Tradução: Padrão IEEE 802.15.4z. O que nos espera no futuro?

Olá Habr! Apresento a você a tradução do artigo "IEEE P802.15. Redes de área pessoal sem fio " .



<sup>Tradução do artigo: mentor.ieee.org/802.15/documents?is_dcn=coexistence%20document&is_group=004z

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

Em fevereiro de 2019, foi criada a organização sem fins lucrativos UWB Alliance . A aliança inclui empresas como: Apple, Hyundai, Kia, Zebra, Decawave, Alteros, Novelda, Ubisense e outras.

A fim de coordenar o trabalho para promover e melhorar a tecnologia de transmissão de sinais de rádio em uma banda ultra larga (UWB ou UWB). Dentro dessa organização, um grupo de trabalho foi criado para desenvolver o padrão IEEE 802.15.4z.

Boa tarde Meu nome é Eugene, trabalho na RealTrac Technologies. Proponho ao seu tribunal uma tradução do relatório sobre o trabalho do grupo de desenvolvimento de padrões IEEE 802.15.4z e também terei o maior prazer em responder perguntas sobre a situação atual com tecnologias de banda ultra larga, caminhos de desenvolvimento e aplicativos.

1. Introdução

Este documento fornece uma breve análise de compatibilidade que foi realizada para avaliar o desempenho dos sistemas usando 802.15.4-2015 HRP e LRP PHY, conforme alterado por P802.15.4z em relação a outros padrões sem fio 802 que podem operar no mesmo intervalo. .

1. Terminologia

Os termos usados ​​neste documento têm os seguintes significados:

“Padrão básico” significa o padrão 802.15.4-2015 e todas as emendas aprovadas no momento da preparação deste documento.

"802.15.4" significa o padrão básico.

"Esta alteração" significa a alteração P802.15.4z: alteração da norma para redes sem fio de baixa velocidade: pulsos aprimorados de alta velocidade (HRP), pulsos de baixa velocidade (LRP), UWB no ambiente físico (PHYs) e métodos de determinação de faixa de frequência relacionados.

2. Visão Geral

Os sistemas baseados no 802.15.4 UWB são amplamente utilizados em todo o mundo. A versão inicial do 802.15.4a-2007 incluía o HRP UWB PHY no padrão e o LRP UWB PHY foi adicionado ao 802.15.4f-2010. A alteração P802.5.4z se aplica ao UWB PHY e aos aplicativos novos e existentes. Os atuais sistemas UWB operam em todo o mundo em densidades espectrais de potência muito baixa. Este documento fornece uma análise de compatibilidade com outros sistemas sem fio padrão 802, incluindo versões mais antigas dos sistemas 802.15.4 e 802.11 atuais.

Existem muitas fontes de informações de compatibilidade UWB. O método usado neste documento é resumir os resultados referentes à compatibilidade entre sistemas sem fio 802 capazes de operar nas mesmas faixas de frequência. As referências ao CAD 802.15.4a [8] e 802.15.4f [9] e estudos [10] [11] descrevem a compatibilidade do UWB PHY com os seguintes sistemas:

• 802.15.4 PHY operando em faixas de frequência sobrepostas
• 802.16 operando na faixa de 3,4 a 3,8 GHz
• 802.11 OFDM operando nas bandas de 5GHz e 6GHz.

Em todo o mundo, os sistemas UWB transmitem com potência muito baixa, geralmente limitada pelos limites da densidade espectral de potência (PSD), consistente com emissões eletromagnéticas espúrias e / ou não intencionais estabelecidas para emissores não intencionais. Por exemplo, nos Estados Unidos, assim como em muitas partes da Ásia e da Europa, o limite do PSD é de -41,3 dBm.

2.1 Visão geral do UWB 802.15.4z

2.1.1 Gama de frequências consideradas

A Figura 1 mostra os planos de canal 802.15.4 UWB definidos no padrão básico e complementados por esta alteração. A alteração 802.15.4z define novos dispositivos com recursos de alcance estendido que funcionam em termos de canais de alta velocidade; nenhuma alteração nos dispositivos que operam em planos de canais de baixa velocidade está incluída nesta alteração.


Figura 1: Gráficos espectrais

Esta alteração estende o plano de canal do LRP, como mostrado na figura, com a adição de definições de canal à faixa superior do UWB. Esta alteração não altera o plano de canal do HRP. O destaque “Espectro UWB globalmente acessível” ilustra os canais em termos de canais UWB disponíveis em todos os domínios regulatórios que suportam dispositivos LRP e HRP, conforme definido na norma básica e nesta alteração. Outros canais estão disponíveis em um número mais limitado de domínios regulatórios.

2.1.2 Padrões 802 relevantes

A Tabela 1 lista outros padrões 802 que podem operar em faixas sobrepostas. Esta informação é retirada do apêndice E a [5] e [6].

Tabela 1: Outras normas temáticas sem fio 802


Observe que a maioria dos aplicativos WLAN usa um espaçamento de canal de 20 a 80 MHz. A análise mencionada neste documento refere-se principalmente ao espaçamento de canais de 5 a 160 MHz.

2.1.3 LRP PHY

Esta alteração estende o LRP PHY para suportar os seguintes recursos:

• Novos formatos de pacote PHY
  É provável que a duração do quadro seja mais curta - menos exposição e menos exposição.
  
  Menos pulsos e menores comprimentos de pacotes
  Mais robusto em interferência
  O PSD e o nível de pico correspondem ao UWB anterior
  Os níveis de energia permanecem inalterados.
  Leva menos tempo e energia para transmitir um pacote
  
• Nova modulação e PRF
  
  Nenhuma mudança na exposição
  Pode ser mais tolerante ao ruído
  

2.1.4 HRP

Esta alteração adiciona as seguintes características ao HRP PHY:

• Nova modulação e PRF
  
  Não usa BPM
  O pico do PRF não mudou
  O valor médio da PRF pode variar, mas é igual à mesma energia na faixa regulatória
  Novos códigos permitem transferir dados com uma taxa PRF mais alta, menos quadros reduzirá o tempo de transmissão de quadros
  O aumento na velocidade de transferência de dados levou a custos mais baixos.
  
• Adicionando códigos de preâmbulo adicionais
• Impacto na forma anterior de HRP
  
  Novos códigos ignorados por dispositivos antigos
  Modos PHY compatíveis para interagir com dispositivos herdados
  
• Transmissão mais confiável
  
  Melhor controle do pico de potência instantâneo
  O número de relés necessários é reduzido
  

2.1.5 Melhorias no MAC e seu impacto na compatibilidade

Os novos recursos MAC adicionados por esta alteração usam os recursos existentes para garantir a compatibilidade com os dispositivos 802.15.4 herdados, além de manter os recursos de compatibilidade testados fornecidos pelo padrão.
O MAC é complementado por esta alteração com as disposições usadas na medição da distância em um meio de transmissão da seguinte maneira:

• Broadcast / Multicast: programação de transmissão e comunicação multicast
• Novos elementos de informação para transmissão de informações utilizados para medir a distância de troca de informações relevantes
• Recursos MAC para monitoramento de medição de distância com verificação de integridade aprimorada
• Alterações no SAP MAC para suportar novas ferramentas de classificação e compartilhamento de dados

Os métodos de acesso ao canal usados ​​para avaliar o status do canal e começar a transmitir dados não são alterados por essas funções adicionais do MAC. O impacto na compatibilidade é mínimo.

2.2 Visão geral dos mecanismos de compatibilidade no 802.15.4

Os mecanismos de compatibilidade na cláusula 802.15.4 são descritos em [8] e [9]. A compatibilidade também é aprimorada pelo ciclo de serviço curto 802.15.4 inerente, graças à arquitetura MAC, conforme explicado em [13].

As alterações de MAC feitas nesta alteração terão um impacto mínimo na compatibilidade:

• Novos recursos de agendamento são semelhantes e compatíveis com os mecanismos de controle de acesso a canais existentes (CSMA-CA)
• Novos recursos mantêm a compatibilidade em termos de redução de carga, ciclo de trabalho eficiente e controle de acesso aos canais, conforme descrito em [8]

Os PHYs da UWB operam com potência muito baixa, normalmente no limite ou abaixo dos limites das emissões eletromagnéticas de fundo. Isso normalmente limita o impacto dos emissores UWB em outros sistemas.

2.3 Metodologia de Análise de Compatibilidade

Os estudos de compatibilidade mencionados neste documento são geralmente realizados de acordo com a metodologia descrita em [12] e considerando cada sistema como sujeito e objeto de influência. Neste documento, uma análise de compatibilidade foi revisada quanto à sua conformidade com os padrões 802 atuais e aqui apresentamos conclusões relevantes. Os padrões sem fio 802 estão mudando; portanto, mais pesquisas foram conduzidas e disseminadas avaliando especificamente a interoperabilidade entre os sistemas 802.15.4 UWB e 802.11. Os resultados desses estudos são apresentados neste artigo.

Os estudos de compatibilidade [10] e [11] citados neste artigo usam a técnica de simulação de Monte Carlo para avaliar possíveis impactos ao compartilhar o espectro.

3. Sistemas diferentes com as mesmas faixas de frequência

Esta cláusula apresenta fatores de compatibilidade com outros sistemas 802 que operam nas mesmas faixas de frequência. Nesta cláusula, por vários, eles significam diferente do IR-UWB operando de acordo com as especificações 802.15.4 LRP ou HRP PHY.

3.1 Compatibilidade 802.11

Como descrito detalhadamente nos Apêndice E a [5] e [6], os sistemas 802.11 podem operar em diferentes faixas, como mostrado na Tabela 1, com espaçamento de canal de 5 MHz a 160 MHz. Os dispositivos WLAN 802.11 podem operar com uma potência EIIRP relativamente alta de até 1000 mW (30 dBm) em algumas regiões. Os dispositivos UWB operam com uma EIRP média limitada a - 41,3 dBm / MHz. Os dispositivos 802.15.4 UWB usam uma largura de banda nominal de 500 MHz ou superior.

Estudos [10] e [11] apresentam resultados de simulação que ilustram os efeitos de sistemas 802.11 operando perto de sistemas baseados em UWB 802.15.4. O estudo examina vários cenários de implantação e condições operacionais.

3.1.1 Impacto da WLAN no 802.15.4 UWB

Os resultados para os cenários descritos em [10] e [11] ilustram possíveis impactos. O estudo WGSE PT45 [10] considera a interferência única e a interferência total usando métodos de simulação em combinação com dados de medição de sinal ativo. Os resultados mostram que a interferência de uma LAN sem fio 802.11 até 946 metros resulta em uma perda de sensibilidade de mais de 3 dB nos sistemas de comunicações UWB e rastreamento de localização. Para soar, a distância correspondente é de 212 metros. Uma avaliação combinada da interferência durante a simulação de Monte Carlo mostra que, com um ciclo de trabalho de WLAN de 1,97%, a probabilidade de uma diminuição na sensibilidade às comunicações UWB e aos dispositivos de rastreamento de localização é superior a 3 dB e varia de 5 a 15%.

Para sensores, a probabilidade de uma diminuição na sensibilidade de mais de 3 dB é de 3 a 6%. Em [11] usando métodos de modelagem, configurações e cenários adicionais são investigados. Os estudos mostram efeitos significativos na comunicação e no alcance / localização. Este estudo também inclui recomendações de mitigação para melhorar a interoperabilidade.

3.1.2 Impacto do UWB 802.15.4 na WLAN 802.11

Os dispositivos UWB operam com uma EIRP média de -41 dBm / MHz. A atenuação do sinal necessária para limitar a perda de sensibilidade de um dispositivo UWB 802.11 em 3 dB é mostrada na tabela abaixo.

Tabela 2: Cálculo do limite de interferência para um sistema 802.11


No pior dos casos, o modelo de atenuação de sinal na distância de controle d0 = 1m.

Na faixa de 6 GHz, é de 48 dB, com base na equação de Friis.

Usando este modelo, a diversidade necessária para a atenuação do sinal de 67 dB é inferior a 9 m. Observe que esse é o pior cenário, pois os efeitos de triagem e as áreas de visibilidade indireta não são levados em consideração; eles reduzirão ainda mais a diversidade necessária.
Para ilustrar, a tabela a seguir mostra a atenuação do sinal na distância de referência d0, bem como as distâncias mínimas de separação necessárias, por exemplo, frequências de 3 GHz a 6 GHz:

Tabela 3 Referência para perda de caminho

3.2 Sistemas compatíveis com 802.15.4

Os PHYs da RCC podem operar em faixas como mostrado na Tabela 1. Aparentemente, os PHYs da RCC não serão operados nas proximidades de sistemas UWB. O CCR é usado principalmente em áreas externas e próximas a linhas ferroviárias.

3.3 Outros sistemas sem fio 802 considerados

O link [8] descreve em detalhes as propriedades de compatibilidade entre sistemas baseados em 802.15.4 UWB e 802.16. Os resultados mostram que o valor PER cai abaixo de 1% a uma distância de espaçamento de 1 m, e quando a distância de espaçamento é> 6,9 m, o efeito em 802.16 do sinal UWB LRP se torna desprezível.

Os resultados mostram que, ao usar o sistema 802.16 como fonte de interferência e o sistema HRP UWB como objeto de influência, o indicador cai abaixo de 1% a uma distância de separação de 44 m e a uma distância de separação de mais de 140 m se torna insignificante.

A estrutura do sinal, a largura de banda e a densidade espectral de potência do símbolo LRP são bastante semelhantes ao sinal HRP; portanto, os resultados para o LRP devem ser semelhantes aos mostrados na Ref. [8].

4. Sistema 802.15.4 UWB

Esta provisão descreve a situação de compatibilidade para esta alteração e os sistemas UWB 802.15.4 existentes.

4.1 HRP

O antigo 802.15.4a HRP e o novo 802.15.4z HRP usam seqüências de preâmbulo para sincronizar e medir distâncias. Ambos os padrões de sequência foram projetados para serem mais confiáveis ​​sob condições de interferência. Sequências em ambos os padrões terão correlação muito baixa com sequências em outro padrão. A interferência inter-padrão entre preâmbulos será quase idêntica à interferência intra-padrão. Ambos os padrões usam uma largura de banda de 500 MHz. Ambos usam um símbolo de 128 ns para operação a ~ 7 Mbps e um símbolo de 32 ns para operação a ~ 30 Mbps. O 802.15.4z HRP usa valores PRF mais altos que o 802.15.4z HRP. O ajuste automático da potência de transmissão pode variar um pouco devido às limitações do pico de espectro. No entanto, a interferência inter-padrão será essencialmente a mesma que a interferência intra-padrão.

4.2 PRL

As alterações nesta alteração dependem do mesmo método de acesso ao canal e deverão ter o mesmo impacto que a disponibilidade de dispositivos LRP obsoletos adicionais no campo da influência do rádio. Os mecanismos de compatibilidade descritos em [9] são idênticos. Os sistemas de fibra de vidro devem operar em um ciclo de trabalho muito baixo.

5. Conclusão

Os sistemas UWB descritos nesta emenda terão impacto mínimo ou nenhum impacto em outros sistemas sem fio 802 que operam no campo de influência de rádio. A baixa potência do sinal e o baixo ciclo de operação reduzem o impacto da interferência do sinal UWB em outros sistemas que não o UWB. Em particular, o impacto em outros sistemas baseados em 802.15.4 e 802.11 na mesma esfera de influência de rádio geralmente não é detectado.

Ao trabalhar no mesmo campo de influência de rádio que os sistemas UWB 802.15.4 herdados, o impacto dos sistemas que operam de acordo com esta alteração é igual ou menor que o efeito de dispositivos herdados adicionais. A adição de preâmbulos e STS reduz o impacto nos UWBs herdados, pois eles não reconhecem sinais nos sistemas herdados e, portanto, estão abaixo do nível de ruído.

Como objeto de interferência, os sistemas UWB descritos nesta emenda serão compatíveis com os sistemas UWB tradicionais, uma vez que os sinais deles serão reconhecidos e processados ​​adequadamente. Na presença de sistemas baseados em 802.11 operando em estreita proximidade, é esperado um impacto significativo no sistema UWB devido ao uso de energia mais alta. O grau de impacto é mais dependente do ciclo operacional do (s) sistema (s) 802.11. A separação física reduz a exposição.

Obrigado pela atenção. Se você tiver dúvidas sobre a tecnologia UWB e seu estágio atual de desenvolvimento, eu estou pronto para responder suas perguntas nos comentários.