۱ متر
درههای شهری
۵۰ سانتی متر
جدول۱-۱: کاربرد و دقت مورد استفاده برای انواع مکان یابی
همانطور که در این جدول دیده می شود اکثر کاربردهای مهم مکان یابی نیاز به دقتهای سانتیمتر تا حداکثر متر دارند.
از ویژگیهای سیگنالهای فراپهنباند، قابلیت تفکیک سیگنالها از مسیرهای مختلف به دلیل باریک بودن پالسها است. قابلیت دیگر نفوذ و عبور از دیوارهها و البته انتقال داده با نرخهای بالا به دلیل پهنای باند وسیع است.
فصل دوم:
سیستمهای فراپهنباند
سیستمهای فراپهنباند
۱.۲ مقدمه
نیاز به یک مخابرات با قابلیت ارسال اطلاعات با نرخ بیت هر روز در حال افزایش است. یکی از روشهایی که میتوان با بهره گرفتن از آن به این مهم دست یافت، استفاده از سیگنالهای فراپهنباند است. اساس مخابرات فراپهنباند برپایهی ارسال اطلاعات توسط پالسهای بسیار باریک (در حوزه زمان) که سطح انرژی پایینی دارند، میباشد. بنابر ضوابط وضع شده توسط سازمان تنظیم مقررات رادیویی آمریکا[۷]، سیستمهای مخابراتی فراپهنباند میتوانند در باند فرکانسی ۳.۱ الی ۱۰.۶ گیگاهرتز (البته این رنج فرکانسی مخصوص کشور آمریکا میباشد و در اروپا پایینترین فرکانس برای سیستمهای مخابراتی فراپهنباند ۲.۴ گیگاهرتز میباشد) کار کنند. برای اینکه یک سیگنال فراپهنباند نامیده شود، حداقل یکی از خواص زیر را باید دارا باشد:
حداقل پهنای باندی معادل ۵۰۰ مگاهرتز داشته باشد.
رابطه زیر برای سیگنال فراپهنباند صدق کند.
که درآن پهنای باند، فرکانس مرکزی، مینیمم و ماکزیمم فرکانس سیگنال ارسالی میباشند.
استفاده از این فناوری در زمینه های مخابرات بیسیم روز به روز درحال افزایش است. برای پیشگیری از ایجاد تداخل با سیستمهای مخابرات موجود، سازمان تنظیم مقررات رادیویی آمریکا، توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز[۸](EIRP) را برای هر باند فرکانسی مشخص کرده است. با توجه به اینکه این باند بسیار وسیع است، این پهنای باندها برای کاربردهایی چون WSN و غیره اختصاص داده شده است. بنابراین استفاده از باند دارای محدودیتهای توانی برای کاربردهای فراپهنباند است. البته مرکز تنظیم مقررات در باندهایی در این محدوده که برای کاربردهای خاص دیگر اختصاص داده شده و توسط شرکتهای سازنده ادوات خریداری شده نسبت به کاربران فراپهنباند سختگیرانهتر عمل کرده است.
شکل۲-۱: توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز بهازای باندهای فرکانسی مختلف [۳]
خواص سیگنالهای فراپهنباند
همانطورکه بیان شد سیگنالهای فراپهنباند انتخاب مناسبی برای ارتباطات پر سرعت بی سیم نیز میباشند.
بنا بر تئوری شانون در یک کانال AWGN [۹] میتوان ماکزیمم نرخ ارسال داده را به صورت تابعی از پهنای باند B و نسبت سیگنال به نویز S/N نوشت.
در سیگنالینگهای فراپهنباند سیگنال به نویز، بسیار پایین است و به صورت خطی میتوان ماکزیمم نرخ ارسال داده را متناسب با پهنای باند B دانست.
از طرفی به دلیل ارتباط معکوسی که بین زمان و فرکانس وجود دارد، طول زمانی سیگنالهای فراپهنباند بسیار کوتاه و پالسهای ارسالی بسیار باریک هستند و از مرتبههای نانو ثانیهاند. این ویژگیهای سیگنالهای فراپهنباند می تواند خصوصیات زیر را برای این نوع سیگنالها در نظر گرفت.
خواص اصلی سیگنالهای فراپهنباند عبارتند از:
پهنای باند بسیار زیاد
قابلیت ارسال اطلاعات با توان کم توسط آنها
توانایی ارسال اطلاعات با نرخ بیت بالا توسط آنها
مقاوم بودن نسبت به تضعیفشدگی[۱۰]
مقاوم بودن نسبت به پدیده چند مسیره[۱۱]
ارزان بودن گیرنده و فرستنده
قابلیت مکان یابی دقیق (با دقت سانتیمتر) توسط این سیگنالها
این خواص موجب شده اند سیگنالهای فراپهنباند در زمینه های مختلفی استفاده شوند، مثلا در زمینه رادارهای نظامی. ولی دراینجا بیشتر کاربردهای تجاری[۱۲] سیگنالهای فراپهنباند بررسی میگردد[۴] . یکی از کاربردهای تجاری مهم سیگنالهای فراپهنباند در شبکه های اقتضایی بیسیم[۱۳] میباشد.
۳.۲ استاندارد ها در سیستمهای فراپهنباند
ارسال اطلاعات با نرخ بالا (استاندارد IEEE 802.15.3a): در این کاربرد دو دستگاه میتوانند با بهره گرفتن از سیگنالهای فراپهنباند به تبادل اطلاعات با نرخ ۱۰۰ Kbps (مثلا برای موسهای بیسیم) تا ۴۸۰ Mbps (برای پخش مستقیم ویدیو و عکس و غیره از طریق بیسیم) بپردازند. همچنین این فناوری کاربردهای چندرسانهای همانند اتصال مانیتورها به صورت بیسیم نیز دارد، که توسط استانداردهای موجود همانند ۸۰۲.۱۱ و بلوتوس قابل پیادهسازی نیستند.
ارسال اطلاعات با نرخ پایین (استاندارد IEEE 802.15.4a): در شبکه های حسگر که نیاز به نرخ ارسال بالایی ندارند (۵۰ kbps تا ۱ Mbps) استفاده می شود. برد ارسال در اینگونه شبکه ها در حدود ۱۰۰ متر میباشد. از آنجایی که یکی از قابلیت های اساسی سیگنالهای فراپهنباند، دقت زیاد آنها در مکان یابی (در حدود سانتیمتر) میباشد، در این کاربرد بیشتر روی مکان یابی تمرکز می شود. قیمت ارزان دستگاههای مورد استفاده در این کاربرد باعث رشد روز افزون آن در حوزه های مختلف مانند امداد و نجات، پیشگیری از آتشسوزی جنگلها، کاربردهای امنیتی و غیره شدهاست [۴].
۴.۲ مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند
پارامترهای مهمی در انتخاب مناسب مدولاسیون برای سیگنالهای فراپهن باند نقش دارند، که میتوان به نرخ اطلاعات، پیچیدگی گیرنده و فرستنده، خواص طیفی سیگنال، مقاومت در برابر تداخل سیگنالهای باریکباند، تداخل بین سمبلی، وضعیت خطا و غیره اشاره کرد. در سیستمهای فراپهنباند پالسی مدولاسیونهای PAM[14]، [۱۵]OOK و [۱۶]PPM معمولا استفاده میشوند. در PPM باینری بیت ‘۱’ با یک پالس بدون تاخیر و بیت ‘۰’ توسط یک پالس با تاخیر نسبت به مرجع زمانی تعیین میگردند. در این مدولاسیون میتوان از جابجاییهای مختلف پالس برای مشخص کردن سمبلهای مختلف استفاده کرد. رایجترین روش PPM، استفاده از روش سیگنالینگ متعامد میباشد، که در آن هر سیگنال بر سیگنال شیفت یافتهاش عمود میباشد. در PAM بیتهای ‘۱’ و ‘۰’ با یک سیگنال و تغییر فاز داده شدهی آن به اندازه ۱۸۰ درجه نشان داده میشوند. در OOK با ارسال و عدم ارسال پالس، بیتهای ‘۱’ و ‘۰’ را مشخص می شود [۴] .
