Pačios seniausios radiotechnikos technologijos portatyviais elektronikos įrenginiais bevieliu būdu bus perduodami dideli duomenų kiekiai. Apie tai žurnale "Scientific American" pasakoja IBM Naujų verslo investicijų grupės vyriausiasis technologas Davidas Leeperis. Perpasakojame šį straipsnį.

   Skleisdama keistą traškesį nedideliame tarpe, esančiame tarp dviejų metalinių strypų, šokinėja melsvai baltą šviesą spinduliuojanti kibirkštėlė. Pasitelkęs šį kibirkštinį siųstuvą 31 metų amžiaus fizikos profesorius blankiai apšviestoje Karlsruhės, Vokietija, universiteto auditorijoje demonstruoja savo studentams elektromagnetinių reiškinių pasireiškimą. Profesorius buvo vardu Heinrichas Hertzas, o tuo metu ėjo 1887-ieji metai. Po septynerių metų poilsiaudamas Alpėse Hertzo straipsnį perskaito jaunas italas, vardu Giuglielmo Marconi, ir nieko nelaukęs išskuba namo vedamas jo galvoje kilusios bevielio telegrafo idėjos. Netrukus jau ir Marconi'o kibirkštinis siųstuvas skersai kambario, be jokių laidų siunčia Morzės signalus. Galiausiai 1901 metais, padidinęs siųstuvo spinduliuojamąją galią ir pastatęs didesnes antenas, radijo pionierius panaudoja šį prietaisą perduodant užkuoduotus bevielio ryšio signalus per Atlanto vandenyną.

   Nusikelkime dar šimtmečiu vėliau ir pamatysime, kad mokslininkai vėl bando per laboratoriją pasiųsti trumpus elektromagnetinės spinduliuotės impulsus. Tačiau jų naudota technologija jau labai pasikeitusi. Hertzo ir Marconi'o naudoti kondensatoriai ir masyvios ritės pakeistos miniatiūrinėmis mikroschemomis ir tuneliniais diodais. Nedarnius ir padrikus ankstyvųjų siųstuvų spinduliuotus kibirkščių pliūpsnius irgi pakeitė tiksliai sinchronizuotos specialios formos impulsų, tetrunkančių vos kelis šimtus trilijoninių sekundės dalių, sekos. Galų gale, jeigu Marconi'o prietaisai galėdavo perduoti informacijos kiekius, ekvivalentiškus 10 duomenų bitų per sekundę greičiu, tai dabartiniai pirmųjų kibirkštinių sistemų palikuonys - trumpo nuotolio, mažos galios, itin plačios juostos bevielio ryšio sistemos (UWB - Ultra Wide Band) per tą patį laiko tarpą gali pasiųsti didesnę kaip 100 mln. bitų informaciją.

Begalė naujų taikymų

   UWB sistemų sparta paskatino grupę išradėjų ir verslininkų (žr. 1 lentelę) reklamuoti šią trumpų nuotolių ryšio technologiją kaip beveik idealų augančių bevielių tinklų, jungiančių portatyvius (maitinamus akumuliatorių) elektronikos prietaisus, srautų įveikimą. Tokie autonomiški tinklai gali aprėpti asmeninius skaitmeninius padėjėjus (PDA - Personal Digital Assistant), nešiojamuosius kompiuterius, skaitmenines vaizdo kameras, garso ir vaizdo grotuvus bei kitokius mobiliuosius metalinius daiktus. Prietaisams yra reikalingos plačiajuosčių bevielio ryšio jungtys, kad jie sugebėtų apsikeisti tarpusavyje didelėmis skaitmeninėmis laikmenomis, būtinomis vis sudėtingesniems skaitmeniniams taikymams.

   Vis populiarėjantys bevieliai internetiniai prievadai yra kitas trumpo nuotolio bevielio ryšio technologijos vystymo akstinas. Išsivysčiusių šalių dauguma žmonių jau dabar didesnę dienos dalį praleidžia nutolę ne daugiau kaip per 10 m nuo kokio nors laidinio Interneto prievado. Toks artumas atveria naujas portatyviosios elektronikos ir Interneto derinimo galimybes. Pramonė atsiliepdama į tai sukūrė siaurajuosčio ryšio technologijas, kaip jungti mobiliuosius terminalus prie kompiuterinių tinklų,. Tarp jų rasime IEEE 802.11b ir "Bluetooth" nelicencijuojamos dažnių juostos nuo 2,4 iki 2,483 GHz standartus bei IEEE 802.11a vidaus patalpų dažnių ruožo nuo 5,15 iki 5,35 GHz standartus.

   Geriausiai yra žinoma vadinamųjų bevielio ryšio personalinių tinklų (PAN - Personal Area Network) technologija "Bluetooth". Bevieliai PAN buvo kuriami siekiant pakeisti nuosekliuosius (fizinius) ir USB kabelius, naudojamus perduodant duomenis tarp netoli vienas kito stovinčių elektronikos įrenginių. Nors atskirų specifinių taikymų detalės ir skiriasi, mažos galios "Bluetooth" standartas turėtų suteikti vartotojams 10 m atstumu duomenų perdavimo spartą, 700 kb/s greičiu.

   IEEE 802.11a ir IEEE 802.11b standartai buvo sukurti vietiniams bevieliams skaitmeniniams tinklams (LAN - Local Area Network), kuriems būdingos didesnės spartos ir ilgesni ryšio nuotoliai, bet galima naudoti ir didesnę galią. Dažniausiai šiais bevieliais LAN nešiojamieji kompiuteriai per specialius sąsajos taškus gali jungtis su laidiniais LAN. IEEE 802.11b vartotojai gali tikėtis ir 5,5 Mb/s duomenų perdavimo spartos laisva erdve 100 m nuotoliu. Jam giminingas IEEE 802.11a standartas vartotojams suteiks nuo 24 iki 35 Mb/s spartą 50 m nuotoliu. Praktikoje visų trumpo nuotolio ryšio sistemų spartos yra šiek tiek sumažinamos norint kompensuoti pailgėjusio ryšio nuotolio, atspindžių nuo sienų, žmonių ir kitų kliūčių įtaką.

   Šiuo metu, iš visko sprendžiant, puslaidininkiniai UWB transyveriai jau gali duomenis perduoti didele sparta - nuo 100 iki 500 Mb/s, kai ryšio nuotolis būna nuo 5 iki 10 m. Dėl tokios didelės ryšio spartos gims taikymai, apie kuriuos dabartiniai bevielio ryšio standartai neleidžia net svajoti. Maža to, inžinieriai tikisi, kad šie UWB įrenginiai bus pigesni, mažesni ir naudos mažiau energijos nei šiandieniniai siaurajuosčio radijo ryšio prietaisai.

   UWB yra pranašesnis už kitas trumpo nuotolio bevielio ryšio sistemas dar ir dėl kitų priežasčių. Augantis didesnės bevielio ryšio sistemų pralaidos poreikis ir vis labiau apkraunamas radijo dažnių spektras verčia rinktis tas sistemas, kurios siūlo ne tik dideles duomenų perdavimo spartas, bet ir koncentruotas dideles spartas kuo mažesniame fiziniame plote, - tai matas, kuris kartais yra vadinamas erdvine talpa. Panašiai kaip liumenais į kvadratinį metrą matuojamas šviesos intensyvumas apibūdina apšvietimo prietaisų kokybę, taip ir šis matas yra savotiškas "duomenų intensyvumo" rodiklis, matuojant bitais per sekundę į kvadratinį metrą. Kada tokiose daugiausiai žmonių lankomose vietose, kaip oro uostuose, viešbučiuose, konferencijų centruose ir darbovietėse, pradės burtis vis didesni plačiajuosčio ryšio vartotojų būriai, svarbiausias bevielio ryšio sistemos parametras bus jos erdvinė talpa, nors čia UWB technologija neturi sau lygių.

   Dėl sėkmingao UWB technologijos vystymosi atsiras visiškai naujos rūšies elektronikos prietaisai ir paslaugos, pakeisiančios mūsų gyvenimo būdą. Pavyzdžiui, užuot mes gavę įrašytus į vaizdajuostes kino filmus parduotuvėje, galėsime per UWB ryšį įsirašyti į portatyvią didelės talpos atmintinę, kol kuru bus pildomas automobilio bakas degalinėje. Skrisdami lėktuvu ar važiuodami traukiniu žmonės galės žiūrėti kino filmus arba žaisti kompiuterinius žaidimus užsidėję trimatį vaizdą sukuriančius akinius su UBW imtuvais. Fotografijos mėgėjai galės per UWB ryšį iš savo kamerų siųsti skaitmeninius vaizdus ir video, jiems nereikės tos kabelių raizgalynės, kuria dažnai tenka naudotis šiandien.

   UWB technologija turi ir kitų svarbių su ryšiais nesusijusių taikymų. Jie remiasi siaurais kaip skustuvo ašmenys tiksliai sinchronizuotais laiko impulsais, primenančiais tuos, kurie naudojami radaruose. Tokių impulsų pagalba bus galima UWB įrenginiais įžiūrėti užkastus objektus ar už sienos vykstantį judėjimą; tokios galimybės ko gero bus svarbios gelbėjimo ir teisėsaugos tarnyboms.

   Preciziški UWB impulsai taip pat gal bus panaudoti nustatant pastato viduje esančių siųstuvų poziciją. Veikdama panašiai kaip globalioji pozicionavimo sistema GPS arba automobilius nuo vagių sauganti technologinė sistema "LoJack", bevielė UWB sistema, turinti daugelį netoliese įrengtų imtuvų, galės trianguliacijos būdu aptikti siųstuvais pažymėtus daiktus. Tai, pavyzdžiui, praverstų parduotuvių personalui, "virtualiosios inventorizacijos" metu žiūrintiems, kur, - lentynose ar sandėlyje, - yra pačios vertingiausios prekės. Šis būdas taip pat tinka saugos padidinimui: duryse ar prie bankomatų įrengti UWB imtuvai galėtų įjungti juos tiktai tada, kai per metrą ar dar mažiau priartėtų leidimą turintis (nešinas UWB siųstuvu) vartotojas.

Radijas be nešlio

   Itin plačiajuostis bevielis ryšys skiriasi nuo įprastinių radijo ryšio formų, pavyzdžiui, AM/FM, trumpųjų bangų, televizijos ir taip toliau. Visose šiose siaurajuostčių paslaugų formose vengiama bet kokios tarpusavio sąveikos, todėl stengiamasi naudoti tik siaurą paslaugai paskirtą dažnių juostą, dar vadinamą nešliu (carrier wave). Duomenų žinutės yra įspaudžiamos nešlio signale kokiu nors būdu moduliuojant jo amplitudę, dažnį arba fazę, o po to, priėmus signalą, jos atkuriamos (žr. 2 pav., kur pasakojama apie moduliavimo būdus).

   UWB technologija iš esmės yra kitokia. UWB spinduliuotėje nėra jokio pagrindinio nešančiojo dažnio, o tik trūkčiojančios impulsų sekos. Informacija užkoduojama keičiant šių impulsų amplitudes, poliarumą, delsą ir kitus parametrus. UWB perdavimo modams apibūdinti buvo naudojami įvairiausi terminai, iš kurių paminėsime tik keletą iš jų: benešlis, bazinės juostos, nesinusinis ir impulsinis ryšys.

Siekiant išvengti sąveikos

   Kadangi šie impulsai yra labai trumpi, jie užima dažnių juostą nusidriekiančią iki kelių gigahercų. Pasirodo, kad kuo trumpesnis yra impulsas, tuo jam tenka platesnė dažnių spektro sritis.

   UWB impulsų yra naudojami tie patys dažniai, kaip ir tradicinėms radijo ryšio paslaugoms teikti, todėl jie gali potencialiai trukdyti pastarosioms. Kibirkštinės Marconi radijo stotys buvo galingos, kadangi jos perdengdavo didesnius nuotolius. Šiandieninėmis griežto radijo dažnių naudojimo reguliavimo sąlygomis Marconi sistemų niekas netoleruoja, dėl trukdymo beveik visiems, naudojantiems eterį. UWB ryšio sistemoms, jeigu tik jos neveiktų tokiuose mažuose galios lygiuose, būtų būdingi tokie pat trūkumai - jų skleidžiama spinduliuotė yra silpnesnė nei ta, kurią spinduliuoja plaukų džiovintuvai, elektriniai grąžtai, nešiojamieji kompiuteriai ir kiti buitiniai elektros prietaisai. Maža išvesties galia reiškia, kad UWB veikimo nuotolis labai ribotas - 100 m arba mažiau, o dažniausiai, yra vos 10 m. Gerai parinkus moduliavimo būdą, UWB siųstuvų sukeliama interferencija nejuntama, nes impulsų energija yra paprasčiausiai per maža, kad sukeltų kokių nors problemų.

   Kaip ir buitinių prietaisų atveju, vidutinė UWB siųstuvų spinduliuojama galia turėtų būti pernelyg maža, kad sukeltų kokį nors biologinį pavojų vartotojui, nors siekiant tuo galutinai įsitikinti dar reikia atlikti papildomų laboratorinių tyrimų. Pavyzdžiui, tipiškas 200 mikrovatų UWB siųstuvas spinduliuoja vos tris tūkstantąsias tradicinio 600 mW mobiliojo telefono skleidžiamos elektromagnetinių bangų galios.

   Po dvejus metus trukusių svarstymų, šių metų vasario mėnesį JAV Federalinė telekomunikacijų komisija (FCC), leido naudoti UWB ryšį. Svarstant, ar suteikti šį leidimą, daugiausiai dėmesio buvo skiriama tam, ar UWB netrukdys jau veikiančioms ryšio paslaugoms, tokioms, kaip GPS, radarai, mobilusis ar karinis ryšys. Komisija leido naudoti UWB dažnių juostas tarp 3,1 ir 10,6 GHz. Už šios juostos ribų signalai turi būti slopinami 12 dB, o ties GPS priskirtomis dažnių juostomis šis slopinimas turi siekti 34 dB.

   UWB konstruktoriai nepaisant šių apribojimų, yra tikri, jog bevielė technologija padės įgyvendinti visas tas duomenų perdavimo užduotis, apie kurias kalba jos propaguotojai. FCC pareiškė peržiūrėsianti suvaržymus tuomet, kai bus gauti pirmieji veikiančių sistemų stebėjimo rezultatai ir atlikti papildomi bandymai.

   Nors ir kaip būtų keista, bet didesnė techninė problema yra UWB prietaisų apsauga nuo kitų siųstuvų keliamų trukdžių. Būtent šiai sričiai siaurajuostės sistemos yra labiau pritaikytos; kiekviena jų turi po įvesties filtrą, neleidžiantį kitais dažniais veikiančių siųstuvų signalams patekti į sistemos imtuvus. Deja, UWB imtuvų įvestys yra atlapos todėl į juos patenka ir potencialių trukdytojų siunčiami signalai. UWB imtuvo sugebėjimas įveikti šias kliūtis, dar vadinamas varža trukdžiams, yra svarbiausia to imtuvo konstruktoriui keliama užduotis. Viena koncepcija suvedama į vadinamųjų išpjovos filtrų, slopinančių siauras spektro dalis, kuriose labiausiai tikėtina pašalinė sąveika, įrengimą. Kita apsaugos priemonė - tai automatiniai išpjovos filtrai, slopinantys ypač stiprius siaurajuosčius trukdžių šaltinius.

Daug takų

   Daug rūpesčių kelia ir kitos radijo interferencijos rūšies daugiatakė interferencija. Kai kuriais atvejais tie patys siaurajuosčiai signalai gali būti atspindimi nuo įvairių objektų ir keliauti dviem ir daugiau skirtingų takų, todėl atspindėtieji signalai būna skirtingų fazių, o kartais panaikina vienas kitą.

   Daugkartinių atspindžių signalai taip pat gali pakenkti ir UWB bevielio ryšio prietaisams, tačiau dėl sumanios konstrukcijos šis reiškinys sėkmingai panaudojamas. Siaurais UWB impulsais imtuvuose atskiriami pavieniai atspindžiai ir sinchronizuojama sava veika su keletu jų. Po to beveik realiu laiku, galima pasitikrinti, ar priimtasis bitas reiškia nulį ar vienetą. Šia bitų patikros funkcija pagerinama imtuvo veikos kokybė.

Mažiau ir trumpiau

   Šiandieninė mažesnės galios signalų siuntimo trumpesniu nuotoliu tendencija jau buvo pasireiškusi bevieliame ryšyje ir anksčiau - pirmosiomis radijo telefonijos dienomis. Iki 1980 m. viename bokšte iškeltas galingas siųstuvas galėjo perdengti ištisą miestą, tačiau ribotas spektras reiškė, kad jis galės tarnauti nedideliam vartotojų skaičiui. Dar 1976 m. Niujorko radijo telefono operatoriai vienu metu galėjo aptarnauti vos 545 abonentus, - šiandienos požiūriu, absurdiškai mažą skaičių. Korinis ryšys galėjo pasiekti daugiau vartotojų todėl, jog drastiškai buvo sumažinta ryšio nuotolio galia ir kad tą patį spektro diapazoną buvo galima panaudoti daugelį kartų. Dabar UWB ruošiasi eiti tuo pačiu keliu.