Ülilairibatehnoloogia

Ülilairibatehnoloogia (inglise keeles ultra-wideband ja ultraband, UWB) on suure läbilaskevõimega raadiosidetehnoloogia, mille kanali laius on vähemalt 20% kandja sagedusest ja mitte vähem kui 500 MHz. Ülilairibatehnoloogia jääb raadiospektris alla poole mürapiiri, mistõttu vanemad raadiosignaali vastuvõtjad ei suuda ülilairibatehnoloogial põhinevaid raadiosignaale tuvastada.

Ajalugu

Ülilairibatehnoloogia esimene kasutus on teada juba 1901. aastast, kui Guglielmo Marconi edastas üle Atlandi ookeani morset. Umbes 50 aastat hiljem hakati militaarüksustes raadioimpulssidel põhinevaid radareid kasutama. Tänapäevase ülilairibatehnoloogia eelkäija ühtedeks teerajajateks olid 1960. aastatel Ameerika Ühendriikidest pärit Henning Harmuth (Ameerika katoliiklik ülikool), Gerald Ross ja K. W. Robins (Sperry Rand Corporation). 1960.–1990. aastatel oli ülilairibatehnoloogia lubatud kasutamiseks ainult militaarüksustele ja Ameerika Ühendriikide Kaitseministeeriumile ja sedagi ainult salastatud projektides. Mikroprotsessorite kiire areng on avanud ülilairibatehnoloogiale tee ka kommertsturule. Esimest korda lubati ülilairibatehnoloogial põhinev seade kommertsturule alles 2002. aastal (USA).

Tehnoloogia

Ülilairibatehnoloogia kanali laius jääb peamisel 3,1 GHz ja 10 GHz vahele ning selle traadita side võrgu infoedastuskiirus 10 meetri raadiuses on vähemalt 100 Mbit (megabitti) sekundis. Suur kanalilaius võimaldab korraga edastada suuremahulisi andmeid näiteks kommunikatsioonis, ülitäpseid asukohaandmeid ja kuvamisseadmetelt edastatavaid andmeid. Ülilairibatehnoloogia võimaldab raadiosaatjatel kasutada ka mürapiirist madalamaid sagedusi, mis tähendab, et see saab samaaegselt töötada koos teiste traadita side võrkudega nagu 802.11 LAN, 802.15 MAN ja WAN. Raadioimpulsid võivad olla kas madalad või väga kõrged. Impulss-süsteemil põhinevad radarid ja kuvamisseadmed kasutavad enamjaolt väheste kordustega impulss-sagedusi (üldiselt vahemikus 1–100 megaimpulssi sekundis). Kommunikatsioonivahendid kasutavad sedapuhku aga pigem rohkemate kordustega impulsse (üldiselt vahemikus üks kuni kaks gigaimpulssi sekundis).

Ülilairibatehnoloogia traadita side süsteemid

Visuaalse pildi kuvamisseadmed

Kuvamisseadmed on georadarid, meditsiinilised röntgenseadmed, militaarüksustes ja sisekaitses kasutatavad seinu läbistavad radarid. Taolised seadmed töötavad sagedusel kas alla 960 MHz või 3,1 GHZ ja 10,6 GHz vahelises sagedusalas. Tüüpiliselt kasutatakse päästeoperatsioonides, sisekaitses, kaevandus- ja ehitusettevõtetes. Kasutatakse ka objektide või inimeste asukoha ja/või liikumise kindlaksmääramiseks läbi ruumi seinte. Arstiteaduses kasutatakse ülilairibatehnoloogial põhinevaid kuvamisseadmeid röntgenseadmetes ja uurimustes.

Liiklusradarisüsteemid

Liiklusradarid töötavad sagedusalas 22–29 GHz. Peamiselt kasutatakse mootorsõidukitel kokkupõrke vältimise süsteemides (inglise keeles collision avoidance system).

Kommunikatsiooni- ja mõõtmisseadmed

Kommunikatsiooni- ja mõõtmisseadmed töötavad sagedusalas 3,1–10,6 GHz.

Kasutusalad

Ülilairibatehnoloogia on küll muutumas üha populaarsemaks laialdaselt kättesaadavaks tarbekaupade hulgas, kuid samamoodi on sellest kasu ka militaarüksustel ja sisekaitseorganitel. Üks põhjustest on ülilairibatehnoloogia võime kasutada infoedastuseks mürapiirist madalamaid sagedusi. Teiseks jaotab ülilairibatehnoloogia raadioimpulsid tema kasutataval laial sagedusalal laiali. Mõlemad põhjused raskendavad raadiosignaali avastamist, mis muudab ülilairibatehnoloogial töötavad raadiojaamad sõjapidamises ja sisekaitseorganitele ideaalseks kommunikatsioonivahendiks. Samuti sobib ülilairibatehnoloogia kasutamiseks süsteemidel, mis saavad omavahel suhelda lühikestel vahemaadel, nagu näiteks arvutite välisseadmed (nt väline klaviatuur).

Kommertskasutus

• kiired traadita side võrguühendused LAN/WAN (>20 Mbit sekundis)
• ennetusradarid (kokkupõrke vältimise süsteemid)
• altimeetrid (lennunduses kasutusel olevad kõrgusmõõdikud)
• sissetungi avastavad seadmed
• geomeetrilised asukoha määramise seadmed
• sensorid
• traadita printerid
• USB alternatiiv

Militaarkasutus

• radarid
• kommunikatsiooniseadmed (raadiojaamad, vastuvõtjad, avastamisseadmed)
• sissetungi avastavad seadmed
• täpsete andmetega geomeetrilised asukoha määramise seadmed
• tankiradarid
• hoonesisene täppispositsioneerimine
• sensorid
• jälitusseadmed
• andmekogumisseadmed

Antennid

Põhiline erinevus tavaliste raadioülekannete ja ülilairibatehnoloogia vahel on see, et tavapärased raadiosüsteemid edastavad andmeid võimustaset, sagedust ja/või sinusoidi faasi muutes. Ülilairibatehnoloogia raadioülekanded aga edastavad andmeid intervallides, genereerides iga kindla aja tagant raadioenergiat, mis on võimalik tänu ülilairiba laiale sagedusalale.

Ülilairibatehnoloogiat kasutatavate süsteemide üheks olulisemaks osaks on antenn, mis filtreerib sissetulevaid raadiosignaale nii, et läbi lubatakse ainult need signaalid, mis on samuti ülilairibatehnoloogial põhinevalt seadmelt saadetud ning diferentseerib läbivat signaali. Ülilairibaantennid saadavad välja lühikesi, vaid ühe nanosekundi pikkusi impulsse. See pidevalt pulseerivaid signaale väljasaatev süsteem seab endale tingimuse ka spetsiaalse antenni jaoks, mis suudab transiivris impulsid koguda ja üheks andmeks muundada. Saatjas peab antenn vastupidi transiivris toimuvale olemasoleva andme lühikesteks impulssideks diferentseerima ja sagedusalale laiali jaotama. Antenni kvalifitseeritakse ülilairibatehnoloogiana, kui selle sagedusriba on vähemalt suhtes 6:1. See tähendab, et ülemine sagedus peab olema alumisest vähemalt kuus korda suurem.

Ülilairibaantennid erinevad kitsasribaantennidest põhiliselt põhikontseptsiooni poolest. Paljud antennid, eriti elektersideseadmetes, on seadistatud kindlale kesksagedusele ning töötavad suhteliselt kitsal sagedusalal. Ülilairibaantennid on aga konstrueeritud püüdma signaale palju laiemal sagedusribal.

Andmeside

Ülilairibatehnoloogia arendati algselt välja puhtalt tööstuslikel eesmärkidel. Kommunikatsiooni- ja andmeedastussüsteemidesse integreerus see alles tükk aega hiljem. Tänaseks on ülilairibatehnoloogiast saanud üks tuleviku kommunikatsiooni- ja andmesidesüsteemide võtmeelemente.

Ülilairibatehnoloogia on suurte andmeedastuskiirustega töötavate süsteemide üheks eelistatuimaks valikuks. Näiteks on katsetatud USB-ühenduse asemel kasutada just ülilairibasüsteeme. Kuna ülilairibatehnoloogia kasutab tööks väga vähe energiat, on see sobilik ka nutitelefonide süsteemide jaoks.

Positsioneerimine

Positsioneerimine on andmeside üks osa, mis hõlmab ka strateegiaid positsioneerimise täpsemaks muutmiseks ning koordinaatide edastamiseks. Kõik elektroonilised vahendid suudavad määrata andmeedastuseks kulunud aja pikkuse, seostades selle seadme enda määratud kellaajaga. Triangulatsioonitehnika abil positsioneerimiseks, aga ühest seadmest üksi ei piisa, vaja läheb vähemalt kolme seadet. Ajastuse täpseks määramiseks on vaja kõikide nende seadete koostööd.

Ülilairibatehnoloogia sobib suurepäraselt positsioneerimiseks tänu andmeedastussüsteemile, mis saadab info intervallides väga lühikeste raadioimpulssidena välja. Juhul kui impulsi transiivrisse kohale jõudmise aeg on teada, on võimalik täpselt arvutada impulsi läbitud teepikkus (kaugus raadiosaatjast). Kombineerides mitme transiivri arvutatud distantsiandmeid ühe konkreetse raadioimpulsi kohta, saab triangulatsioontehnikaga arvutada signaali algallika täpse asukoha.

Ülilairibasüsteemide, mille võimalik sagedusala laius on 7,5 GHz, puhul on maksimaalne impulsi kiirus 133 pikosekundit ehk teisisõnu impulsi saabudes transiivrisse on võimalik leida teepikkus, mille impulss 133 pikosekundiga läbis. Selliste kiiruste korral positsioneerimise täpsus ruumis 4 cm täpsusega. Tagasihoidlikumate süsteemide puhul, mille võimalik sagedusala on 500 MHz, on impulsi maksimaalne kiirus vastavalt 2 nanosekundit, mis võimaldab positsioneerimist ligi 60 cm täpsusega. Ülilairibatehnoloogia väikseim võimalik kanali laius on 500 MHz, seega on iga ülilairibasignaali abil positsioneerimine täpsusega alla meetri.

Vaata ka

• Apple U1

Kirjandus

• Ultra-Wideband Technology for Short- or Medium-Range Wireless Communications
• Rahvusvaheline elektrotehnika sõnastik. Osa 713, Raadioside: saatjad, vastuvõtjad, võrgud ja ekspluatatsioon = International Electrotechnical Vocabulary (IEV). Chapter 713, Radiocommunication: transmitters, receivers, networks and operation