Villamosmérnöki Doktori Iskola

Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

Témavezető: dr. Dabóczi Tamás

UWB hálózati eszközök fizikai rétegének és kommunikációs protokolljainak kutatása

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A beágyazott rendszerek hálózati eszközei által támasztott speciális követelmények nem elégíthetők ki a mobiltelefon típusú eszközök paramétereinek további javításával. Egy legfeljebb néhány USD árú eszköz ugyanarról az elemről történő üzemeltetése csak CMOS technológiával valósítható meg. Miután a CMOS-eszközökkel lefedett  frekvenciatartományban további szabad sávok nem találhatók, a már foglalt sávok újrafelhasználására van szükség. Az interferencia elkerülése végett a kisugárzott jel spektruma ultra-szélessávú (UWB), azaz igen alacsony teljesítménysűrűségű. Szinuszos jel helyett az UWB-rendszerek impulzusokat vagy kaotikus hullámformákat használnak vivőként, amelyek a hagyományos értelemben véve nem rendelkeznek amplitudóval, frekvenciával, illetve fázissal.

A kutatóhely rövid bemutatása

A Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszékén PhD-hallgatóként végzem kutatási tevékenységemet. A tanszék minden tárgyi, szakmai és erkölcsi támogatást biztosít az itt dolgozóknak a mind hatékonyabb kutatás elősegítése érdekében. Kutatási témámhoz rendelkezésre áll a tanszéken egy a National Instruments által adományozott PXI RF stand, ahol valós fizikai hullámformákat tudok generálni tetszőleges burkolóval. Így a kutatásomhoz nem csak szimulációs, hanem valódi mérési eredmények is rendelkezésemre állnak.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Az utóbbi időben új típusú vezeték nélküli hálózati eszközök iránti igény merült fel a (i) szenzorhálózatok és a (ii) beágyazott rendszerek mind szélesebb körű alkalmazásával. A szenzorhálózat csomópontjai adatokat gyűjtenek az általuk megfigyelt területről, amelyeket előfeldolgozás után a központi egységhez küldenek. Néhány példa a széles körben elterjedt szenzorhálózatokra: környezetmonitorozás, szabályozott mezőgazdasági termelés, vegyi anyagok érzékelése, egészségfelügyelet és orvosi kutatás.

A beágyazott rendszer egy adott feladat ellátására létrehozott elosztott számítógépes rendszer, amely egy folyamat paramétereinek mérésén túl aktív módon képes beavatkozni magába a folyamatba is. Beágyazott rendszereket alkalmaznak többek között automata gyártósorokban, intelligens épületekben, bevásárlóközpontok vezérlésében és intelligens irodákban.

Mind a szenzorhálózatok, mind a beágyazott rendszerek sok csomópontot magukba foglaló nagy, elosztott számítógépes rendszerek. Minden csomópont részt vesz az adatgyűjtésben, az adatok előfeldolgozásában és a csomópontok által megfigyelt folyamat vezérlésében. A rendszer rugalmas hálózati működéshez szükséges egyszerű telepítése és újrakonfigurálása csak vezeték nélküli hálózati eszközök alkalmazásával valósítható meg.

Mivel a hagyományos rádiós adatátviteli eszközök már elfoglalták a szabad rádiócsatornákat, új rádiós összeköttetés kizárólag a foglalt frekvenciasávok újrafelhasználásával oldható meg. Mivel ez nem valósítható meg a hagyományos adatátviteli technológiák további fejlesztésével, ezért új megközelítésre, az ultra-szélessávú (UWB – Ultra-WideBand) rádió alkalmazására van szükség [3].  Az ultra-szélessávú megközelítés alkalmazásával kutatásom célja új vezeték nélküli adatátviteli technológiák kidolgozása a szenzorhálózatok és a beágyazott rendszerek számára protokoll és hardver szinten.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A beágyazott rendszerek vezeték nélküli hálózati eszközei által támasztott speciális követelmények nem elégíthetők ki a jelenleg használt adatátviteli rendszerek paramétereinek további javításával. Az új követelmények kielégítése csak az alábbi, kutatásom témakörébe tartozó problémák megoldása után képzelhető el:
1. Egységes, átfogó elméletet kell kidolgozni az UWB hálózati eszközök és a hullámforma-kommunikáció számára.
2. Analitikus megoldásokat és zárt alakú összefüggéseket kell adni az UWB hálózati eszközök zaj- és interferenciatulajdonságainak meghatározására.
3. Meg kell határozni a csatornatulajdonságok rendszerparaméterekre gyakorolt hatását.
4. Általános elméletet kell kidolgozni az UWB hálózati eszközökben használt modulációk számára.
5. Komplex burkolóra alapozott új detekciós algoritmusokat, jelfeldolgozó és detektormegoldásokat kell kidolgozni a SoC CMOS technológiával megvalósított közvetlen keverésű vevők számára.

Módszerek

A Fourier analizátoros koncepció kiterjesztése az UWB-impulzusrádióra. Az általánosított elmélet képes az összes adatátviteli módszer egységes analízisére.

Skaláris mérőszám kidolgozása az a priori információ mennyiségének megadására

A 2,7 GHz-es vektor szignálgenerátor és -analizátor egységeken alapuló, számítógép által vezérelt mérőstand megvalósítása. A hálózati eszközök fizikai rétegei tesztelésére alkalmas szoftverek kifejlesztése

- Hullámforma-kommunikáció általános elmélete

- Egzakt mérték az a priori információra

Univerzális mérőstand a beágyazott rendszerek hálózati eszközeinek tesztelésére

Valamennyi UWB-modulációra érvényes, egységes elmélet kidolgozása

Eljárások megadása az UWB-detekciós algoritmusok analitikus származtatására

A kidolgozott módszerek alkalmazásával új detekciós algoritmusok kidolgozása az impulzus és kaotikus UWB rendszerek számára

- Az UWB-modulációk és -detekciós algoritmusok származtatására alkalmas matematikai modell és analitikus megoldások kidolgozása

- Új detekciós algoritmusok.

Analitikus eljárások kidolgozása az UWB hálózati eszközök zajjellemzőinek meghatározására

AWGN-csatornában a hibaarány kiszámítására alkalmas összefüggések származtatása

A kidolgozott eljárás segítségével, a zajjellemzők különböző csatornaviszonyokra való optimalizálása

- Analitikus módszerek kidolgozása a zajanalízis számára

- Zárt alakú összefüggések adása az UWB hálózati eszközök hibaarányára

A csatornaviszonyok UWB-rendszerparaméterekre gyakorolt hatásának megadása

A különböző UWB hálózati eszközök interferenciatulajdonságainak kiértékelése és összehasonlítása

Új, a komplex burkolóra alapozott és a SoC CMOS technológiával megvalósítható vevőkonfigurációk és detektoráramkörök kidolgozása.

- Interferenciaanalízis elvégzése

- Új detektor- és jelfeldolgozó áramkörök kidolgozása az UWB hálózati eszközök számára

Eddigi eredmények

A hagyományos adatátviteli rendszerekben, amelyekben a vivő teljesen kitölti a bitidőt, az összeköttetés mérlege az SNR-re (Signal-to-Noise-Ratio) alapul [4]. A kis adatátviteli sebességű UWB-impulzusrádió esetében ez a megközelítés nem alkalmazható, mivel a kitöltési tényező jellemzően nagyon alacsony és a PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) értéke nagyon nagy. Az összeköttetés mérlegének alapjául a bitenergia értékét javaslom használni.

Az UWB-impulzusrádió lefedettsége erősen korlátozott az FCC [1] előírások következtében, amelyek meghatározzák a bitenergiát. A CMOS technológiával létrehozott UWB-alkalmazások alacsony feszültségszintje további korlátozást jelent az elérhető bitenergiára. Levezettem az összeköttetés mérlegét az új, bitenergián alapuló megközelítésben, és megmutattam, hogy az UWB-impulzusrádió lefedettsége beltéri alkalmazásokban 2 m alatt van NLOS (Non-Line of Sight) terjedések esetén. Ez az érték egybevág az EU által az UWB-témában finanszírozott két kutatás, a PULSERS és az EUWB mérési eredményeivel. Ezekben nem tudták megmagyarázni a rossz értékeket, mert a hagyományos megközelítést alkalmazták. Mivel a nagyon keskeny (néhány ns) impulzusok felelősek az alacsony bitenergia értékéért,  megmutattam, hogyan lehet megnövelni a bitenergia értékét az FCC-limitek betartása mellett. Az IEEE802.15.4a [2] alternatív megoldásként megengedi a kaotikus hullámformák használatát. A bitenergia növelésére FM modulált kaotikus hullámformák alkalmazását javaslom vivőként, amelyek az impulzusokhoz képest nagyobb szélességűek. Míg a szélessávúságot az impulzusok esetében a rövid impulzusidő biztosítja, addig a kaotikus hullámformák esetében az ettől független, vagyis bizonyos feltételek teljesülése esetén mindegy, hogy milyen hosszú a kaotikus impulzus, annak sávszélessége nem változik. További előny, hogy az impulzusokhoz hasonlóan az FM modulált kaotikus hullámformák egyszerű áramkörökkel generálhatók, ami fontos a kis fogyasztás és alacsony eszközár tekintetében. A bitenergiában 16 dB és 20 dB bitenergia-növekedés érhető el, amennyiben a kaotikus UWB vivőt 300 ns és 800 ns szélesre választjuk. Ez a bitenergia-növekedés jelentősen növeli a lefedettséget.

Az FCC előírások semmiféle megkötést nem tartalmaznak az adatátviteli rendszerben használt vivőkre vagy modulációs rendszerre, viszont megadják, hogy milyen korlátozásokat kell betartani az átlag- és csúcsteljesítmény tekintetében. Leírják, hogy miként kell a méréseket elvégezni. Rendkívül fontos, hogy nem a kisugárzott hullámformáknak kell közvetlenül teljesíteniük az előírásokat, hanem a mérési leírásban alkalmazott szűrők kimenetén megjelenő hullámformáknak. A vizsgálatomban Gaussi burkolójú impulzusokat alkalmaztam. Az előírás alapján az UWB-jelek minimális sávszélessége 500 MHz [1]. Ez a sávszélesség lényegesen nagyobb, mint a szűrők sávszélessége. Egy ilyen keskeny impulzus az FCC szabványban megadott szűrők tekintetében Nascent delta függvénynek tekinthető, és a szűrő kimenetén a szűrő impulzusválaszát fogom mérni. Szimulációkkal igazoltam ezt a meglátást, majd analitikus formában megalkottam az FCC szabvány által előírt mérések alapsávi modelljét mind a csúcs-, mind az átlaglimitekre vonatkozóan. A kis adatátviteli sebességű UWB-impulzusrádió csúcsteljesítménye korlátozott. Kiindulva az FCC-csúcsteljesítmény-korlátozásból, levezetést adtam a legnagyobb impulzusamplitúdóra, amely impulzusokra alapozott átvitel esetén meghatározza az UWB-rádió lefedettségét. Mivel az egyetlen impulzus által biztosított lefedettség nagyon kicsi, az FCC előírások betartása mellett egy bit továbbításához egy impulzuscsomag kiküldését javasoltam. Az FCC-szűrők kimenetén azonban az impulzusválaszt kell figyelembe venni, és ha az impulzuscsomagban lévő impulzusok a szűrő kimenetén fázishelyesen szuperponálódnak – ami a worst-case eset a limitek tekintetében –, akkor is ki kell elégíteniük az előírásokat. Megadtam az UWB-impulzuscsomag paraméterei és a szűrő kimenetén megjelenő feszültségszintek közötti összefüggéseket. Megmutattam az impulzuscsomagban lévő impulzusok közötti időbeli távolság változtatásának hatását, illetve vizsgáltam a szűrő középfrekvenciájának elhangolódásából eredő hatásokat.

Az átvitt referenciájú UWB-impulzusrádió autokorrelátoros vevővel, a pozíciómodulált és on-off keying UWB-impulzusrádió energiadetektorral egyszerű és robosztus megoldást kínál az alacsony árú, robosztus kis fogyasztású alkalmazások számára [5]. A megépített és publikált UWB-impuzusrádiók teljesítőképessége azonban elég alacsony, és amit javítani kell. Az UWB-impulzusrádió nagyon kis kitöltési tényezővel rendelkezik. Ezt a tulajdonságot javasoltam kihasználni a teljesítőképesség javítására. A teljesítőképesség erősen függ a vevő sávszélessége és a megfigyelési idő szorzatától. Minél alacsonyabb ez a szorzat, annál jobb a teljesítőképesség, ami biztosítja, hogy a sávszélesség és a megfigyelési idő csökkentése nem torzítja a jelet, és a bitenergia értékét állandó szinten tudjuk tartani.

Megmutattam, hogy az autokorrelátoros vevő és az energiadetektor-alapú vevők paramétereinek (sávszélesség és megfigyelési idő) vett hullámformához való optimális illesztése egy Gaussi UWB-jel esetében mennyivel javítja a teljesítőképességet.

A

összefüggés alapján – amelyben E_b a bitenergia, N_0/2 a csatornazaj teljesítménysűrűsége, 2B a vevő csatornaszűrője által meghatározott zajsávszélesség és \tau a megfigyelési idő – számítható a bithibaarány. Az összefüggés $2B\tau$ egész értékeire érvényes. Első lépésben a fenti összefüggés alapján kerestem optimumot, majd egy általam megépített és validált, UWB adatátviteli rendszerek szimulálására alkalmas Matlab szimulátor segítségével folytattam 2B\tau nem egész értékeire az optimalizását. Ennek eredményeképpen ~7,7 dB javulást értem el. Megmutattam, hogy a fenti összefüggés érvényes az UWB-impulzusrádió átvitt referenciájú, on-off keying és pozíciómodulált esetére is, feltéve hogy a bitenergia mindhárom esetben azonos. A CMOS-implementálhatóság szempontjából az átvitt referenciájú rendszer a legoptimálisabb, mivel ehhez szükséges a legkisebb feszültségszint ugyanakkora bitenergia megvalósításához.

Várható impakt, további kutatás

Az UWB adatátviteli rendszereket átfogóan tárgyaló elmélet nem található a szakmai irodalomban. Ennek eredményeképpen az eddig kidolgozott UWB modulációs rendszerek és detekciós algoritmusok heurisztikus megközelítéseken és mérnöki meglátásokon alapultak, ezért a detekciós algoritmusok nem optimalizálhatók, illetve nem illeszthetők a csatornafeltételekhez. A kaotikus jelek felhasználhatók UWB-vivőként, az UWB-rendszerek átfogó elméletének hiánya azonban nem teszi lehetővé a különböző vivők összehasonlítását.

A kutatás során a CMOS UWB hálózati eszközök költséghatékony megvalósításának tanulmányozása is előtérbe kerül.  Tanulmányozni fogjuk a kaotikus vivőkre alapozott UWB-eszközök alkalmazhatóságát és bithiba arányát és összehasonlítjuk az UWB-impulzusvivőkkel.

Az alábbi eredményeket várjuk:

1) Átfogó elmélet kidolgozása, mely egyaránt érvényes az impulzus jellegű és kaotikus vivőkre

2) Új modulációs rendszerek és detekciós algoritmusok kidolgozása az UWB-adatátvitel számára

3) Új UWB-vevőkonfigurációk kidolgozása, illetve UWB-vivők generálására alkalmas kaotikus jelgenerátor kifejlesztése

4) Acknowledgement protokollok kidolgozása kis adatátviteli sebességű személyi hálózatok számára.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája, melyek letölthetők:  http://home.mit.bme.hu/~krebesz/publications.html

Publikációs és idézettségi lista PDF formátumban: http://mit.bme.hu/~krebesz/kutatoi_bme/publication.pdf  

Válogatott publikációk: http://mit.bme.hu/~krebesz/kutatoi_bme/selected_publications.pdf

Szakmai eredmények listája: http://mit.bme.hu/~krebesz/kutatoi_bme/szakmai_eredmenyek02.pdf

Rövid szakmai önéletrajz: http://mit.bme.hu/~krebesz/kutatoi_bme/krebesz10cv_szakmai02.pdf

Témavezetői ajánlás: http://mit.bme.hu/~krebesz/kutatoi_bme/ajanlas.pdf

[1] Federal Communications Commission, Part 15 of the Commission Rs Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems; Subpart F, FCC–USA, Online:<http://sujan.hallikainen.org/FCC/FccRules/2009/15/>

[2] IEEE Standard 802.15.4a-2007, IEEE Computer Society, LAN/MAN Standards Committee, Work Group 15, Task Group 4a (2007)

[3] P. P.Mercier, D. C. Daly, M. Bhardwaj, D. D. Wentzloff, F. S. Lee és A. P. Chandrakasan: "Ultra-low-power UWB for sensor network applications" in ISCAS’08, Seattle, Washington, USA, 2008. május 18–21., 2562–2565. oldal

[4] S. Haykin, Communication Systems, 3rd ed. John Wiley & Sons, 1994

[5] K. Witrisal et. al.: “Noncoherent Ultra-Wideband Systems: An Overview of Recent Research Activities,” IEEE Signal Processing Magazine, 26. kötet, 4. szám, 48–66. oldal, 2009. július