Traduction: Norme IEEE 802.15.4z. Qu'est-ce qui nous attend dans le futur?

Bonjour, Habr! Je vous présente la traduction de l'article "IEEE P802.15. Réseaux personnels sans fil . "



<sup>Traduction de l'article: mentor.ieee.org/802.15/documents?is_dcn=coexistence%20document&is_group=004z

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

En février 2019, l'organisation à but non lucratif UWB Alliance a été créée. L'alliance comprend des sociétés telles que: Apple, Hyundai, Kia, Zebra, Decawave, Alteros, Novelda, Ubisense et autres.

Afin de coordonner les travaux de promotion et d'amélioration de la technologie de transmission des signaux radio dans une bande ultra large (UWB ou UWB). Au sein de cette organisation, un groupe de travail a été créé pour développer la norme IEEE 802.15.4z.

Bon après-midi Je m'appelle Eugene, je travaille pour RealTrac Technologies. Je propose à votre tribunal une traduction du rapport sur les travaux du groupe de développement de la norme IEEE 802.15.4z, et je serai également heureux de répondre aux questions sur la situation actuelle des technologies ultra-large bande, des voies de développement et des applications.

Présentation

Ce document fournit une brève analyse de compatibilité qui a été réalisée pour évaluer les performances des systèmes utilisant 802.15.4-2015 HRP et LRP PHY tel que modifié par P802.15.4z par rapport aux autres normes sans fil 802 qui peuvent fonctionner dans la même plage. .

1. Terminologie

Les termes utilisés dans ce document ont les significations suivantes:

«Norme de base» désigne la norme 802.15.4-2015 et tous les amendements approuvés au moment de la préparation de ce document.

«802.15.4» signifie la norme de base.

«Cet amendement» signifie l'amendement P802.15.4z: Amendement de la norme pour les réseaux sans fil à faible vitesse: impulsions haute vitesse améliorées (HRP), impulsions basse vitesse (LRP), UWB dans l'environnement physique (PHY) et méthodes de détermination de la plage de fréquences associées.

2. Présentation

Les systèmes basés sur 802.15.4 UWB sont largement utilisés dans le monde. La version initiale de 802.15.4a-2007 incluait le HRP UWB PHY dans la norme, et le LRP UWB PHY a été ajouté au 802.15.4f-2010. L'amendement P802.5.4z s'applique à la fois à UWB PHY et aux applications nouvelles et existantes. Les systèmes UWB actuels fonctionnent dans le monde entier à des densités spectrales de très faible puissance. Ce document fournit une analyse de la compatibilité avec d'autres systèmes sans fil standard 802, y compris les anciennes versions de 802.15.4 et les systèmes 802.11 actuels.

Il existe de nombreuses sources d'informations sur la compatibilité UWB. La méthode utilisée dans ce document est de résumer les résultats concernant la compatibilité entre 802 systèmes sans fil capables de fonctionner dans les mêmes gammes de fréquences. Les références à CAD 802.15.4a [8] et 802.15.4f [9] et aux études [10] [11] décrivent la compatibilité de UWB PHY avec les systèmes suivants:

• 802.15.4 PHY fonctionnant dans des bandes de fréquences qui se chevauchent
• 802.16 fonctionnant dans la plage de 3,4 à 3,8 GHz
• OFDM 802.11 fonctionnant dans les bandes 5 GHz et 6 GHz.

Partout dans le monde, les systèmes UWB émettent avec une très faible puissance, généralement limitée par les limites de la densité spectrale de puissance (PSD), compatible avec les émissions électromagnétiques parasites et / ou involontaires établies pour les émetteurs non intentionnels. Par exemple, aux États-Unis, ainsi que dans de nombreuses régions d'Asie et d'Europe, la limite de PSD est de -41,3 dBm.

2.1 Présentation de UWB 802.15.4z

2.1.1 Gammes de fréquences considérées

La figure 1 montre les plans de canaux UWB 802.15.4 définis dans la norme de base et complétés par cet amendement. L'amendement 802.15.4z définit de nouveaux appareils avec des capacités de portée étendue qui fonctionnent en termes de canaux à haute vitesse; aucun changement aux appareils fonctionnant sur des plans de canaux à faible vitesse n'est inclus dans cet amendement.


Figure 1: Graphiques spectraux

Cet amendement étend le plan de canaux LRP, comme indiqué sur la figure, avec l'ajout de définitions de canaux à la plage supérieure de l'UWB. Cet amendement ne modifie pas le plan des canaux HRP. Le «spectre UWB accessible à l'échelle mondiale» mis en évidence illustre les canaux en termes de canaux UWB qui sont disponibles dans tous les domaines réglementaires qui prennent en charge les dispositifs LRP et HRP tels que définis dans la norme de base et cet amendement. D'autres canaux sont disponibles dans un nombre plus limité de domaines réglementaires.

2.1.2 Normes 802 pertinentes

Le tableau 1 répertorie les autres normes 802 qui peuvent fonctionner dans des plages qui se chevauchent. Ces informations sont extraites des annexes E à [5] et [6].

Tableau 1: Autres normes sans fil thématiques 802


Notez que la plupart des applications WLAN utilisent un espacement des canaux de 20 à 80 MHz. L'analyse à laquelle se réfère ce document concerne principalement l'espacement des canaux de 5 à 160 MHz.

2.1.3 LRP PHY

Cette modification étend LRP PHY pour prendre en charge les fonctionnalités suivantes:

• Nouveaux formats de package PHY
  La durée de l'image est susceptible d'être plus courte - moins d'exposition et moins d'exposition.
  
  Moins d'impulsions et des longueurs de paquets plus courtes
  Plus robuste en interférence
  Le PSD et le niveau de crête correspondent à l'UWB précédent
  Les niveaux d'énergie restent inchangés.
  Il faut moins de temps et d'énergie pour transmettre un paquet
  
• Nouvelle modulation et PRF
  
  Aucun changement d'exposition
  Peut être plus tolérant au bruit
  

2.1.4 HRP

Cet amendement ajoute les caractéristiques suivantes à HRP PHY:

• Nouvelle modulation et PRF
  
  N'utilise pas BPM
  Le pic du PRF n'a pas changé
  La valeur moyenne de PRF peut varier, mais est égale à la même énergie dans la plage réglementaire
  De nouveaux codes vous permettent de transférer des données avec un taux de PRF plus élevé, moins de trames réduiront le temps de transmission des trames
  L'augmentation de la vitesse de transfert des données a entraîné une baisse des coûts.
  
• Ajout de codes de préambule supplémentaires
• Impact sur la forme précédente de HRP
  
  Nouveaux codes ignorés par les anciens appareils
  Modes PHY compatibles pour interagir avec les appareils hérités
  
• Transmission plus fiable
  
  Meilleur contrôle de la puissance de crête instantanée
  Le nombre de relais requis est réduit
  

2.1.5 Améliorations MAC et leur impact sur la compatibilité

Les nouvelles fonctionnalités MAC ajoutées par cet amendement utilisent les fonctionnalités MAC existantes pour assurer la compatibilité avec les périphériques 802.15.4 hérités, ainsi que pour préserver les fonctionnalités de compatibilité testées fournies par la norme.
Le MAC est complété par cet amendement avec les dispositions utilisées pour mesurer la distance dans un support de transmission comme suit:

• Diffusion / multidiffusion: planification de la diffusion et communication multidiffusion
• Nouveaux éléments d'information pour la transmission d'informations utilisés pour mesurer la distance d'échange d'informations pertinentes
• Fonctionnalités MAC pour la surveillance de la mesure de distance avec vérification de l'intégrité améliorée
• Changements dans SAP MAC pour prendre en charge de nouveaux outils de classement et de partage de données

Les méthodes d'accès au canal utilisées pour évaluer l'état du canal et commencer à transmettre des données ne sont pas modifiées par ces fonctions MAC supplémentaires. L'impact sur la compatibilité est minime.

2.2 Vue d'ensemble des mécanismes de compatibilité dans 802.15.4

Les mécanismes de compatibilité du paragraphe 802.15.4 sont décrits dans [8] et [9]. La compatibilité est également améliorée par le cycle de fonctionnement court inhérent à 802.15.4, grâce à l'architecture MAC, comme expliqué dans [13].

Les modifications MAC apportées à cet amendement auront un impact minimal sur la compatibilité:

• Les nouvelles capacités de programmation sont similaires et compatibles avec les mécanismes de contrôle d'accès aux canaux existants (CSMA-CA)
• Les nouvelles fonctionnalités conservent la compatibilité en termes de réduction de charge, de rapport cyclique efficace et de contrôle d'accès aux canaux, comme décrit dans [8]

Les PHY UWB fonctionnent à très faible puissance, généralement au niveau ou en dessous des limites des émissions électromagnétiques de fond. Cela limite généralement l'impact des émetteurs UWB sur d'autres systèmes.

2.3 Méthodologie d'analyse de compatibilité

Les études de compatibilité citées dans ce document sont généralement réalisées selon la méthodologie décrite en [12] et en considérant chaque système à la fois comme sujet et comme objet d'influence. Dans ce document, une analyse de compatibilité a été examinée pour sa conformité aux normes 802 actuelles, et nous présentons ici les résultats pertinents. Les normes sans fil 802 étant en train de changer, de nouvelles recherches ont été menées et diffusées évaluant spécifiquement l'interopérabilité entre les systèmes 802.15.4 UWB et 802.11. Les résultats de ces études sont présentés dans cet article.

Les études de compatibilité [10] et [11] citées dans cet article utilisent la technique de simulation de Monte Carlo pour évaluer les impacts potentiels lors du partage du spectre.

3. Différents systèmes avec les mêmes bandes de fréquences

Cette clause présente des facteurs de compatibilité avec d'autres systèmes 802 fonctionnant dans les mêmes gammes de fréquences. Dans cette clause, par divers, ils signifient différents de l'IR-UWB fonctionnant conformément aux spécifications 802.15.4 LRP ou HRP PHY.

3.1 Compatibilité 802.11

Comme décrit en détail dans les Appendices E à [5] et [6], les systèmes 802.11 peuvent fonctionner dans différentes gammes, comme indiqué dans le Tableau 1, avec un espacement des canaux de 5 MHz à 160 MHz. Les périphériques WLAN 802.11 peuvent fonctionner avec une puissance EIIRP relativement élevée pouvant atteindre 1000 mW (30 dBm) dans certaines régions. Les appareils UWB fonctionnent avec une PIRE moyenne limitée à - 41,3 dBm / MHz. Les appareils UWB 802.15.4 utilisent une bande passante nominale de 500 MHz ou plus.

Des études [10] et [11] présentent des résultats de simulation illustrant les effets de systèmes 802.11 fonctionnant à proximité de systèmes basés sur 802.15.4 UWB. L'étude examine divers scénarios de déploiement et conditions d'exploitation.

3.1.1 Impact du WLAN sur l'UWB 802.15.4

Les résultats des scénarios décrits dans [10] et [11] illustrent les impacts potentiels. L'étude WGSE PT45 [10] considère à la fois les interférences uniques et les interférences totales en utilisant des méthodes de simulation en combinaison avec des données de mesure de signal actives. Les résultats montrent que les interférences d'un LAN sans fil 802.11 jusqu'à 946 mètres entraînent une perte de sensibilité de plus de 3 dB dans les systèmes de communication UWB et de localisation. Pour le sondage, la distance correspondante est de 212 mètres. Une évaluation totale des interférences lors de la simulation de Monte Carlo montre qu'avec un rapport cyclique WLAN de 1,97%, la probabilité d'une diminution de la sensibilité aux communications UWB et aux dispositifs de localisation est de plus de 3 dB et varie de 5 à 15%.

Pour les capteurs, la probabilité d'une diminution de sensibilité de plus de 3 dB est de 3 à 6%. Dans [11] à l'aide de méthodes de modélisation, des configurations et des scénarios supplémentaires sont étudiés. Les études montrent des effets significatifs sur la communication et la portée / l'emplacement. Cette étude comprend également des recommandations d'atténuation pour améliorer l'interopérabilité.

3.1.2 Impact de l'UWB 802.15.4 sur le WLAN 802.11

Les appareils UWB fonctionnent avec une pire moyenne de -41 dBm / MHz, l'atténuation du signal requise pour limiter la perte de sensibilité d'un appareil UWB 802.11 de 3 dB est indiquée dans le tableau ci-dessous.

Tableau 2: Calcul du seuil d'interférence pour un système 802.11


Dans le pire des cas, le modèle d'atténuation du signal à la distance de contrôle d0 = 1m.

Dans la bande des 6 GHz, elle est de 48 dB, sur la base de l'équation de Friis.

En utilisant ce modèle, la diversité requise pour l'atténuation du signal de 67 dB est inférieure à 9 m. Veuillez noter que c'est le pire des cas puisque les effets de filtrage et les zones de visibilité indirecte ne sont pas pris en compte; ils réduiront encore la diversité requise.
Pour illustrer, le tableau suivant montre l'atténuation du signal à la distance de référence d0, ainsi que les distances de séparation minimales requises, par exemple, des fréquences de 3 GHz à 6 GHz:

Tableau 3 Référence pour l'affaiblissement sur le trajet

3.2 Systèmes compatibles 802.15.4

Les RCC PHY peuvent fonctionner dans les plages indiquées dans le tableau 1. Apparemment, les RCC PHY ne seront pas exploités à proximité des systèmes UWB. Le RCC est principalement utilisé à l'extérieur et à proximité des voies ferrées.

3.3 Autres systèmes sans fil 802 considérés

Le lien [8] décrit en détail les propriétés de compatibilité entre les systèmes basés sur 802.15.4 UWB et 802.16. Les résultats montrent que la valeur PER tombe en dessous de 1% à une distance d'espacement de 1 m, et lorsque la distance d'espacement est> 6,9 m, l'effet sur 802.16 du signal UWB LRP devient négligeable.

Les résultats montrent qu'en utilisant le système 802.16 comme source d'interférence et le système HRP UWB comme objet d'influence, l'indicateur tombe en dessous de 1% à une distance de séparation de 44 m et à une distance de séparation de plus de 140 m devient insignifiant.

La structure du signal, la largeur de bande et la densité spectrale de puissance du symbole LRP sont assez similaires au signal HRP, donc les résultats pour LRP devraient être similaires à ceux montrés dans la réf. [8].

4. Système UWB 802.15.4

Cette disposition décrit la situation de compatibilité pour cet amendement et les systèmes UWB 802.15.4 existants.

4.1 HRP

L'ancien HRP 802.15.4a et les nouveaux modes HRP 802.15.4z utilisent des séquences de préambule pour synchroniser et mesurer les distances. Les deux normes de séquence sont conçues pour être plus fiables dans des conditions d'interférence. Les séquences des deux normes auront une très faible corrélation avec les séquences d'une autre norme. L'interférence inter-standard entre les préambules sera presque identique à l'interférence intra-standard. Les deux normes utilisent une bande passante de 500 MHz. Les deux utilisent un symbole 128 ns pour un fonctionnement à ~ 7 Mbps et un symbole 32 ns pour un fonctionnement à ~ 30 Mbps. 802.15.4z HRP utilise des valeurs PRF plus élevées que 802.15.4z HRP. L'ajustement automatique de la puissance de transmission peut varier légèrement en raison des limitations du spectre de crête. Cependant, l'interférence inter-étalon sera essentiellement la même que l'interférence intra-étalon.

4.2 LRP

Les modifications apportées à cet amendement dépendent de la même méthode d'accès aux canaux et devraient avoir le même impact que la disponibilité de dispositifs LRP obsolètes supplémentaires dans le domaine de l'influence radio. Les mécanismes de compatibilité décrits dans [9] sont identiques. Les systèmes en fibre de verre devraient fonctionner à un cycle d'utilisation très faible.

5. Conclusion

Les systèmes UWB décrits dans cet amendement auront un impact minimal ou nul sur les autres systèmes sans fil 802 fonctionnant dans le domaine de l'influence radio. La faible puissance du signal et le faible rapport cyclique réduisent l'impact des interférences du signal UWB sur les systèmes autres que UWB. En particulier, l'impact sur d'autres systèmes basés sur 802.15.4 et 802.11 dans la même sphère d'influence radio n'est généralement pas détecté.

Lorsque vous travaillez dans le même domaine d'influence radio que les systèmes UWB 802.15.4 hérités, l'impact des systèmes fonctionnant conformément à cet amendement est égal ou inférieur à l'effet des appareils hérités supplémentaires. L'ajout de préambules et de STS réduit l'impact sur les UWB hérités, car ils ne reconnaissent pas les signaux dans les systèmes hérités et sont donc en dessous du niveau de bruit.

En tant qu'objet d'interférence, les systèmes UWB décrits dans cet amendement seront compatibles avec les systèmes UWB traditionnels, car les signaux en provenance de ceux-ci seront reconnus et correctement traités. En présence de systèmes basés sur 802.11 fonctionnant à proximité immédiate, un impact significatif sur le système UWB est attendu en raison de l'utilisation d'une puissance plus élevée. Le degré d'impact dépend le plus du cycle de fonctionnement du ou des systèmes 802.11. La séparation physique réduit l'exposition.

Merci de votre attention. Si vous avez des questions sur la technologie UWB et son stade actuel de développement, je suis prêt à répondre à vos questions dans les commentaires.