anwendungen. Aktuelle UWB-Systeme arbeiten weltweit mit sehr geringen spektralen Leistungsdichten. Dieses Dokument enthält eine Analyse der Kompatibilität mit anderen drahtlosen 802-Standardsystemen, einschließlich älterer Versionen von 802.15.4 und aktuellen 802.11-Systemen.

Es gibt viele Quellen für UWB-Kompatibilitätsinformationen. Die in diesem Dokument verwendete Methode besteht darin, die Ergebnisse hinsichtlich der Kompatibilität zwischen 802-Funksystemen zusammenzufassen, die in denselben Frequenzbereichen arbeiten können. Verweise auf CAD 802.15.4a [8] und 802.15.4f [9] sowie Studien [10] [11] beschreiben die Kompatibilität von UWB PHY mit folgenden Systemen:

• 802.15.4 PHY arbeitet in überlappenden Frequenzbändern
• 802.16 im Bereich von 3,4 bis 3,8 GHz
• 802.11 OFDM im 5-GHz- und 6-GHz-Band.

Überall auf der Welt senden UWB-Systeme mit sehr geringer Leistung, die typischerweise auf Grenzwerte für die spektrale Leistungsdichte (PSD) beschränkt ist, die mit für unbeabsichtigte Emitter festgelegten störenden und / oder unbeabsichtigten elektromagnetischen Emissionen vereinbar sind. Beispielsweise liegt in den USA sowie in vielen Teilen Asiens und Europas die PSD-Grenze bei -41,3 dBm.

2.1 Übersicht über UWB 802.15.4z

2.1.1 Frequenzbereiche berücksichtigt

Abbildung 1 zeigt die im Basisstandard definierten und durch diese Änderung ergänzten 802.15.4-UWB-Kanalpläne. Die Änderung 802.15.4z definiert neue Geräte mit erweiterten Funktionen, die in Bezug auf Hochgeschwindigkeitskanäle funktionieren. In dieser Änderung sind keine Änderungen an Geräten enthalten, die mit langsamen Kanalplänen arbeiten.


Abbildung 1: Spektrale Grafiken

Diese Änderung erweitert den in der Abbildung gezeigten LRP-Kanalplan um Kanaldefinitionen im oberen Bereich des UWB. Diese Änderung ändert nichts am HRP-Kanalplan. Das hervorgehobene „Global Accessible UWB Spectrum“ zeigt die Kanäle in Bezug auf UWB-Kanäle, die in allen regulatorischen Bereichen verfügbar sind, die LRP- und HRP-Geräte unterstützen, wie im Basisstandard und in dieser Änderung definiert. Andere Kanäle sind in einer begrenzten Anzahl von Regulierungsbereichen verfügbar.

2.1.2 Relevante 802-Standards

In Tabelle 1 sind andere 802-Standards aufgeführt, die in überlappenden Bereichen arbeiten können. Diese Informationen stammen aus Anhang E zu [5] und [6].

Tabelle 1: Andere thematische Funkstandards 802


Beachten Sie, dass die meisten WLAN-Anwendungen einen Kanalabstand von 20 bis 80 MHz verwenden. Die in diesem Dokument genannte Analyse bezieht sich hauptsächlich auf Kanalabstände von 5 bis 160 MHz.

2.1.3 LRP PHY

Diese Änderung erweitert LRP PHY um die folgenden Funktionen:

• Neue PHY-Paketformate
  Die Bilddauer ist wahrscheinlich kürzer - weniger Belichtung und weniger Belichtung.
  
  Weniger Impulse und kürzere Paketlängen
  Robuster in Interferenzen
  PSD und Peak Level stimmen mit dem vorherigen UWB überein
  Das Energieniveau bleibt unverändert.
  Das Senden eines Pakets erfordert weniger Zeit und Energie
  
• Neue Modulation und PRF
  
  Keine Änderung der Belichtung
  Kann lärmtoleranter sein
  

2.1.4 HRP

Diese Änderung fügt HRP PHY die folgenden Merkmale hinzu:

• Neue Modulation und PRF
  
  Verwendet kein BPM
  Der PRF-Peak hat sich nicht geändert
  Der Durchschnittswert von PRF kann variieren, entspricht jedoch der gleichen Energie im Regelbereich
  Mit neuen Codes können Sie Daten mit einer höheren PRF-Rate übertragen. Weniger Frames reduzieren die Frame-Übertragungszeit
  Die Erhöhung der Datenübertragungsgeschwindigkeit hat zu niedrigeren Kosten geführt.
  
• Hinzufügen zusätzlicher Präambelcodes
• Auswirkungen auf die bisherige Form der HRP
  
  Neue Codes werden von alten Geräten ignoriert
  Kompatible PHY-Modi für die Interaktion mit Legacy-Geräten
  
• Zuverlässigere Übertragung
  
  Bessere Kontrolle der momentanen Spitzenleistung
  Die Anzahl der erforderlichen Relais wird reduziert
  

2.1.5 MAC-Verbesserungen und ihre Auswirkungen auf die Kompatibilität

Die durch diese Änderung hinzugefügten neuen MAC-Funktionen verwenden die vorhandenen MAC-Funktionen, um die Kompatibilität mit älteren 802.15.4-Geräten sicherzustellen und die getesteten Kompatibilitätsfunktionen des Standards beizubehalten.
Der MAC wird durch diese Änderung durch die Bestimmungen zur Entfernungsmessung in einem Übertragungsmedium wie folgt ergänzt:

• Broadcast / Multicast: Broadcast-Planung und Multicast-Kommunikation
• Neue Informationselemente zur Übertragung von Informationen zur Messung der Austauschentfernung relevanter Informationen
• MAC-Funktionen zur Überwachung der Entfernungsmessung mit verbesserter Integritätsprüfung
• Änderungen in SAP MAC zur Unterstützung neuer Tools für Ranking und Datenaustausch

Die Kanalzugriffsmethoden, die zum Auswerten des Kanalstatus und zum Starten der Datenübertragung verwendet werden, werden durch diese zusätzlichen MAC-Funktionen nicht geändert. Die Auswirkungen auf die Kompatibilität sind minimal.

2.2 Übersicht über die Kompatibilitätsmechanismen in 802.15.4

Die Kompatibilitätsmechanismen in Abschnitt 802.15.4 sind in [8] und [9] beschrieben. Die Kompatibilität wird dank der in [13] erläuterten MAC-Architektur auch durch den inhärenten kurzen Arbeitszyklus von 802.15.4 verbessert.

An dieser Änderung vorgenommene MAC-Änderungen wirken sich nur minimal auf die Kompatibilität aus:

• Neue Planungsfunktionen sind ähnlich und kompatibel mit vorhandenen Kanalzugriffskontrollmechanismen (CSMA-CA).
• Die neuen Funktionen behalten die Kompatibilität hinsichtlich Lastreduzierung, effizientem Arbeitszyklus und Zugangskontrolle zu Kanälen bei, wie in [8] beschrieben.

UWB-PHYs arbeiten mit sehr geringer Leistung, typischerweise an oder unter den Grenzen der elektromagnetischen Hintergrundemissionen. Dies begrenzt normalerweise die Auswirkungen von UWB-Emittern auf andere Systeme.

2.3 Methodik der Kompatibilitätsanalyse

Die in diesem Dokument genannten Kompatibilitätsstudien werden im Allgemeinen gemäß der in [12] beschriebenen Methodik durchgeführt und betrachten jedes System sowohl als Subjekt als auch als Objekt des Einflusses. In diesem Dokument wurde eine Kompatibilitätsanalyse auf Übereinstimmung mit den aktuellen 802-Standards überprüft. Hier präsentieren wir relevante Ergebnisse. Die 802-Funkstandards ändern sich, daher wurden weitere Untersuchungen durchgeführt und verbreitet, um insbesondere die Interoperabilität zwischen 802.15.4 UWB- und 802.11-Systemen zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Studien werden in diesem Artikel vorgestellt.

Die in diesem Artikel zitierten Kompatibilitätsstudien [10] und [11] verwenden die Monte-Carlo-Simulationstechnik, um mögliche Auswirkungen bei der gemeinsamen Nutzung des Spektrums zu bewerten.

3. Verschiedene Systeme mit den gleichen Frequenzbändern

Diese Klausel enthält Kompatibilitätsfaktoren mit anderen 802-Systemen, die in denselben Frequenzbereichen arbeiten. In dieser Klausel bedeuten sie mit verschieden, dass sie sich von der IR-UWB unterscheiden, die gemäß den 802.15.4 LRP- oder HRP PHY-Spezifikationen arbeitet.

3.1 802.11-Kompatibilität

Wie in Anhang E zu [5] und [6] ausführlich beschrieben, können 802.11-Systeme in verschiedenen Bereichen, wie in Tabelle 1 gezeigt, mit Kanalabständen von 5 MHz bis 160 MHz betrieben werden. 802.11-WLAN-Geräte können in einigen Regionen mit einer relativ hohen EIIRP-Leistung von bis zu 1000 mW (30 dBm) betrieben werden. UWB-Geräte arbeiten mit einem durchschnittlichen EIRP von - 41,3 dBm / MHz. 802.15.4 UWB-Geräte verwenden eine nominelle Bandbreite von 500 MHz oder höher.

Die Studien [10] und [11] präsentieren Simulationsergebnisse, die die Auswirkungen von 802.11-Systemen veranschaulichen, die in der Nähe von 802.15.4-UWB-basierten Systemen arbeiten. Die Studie untersucht verschiedene Bereitstellungsszenarien und Betriebsbedingungen.

3.1.1 Auswirkungen von WLAN auf 802.15.4 UWB

Die Ergebnisse für die in [10] und [11] beschriebenen Szenarien veranschaulichen mögliche Auswirkungen. Die WGSE PT45-Studie [10] berücksichtigt sowohl Einzelstörungen als auch Gesamtstörungen mithilfe von Simulationsmethoden in Kombination mit aktiven Signalmessdaten. Die Ergebnisse zeigen, dass Störungen durch ein 802.11-WLAN bis zu 946 Metern zu einem Empfindlichkeitsverlust von mehr als 3 dB in UWB-Kommunikations- und Standortverfolgungssystemen führen. Für die Sondierung beträgt der entsprechende Abstand 212 Meter. Eine Gesamtbewertung der Interferenzen während der Monte-Carlo-Simulation zeigt, dass bei einem WLAN-Arbeitszyklus von 1,97% die Wahrscheinlichkeit einer Abnahme der Empfindlichkeit für UWB-Kommunikations- und Standortverfolgungsgeräte mehr als 3 dB beträgt und zwischen 5 und 15% liegt.

Bei Sensoren beträgt die Wahrscheinlichkeit einer Abnahme der Empfindlichkeit um mehr als 3 dB 3 bis 6%. In [11] werden mithilfe von Modellierungsmethoden zusätzliche Konfigurationen und Szenarien untersucht. Studien zeigen signifikante Auswirkungen sowohl auf die Kommunikation als auch auf die Reichweite / den Standort. Diese Studie enthält auch Empfehlungen zur Schadensbegrenzung zur Verbesserung der Interoperabilität.

3.1.2 Auswirkungen von 802.15.4 UWB auf 802.11 WLAN

UWB-Geräte arbeiten mit einem durchschnittlichen EIRP von -41 dBm / MHz. Die zur Begrenzung des Empfindlichkeitsverlusts eines UWB 802.11-Geräts um 3 dB erforderliche Signaldämpfung ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle 2: Berechnung des Interferenzschwellenwerts für ein 802.11-System


Im schlimmsten Fall ist das Signaldämpfungsmodell bei der Steuerentfernung d0 = 1 m.

Im 6-GHz-Band beträgt sie 48 dB, basierend auf der Friis-Gleichung.

Bei Verwendung dieses Modells beträgt die erforderliche Diversität für die Signaldämpfung von 67 dB weniger als 9 m. Bitte beachten Sie, dass dies das Worst-Case-Szenario ist, da Screening-Effekte und indirekte Sichtbarkeitsbereiche nicht berücksichtigt werden. Sie werden die erforderliche Vielfalt weiter reduzieren.
Zur Veranschaulichung zeigt die folgende Tabelle die Dämpfung des Signals bei der Referenzentfernung d0 sowie die minimal erforderlichen Abstände, beispielsweise Frequenzen von 3 GHz bis 6 GHz:

Tabelle 3 Referenz für Pfadverlust

3.2 802.15.4-kompatible Systeme

RCC-PHYs können in Bereichen betrieben werden, wie in Tabelle 1 gezeigt. Offensichtlich werden RCC-PHYs nicht in unmittelbarer Nähe von UWB-Systemen betrieben. RCC wird hauptsächlich im Freien und in der Nähe von Eisenbahnlinien eingesetzt.

3.3 Andere in Betracht gezogene drahtlose 802-Systeme

Link [8] beschreibt detailliert die Kompatibilitätseigenschaften zwischen Systemen, die auf 802.15.4 UWB und 802.16 basieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der PER-Wert bei einem Abstand von 1 m unter 1% fällt. Wenn der Abstand> 6,9 m ist, wird der Effekt des LWP-UWB-Signals auf 802.16 vernachlässigbar.

Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung des 802.16-Systems als Störquelle und des HRP-UWB-Systems als Einflussobjekt der Indikator bei einem Abstand von 44 m unter 1% fällt und bei einem Abstand von mehr als 140 m unbedeutend wird.

Die Signalstruktur, Bandbreite und Leistungsspektraldichte des LRP-Symbols ist dem HRP-Signal ziemlich ähnlich, daher sollten die Ergebnisse für LRP denen in Lit. [8] ähnlich sein.

4. 802.15.4 UWB-System

Diese Bestimmung beschreibt die Kompatibilitätssituation für diese Änderung und vorhandene 802.15.4-UWB-Systeme.

4.1 HRP

Die alten HRP-Modi 802.15.4a und 802.15.4z verwenden Präambelsequenzen zum Synchronisieren und Messen von Entfernungen. Beide Sequenzstandards sind so ausgelegt, dass sie unter Interferenzbedingungen zuverlässiger sind. Sequenzen in beiden Standards weisen eine sehr geringe Korrelation mit Sequenzen in einem anderen Standard auf. Interstandard-Interferenzen zwischen Präambeln sind nahezu identisch mit Intra-Standard-Interferenzen. Beide Standards verwenden eine Bandbreite von 500 MHz. Beide verwenden ein 128-ns-Symbol für den Betrieb mit ~ 7 Mbit / s und ein 32-ns-Symbol für den Betrieb mit ~ 30 Mbit / s. 802.15.4z HRP verwendet höhere PRF-Werte als 802.15.4z HRP. Die automatische Anpassung der Sendeleistung kann aufgrund von Einschränkungen des Spitzenspektrums geringfügig variieren. Die Interstandardinterferenz ist jedoch im Wesentlichen dieselbe wie die Intrastandardinterferenz.

4.2 LRP

Änderungen an dieser Änderung hängen von derselben Kanalzugriffsmethode ab und haben voraussichtlich die gleichen Auswirkungen wie die Verfügbarkeit zusätzlicher veralteter LRP-Geräte im Bereich des Funkeinflusses. Die in [9] beschriebenen Kompatibilitätsmechanismen sind identisch. Es wird erwartet, dass Glasfasersysteme mit einem sehr niedrigen Arbeitszyklus arbeiten.

5. Fazit

Die in dieser Änderung beschriebenen UWB-Systeme haben nur minimale oder keine Auswirkungen auf andere 802-Funksysteme, die im Bereich des Funkeinflusses arbeiten. Niedrige Signalleistung und niedriges Tastverhältnis verringern die Auswirkungen von Störungen durch das UWB-Signal auf andere Systeme als UWB. Insbesondere werden die Auswirkungen auf andere Systeme, die auf 802.15.4 und 802.11 basieren, in derselben Sphäre des Funkeinflusses normalerweise nicht erfasst.

Wenn Sie im gleichen Bereich des Funkeinflusses wie ältere UWB 802.15.4-Systeme arbeiten, sind die Auswirkungen von Systemen, die gemäß dieser Änderung arbeiten, gleich oder geringer als die Auswirkungen zusätzlicher älterer Geräte. Das Hinzufügen von Präambeln und STS verringert die Auswirkungen auf ältere UWBs, da diese Signale in älteren Systemen nicht erkennen und daher unter dem Rauschpegel liegen.

Als Störobjekt sind die in dieser Änderung beschriebenen UWB-Systeme mit herkömmlichen UWB-Systemen kompatibel, da die Signale von ihnen erkannt und ordnungsgemäß verarbeitet werden. Bei Vorhandensein von 802.11-basierten Systemen, die in unmittelbarer Nähe arbeiten, werden aufgrund des höheren Stromverbrauchs erhebliche Auswirkungen auf das UWB-System erwartet. Der Grad der Auswirkung hängt am meisten vom Betriebszyklus des Systems (der Systeme) 802.11 ab. Die physikalische Trennung verringert die Exposition.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Wenn Sie Fragen zur UWB-Technologie und ihrem aktuellen Entwicklungsstand haben, bin ich bereit, Ihre Fragen in den Kommentaren zu beantworten.