В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
The article describes algory-thms of UWB signals generation while recommending UWB with phase modulation, error correction code based on the optimal syndrome decoding - low density parity check. The study marks the advantages of signals positioning on the random time and frequency hopping.
Системы радиосвязи (СРС) со сверхширокополосными сигналами (СШПС) – Ultra-Wide Band (UWB) являются наилучшими по помехоустойчивости и защите от злоумышленников для мобильной радиосвязи, сетей технических средств охраны (ТСО), войсковых радиостанций (ВРС) и высокоскоростных гражданских каналов с ценной научной, технологической и коммерческой информацией. Преимущества СШПС рассмотрены в [1]. В ней к СШПС отнесены сигналы с полосой f ≥ 500 МГц и сигналы, для которых относительная ширина полосы f/F > 0,2, где f – ширина полосы и F – средняя частота спектра, описаны СШПС ведущих зарубежных фирм, рекомендована фазовая модуляция (ФМ) и отмечено, что в СШПС преобладают худшие виды модуляции. В [2] к СШПС отнесены – независимо от f и F – сигналы со случайными частотно-временными позициями (СЧВП) пакетов (Frequency Hopping и Time Hopping (FHTH)) и рекомендованы СЧВП с наилучшими криптозащитой, помехозащитой и структурой сигналов.
В первом проекте стандарта СШПС, IEEE 802.15.3a, диапазон СРС 3168–4752 МГц расчленен на три поддиапазона, каждый с полосой f = 528 МГц для поочередной передачи в них ЧМ-сигналов на ортогональных регулярных позициях продолжительностью (вместе с синхро-преамбулой) 312,5 нс, с периодом 937,5 нс (включая интервал перестройки 9,5 нс), со скоростью 480 Мбит/c. Во втором проекте стандарта Motorola и др. фирмы предложили более эффективную работу во всем диапазоне частот. Из-за ошибочных опасений ухудшить помехоустойчивость этот проект не был принят, но позже его использовал ряд фирм.
Группа фирм WiMedia Alliance (Intel, Texas Instrument, Nokia, Microsoft, Hewlet-Packard и др.) разработала алгоритм WiMedia UWB c многочастотным ортогональным разделением пакетов импульсных гармонических сигналов в диапазоне 3,1–10,6 ГГц (2006 г.). Скорость 480 Мбит/с с возможностью применения ФМ, ВИМ, АМ и алгоритмов европейского стандарта ETSI TS 102455. В 2007 г. ECMA International признала WiMedia UWB международным стандартом ISO/IEC 2690, который часто называют WiMedia. Он признан во многих странах и работает также в диапазонах 314–787 МГц (Китай) и 950–956 МГц (Япония) со скоростями 20–250 кбит/с.
В декабре 2007 г. были приняты стандарты ECMA-368 и ECMA-369 для высокоскоростных СРС диапазона 3,1–10,6 ГГц, в которых спектр разделен на 14 групп, каждая 528 МГц, с тремя полосами в каждой группе для ортогональной передачи, подобной первому проекту, IEEE 802.15.3a. Возможен выбор разных вариантов сигналов, включая частотно-временное перемежение (интерливинг), близкий к FHTH. Каналы связи работают без централизованного управления на периодически передаваемых сигналах маяков. Подобные контрольные сигналы выбраны в экспериментальной СРС для ТСО с СШПС [3].
Для расстояний более 1 км приняты стандарты IEEE 802.15.4c и IEEE 802.15.4d с диапазонами 950; 868,0–868,6; 902–928; 2400–2483 МГц и скоростями от 20 до 1000 кбит/с. Каналы разделяют по частоте. Возможные модуляции: Гауссова ЧМ, двоичная ФМ (ФМ-2) и квадратурная ФМ (ФМ-4). Введена защита информации по стандарту AES-128, но его не используют для установки СЧВП, и поэтому каналы от средств радиоборьбы (СРБ) не защищены.
Общим недостатком всех стандартов СШПС является отказ от защищенной от СРБ случайной криптостойкой установки пакетов СЧВП, для которой наилучшими являются абсолютно криптостойкие шифраторы (АКШ) [2–4]. Управление параметрами сигналов псевдослучайными последовательностями (ПСП), генерируемыми линейными неприводимыми генераторными полиномами (ГП), опасно. В [4, 5] показано, что при любой длине ГП сигналы, управляемые такими ПСП, предсказуемы и не защищены от СРБ – радиоразведки, радиоподавления и от ложных сообщений, неотличимых от истинных. Надежную защиту СШПС от СРБ могут обеспечить только СЧВП с криптостойкими генераторами случайных чисел (ГСЧ), например с рекомендованными в [4, 5] АКШ с нелинейными и нестационарными ГП на коротких двоичных регистрах сдвига (РС). Эти АКШ – совершенные шифраторы, реализуют рекомендации К. Шеннона и они проще выбираемых обычно ГП с большими степенями на длинных РС.
Фирма Time Domain первой указала в 2000 г. [2, 6] на преимущества специализированных микросхем, обеспечивающих максимальную надежность и минимальную себестоимость при массовом производстве и разработала комплект из трех микросхем, содержащий все узлы СРС с время-импульсной модуляцией (ВИМ) – (Time Hopping –TH), названный Pul-sON. У СШПС на этих микросхемах помехоустойчивость существенно выше, чем у Bluetooth и Wi-Fi (IEEE 802.11b).
Интересна СРС CWave (Continuous Wave) с непрерывной высокочастотной несущей, с модуляцией ФМ-2 или ФМ-4 и с помехоустойчивым кодированием (слабым). Выбор хорошего кода помехозащиты и пакетной передачи сигналов СШПС на СЧВП улучшил бы ее и помог ее стандартизации.
Единственной СРС с сигналами СЧВП, защищенными от средств радиоборьбы криптостойкой расстановкой пакетов, с хорошей помехоустойчивостью и c малой энергией бита является экспериментальная СШПС для ТСО [3]. Но она – не лучшая. Ее недостатки – слабый код Голея, передача частотно-модулированных сигналов, их прием быстрым преобразованием Фурье (БПФ) и использование сигнальных процессоров. В [7] показано, что улучшить СРС [3] можно четырехпозиционной офсетной фазовой модуляцией (ФМ-4-О), помехоустойчивым кодированием кодом с оптимальным синдромным декодированием (ОСД) [8], расширением спектра сигналов СЧВП на весь выделенный групповой спектр и заменой сложного процессорного БПФ микросхемой. После этого энергия бита будет снижена на 4–5 дБ (до 2–3 мкДж/бит при расстоянии более 20 км). Но главное – увеличатся в СШПС более чем в два раза использование ресурсов канала и увеличит надежность СРС.
В [1] и других работах по СШПС описаны сигналы с разными модуляциями, но не приведены затраты энергии на передачу одного бита, необходимые для сравнения их помехоустойчивости. По их неполным структурам возможны только общие оценки, приведенные ниже.
Фазовая модуляция (ФМ) имеет все преимущества в сравнении с другими видами модуляции. Ее можно использовать не только с длинными гармоническими сигналами, но и с короткими пакетами СЧВП.
Модуляцию импульсов по длительности – широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) – рекомендовать нельзя из-за ее низкой помехоустойчивости.
Время-импульсная модуляция (ВИМ), называемая также Pulse Position Modulation (PPM), при которой возможны разные алгоритмы смещений импульсов, близка к Time Hopping (TH), но имеет худшую помехоустойчивость, чем СЧВП – FHTH с ФМ.
Модуляцию прямым расширением спектра – Direct Sequence spread spectrum (DSS-UWB) рекомендовать нельзя. У нее низка помехоустойчивость, сложна синхронизация и она плохо использует ресурсы канала связи.
У частотной и многочастотной модуляции (ЧМ и МЧМ) с регулярным ортогональным размещением частот низка помехоустойчивость и их рекомендовать нельзя. Их применение оправдывают простотой реализации.
Линейную ЧМ (ЛЧМ) и дискретно-линейную ЧМ рекомендовать нельзя из-за большой сложности и худшей, чем у ФМ, помехоустойчивости. Но некоторые фирмы их используют на средних скоростях. Длительность СШПС-сигнала снижают обработкой. Например, ЛЧМ с полосой 0,4–1,0 ГГц сжимают в 600 раз с 5 мкс до 8 нс.
Модуляция мощности (амплитуды) сигнала (АМ) с некогерентным (энергетическим) приемом этой АМ хуже всех по помехоустойчивости и их нельзя рекомендовать. Они введены ошибочно, чтобы "исключить труднореализуемые на микросхемах аналоговые цепи", которые легко реализуемы [2–6].
Преимущества оптимизированных пороговых кодеков в сравнении со всеми другими кодеками показали испытания еще в 1979–1980 гг. Позже их назвали кодеками с малой плотностью проверок на четность (МППЧ) (low density parity check – LDPC). Кодек МППЧ на МБИС Н1515ХМ1-006 для космического челнока "Буран", разработанный в 1988 г. на базе совершенного разностного множества (СРМ) длиной 553, кодовым расстоянием d = 25 и проверками N = 24, содержит около 2,8 тыс. условных вентилей (УВ). Кодек Витерби с худшей помехоустойчивостью почти в 100 раз сложнее [8]. Преимущества кодеков МППЧ-LDPC перед всеми другими зарубежные специалисты признают уже более 8 лет и отмечают в статьях, что они позволяют простейшими средствами в каналах с аддитивным белым Гауссовым шумом максимально близко подойти к пределу Шеннона.
Кодек (16, 8) с короткими пакетами и с оптимизированным пороговым декодированием (ОСД) реализован программно [9]. Он работает лучше других кодеков при обычных и негауссовых помехах, при заградительных помехах и помехах от случайных наложений сигналов сети с СЧВП-FHTH [3].
Второй кодек МППЧ разработан на микросхеме 5503ХМ7-158 [10] на базе совершенного разностного множества (СРМ-133), укороченного до 99. Благодаря нестационарным ГП он проще кодека на СРМ-553 (d = 13, N = 12), но не уступает ему по помехоустойчивости. Он устойчив при больших помехах, а его синхронизация устойчива при действии плотного (до 50%) пакета ошибок длиной до 25 бит, что особо ценно для защиты от заградительных помех.
Лучшими, чем кодеки [8, 9], могут оказаться кодеки МППЧ с нестационарными ГП с малыми кодовыми скоростями (R ≤ 1/4), ориентированные на интегральный корреляционный прием, но их разработка и исследования требуют трудоемкого моделирования [10]. Рекламируемые кодеки Витерби, БЧХ, Хэмминга, Голея, Рида – Соломона, турбокодеки и другие многократно сложнее кодеков [9, 10] при худшей помехоустойчивости [8].
В [1, 2] обоснованы преимущества СШПС на специализированных микросхемах, обеспечивающих минимальное энергопотребление и максимальную надежность, и описаны комплекты микросхем, разработанные разными фирмами. Острая конкуренция вынудила их отказаться от преобладавших когда-то сигнальных процессоров с энергопотреблением и интенсивностью старения и отказов, худшей более чем на порядок, чем у микросхем. Многие фирмы уже более 10 лет реализуют системы СШПС на собственных микросхемах типа "система на кристалле" (СнК) – System on Chip (SoC). На 10 лет раньше их о преимуществах микросхем знали ведущие НИИ Минобороны СССР, по заказу которого были изготовлены упомянутые выше МБИС Н1515ХМ1-006 кодека помехозащиты МППЧ и АКШ на МБИС Н1515ХМ1-888 [2] для защиты радиостанций от СРБ, который много лучше ГОСТ 28147-89 по скорости работы и надежности.
Многие фирмы (16 зарубежных и четыре российские) разработали СРС с СШПС на микросхемах.
Time Domain первой указала [6] на преимущества комплекта из трех специализированных микросхем (PulsON), обеспечившего максимальную надежность и минимальную себестоимость: 1) два приемопередатчика, 2) коррелятор пакета 100 нс с полосой 1–3 ГГц со сдвигами на 1/4 тактового интервала и 3) блок обработки с разрешающей способностью не хуже 10 пс.
Intel для связи по первому проекту стандарта IEEE 802.15.3a разработала первую микросхему – микроконтроллер UWB Link 1480 MAC для расстояний до 3 м при 480 Мбит/с и до 10 м при 110 Мбит/с, но отказ принять этот стандарт остановил разработки.
Tzero Technologies разработала комплект TZC7200 с двумя микросхемами для СШПС WiMedia со скоростью передачи сигналов до 480 Мбит/с и вероятностью потери пакета меньше 10-8.
Artimi разработала микросхему RTMI100-PKIT, реализующую с проектной нормой (ПН) 0,18 мкм на одном кристалле СнК все блоки СШПС WiMedia и CWave с ФМ.
Alereon разработала c ПН 0,13 мкм микросхемы AL4000 и AL5000, реализующие WiMedia.
Focus Enhancements разработала микросхему ТТ1013 – однокристальную СнК, реализующую любой из двух алгоритмов – WiMedia и ECMA-368/369.
Staccato Communication разработала однокристальную СнК для WiMedia.
Atmel разработала комплект микросхем AT86RF212, реализующий упомянутые выше стандарты IEEE 802.15.4c и IEEE 802.15.4d.
Разработаны микросхемы СШПС-UWB и для внелицензионной связи с USB на малых расстояниях.
Freescale (филиал "Моторолы") разработала для диапазона 3,1–9,6 ГГц и малых расстояний комплект XS110 в составе трех микросхем, реализующих алгоритмы IEEE 802.15.3a и DSS-UWB со скоростью 114 Мбит/с. Их функции: 1) временное разделение, 2) управление связью и коррекция ошибок и 3) передатчик и приемник с МШУ (0–20 дБ усиления и коэффициент шума 5,6 дБ).
General Atomics разработала комплект микросхем Aspen, реализующий в диапазоне 3,1–7,3 ГГц связь на малых расстояниях (около 10 м) по первому проекту стандарта IEEE 802.15.3a. Предусмотрена передача по USB, IP-телефонии и видео. Введено помехоустойчивое кодирование (алгоритм не назван) с выбором кодовых скоростей R = 1/3, 1/2 и 2/3 и криптозащита AES-128.
Sigma разработала СРС на двух микросхемах B7CW101 (приемопередатчик) и B7CW201 (контроллер) для передачи на частотах 3,49; 3,96 и 4,48 ГГц с полосой 528 МГц и скоростью 480 Мбит/с на расстояниях до 50 м.
Samsung разработала комплект Wireless USB для диапазона 3–9 ГГц с расстояниями 1 м при скорости 480 Мбит/с и 3 м при скорости 110 Мбит/с и энергией сигналов всего 300 мВт (10-9 Дж/бит).Есть криптозащита AES-128.
Wisair разработала комплект микросхем для IEEE 802.15.3a, WiMedia и DSS, но его не описала.
Motorola для DSS со скоростью 1 ГГбит/с и расстояниях до 3 м разработала комплект микросхем, но его не описала.
Pulse-Link для малых расстояний – от 3 м (1 Гбит/с) до 80 м (2 Мбит/с) разработала в 2004 г. комплект микросхем PL 3100 по алгоритму CWave (Continuous Wave) на трех чипах: 1) модулятор-демодулятор с цепями управления – PL 3130; 2) трансивер с синтезаторами частот, усилителями, ЦАП и кодеком помехоустойчивого кодирования (LDPC) – PL 3120; 3) малошумящий усилитель (МШУ) с полосой 1 ГГц – PL 2110.
Четыре российские фирмы также разработали микросхемы для СШПС.
НИИ полупроводниковых приборов (НИИПП, Томск) для диапазона 3,1– 5,1 ГГц разработал комплект монолитных интегральных микросхем для ВРС и ТСО по арсенид-галлиевой технологии с ПН 0,5 мкм. Возможны частоты много выше 30 ГГц. В диапазоне до 15 ГГц скорость до 100 Мбит/с. Комплект реализует преобразователи, УПЧ, частотно-фазовые детекторы, векторные модуляторы-демодуляторы и др. цепи СШПС.
Институт радиотехники и электроники РАН (Москва) разработал на ПЛИС СШПС PPM-40 и PPM-50 (стандарт IEEE 802.15.4a, диапазон 3,1–5,1 ГГц).
Конструкторское бюро опытных разработок (КБОР, Москва) разработало СШПС-Импульс на ПЛИС со скоростями 1, 10 и 1000 Мбит/с и расстояниями 10, 1, 0,1 км при мощностях 10-4, 10-3 и 10-2 мВт/МГц соответственно и предложило проект нового стандарта IEEE 802.15.4g.
"НИИМА Прогресс" изготовил две СнС – 1238ХД1Т с ПН 0,35 мкм, содержащую модулятор, демодулятор, устаревший кодек помехозащиты Витерби, синхронизатор с согласованным фильтром, и К1292ХБД2Т, содержащую демодуляторы QPSK (ФМ-4), QAM-16, QAM-64 с устаревшим кодеком Рида – Соломона стандарта ETSI DVB, замененным в DVB-S2 кодом МППЧ-LDPC [8].
Программы быстрого перехода от ПЛИС к проекту микросхемы с цифровыми и аналоговыми элементами разработаны НПК "Технологический центр МИЭТ" (Зеленоград), "НИИМА Прогресс" (Москва) и др.
Постановление правительства [11] требует разработок на отечественных микросхемах аппаратуры, конкурентной на мировом уровне. В нем предусмотрено освоение технологий с ПН 18–0,13–0,09 мкм в 2012 г. (что уже достигнуто), а в 2015 г. – 45 нм. Многим предприятиям поручено создание базовых проектных центров для таких разработок. Технология КМОП с ПН 180 и 130 нм освоена на ОАО "Микрон". На ОАО "Ангстрем" скоро будет доступна технология КМОП с ПН 130 нм, при которой возможен диапазон выше 1 ГГц. В 2014 г. "Микрон" совместно с "Ангстремом" завершат переход на ПН 90 нм. Но до сих пор в отечественных разработках преобладают сигнальные процессоры, а не микросхемы или ПЛИС. Причина – боязнь нового. Доводы об отставании отечественной микроэлектроники ошибочны. Микросхемы для СШПС фирм Artimi и Alereon изготовлены с ПН 180 и 130 нм, доступными в России.
Наилучшими для сетей технических средств охраны (ТСО), войсковых радиостанций (ВРС), мобильной радиосвязи и высокоскоростных гражданских каналов с ценной научной, технологической и коммерческой информацией являются сверхширокополосные сигналы (СШПС) – Ultra-Wide Band (UWB).
Для СШПС наилучшими являются офсетная фазовая модуляция (ФМ-4-О), помехоустойчивое кодирование кодами МППЧ-LDPC и передача пакетов сигналов на случайных частотно-временных позициях СЧВП-FHTH, управляемых совершенными шифраторами с абсолютной криптостойкостью (АКШ). Лучше избегать использования устаревших стандартов СШПС и рекламируемых сертифицированных шифраторов. Примеры взлома многих сертифицированных шифраторов доказали, что сертификаты не защищают их от взлома. Лучше доверять имеющимся микросхемам АКШ и МППЧ, а также специализированным микросхемам АКШ и МППЧ собственной разработки с простой программной и микросхемной реализацией. Микросхемы (или ПЛИС на первом этапе разработки) обеспечат на порядок меньшие себестоимость и энергопотребление и на порядок лучшую надежность, чем цифровые сигнальные процессоры.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #1, 2014
Посещений: 8905
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
