ГОСТ Р 58082-2018 (ИСО/МЭК 24730-62:2013). Национальный стандарт Российской Федерации. Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 62. Сверхширокополосный радиоинтерфейс с высокой частотой повторения импульсов

(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 27.02.2018 № 104-ст)

Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 февраля 2018 г. № 104-ст

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ (RTLS)

ЧАСТЬ 62

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ РАДИОИНТЕРФЕЙС С ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ

Information technology. Real time locating systems (RTLS). Part 62. High rate pulse repetition frequency Ultra Wide Band (UWB) air interface

(ISO/IEC 24730-62:2013, MOD)

ГОСТ Р 58082-2018 (ИСО/МЭК 24730-62:2013)

Группа П85

ОКС 35.040

Дата введения 1 января 2019 года

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью «РТЛС исследования и разработки» на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 355 «Технологии автоматической идентификации и сбора данных»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 февраля 2018 г. № 104-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО/МЭК 24730-62:2013 «Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 62. Сверхширокополосный радиоинтерфейс с высокой частотой повторения импульсов» (ISO/IEC 24730-62:2013 «Information technology — Real-time locating systems (RTLS) — Part 62: High rate pulse repetition frequency Ultra Wide Band (UWB) air interface», MOD) путем изменения ссылок, которые выделены в тексте курсивом и подчеркиванием сплошной горизонтальной линией. Подробная информация об изменении ссылок и объяснения причин изменений приведены в приложении ДБ. Дополнительные пояснения причин изменения ссылок выделены путем заключения их в рамки из тонких линий.

В приложении ДА приведены терминологические статьи из международного документа [15].

Сведения о соответствии ссылочных национальных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте, приведены в дополнительном приложении ДВ

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 Некоторые элементы настоящего стандарта могут быть объектами патентных прав. Организации ИСО и МЭК не несут ответственности за установление подлинности каких-либо или всех таких патентных прав

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

Эта серия стандартов определяет единый протокол радиоинтерфейса для систем позиционирования, используемых в управлении активами, и имеет целью обеспечить совместимость и способствовать интероперабельности продуктов на растущем рынке RTLS.

Настоящий документ устанавливает сверхширокополосный радиоинтерфейс с высокой частотой повторения импульсов как технический стандарт для систем позиционирования в реальном времени, которые работают в международно доступных сверхширокополосных частотных диапазонах и которые предназначены для обеспечения точного позиционирования (например, в пределах нескольких десятков сантиметров) с частыми обновлениями (например, один раз в секунду).

Системы позиционирования в реальном времени являются беспроводными системами, способными определять местонахождение предмета в любом месте определенного пространства (локальные, региональные, глобальные) в текущий момент времени или близко к реальному времени. Положение определяется путем измерений физических свойств радиоканала связи.

Концептуально существуют четыре классификации RTLS:

• позиционирование актива через спутник — требует прямой видимости, точность — до 10 метров;
• позиционирование актива в контролируемой зоне, например на складе, территории предприятия, в аэропорте — интересующая территория оборудуется приборами, точность — до 3 метров;
• позиционирование активов в более ограниченной зоне — интересующая территория оборудуется приборами, точность — до десятков сантиметров;
• позиционирование актива на земной поверхности — с помощью наземных приемников, охватывающих большое пространство (например, вышек сотовой связи), точность — 200 метров.

Следует упомянуть еще два метода позиционирования объекта, которые, скорее, в действительности относятся к технологии радиочастотной идентификации (RFID), а не RTLS:

• позиционирование активов, основанное на том, что актив в определенное время прошел точку A и не прошел точку B;
• позиционирование актива благодаря подаче сигнала самонаведения, посредством которого человек с ручным устройством может найти актив.

Метод обнаружения заключается в идентификации и определении местонахождения, как правило, через мультилатерацию.

Типы:

• системы определения расстояния по времени распространения сигнала;
• амплитудная триангуляция;
• разница времени прибытия (TDOA);
• сотовая триангуляция;
• спутниковая мультилатерация;
• угол прибытия.

Настоящий стандарт определяет протокол радиоинтерфейса, необходимый для создания систем RTLS, использующих сверхширокополосный радиосигнал с высокой частотой повторения импульсов, который является механизмом сигнализации физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса (на основе &[13]&) и использует высокую частоту повторения импульсов (ВЧПИ) 16 или 64 МГц и комбинацию пакетно-позиционной модуляции (BPM) с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK).

Дополнительные пояснения текста стандарта приведены в сносках и выделены курсивом.

1 Область применения

Настоящий стандарт определяет радиоинтерфейс для систем позиционирования в реальном времени (RTLS), используя механизм сигнализации физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса (основанный на &[13]&). Эта схема модуляции, используя высокую частоту повторения импульсов 16 или 64 МГц и комбинацию пакетной-позиционной модуляции (burst position modulation, BPM) с двоичной фазовой манипуляцией (binary phase-shift keying, BPSK), обеспечивает очень высокий уровень эффективности с полностью когерентным приемником.

В дополнение к определению протокола радиоинтерфейса на основе модуляции физического уровня настоящий стандарт определяет протокол радиоинтерфейса, исходя из передаваемых по радиоканалу сообщений. Этот протокол радиоинтерфейса поддерживает простую однонаправленную передачу базовой блинк-посылки, которая может быть использована для RTLS на основе однонаправленного позиционирования методом измерения разницы времени прибытия (TDOA), где мобильные метки периодически передают блинк-посылки, которые получает инфраструктура, состоящая из ряда фиксированных узлов считывания.

Этот протокол также опционально поддерживает двухстороннюю связь и двухстороннее измерение расстояния между устройствами считывания и метками RTLS. Поддержка двухстороннего измерения расстояния требует дополнительного включения сверхширокополосного приемника в метку и сверхширокополосных передатчиков в инфраструктуру считывания.

Обязательный по умолчанию рабочий режим обеспечивает взаимодействие между метками и инфраструктурой различных изготовителей, а наличие нескольких дополнительных возможностей (опций) предлагает разработчику инфраструктуры гибкость, чтобы адаптировать поведение системы в целом к конкретным потребностям применения.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

&ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963-2011 Информационные технологии. Радиочастотная идентификация для управления предметами. Уникальная идентификация радиочастотных меток

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-1-2011 Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 1. Общие термины в области АИСД

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-2-2011 Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 2. Оптические носители данных (ОНД)

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-3-2011 Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 3. Радиочастотная идентификация

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-4-2011 Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации и сбора данных (АИСД). Гармонизированный словарь. Часть 4. Общие понятия в области радиосвязи&

Примечания

1 Ссылка на ISO/IEC/IEEE 8802-15-4 перенесена в библиографию [15], поскольку в приложении ДА настоящего стандарта приведены терминологические статьи из указанного документа, на которые содержится ссылка в разделе 2 ИСО/МЭК 24730-62.

2 ИСО/МЭК 24730-62:2013 содержит ссылку на ИСО/МЭК 19762 «Информационные технологии. Технологии автоматической идентификации сбора данных. Гармонизированный словарь (все части)» [ISO/IEC 19762 Information technology — Automatic identification and data capture (AIDC) techniques — Harmonized vocabulary — (all parts)]. На момент публикации ИСО/МЭК 24730-62:2013 действовал ИСО/МЭК 19762:2008, состоящий из пяти частей. На основе частей 1 — 4 ИСО/МЭК 19762:2008 были подготовлены идентичные национальные стандарты: ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-1-2011, ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-2-2011, ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-3-2011, ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-4-2011. На момент принятия настоящего стандарта версия ИСО/МЭК 19762:2008 отменена и действует новая версия международного стандарта [16], которая объединяет в одном документе все ранее опубликованные части и содержит русскую версию.

3 Термины, определения и сокращения

3.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-1, ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-2, ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-3, ГОСТ Р ИСО/МЭК 19762-4, [15]&, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 пачка импульсов (burst): Группа сверхширокополосных импульсов, имеющих место в последовательные периоды элемента сигнала.

3.1.2 комплексный канал (complex channel): Комбинация канала (на центральной радиочастоте) и троичной кодовой последовательности.

3.1.3 кадр (frame): Формат агрегированных битов, которые передаются вместе во времени.

3.1.4 гибридная модуляция (hybrid modulation): Модуляция, используемая на физическом уровне сверхширокополосного радиоинтерфейса, которая сочетает в себе двоично фазовую манипуляцию (BPSK) и пакетно-позиционную модуляцию (BPM), так что для демодуляции сигнала могут быть использованы как когерентные, так и некогерентные приемники.

3.1.5 период молчания (idle period): Период времени, в течение которого работа приемопередатчика не предусмотрена.

3.1.6 внутренний синхронизирующий сигнал (local clock): Внутренний синхронизирующий сигнал устройства.

3.1.7 средняя частота повторения импульса (частота PRF) [mean pulse repetition frequency (PRF)]: Полное число импульсов в символе, деленное на продолжительность символа.

3.1.8 подлежащие передаче данные (payload data): Информация, которая должна быть передана сообщением.

3.1.9 максимальная частота повторения импульса (частота PRF) [peak pulse repetition frequency (PRF)]: Максимальная частота, с которой физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса передает импульсы.

3.1.10 кадр измерения расстояния (кадр RFRAME) [ranging frame (RFRAME)]: Сверхширокополосный кадр, содержащий в заголовке физического уровня набор битов измерения расстояния.

3.1.11 опорный маркер (маркер RMARKER) [ranging marker (RMARKER)]: Первый сверхширокополосный импульс первого бита заголовка физического уровня кадра измерения расстояния.

3.1.12 символ (symbol): Временной отрезок и порция переданного сигнала, которые логически рассматриваются как единичное событие передачи сообщения, передающее некоторое определенное число битов данных или повторяющуюся порцию синхронизирующего сигнала.

Примечание — Подраздел 3.1 ИСО/МЭК 24730-62:2013 содержит ссылку на [15]. Термины и их определения документа [15] указаны в дополнительном приложении ДА настоящего стандарта.

4 Обзор

4.1 Компоненты

Основные составные части системы позиционирования в реальном времени (RTLS) и взаимосвязь этих компонентов показаны на рисунке 1. Как показано на этом рисунке, метки взаимодействуют с инфраструктурой. Инфраструктура предоставляет прикладной программный интерфейс (API), через который приложение может контролировать систему RTLS и получать информацию о месте нахождения и состоянии меток.

Обязательные сообщения меток инфраструктуре

Опциональные сообщения инфраструктуры меткам

Рисунок 1 — Составные части системы RTLS

Как показано на рисунке 1, метки общаются с инфраструктурой через радиоинтерфейс. Как правило, радиоинтерфейс включает определение формы сигналов, форматов пакетов, а также команд и отчетов для обмена между метками и инфраструктурой. Это может быть представлено на уровневом подходе, как показано на рисунке 2. Подобные объяснения можно найти в других стандартах, например в &[17]&.

Рисунок 2 — Уровни радиоинтерфейса

4.2 Не подпадает под стандарт

Проектирование инфраструктуры полностью оставлено разработчику, например плотность узлов считывания RTLS, то, как узлы считывания управляются и общаются друг с другом, развертывание инфраструктуры и тому подобное может быть разным в различных сценариях и для систем разных поставщиков. В типичных RTLS, чтобы определить местонахождение метки, по крайней мере три RTLS узла считывания должны получить блинк-посылку от метки и измерить время ее прибытия.

4.3 Система

После включения питания метка использует профиль по умолчанию, согласно которому она периодически посылает блинк-посылки. В каждой блинк-посылке метка сообщает свой физический адрес и дополнительную информацию о том, где и когда она может получать команды от инфраструктуры.

Инфраструктура может использовать время получения блинк-посылки несколькими синхронизированными узлами считывания, чтобы рассчитать местонахождение метки, используя механизмы TDOA.

Инфраструктура может принять решение (для меток с возможностью двухсторонней связи) скомандовать метке выполнить двустороннее измерение расстояния с рядом аналогичных по способностям узлов считывания в непосредственной близости. Отправляя команды метке в момент, когда метка слушает, инфраструктура может выбрать узлы считывания, с которыми метка выполняет двухстороннее измерение расстояния. Кроме того, инфраструктура может адаптировать поведение метки к фактическим условиям, таким как количество меток в радиусе действия, количество доступных инфраструктурных узлов и т.д.

Когда метка с двухсторонней связью теряет подключение к инфраструктуре, то есть не получает никаких команд в течение определенного времени, она возвращается к режиму по умолчанию — периодической отправке блинк-посылок.

4.4 Структура документа

Настоящий стандарт прежде всего определяет и устанавливает требования к модуляции физического уровня, затем определяет основной формат сообщения, после чего подробно определяет сообщения режима работы по умолчанию — с односторонней связью и сообщения факультативного режима работы — с двусторонней связью.

5 Спецификации физического уровня

5.1 Общие замечания

Сверхширокополосный физический уровень радиочастотного интерфейса с высокой частотой повторения импульсов (ВЧПИ) использует среднюю частоту повторения импульсов, которая номинально составляет 16 МГц или опционально 64 МГц. Форма сигналов сверхширокополосного физического уровня основана на схеме импульсной радиопередачи, использующей импульсы данных в ограниченной полосе частот. Сверхширокополосный физический уровень поддерживает два независимых рабочих диапазона:

• низкочастотный, который состоит из четырех каналов и занимает спектр от 3,1 до 4,8 ГГц;
• высокочастотный, состоящий из одиннадцати каналов и занимающий спектр от 6,0 до 10,6 ГГц.

В каждом канале поддерживаются как минимум два комплексных канала, которые имеют уникальные коды синхронизирующего заголовка (SHR) длиной 31 символ. Сочетание канала и кода преамбулы называется комплексным каналом.

Сочетание пакетно-позиционной модуляции (BPM) с двоичной фазовой манипуляцией — (BPSK) используется для поддержки как когерентных, так и некогерентных приемников, использующих общую схему сигнализации. Сочетание BPM-BPSK используется для модуляции символов, где каждый символ состоит из активной пачки сверхширокополосных импульсов. Различные скорости передачи поддерживаются за счет использования пачек переменной длины.

Рисунок 3 показывает последовательность этапов обработки, используемых для создания и модулирования пакета. Последовательность действий, указанных здесь для передатчика, используется в качестве основы для объяснения создания сверхширокополосного сигнала. Следует обратить внимание, что часть рисунка 3, относящаяся к приемнику, является справочной и предназначена только в качестве ориентира к основным шагам, которые любой совместимый сверхширокополосный приемник должен реализовать для успешного декодирования передаваемого сигнала.

Рисунок 3 — Прохождение сигнала <*>

<*> На рисунке 3 SECDED — код с исправлением одной и обнаружением двух ошибок.

5.2 Режим метки по умолчанию для сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой частотой повторения импульсов

По умолчанию рабочие параметры для метки должны быть следующими:

• диапазоном по умолчанию, который используется меткой, должен быть канал 5. Он имеет центральную частоту 6489,6 МГц. Этот диапазон широко приемлемый и подходящий для использования во многих регионах мира;
• там, где национальные правила запрещают передачу в пределах этого диапазона по умолчанию, в качестве альтернативы может быть использован другой сверхширокополосный канал вместе со связанным с ним кодом преамбулы согласно таблице 6;
• номинальная используемая меткой ЧПИ должна быть 16 МГц;
• по умолчанию кодом преамбулы, используемым меткой для передачи блинк-посылок, должен быть код преамбулы 3;
• по умолчанию длина преамбулы должна составлять 256 символов. Если эта длина преамбулы не поддерживается меткой, в качестве альтернативы может быть использована преамбула длиной 1024 символа;
• по умолчанию скорость передачи данных должна быть 850 кб/с;
• по умолчанию периодичность отправки блинк-посылок должна составлять три секунды;
• к этому значению должны быть применены случайные колебания так, чтобы метки с близкими частотами кристаллов синхронизации не оставались длительное время заблокированными вследствие коллизии передачи.

5.3 Формат блока PPDU

Рисунок 4 показывает формат сверхширокополосного кадра, который состоит из трех основных компонентов: синхронизирующего заголовка (SHR), заголовка физического уровня (PHR) и блока сервисных данных физического уровня (PSDU). Для удобства структура пакетов блока PPDU представлена так, что крайнее левое поле, как написано в настоящем стандарте, должно быть передано или получено первым. Все многооктетные поля должны передаваться или приниматься, начиная с младшего значащего октета, а каждый октет должен передаваться или приниматься, начиная с младшего значащего бита (LSB). Тот же порядок передачи должен применяться к полям данных.

Преамбула заголовка SHR идет первой, за ней следует заголовок PHR и, наконец, блок PSDU. Преамбула заголовка SHR всегда отправляется на базовой для кода преамбулы скорости. Заголовок PHR передается с номинальной скоростью 850 кб/с для всех скоростей передачи данных выше 850 кб/с и с номинальной скоростью 110 кб/с для номинальной скорости передачи данных 110 кб/с. Блок PSDU отправляется с желаемой скоростью передачи данных информации, как определено в таблице 3 - параметры, зависящие от скорости и синхронизации.

5.3.1 Процесс кодирования блока PPDU

Процесс кодирования состоит из многих шагов, как показано на рисунке 4. Детали этих шагов полностью описаны в последующих подпунктах, как указано в следующем списке, который предназначен для облегчения понимания этих деталей:

a) выполняют кодирование Рида-Соломона данных блока PSDU, как описано в 5.4.3.1;

b) создают заголовок PHR, как описано в 5.3.6.1;

c) к заголовку PHR добавляют проверочные биты поля SECDED, как описано в 5.3.6.2, и присоединяются к блоку PSDU;

d) выполняют дальнейшее сверточное кодирование, как описано в 5.4.3.2. Следует обратить внимание, что в некоторых случаях при скорости передачи данных 27 Мб/с сверточное кодирование поля данных эффективно обходится и два бита данных кодируются BPM-BPSK символом;

e) блок PSDU модулируется и расширяется согласно методу, описанному в пунктах 5.4.1 и 5.4.2. Блок PHR модулируется с использованием модуляции BPM-BPSK на скорости 850 кб/с или на скорости 110 кб/с (при скорости передачи данных 110 кб/с), а поле данных модулируется на скорости, указанной в PHR;

f) из поля SYNC (используемого для конвергенции АРУ, выбора разнесения, получения синхронизации и грубого захвата частоты), а также из поля SFD (которое используется для указания начала кадра) создается поле SHR преамбулы. Поля SYNC и SFD описаны в 5.3.5.1 и 5.3.5.2 соответственно.

Рисунок 4 — Процесс кодирования блока PPDU

Таблицы 1 и 2, показывают, как 19 битов заголовка (H0 — H18), № битов данных (D0 — DN-1) и два концевых бита (T0 — T1) отображаются символами. В этих таблицах в столбце «бит полярности» используется оператор исключающее ИЛИ . Эти таблицы также показывают, когда имеет место переход от заголовка битовой скорости к скорости передачи данных. Следует обратить внимание, что линия задержки сверточного кода инициализируется в ноль. По этой причине бит позиции символа 0 всегда должен быть нулем. Это означает, что символ 0 всегда передается в первой половине первого символа заголовка.

Таблица 1

Отображение битов заголовка, битов данных и концевых битов на символы при соотношении Витерби 0,5

5.3.2 Структура символа

В модуляции BPM-BPSK символ способен переносить два бита информации: один бит используется для определения позиции пачки импульсов, а дополнительный бит используется для модуляции фазы (полярности) этой самой пачки.

Структура и синхронизация символа иллюстрируются на рисунке 5. Каждый символ должен состоять из целого числа возможных позиций элемента сигнала Nс длительностью Tс каждая. Общая продолжительность символа, обозначенная как Tdsym, задается выражением Tdsym = NсTс. Кроме того, каждый символ делится на два BPM-интервала, каждый длительностью TBPM = Tdsym/2, что делает возможной двоичную позиционную модуляцию.

Пачка импульсов формируется путем группировки Ncpb последовательных элементов сигнала и имеет продолжительность Tburst = NcpbTс. Расположение пачки импульсов в первой или второй половине символа обозначает один бит информации. Кроме того, фаза пачки импульсов (-1 или +1) используется для обозначения второго бита информации.

В каждом интервале символа должна передаваться единственная пачка импульсов. Тот факт, что длительность пачки импульсов, как правило, намного короче, чем длительность BPM, то есть Tburst << TBPM, обеспечивает некоторое подавление помех многопользовательского доступа в форме временных скачков. Общее число продолжительностей пачек импульсов на протяжении одного символа Nburst составляет Nburst = Tdsym/Tburst. Чтобы ограничить значимость межсимвольной интерференции, вызванной многолучевым затуханием, пачки импульсов должны содержаться только в первой половине каждого TBPM периода. Поэтому только первые Nhop = Nburst/4 возможных позиций пачки импульсов являются кандидатами для скачка позиции пачки импульсов в каждом BPM-интервале. Каждая позиция пачки импульсов может меняться от символа к символу в соответствии с кодом псевдослучайной перестройки, как описано в разделе 5.4.

Таблица 2

Отображение битов заголовка, битов данных и концевых битов на символы при соотношении Витерби 1

5.3.3 Временные параметры PSDU

Зависимые от скорости передачи и синхронизации параметры блока PSDU сведены в таблицу 3. В пределах каждого канала {0:15} пиковая ЧПИ должна составлять 499,2 МГц. Этот темп соответствует наибольшей частоте, с которой совместимый передатчик должен излучать импульсы. Кроме того, средняя ЧПИ определяется как общее число импульсов, излучаемых за длительность символа, деленное на длительность символа. На протяжении преамбулы заголовка SHR-части сверхширокополосного кадра пиковая и средняя ЧПИ по существу одинаковы, поскольку импульсы излучаются равномерно в течение каждого символа преамбулы. Однако на протяжении части блока PPDU, содержащей данные, пиковая и средняя ЧПИ отличаются из-за группирования импульсов в последовательные длительности элементов сигнала.

Существуют две возможные длины кода преамбулы (31 или 127) и две средние ЧПИ (15,6 или 62,4 МГц). Совместимое устройство должно осуществлять поддержку длины кода преамбулы 31 и значение ЧПИ 15,6 МГц для PSDU, как показано в таблице 3. Использование длины кода 127 является опцией; при ее реализации значение ЧПИ должно составлять 62,4 МГц.

Сверхширокополосные каналы {4, 7, 11, 15} являются дополнительными и отличаются от других сверхширокополосных каналов большей пропускной способностью передаваемых сигналов (> 500 МГц). Эти каналы перекрывают каналы с меньшей пропускной способностью. Большая пропускная способность позволяет устройствам, работающим в этих каналах, передавать большую мощность (при фиксированном ограничении спектральной плотности мощности), и таким образом они могут достичь большей дальности связи. Большая ширина полосы импульсов предлагает повышенное сопротивление многолучевому затуханию. Кроме того, большая пропускная способность ведет к более точной оценке расстояния. Допустимые скорости передачи данных, длина кода преамбулы, частоты повторения импульсов и временные параметры модуляции приведены в таблице 3. Каждый сверхширокополосный канал допускает несколько скоростей передачи данных, что достигается путем изменения количества элементов сигнала в пачке импульсов, в то время как общее количество возможных позиций пачек импульсов остается постоянным. Поэтому продолжительность символа Tdsym изменяется, чтобы получить заявленную скорость передачи символов и битов.

Рисунок 5 — Структура символа

Таблица 3

Параметры, зависимые от скорости и синхронизации

Максимальная ЧПИ составляет 499,2 МГц. Это максимальная частота в мегагерцах, на которой совместимый передатчик должен излучать импульсы. Максимальная ЧПИ также используется, чтобы получить длительность элемента сигнала Tс по формуле Tс = 1/Макс.ЧПИ. Величина Tс составляет около 2 нс. Центральные частоты и полосы пропускания каналов приведены в таблице 11. Следует обратить внимание, что полоса пропускания необязательно обратно пропорциональна длительности элемента сигнала Tс. Форма импульса и пропускная способность определены далее в 5.5.3.1.

Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса содержит несколько дополнительных скоростей передачи данных, длин кода преамбулы и ЧПИ. Таблица 3 описывает остальные временные параметры рисунка 5 для каждой разрешенной комбинации длины кода преамбулы и ЧПИ.

Параметр «длина кода преамбулы» обозначает длину кода преамбулы, которая будет использоваться в синхронизирующей части кадра данных. Этот код вместе с номером канала определяет комплексный канал. Индивидуальные коды, которые должны использоваться для каждого канала, приведены в таблице 6 (длина 31) и таблице 7 (длина 127).

Параметр «коэффициент Витерби» определяет коэффициент сверточного кода, применяемого к битам данных блока PSDU. Значение 1 указывает на то, что сверточное кодирование не применяется, в то время как значение 0,5 означает, что к битам данных блока PSDU применяется код с коэффициентом 1/2, как описано в 5.4.3.2.

Параметр «коэффициент Рида-Соломона» показывает коэффициент кода Рида-Соломона RS (63, 55), что составляет примерно 0,87. Код Рида-Соломона применяется ко всем битам данных блока PSDU, передаваемых физическим уровнем сверхширокополосного радиоинтерфейса. Кодирование Рида-Соломона описано далее в 5.4.3.1.

«Полный коэффициент прямой коррекции ошибок (FEC)» определяется произведением коэффициента Витерби и коэффициента Рида-Соломона и принимает значение 0,44 или 0,87.

Параметр «число позиций пачек импульсов на символ» (Nburst) — это общее число возможных позиций пачек импульсов на длительности символа данных. Nburst выбрано так, чтобы для каждого значения ЧПИ символ данных состоял из фиксированного числа длительностей пачек импульсов.

Параметр «число возможных скачков пачки» (Nhop) — это число позиций пачек импульсов, которые могут содержать активную пачку сверхширокополосных импульсов. Значение вычисляется как Nhop = Nburst/4.

Параметр «количество элементов сигнала в пачке» (Ncpb) — это количество элементов сигнала длительностью Tс в пачке импульсов длительностью Tburst. Каждая пачка состоит из большого числа последовательных элементов сигнала, как показано на рисунке 5. В зависимости от скорости передачи данных, которая будет использоваться при передаче блока PSDU, количество элементов сигнала в пачке импульсов изменяется, например, для низкой скорости передачи данных, пачка состоит из большего числа периодов элементов сигнала, чем для высокоскоростной передачи данных. В частности, значения Ncpb были выбраны так, чтобы следующее было действующей скоростью передачи данных: (2·Полный коэффициент коррекции ошибок)/(Ncpb·Nburst·Tс).

Длительность пачки импульсов вычисляется как Tburst = Ncpb·Tс.

Длительность символа — это длительность модулированного и кодированного символа блока PSDU при радиопередаче, вычисляется следующим образом: Tdsym = Nburst·Tburst.

Скорость передачи символов — величина, обратная длительности символа блока PSDU: 1/Tdsym.

Скорость передачи битов (Bit Rate) — это скорость передачи информации пользователя с учетом прямой коррекции ошибок, вычисляется следующим образом:

Bit Rate = 2·(Полный коэффициент коррекции ошибок)/Tdsym.

Средняя ЧПИ — это средняя ЧПИ в течение PSDU-части кадра физического уровня и вычисляется следующим образом:

Средняя ЧПИ = Ncpb/Tdsym.

5.3.4 Временные параметры преамбулы

Из-за изменчивости длины кода преамбулы и ЧПИ существует несколько допустимых значений временных параметров символов преамбулы. Эти значения сведены в таблицу 4. В этом подпункте символ преамбулы определяется как форма сигнала, состоящая из одного полного повторения модулированного кода преамбулы (длиной 31 или 127). Подробности построения символа преамбулы для различных длин кода и ЧПИ приведены в 5.3.5. Для каждой целевой ЧПИ преамбула строится из кода преамбулы Ci путем вставки некоторого числа длительностей элемента сигнала между символами кода. Количество вставляемых длительностей элемента сигнала обозначается \delta_{L} , и его значения для каждой длины кода и ЧПИ приведены в таблице 4, а подробности вставки — в 5.3.5.1.

Таблица 4 представляет временные параметры в части заголовка SHR кадра физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса, в то время как в таблице 3 были представлены временные параметры для части блока PSDU кадра. Во-первых, следует обратить внимание, что преамбула отправляется с чуть более высоким значением ЧПИ по сравнению с приведенными в таблице 3 данными. Это обусловлено тем, что троичные коды длиной 31 или 127, которые используются в заголовке SHR, и количество элементов сигнала в заголовке SHR больше не являются степенью 2. Например, для ЧПИ 16 МГц в каналах {0:3, 5:6, 8:10, 12:14} пиковое значение ЧПИ во время преамбулы составляет 31,2 МГц и соответствующее значение средней ЧПИ во время преамбулы — 16,10 МГц. Среднее ЧПИ во время передачи данных (блок PSDU) — 15,60 МГц. Остальные пиковые и средние значения ЧПИ для других необязательных сверхширокополосных каналов и необязательной длины кода 127 перечислены в таблице 4.

Таблица 4

Параметры преамбулы

Базовая скорость символов определяется как скорость, с которой передаются символы преамбулы. Базовая скорость, соответствующая значению ЧПИ по умолчанию 16,10 МГц, составляет 1 млн симв./с. Эта скорость символов соответствует длительности символов преамбулы Tpsym 993,59 нс.

Таблица 5

Кадр-зависимые параметры

Примечание - Значения в скобках применяются к скорости передачи данных 110 кб/с.

Наконец, для каждого сверхширокополосного кадра, состоящего из синхронизирующего заголовка (SHR), разделителя начала кадра (SFD), заголовка физического уровня (PHR) и поля данных существуют четыре возможные длительности заголовка SHR. Это происходит из-за четырех возможных длин поля синхронизации SYNC в заголовке SHR, как описано в разделе 5.3.5. Поле синхронизации SYNC состоит из повторения символов преамбулы. Количество повторений символов преамбулы может быть 64, 1024 или 4096 или принимать необязательные значения 128, 256, 512, 1536 или 2048. Эти различные длины поля синхронизации SYNC приводят к различной длительности сверхширокополосного кадра. Связь между длиной поля синхронизации и длительностью кадра показана в таблице 5. После вставки разделителя SFD (SFD может быть длиной 8 или 64 символа преамбулы) общая длина заголовка SHR (в символах преамбулы) составляет Npre, как показано в таблице 5, а это, в свою очередь, ведет к возможной длительности заголовка SHR, обозначенной как Tpre. После создания заголовка SHR кадр дополняется заголовком PHR, длина которого Nhdr составляет 16 символов, а длительность обозначается как Thdr. Значения параметров длительности кадра приведены в таблице 5.

5.3.5 Синхронизирующий заголовок (SHR)

Преамбула SHR должна добавляться перед заголовком физического уровня (PHR), чтобы помочь алгоритму приемника с установкой автоматической регулировки усиления, выбором разнесения антенн, получением синхронизации, грубым и точным восстановлением частоты, синхронизацией пакета и кадра, оценкой канала и определением переднего фронта сигнала для определения расстояния.

В настоящем подпункте определяются четыре различные обязательные преамбулы: преамбула по умолчанию, короткая преамбула, средняя преамбула и длинная преамбула. Какую преамбулу использовать при передаче кадра, определяется уровнем приложения.

Рисунок 6 показывает структуру преамбулы SHR. Преамбула может быть разделена на две отдельные части: поле SYNC (синхронизация пакета, оценка канала и последовательность измерения расстояния (ranging sequence) и поле SFD (последовательность — разделитель начала кадра). Длительности этих частей приведены в таблице 5. Подпункты 5.3.5.1 и 5.3.5.2 детализируют разные части преамбулы.

Рисунок 6 — Структура преамбулы SHR

5.3.5.1 Поле синхронизации (SYNC) заголовка синхронизации (SHR)

Каждая сеть, работающая на одном из физических каналов сверхширокополосного радиоинтерфейса {1 — 15}, идентифицируется также кодом преамбулы. Код преамбулы используется для построения символов, которые составляют часть SYNC преамбулы SHR, как показано на рисунке 6.

Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса поддерживает две длины кода преамбулы: кодовая длина 31 и дополнительная кодовая длина 127. Каждый код преамбулы — это последовательность кодовых символов, составленных из троичного алфавита {-1, 0, 1} и выбранных для использования на физическом уровне сверхширокополосного радиоинтерфейса из-за своих идеальных свойств периодической автокорреляции. Кодовые последовательности длиной 31 показаны в таблице 6, а кодовые последовательности длиной 127 показаны в таблице 7, где они пронумерованы от 1 до 24 (Ci, i = 1, 2, ... 24). Первые 8 кодов (индекс 1 — 8) — длиной 31, а оставшиеся 16 (индекс 9 — 24) — длиной 127. Выбор, какие коды могут быть использованы в каждом из каналов, ограничен, и конкретное назначение кодов сделано в таблицах 6 и 7. А именно, последний столбец в каждой таблице указывает набор номеров каналов, разрешенных для использования кода. Такое ограничение кодов обеспечивает, чтобы коды с наименьшей взаимной корреляцией использовались в том же канале. Кроме того, 8 из кодов длиной 127 зарезервированы для использования только с частными протоколами измерения расстояния и не используются при нормальной работе. Это ограничение также указано в третьем столбце таблицы 7.

Таблица 6

Троичные коды длиной 31

Таблица 7

Троичные коды длиной 127

Окончание таблицы 7

Следует обратить внимание, что присвоение кодов преамбулы каналам было сделано так, чтобы разрешить межканальные связи. Другими словами, имеется возможность, чтобы прибор, работающий на широкополосном канале {4, 7, 11 или 15}, мог общаться с устройством по каналу, с которым его рабочий канал пересекается.

При использовании i-го троичного кода поле SYNC должно состоять из Nsync повторений символа Si, где Si — это код Ci, расширенный по дельта-функции \delta_{L} длиной L, указанной в таблице 4. Операция расширения, где код Ci расширяется до длительности символа преамбулы, приведенной в таблице 4, описывается математически выражением

где оператор обозначает произведение Кронекера. После выполнения операции Кронекера символ преамбулы формируется, как показано на рисунке 7, где L — 1 нулей вставлены между каждым троичным элементом Ci.

Коэффициент расширения L, количество элементов сообщения на символ, длительность символа преамбулы Tpsym и базовая скорость передачи символов для разных каналов приведены в таблице 4.

Рисунок 7 — Построение символа Si из кода Ci

5.3.5.2 Разделитель начала кадра (SFD) заголовка синхронизации (SHR)

Чтобы установить синхронизацию кадра, должен быть добавлен разделитель начала кадра (SFD). Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса использует короткий разделитель для «обязательной» (по умолчанию) и средней скоростей передачи данных и длинный разделитель для дополнительной низкой скорости передачи данных 110 кб/с, как показано на рисунке 6. Короткий разделитель SFD должен быть троичным кодом [0 +1 0 -1 +1 0 0 -1], расширенным с помощью дельта-функции \delta_{L}(n) аналогично символам преамбулы Si, где самый левый бит должен передаваться первым. Дополнительный длинный разделитель должен быть получен в результате аналогичного расширения последовательности [0 +1 0 -1 +1 0 0 -1 0 +1 0 -1 +1 0 0 -1 -1 0 0 +1 0 -1 0 +1 0 +1 0 0 0 -1 0 -1 0 -1 0 0 +1 0 -1 -1 0 -1 +1 0 0 0 0 +1 +1 0 0 -1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 0 0 0 0 +1 +1]. Следует обратить внимание, что длинный разделитель SFD в восемь раз длиннее, чем короткий, и состоит из 64 символов преамбулы, только 32 из которых активны, а другие 32 — нули. Структура заголовка SHR и двух возможных разделителей начала кадра показаны на рисунке 6.

5.3.6 Заголовок физического уровня (PHR)

Заголовок физического уровня, показанный на рисунке 8, должен быть добавлен после синхронизирующей преамбулы. Заголовок состоит из 19 битов и передает получателю информацию, необходимую для успешного декодирования пакета. Заголовок содержит информацию о скорости передачи данных, используемой для передачи блока PSDU, длительность преамбулы текущего кадра и длину подлежащих передаче данных. Кроме того, шесть битов контроля четности используются для дополнительной защиты заголовка PHR против ошибок канала.

Рисунок 8 — Назначение битов заголовка PHR

Заголовок PHR должен передаваться с использованием модуляции BPM-BPSK, описанной в 5.4. Заголовок PHR должен передаваться с номинальной скоростью 850 кб/с для всех скоростей передачи данных 850 кб/с и выше и с номинальной скоростью 110 кб/с при низкой номинальной скорости передачи данных 110 кб/с.

5.3.6.1 Поля заголовка PHR «скорость передачи», «длина», «пакет измерения расстояния», «расширение», «длительность преамбулы»

Поле «скорость передачи данных» должно состоять из двух битов (R1, R0), которые указывают на скорость передачи данных полученного блока PSDU. Биты R1 — R0 устанавливаются согласно таблице 9. По умолчанию биты R1 — R0 должны быть установлены в значение 01, поскольку это единственная обязательная скорость передачи данных, которая поддерживается в совместимой реализации физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса. Поддержка других скоростей передачи данных, указанных в таблице 9, является опциональной.

Поле «длина кадра», L6 — L0, должно быть беззнаковым 7-битовым целым числом, указывающим число октетов в блоке PSDU, передачу которого подуровень MAC в настоящее время запрашивает у физического уровня.

Бит «пакет измерения расстояния» (Ranging Packet bit, RNG), если имеет значение 1, указывает на то, что текущий кадр является кадром измерения расстояния. В противном случае он устанавливается в 0.

Бит «расширение заголовка» (Header Extension bit, EXT) зарезервирован для будущего расширения PHR. Этот бит должен быть равен 0.

Поле «длительность преамбулы», P1 — P0 представляет собой длину (в символах преамбулы) части SYNC заголовка синхронизации (SHR). P1 — P0 устанавливаются согласно таблице 8. По умолчанию параметр «длительность преамбулы» устанавливается 01, что соответствует длине поля синхронизации 64 символов преамбулы.

Таблица 8

Значения поля «длительность преамбулы»

Поле «длительность преамбулы» предназначено для использования во время операций измерения расстояния и используется приемником кадра физического уровня, чтобы помочь определить, на котором символе преамбулы физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса получил и начал отслеживать преамбулу. Приемник может использовать поле «длительность преамбулы», чтобы установить значение длительности собственной преамбулы на основании полученного значения при передаче пакета измерения расстояния ACK. Факультативные значения 128, 256, 512, 1536 и 2048 не могут быть закодированы в заголовке физического уровня PHR, но могут быть выяснены в приемнике путем подсчета количества символов полученной преамбулы. Если используется одно из этих дополнительных значений, кодирование заголовка PHR должно быть ближайшим меньшим значением длины.

Таблица 9

Номинальные скорости передачи данных

5.3.6.2 Контрольные биты SECDED заголовка PHR

Поле SECDED (битов четности для исправления единичной и обнаружения двойной ошибки), C5 — C0, является набором из шести битов контроля четности, которые используются для защиты заголовка PHR от ошибок, вызванных шумами и нарушениями канала. Биты поля SECDED — это простой блочный код Хэмминга, который позволяет исправлять одну ошибку и обнаруживать две ошибки на приемнике. Значения битов поля SECDED зависят от битов 0 — 12 заголовка PHR и рассчитываются следующим образом:

C0 = XOR (R0, R1, L0, L2, L4, L5, EXT, P1) <*>

C1 = XOR (R1, L2, L3, L5, L6, RNG, EXT, P0)

C2 = XOR (R0, L0, L1, L5, L6, RNG, EXT)

C3 = XOR (L0, L1, L2, L3, L4, RNG, EXT)

C4 = XOR (P0, P1)

C5 = XOR (R1, R0, L6, L5, L4, L3, L2, L1, L0, RNG, EXT, P1, P0, C4, C3, C2, C1, C0)

<*> XOR — исключающее ИЛИ.

5.3.7 Поле данных

Поле данных является последним компонентом блока PPDU и кодируется, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9 — Процесс кодирования поля данных

Поле данных должно формироваться следующим образом:

• блок PSDU кодируется с помощью систематического блочного кода Рида-Соломона, который добавляет 48 битов четности, как описано в 5.4.3.1;
• выходные данные блочного кода Рида-Соломона, кодируются с помощью систематического сверточного кодера, как описано в 5.4.3.2, за исключением случаев, когда соотношение Витерби в таблице 3 составляет 1,0. В этих случаях сверточный кодер обходится;
• кодированный блок расширяется и модулируется с помощью модуляции BPM-BPSK, как описано в разделе 5.4.

5.4 Модуляция физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса

5.4.1 Математические основы модуляции

Форма передаваемого сигнала на протяжении интервала k-го символа может быть выражена как:

x^{(k)}(t) = [1 - 2g_{1}^{(k)}] \sum_{n = 1}^{N_{cpb}} [1 - 2s_{n + kN_{cpb}}] \cdot (t - g_{0}^{(k)}T_{\text{ВРМ}} - h^{(k)}T_{burst} - nT_{c}).

Это уравнение <*> описывает псевдослучайную перестройку со скремблированием полярности, которая улучшает возможности подавления помех физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса. K-й интервал символа несет в себе два информационных бита g_{0}^{(k)} и g_{1}^{(k)} \in {0,1} . Бит g_{1}^{(k)} кодируется в позицию пачки, а бит g_{0}^{(k)} кодируется в полярность пачки.

<*> Параметры TBPM, Tburst, Tс описаны в 5.3.2.

Последовательность s_{n + kN_{cpb}} \in {0,1},n = 0,1,...,N_{cpb} - 1 — код скремблирования, используемый на протяжении интервала k-го символа;

h^{(k)} \in {0,1 - N_{hop} - 1} — k-я позиция пачки;

p(t) — форма передаваемого импульса на входе антенны.

Псевдослучайная перестройка h(k) обеспечивает подавление многопользовательских помех. Последовательность скремблирования элементов сигнала s_{n + kN_{cpb}} обеспечивает дополнительное подавление помех при использовании когерентных приемников, а также спектральное сглаживание передаваемого сигнала. Следует обратить внимание, что уравнение определяет передаваемый сигнал в действующем интервале пачки импульсов; на всех других возможных позициях пачки сигнал не передается.

Опорный модулятор, иллюстрирующий модуляцию BPM-BPSK, приведен на рисунке 10.

Рисунок 10 — Опорный модулятор символов <**>

<**> На рисунке 10 обозначение FEC — прямая коррекция ошибок.

Здесь следует отметить, что кодер FEC не используется, если коэффициент модуляции Витерби составляет 1, как описано в 5.3.7. В этом случае кодер FEC заменяется мультиплексором, который должен направлять четные биты на вход позиции, а нечетные биты — на вход полярности.

5.4.2 Расширение

Изменяющаяся во времени расширяющая последовательность s_{n + kN_{cpb}} и изменяющаяся во времени последовательность псевдослучайной перестройки h(k) должны формироваться из общего скремблера PRBS <*>.

<*> PRBS — псевдослучайная двоичная последовательность.

Для скремблирования должен использоваться порождающий многочлен g(D) = 1 + D14 + D15, где D — это элемент задержки с длительностью, равной длительности элемента сигнала Tс. Этот многочлен не только формирует последовательность максимальной длины, он также является основным (непроизводным) многочленом. Посредством данного многочлена генерируется соответствующий выход скремблера:

s_{n} = s_{n - 14}s_{n - 15}n = 0,1,2,...,

где обозначает сложение по модулю 2.

Реализация скремблера в виде регистра сдвига с линейной обратной связью (РСЛОС) показана на рисунке 11. РСЛОС должен быть инициализирован на момент передачи бита 0 заголовка PHR. Следует обратить внимание, что Ncpb может меняться в зависимости от скорости передачи данных и частоты передачи импульсов, используемых на протяжении PSDU. РСЛОС не должен сбрасываться после передачи заголовка PHR.

Рисунок 11 — Реализация скремблера в виде РСЛОС

Начальное состояние РСЛОС должно определяться из кода преамбулы посредством сначала удаления всех нулевых символов s в троичном коде, а затем замены всех отрицательных единиц (-1s) нулями. Первые 15 битов результирующей двоичной структуры должны быть загружены в РСЛОС. Таблица 10 показывает пример вышеописанной процедуры для кода преамбулы C6 (код преамбулы номер 6, длина 31, см. таблицу 6). Таблица 10 показывает начальное состояние, а также первые 16 выходных битов скремблера.

Таблица 10

Пример начального состояния РСЛОС для кода преамбулы 6

Следует обратить внимание, что даже если каждое устройство в сети использует одни и те же начальные установки РСЛОС, связь является асинхронной, так что псевдослучайная перестройка и скремблирование обеспечивают подавление помех.

РСЛОС должен работать с тактовой частотой, равной максимальной ЧПИ, составляющей 499,2 МГц, как указано в таблице 3. В течение k-го интервала символа РСЛОС должен сдвинуться на Ncpb тактов, и на выходе скремблера должен быть k-й элемент скремблирующего кода:

S_{n + kN_{cpb}},n = 0,...,N_{cpb} - 1.

Более того, k-я позиция псевдослучайной перестройки должна быть рассчитана следующим образом:

h^{(k)} = 2^{0}s_{kN_{cpb}} + 2^{1}s_{1 + kN_{cpb}} + ... + 2^{m - 1}s_{m - 1 + kN_{cpb}},

где m = log2(Nhop).

Как показано в таблице 3, количество возможных изменений позиции пачки импульсов Nhop всегда степень двойки, а следовательно, m — всегда целое число. Следует обратить внимание, что для Ncpb < m РСЛОС синхронизируется Ncpb раз, не m раз.

Для обязательного режима со средней ЧПИ передачи данных 15,60 МГц количество возможных изменений позиции пачки импульсов — 8, как показано в таблице 3, следовательно, m принимает значение 3 и соответствующая псевдослучайная последовательность изменений позиции пачки импульсов следующая:

h^{(k)} = s_{kN_{cpb}} + 2s_{1 + kN_{cpb}} + 4s_{2 + kN_{cpb}}.

5.4.3 Прямая коррекция ошибок (FEC)

Используемая физическим уровнем сверхширокополосного радиоинтерфейса прямая коррекция ошибок (Forward error correction, FEC) является каскадным кодом, состоящим из наружного систематического блочного кода Рида-Соломона и внутреннего систематического сверточного кода половинной скорости (с соотношением Витерби 1/2). Внутренний сверточный код необязательно включен на всех скоростях передачи данных; строки из таблицы 3, где соотношение Витерби — 1, указывают, что внутренний сверточный код отключен для части кадра PSDU.

Кодирование с прямой коррекцией ошибок блока из M битов (b0, b1, ..., bM-1) показано на рисунке 12. Кодер Рида-Соломона должен присоединить к исходному блоку 48 битов четности, p0, p1, ..., p47. В результате получается закодированный блок Рида-Соломона длиной M + 48 бит. Если соотношение Витерби составляет 0,5, систематический сверточный кодер половинной скорости должен закодировать полученный с выхода кодера Рида-Соломона блок в систематический закодированный блок длиной 2M + 96 битов. Сверточные систематические биты должны использоваться для кодирования изменения позиций пачек импульсов, в то время как сверточные биты четности должны использоваться для кодирования полярности импульсов в пачках. Если соотношение Витерби = 1, четные биты с выхода кодера Рида-Соломона (b0, b2, ..., bM-2, p0, p2, ..., p46) должны использоваться для кодирования позиций пачек импульсов, а нечетные (b1, b3, ..., bM-1, p1, p3, ..., p47) — для кодирования полярности импульсов. Здесь следует отметить, что M — это всегда четное число.

Некогерентный приемник не может «видеть» сверточные биты четности (биты полярности), следовательно, некогерентный приемник может использовать только декодер Рида-Соломона, чтобы улучшить свою эффективность. Когерентный приемник может использовать один либо оба алгоритма декодирования. Здесь следует отметить, что поскольку оба кода, как Рида-Соломона, так и сверточный, являются систематическими, приемник (будь он когерентным или некогерентным) может быть реализован без декодера с прямой коррекцией ошибок. В этом случае информационные биты просто восстанавливаются путем демодуляции позиций пачек импульсов. Там будут дополнительные биты контроля четности — результат кодирования Рида-Соломона, но они могут быть просто проигнорированы.

Рисунок 12 — Процесс кодирования FEC

5.4.3.1 Кодирование Рида-Соломона

Систематическое кодирование Рида-Соломона происходит над полем Галуа GF(26), которое построено как расширение поля GF(2). Систематический код Рида-Соломона должен использовать порождающий многочлен:

g(x) = \prod_{k = 1}^{8} (x + \alpha^{k}) = x^{8} + 55x^{7} + 61x^{6} + 37x^{5} + 48x^{4} + 47x^{3} + 20x^{2} + 6x + 22,

где \alpha = 010000 корень простого двоичного многочлена 1 + x + x6 в поле Галуа GF(26).

При кодировании Рида-Соломона RS6(K + 8, K), блок I бит (при K = [I/6]) кодируется в кодовое слово I + 48 бит. Процедура кодирования Рида-Соломона осуществляется в следующие пять шагов:

a) Добавление фиктивных битов. Блок I бит информации расширяется до 330 бит добавлением (330 — I) фиктивных (нулевых) битов в начале блока. Расширенный блок обозначается как {d0, d1, ..., d329}, где d0 идет первым по времени.

b) Преобразование битов в символы. 330 битов {d0, d1, ..., d329} преобразуются в 55 символов Рида-Соломона {D0, D1, ..., D54}, имея следующее полиномиальное представление:

D_{k} = \alpha^{5}d_{6k + 5} + \alpha^{4}d_{6k + 4} + \alpha^{3}d_{6k + 3} + \alpha^{2}d_{6k + 2} + \alpha d_{6k + 1} + d_{6k}.

Результирующие 6-битовые символы представлены в виде Dk = {d6k+5, d6k+4, d6k+3, d6k+2, d6k+1, d6k}, где d6k+5 — старший значащий бит, а d6k — младший значащий бит.

c) Кодирование. Информационные символы {D0, D1, ..., D54} кодируются посредством систематического кода RS6(63,55) в выходные символы {U0, U1, ..., U62}, упорядоченные следующим образом:

где Pk — символы четности, добавляемые кодером RS6(63,55).

Информационный многочлен, связанный с информационными символами {D0, D1, ..., D54}, обозначается как

D(x) = x54D0 + x53D1 + ... + xD53 + D54.

Многочлен проверки четности, связанный с символами проверки четности, обозначается как

P(x) = x7P55 + x6P56 + ... xP61 + P62.

Символы проверки четности вычисляются как:

P(x) = remainder[x8D(x)/g(x)]

U(x) = x8D(x) + P(x).

d) Преобразование символов в биты. Выходные символы {U0, U1, ..., U62} преобразуются в двоичную форму с идущим первым младшим значащим битом, составляя в результате блок из 378 бит {u0, u1, ..., u377}.

e) Удаление фиктивных битов. (330 — I) фиктивных битов, добавленные на первом этапе, удаляются. Передаются только последние (I + 48) бит, то есть {u330-I, u331-I, ..., u377} причем u330-I передается первым.

5.4.3.2 Систематическое сверточное кодирование

Внутренний сверточный кодер должен использовать кодовое соотношение R = 1/2 с порождающими многочленами g0 = [010]2 и g1 = [101]2, как показано на рисунке 4. Перед передачей каждого кодер блока PPDU должен быть инициализирован в полностью нулевое состояние. Кроме того, кодер должен быть возвращен в полностью нулевое состояние путем присоединения к блоку PPDU двух нулевых битов. Следует обратить внимание, что поскольку порождающие многочлены имеют систематический характер, они являются некатастрофическими.

Рисунок 13 — Систематический сверточный кодер

5.5 Радиочастотные требования к физическому уровню сверхширокополосного радиоинтерфейса

5.5.1 Рабочие полосы частот

Набор рабочих полос частот определен в таблице 11. Каналом по умолчанию является канал 5.

5.5.2 Назначения каналов

Для каждой из 15 рабочих полос частот, определенных в таблице 11, при номинальной частоте повторения импульсов (ЧПИ) 16 МГц присваиваются два кода преамбулы длиной 31, что в итоге дает 30 комплексных каналов. На факультативной номинальной ЧПИ 64 МГц доступны дополнительные 60 комплексных каналов с использованием четырех кодов преамбулы длиной 127.

Таблица 11

Рабочие полосы частот

5.5.3 Характеристики передатчика

5.5.3.1 Основная импульсная характеристика

Форма передаваемого в эфир импульса физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса p(t) должна ограничиваться формой его кросс-корреляционной функции с эталонным импульсом r(t). Нормализованная взаимная корреляция двух сигналов определяется как:

\varphi(\tau) = \frac{1}{\sqrt{E_{r}E_{p}}} Re \int_{- \infty}^{\infty} r(t)p^{*}(t + \tau)dt.

В вышеприведенном выражении Er и Ep — это энергии r(t) и p(t) соответственно. Эталонный импульс r(t), использованный в расчете \varphi(\tau) , — это основание приподнятого косинусоидального импульса с коэффициентом сглаживания \beta = 0,5 . Математически это:

r(t) = \frac{4\beta}{\sqrt[\pi]{T_{p}}} \frac{cos[(1 + \beta)\pi t/T_{p}] + \frac{sin[(1 - \beta)\pi t/T_{p}]}{4\beta(t/T_{p})}}{1 - (4\beta t/T_{p})^{2}} .

В вышеприведенном уравнении Tp — величина, обратная частоте элементов сигнала. Таблица 12 показывает необходимую длительность импульса для каждого канала.

Таблица 12

Требуемая длительность эталонного импульса в каждом канале

Чтобы сверхширокополосный передатчик был совместимым с настоящим стандартом, передаваемый импульс p(t) должен иметь кросс-корреляционную функцию \varphi(\tau) , величина главного лепестка которой была бы больше или равна 0,8 в течение по крайней мере Tw (см. таблицу 12), а любые боковые лепестки были бы не больше 0,3. Для целей тестирования импульса на соответствие определено следующее: пусть \varphi(\tau) — величина кросс-корреляции p(t) и r(t) и пусть \tau_{i} , где i = 1, 2, ... — набор критических точек, то есть точек, в которых \frac{d}{dt} |j(t)||_{t = t_{i}} = 0 . Максимум функции имеет место в одной из таких критических точек \tau_{max} , где |\varphi(\tau_{max})| \geq |\varphi(\tau)| для всех значений \tau . Изложенные выше требования, таким образом, состоят в том, что для некоторого непрерывного набора значений, которые содержат точку \tau_{max} , функция |\varphi(\tau)| больше, чем 0,8. Кроме того, второе ограничение на величину боковых лепестков может быть сформулировано математически, как |\varphi(\tau_{i})| \leq 0,3 для всех \tau_{i} .

Рисунок 14 показывает пример импульса, совместимого с физическим уровнем сверхширокополосного радиоинтерфейса, p(t) (левый график) вместе с косинусоидальным эталонным импульсом с приподнятым основанием r(t) с Tp = 2,0 нс (средний график) и величиной кросс-корреляции |\varphi(\tau)| (правый график). Импульс p(t) представляет собой импульс Баттерворта (Butterworth) 8-го порядка, с шириной полосы 500 МГц на уровне 3 дБ. Рисунок имеет целью показать, что в этом примере импульс соответствует требованиям совместимости. В частности, главный лепесток выше 0,8 в течение около 1 нс и нет боковых лепестков больше 0,3 (в данном случае наибольший боковой лепесток составляет 0,3). Импульс p(t) — это совместимый импульс для каналов {1 — 3, 5, 6, 8 — 10, 12 — 14}.

Рисунок 14 — Пример совместимого импульса

Следует обратить внимание, что целью данного стандарта не является предположение, что формирование импульса должно происходить в основной полосе частот, а только то, что описанные здесь измерения происходят на огибающей импульса, если формование выполняется в полосе пропускания.

5.5.3.2 Маска спектральной плотности передачи (PSD)

Передаваемый спектр должен быть меньше чем -10 дБ (относительно максимума спектральной плотности мощности) при 0,65/Tp < |f — fc| < 0,8/Tp и -18 дБ при |f — fc| > 0,8/Tp <*>.

<*> Где Tp — длительность импульса (см. таблицу 2), fc — центральная частота канала.

Например, маска спектра передаваемого сигнала для канала 4 показана на рисунке 15. Измерения должны выполняться с использованием частотного разрешения 1 МГц и пропускной способностью видео 1 кГц.

Рисунок 15 — Маска спектра передаваемого сигнала для канала 4

5.5.3.3 Выравнивание несущей и синхронизация передачи элементов сигнала

Сверхширокополосный передатчик должен быть способен синхронизировать максимальные ЧПИ, приведенные в таблице 3, с точностью +/- 20 ppm. Кроме того, для каждого сверхширокополосного канала физического уровня центр передаваемой энергии должен соответствовать значениям, указанным в таблице 11, также с точностью +/- 20 ppm. Измерения должны быть сделаны с использованием частотного разрешения 1 МГц и пропускной способностью видео 1 кГц.

5.6 Метки времени и единицы измерения времени

На фундаментальном уровне системы RTLS и измерение расстояния, описанные в этом стандарте, возможны благодаря способности присвоения значений меток времени (счетчика измерения расстояния) точным мгновениям, когда маркеры измерения расстояния (RMARKERS) приняты (и переданы). А поскольку этот счетчик и его способность точно отмечать время имеются, то концептуально расчет времени распространения радиосигнала прост. Счетчик измерения расстояния оценивает метки времени событий RMARKER <*> на антенне устройства.

<*> Появление маркера измерения расстояния.

5.6.1 Единицы времени

Единицы времени, используемые для меток времени счетчика измерения расстояния, определяются младшим значащим битом (LSB) значений времени, который представляет 1/128 времени элемента сообщения при обязательной скорости передачи элементов сообщения 499,2 МГц.

Примечание - Младший значащий бит LSB счетчика измерения расстояния представляет собой настолько малый временной интервал, что реальному физическому счетчику пришлось бы работать на номинальной частоте 64 ГГц, чтобы выдавать величины с таким разрешением. Действительной физической реализации не ожидается. Вместо этого предполагается, что вычислительная техника будет использоваться для создания достаточного количества менее значимых битов, чтобы производить желаемую эксплуатационную точность.

5.6.2 Задержки антенны

События время прибытия и время отправки относятся к нахождению маркера пакет измерения расстояния (RMARKER) на антенне.

Метка времени получения, естественно, появится в цифровом домене приемника через некоторое время после того, как RMARKER поступит на антенну. Чтобы вычислить, когда RMARKER был на антенне, и сформировать точное время прибытия, необходимо учитывать все задержки системы между антенной и внутренней цифровой меткой времени получения. Эту задержку приема антенны затем необходимо вычесть из внутренней цифровой метки времени получения, чтобы дать значение времени прибытия.

Аналогично в передатчике должны быть учтены все системные задержки между внутренней цифровой меткой времени передачи и антенной. Эту задержку передающей антенны затем нужно добавить к внутренней цифровой метке времени передачи, чтобы выдать значение времени отправки, когда передача маркера RMARKER произошла на антенне.

Механизмы, определяющие эти задержки антенны, выходят за рамки настоящего стандарта.

6 Основной формат сообщения

Настоящий раздел описывает основной формат, используемый для радиосообщений между меткой и инфраструктурой. Одинаковые основные правила форматирования сообщений используются для однонаправленной связи, определенной в разделе 7, и для двухсторонней связи, определенной в разделе 8.

6.1 Структура сообщений и правила обработки

Каждое сообщение начинается с одного или двух октетов управления кадром, и каждое сообщение заканчивается двухоктетной контрольной последовательностью кадра (FCS). Длина сообщения, определенная в заголовке физического уровня (см. 5.3.6), используется для обнаружения и проверки FCS, как описано в 6.2.

Каждое сообщение несет порядковый номер (DSN), который увеличивается на 1 (по модулю 256) при каждой новой передаче кадра. Начальное значение номера DSN может определяться случайным образом.

Для каждого полученного кадра проверяется последовательность FCS. Если последовательность FCS неправильна, кадр считается ошибочным и отбрасывается. Только кадры с правильной последовательностью FCS подвергаются дальнейшей обработке.

Когда принятый кадр имеет адрес назначения, он должен быть отброшен, если адрес назначения не совпадает с адресом принимающего узла.

6.1.1 Время прибытия/Время отправления

Время прибытия и время отправления кадров могут быть использованы для определения местонахождения. Блинк-посылок однонаправленной связи (как это определено в разделе 7) самих по себе достаточно, чтобы выполнить однонаправленное определение местонахождения методом разницы во времени прибытия (TDOA). Определение местонахождения, основанное на двухстороннем измерении расстояния, возможно там, где метки могут осуществлять факультативную двустороннюю связь (как определено в разделе 8), а также способны точно фиксировать метки времени передачи и получения.

6.2 Последовательность проверки кадра (FCS)

Последовательность FCS появляется в конце любого кадра. Длина последовательности FCS составляет 2 октета, и FCS содержит 16-разрядную стандартную (ITU-T) контрольную сумму CRC. Последовательность FCS вычисляется над полным кадром, начиная с октета(ов) управления кадром. Последовательность FCS должна рассчитываться с помощью следующего стандартного порождающего многочлена 16-й степени:

G16(x) = x16 + x12 + x5 + 1.

Последовательность FCS должна быть рассчитана для передачи, используя следующий алгоритм:

• пусть M(x) = b0xk-1 + b1xk-2 + ... + bk-2x + bk-1 — многочлен, представляющий последовательность битов, для которых рассчитывается контрольная сумма;
• умножают M(x) на x16, что дает многочлен x16·M(x);
• делят x16·M(x) по модулю 2 на порождающий многочлен G16(x) для получения многочлена остатка R(x) = r0x15 + r1x14 + ... + r14x + r15;
• поле FCS определяется коэффициентами многочлена остатка R(x).

Здесь двоичные многочлены представляются в виде битовых строк в порядке убывания степени многочлена.

В качестве примера рассмотрим кадр подтверждения без подлежащих передаче данных и следующий 3-байтный заголовок:

0100 0000 0000 0000 ₀₁₀₁ 0110 [крайний левый бит (b0), передается первым]

b0 ............................................ b23

FCS для этого случая будет выглядеть следующим образом:

0010 0111 1001 1110 [левый разряд (r0), передается первым]

r0 .............................. r15

Типичная реализация изображена на рисунке 16.

Генерирующий многочлен CRC-16 G(x) = x16 + x12 + x5 + 1

Рисунок 16 — Типовая реализации последовательности FCS

7 Однонаправленная связь — блинк-посылка

Основной режим работы — это простая однонаправленная связь посредством блинк-посылок, передающих идентификатор метки (ID) инфраструктуре.

Длина кадра блинк-посылки минимизирована для экономии энергии и эфирного времени, максимизируя таким образом время жизни батарей и плотность меток. Блинк-посылки на этом уровне вполне достаточно для идентификации метки-отправителя, а если блинк-посылка получена несколькими синхронизированными по времени узлами инфраструктуры, это является достаточным также для позиционирования (определения местонахождения) метки-отправителя.

Разрешено два варианта кодирования, в одном из которых применяется тип идентификатора метки по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963&, а в другом — по &[18]&. В метке может использоваться любой вариант. Инфраструктура должна быть способна декодировать оба варианта. Кодировки определены в подпунктах ниже.

Блинк-посылка — это периодически передаваемое сообщение. Обычно после отправки блинк-посылки метка переходит в спящее состояние с меньшим потреблением энергии, отсчитывая период, когда подойдет очередь отправки следующей блинк-посылки. К периодичности отправки блинк-посылок должны быть применены случайные колебания так, чтобы метки с близкими частотами кристаллов не оставались заблокированными, когда их передачи долгое время вступают в коллизию.

7.1 Кодирование кадров блинк-посылок с идентификаторами меток по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963&

Это кодирование переносит идентификатор по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963& и использует кодирующий октет заголовка, определяющий оставшиеся поля кадра. Рисунок 17 показывает поля внутри кадра.

Рисунок 17 — Кодирование кадра блинк-посылки с идентификатором по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963&

7.1.1 Суб-поля кадра блинк-посылки с идентификатором по ИСО

Отдельные суб-поля, показанные на рисунке 17, описаны в подпунктах ниже.

7.1.1.1 Управление кадром (FC)

FC (октет) кадра блинк-посылки, который несет идентификатор по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963&, имеет фиксированное значение 0x05, служащее признаком универсального кадра данных с коротким 1-октетным управлением кадра, отсутствием адреса назначения и адреса источника по &[18]&, а также указывающее, что идентификатор метки по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963& переносится далее в кадре. Адрес назначения не требуется, поскольку блинк-посылка — это широковещательный кадр.

7.1.1.2 Порядковый номер

Порядковый номер октета содержит текущее значение порядкового номера данных (Data Sequence Number, DSN). Номер DSN вставляется в исходящий кадр блинк-посылки, после чего номер DSN увеличивается на 1 (по модулю 256) <*>.

<*> При каждой передаче.

7.1.1.3 Заголовок кодирования

Октет «заголовок кодирования» имеет ряд дополнительных суб-полей, определяющих остальное содержимое кадра. Они определены в таблице 13.

Таблица 13

Заголовок кодирования суб-полей в кадре блинк-посылки, несущем идентификатор по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963&

Примечание — Этот заголовок кодирования может игнорироваться, чтобы отправить блинк-посылку минимальной длины, приведенную на рисунке 18. Если заголовок кодирования опущен, можно предположить, что значения двухуровневой телеметрии и уровня заряда батареи либо неизвестны, либо неизменны со времени какого-либо из предыдущих отчетов, и в кадре не должно быть каких-либо дополнительных данных. Метка может отправлять композицию блинк-посылок минимальной длины и большей длины.

10 октетов минимальной блинк-посылки с идентификатором по ИСО

Рисунок 18 — Кодирование кадра блинк-посылки минимальной длины с идентификатором по ИСО

Блинк-посылка минимальной длины может использоваться, когда нет никакой дополнительной информации, чтобы передать другим, кроме идентификатора метки. Более длинная форма кодирования блинк-посылки может быть использована, когда метка должна передавать дополнительную информацию.

7.1.1.4 Идентификатор по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963&

6-октетное поле идентификатора по &ГОСТ Р ИСО/МЭК 15963& состоит из октета кода категории, октета идентификатора изготовителя и четырех октетов идентификатора метки, которые определяются следующим образом:

Код категории:

Текущая категория — 0, таким образом, это восемь битов «0».

Этот дополнительный октет представлен, если бит TSD в заголовке кодирования установлен в 1.

Этот октет представляет температуру как 8-битовое целое число со знаком в диапазоне от -128 до +127 °C.

7.1.1.6 Дополнительный расширенный идентификатор

Это дополнительное поле представлено, если биты режима кодирования (7, 6) в заголовке кодирования установлены равными 1, 0. Когда расширенный идентификатор представлен, он состоит из октета источника расширенного идентификатора (Ex-ID Source), октета длины расширенного идентификатора (Ex-ID Length) и поля переменной длины ExID, которые определяются следующим образом:

Таблица 14

Длина номера Ex-ID

Таблица 15

Коды источника номера Ex-ID и их значение

7.1.1.7 EXT-данные

Это поле является расширением, позволяющим блинк-посылке переносить специфическую информацию изготовителя. Интерпретация данных в этом поле зависит от идентификатора изготовителя (см. 7.1.1.4).

7.2 Кодирование кадров блинк-посылок с идентификатором метки по &[18]&

Это кодирование несет 64-битовый расширенный уникальный идентификатор (EUI-64) по &[18]&, предоставляя совместимую адресацию в рамках стандартов ИИЭР (IEEE). На рисунке 19 показаны поля внутри кадра.

Рисунок 19 — Кодирование кадра блинк-посылки с идентификатором по &[18]&

7.2.1 Суб-поля кадра блинк-посылки с идентификатором по &[18]&

Отдельные суб-поля, показанные на рисунке 19, описаны в подпунктах ниже.

7.2.1.1 Управление кадром (FC)

FC (октет) кадра блинк-посылки, несущего идентификатор по &[18]&, имеет фиксированное значение 0xC5, означающее универсальный кадр данных с коротким 1-октетным полем управления кадром, без адреса назначения и с 64-битовым адресом источника (идентификатором метки). Адрес назначения не нужен, так как блинк-посылка — это широковещательный кадр.

7.2.1.2 Порядковый номер

Октет порядкового номера содержит текущее значение порядкового номера данных (DSN). Номер DSN вставляется в исходящий кадр блинк-посылки, после чего номер DSN увеличивается на 1 (по модулю 256) <*>.

<*> При каждой передаче.

7.2.1.3 Идентификатор метки (EUI-64)

Идентификатор метки в пределах этого кадра блинк-посылки — это 64-битовый адрес источника, соответствующий EUI-64. Каждая метка, применяющая такой формат блинк-посылки, должна иметь уникальный EUI-64 идентификатор. Обычно он назначается во время изготовления устройства и постоянно в нем хранится.

7.2.1.4 Заголовок кодирования

Октет «заголовок кодирования» имеет ряд суб-полей, определяющих остальное содержимое кадра. Они определены в таблице 16.

Таблица 16

Суб-поля в составе поля «заголовок кодирования» кадра блинк-посылки, несущего идентификатор метки по &[18]&

Примечание - Разрешается опустить этот заголовок кодирования, чтобы отправить блинк минимальной длины, показанный на рисунке 20. В этом случае можно предположить, что значения двухуровневой телеметрии и уровня заряда батареи либо неизвестны, либо неизменны со времени какого-либо из предыдущих отчетов. В этом случае в кадре не может быть каких-либо дополнительных данных.

Рисунок 20 — Кодирование минимального кадра блинк-посылки с идентификатором по &[18]&

Минимальная блинк-посылка может использоваться, когда нет никакой дополнительной информации, чтобы передать другим, кроме идентификатора метки. Более длинные формы кодирования блинк-посылки могут быть использованы, когда метка имеет дополнительную информацию для передачи. Метка может отправлять смесь минимальных и более длинных блинк-посылок.

7.2.1.5 Данные датчика температуры

Этот дополнительный октет представлен, если бит TSD в заголовке кодирования установлен в 1. Этот октет представляет температуру как 8-битовое целое число со знаком в диапазоне от -128 до +127 °C.

7.2.1.6 Дополнительный расширенный идентификатор

Это необязательное поле представлено, если биты режима кодирования (7, 6) в заголовке кодирования устанавливаются в 1, 0.

Кодировка этого факультативного поля расширенного идентификатора такая же, как определена в пункте 7.1.1.6.

7.2.1.7 Заголовок EXT

Заголовок EXT — это однооктетная битовая карта, которая определяет и указывает дополнительные стандартные элементы расширенного (EXT) поля данных. Значения битов в битовой карте заголовка EXT приведены в таблице 17. Каждый бит указывает включение необязательного элемента. Необязательные элементы индивидуально описаны в последующих пунктах.

Таблица 17

Определение битов заголовка EXT

Примечание - Если данных EXT нет, разрешается опустить заголовок EXT. В этом случае можно предположить, что метки не будут слушать ответ на блинк-посылки.

7.2.1.8 Данные EXT

Это поле является расширением, позволяющим блинк-сообщению переносить дополнительную информацию. Содержание некоторых данных EXT определяется заголовком EXT (см. 7.2.1.7), оставшиеся октеты включаются в данные EXT конкретного изготовителя и должны быть интерпретированы, только если изготовителя можно определить по его идентификатору согласно EUI-64.

Один стандартный элемент <*> определен в ₇.2.₁.8.1, он может быть интерпретирован независимо от значения идентификатора EUI-64.

<*> EXT-данных.

7.2.1.8.1 Частота передачи блинк-посылок и индикация прослушивания

Поле «частота передачи блинк-посылок и прослушивание» составляет 4 октета в длину и включает три отдельных суб-поля, описанных ниже, которые показывают, как часто метка отправляет блинк-посылки и будет ли она способна принимать ответ, а если да, то когда она будет слушать ответ в следующий раз. Порядок передачи этих суб-полей следующий: «частота передачи блинк-посылок», затем «число блинк-посылок до следующего прослушивания», а затем «режим прослушивания». Двухоктетное суб-поле «частота передачи блинк-посылок» отправляется, начиная с наименее значимого октета. Если метка не может слушать и/или приложению не нужно знать информацию о частоте передачи блинк-посылок, тогда эти четыре октета «частота передачи блинк-посылок и прослушивание» могут быть опущены, в этом случае бит BRL заголовка EXT должен быть установлен в 0.

7.2.1.8.1.1 Частота передачи блинк-посылок

Суб-поле «частота передачи блинк-посылок» имеет длину 2 октета и кодирует частоту передачи блинк-посылок, как определено в таблице 18.

Таблица 18

Кодирование частоты передачи блинк-посылок

Примечание - Указанное кодирование используется также для настройки периодичности передачи блинк-посылок, значение 0x0000 используется для всего 16-битового поля, если это поле присутствует в конфигурационном сообщении, но не меняет ранее установленную частоту передачи блинк-посылок.

7.2.1.8.1.2 Количество блинк-посылок до следующего прослушивания

Суб-поле «количество блинк-посылок до следующего прослушивания» составляет 1 октет и кодирует отсчет времени в блинк-посылках до следующего прослушивания. Значения поля определены в таблице 19.

7.2.1.8.1.3 Режим прослушивания

Суб-поле «режим прослушивания» — это однооктетное поле, кодирующее режим прослушивания, как определено в таблице 20. Пять младших битов режима прослушивания указывают код, который метка будет использовать для прослушивания. Индивидуальные коды, разрешенные к применению на каждом канале, приведены в таблицах 6 и 7. Три старших бита режима прослушивания зарезервированы для использования в будущем.

Таблица 19

Число блинк-посылок до следующего прослушивания

Таблица 20

Кодирование режима прослушивания

8 Двухсторонняя связь — информационные сообщения

Этот дополнительный режим работы делает возможным двухсторонний обмен данными между инфраструктурой и метками. Двустороннюю связь инициирует инфраструктура, отвечая на блинк-посылку, которая включает указание на то, что метка будет слушать ответ (см. 7.2.1.8.1).

Двусторонняя связь использует формат кодирования информационных сообщений, определенный в 8.1. Детали работы в режиме двусторонней связи определены в 8.2.

8.1 Информационные сообщения

Кодирование кадра данных используется для двусторонней связи, которая является дополнительной частью настоящего стандарта. Односторонняя передача блинк-посылок из метки в инфраструктуру достаточна для реализации системы позиционирования реального времени (Real Time Locating System — RTLS), использующей алгоритм разницы во времени прибытия (TDOA). Двусторонняя связь делает возможными дополнительные функции, такие как управление метками, а также измерение расстояния по времени распространения радиосигнала (Time of Flight — TOF), дающее возможность определения местонахождения метки с помощью ручных устройств или реализации системы RTLS на основе измерения TOF.

Определяемое здесь кодирование поддерживает передачу кадров данных уровня различных приложений в обоих направлениях между метками и инфраструктурой. Для такой связи необходимо включать оба адреса (идентификатора) — источника и назначения. Кодирование, используемое здесь, соответствует кодированию кадра данных по &[13]&.

Рисунок 21 — Кодирование кадра данных

8.1.1 Суб-поля кадра данных

Кадр данных содержит шесть суб-полей (не включая завершающей контрольной суммы — FCS), а именно: управление кадром — FC, порядковый номер, идентификатор приложения, адреса источника и получателя и данные уровня приложения. Эти суб-поля описаны ниже.

8.1.1.1 Суб-поле управления кадром (FC)

Октеты суб-поля управления кадром (FC) в кадре данных имеют разные значения в зависимости от установок различных битов суб-поля внутри FC. Это обсуждается ниже в отдельных подпунктах. Биты SEC, PEND и ACK не используются в настоящем стандарте, но они могут быть использованы совместно работающими приложениями с соблюдением правил по &[13]& в рамках реализации дополнительных функциональных возможностей.

8.1.1.1.1 Суб-поле формата адреса получателя

Два бита в суб-поле DestAddrMode определяют, какой формат используется для адреса назначения — 16-битовый или 64-битовый. Как правило, метка будет иметь 64-битовый адрес, а устройства инфраструктуры могут иметь 16-разрядные адреса. 16-разрядный адрес может быть временно присвоен метке инфраструктурой.

8.1.1.1.2 Суб-поле формата адреса источника

Два бита в суб-поле SrcAddrMode определяют, какой формат используется для адреса назначения — 16-битовый или 64-битовый.

8.1.1.2 Суб-поле порядкового номера

Октет «порядковый номер» содержит текущее значение порядкового номера (DSN). Текущее значение номера DSN вставляется в исходящие кадры данных, после чего номер DSN увеличивается на 1 (по модулю 256) <*>.

<*> При каждой передаче.

8.1.1.3 Суб-поле идентификатора приложения

Это 16-битовая величина. Его место размещения в кадре соответствует сетевому идентификатору в формате кадра по &[13]&. Значение 0x609A используется во всех кадрах данных, определенных в настоящем стандарте. Младший байт отправляется первым. Метки и устройства инфраструктуры, удовлетворяющие данному стандарту, могут игнорировать полученные кадры с другими значениями идентификаторов приложений.

8.1.1.4 Суб-поле адреса назначения

Оно может иметь длину 16 или 64 бита в зависимости от формата адреса назначения, указанного в поле управления кадром. Передающая метка или узел инфраструктуры вставят соответствующий адрес назначения, когда передают кадр данных. Метки и устройства инфраструктуры, удовлетворяющие данному стандарту, должны игнорировать полученные кадры данных с адресом назначения, который не соответствует присвоенному им собственному адресу.

8.1.1.5 Суб-поле адреса источника

Оно может иметь длину 16 или 64 бита в зависимости от формата адреса источника, указанного в поле управления кадром. При отправке кадра в качестве адреса источника должен быть установлен адрес, присвоенный передающему узлу.

8.1.1.6 Суб-поле данных приложения

Это суб-поле переносит данные, определенные в 8.2.

8.2 Работа двусторонней связи

Двусторонняя связь является факультативной частью настоящего стандарта, дающей богатый набор функциональных возможностей.

Главным (по умолчанию) видом отправляемого метки RTLS сообщения является блинк-посылка. Если метка способна слушать радиоэфир и вступать в двусторонний обмен сообщениями с инфраструктурой, обмен этими информационными сообщениями может использоваться, чтобы осуществлять дополнительное управление метками, а если метка достаточно способна, то и дополнительно выполнять двухстороннее измерение расстояния.

Предполагается, что система RTLS, использующая алгоритм TDOA, основанная на приеме однонаправленных блинк-посылок, будет преобладающим видом активности инфраструктуры. Для этого необходима только односторонняя связь, поэтому метке, которая слушает (после отправки блинк-посылки), не следует ожидать ответа каждый раз, когда она слушает, и чтобы экономить энергию, ее приемник должен оставаться включенным только на время, достаточное, чтобы получить долгожданный ответ.

В то время как двусторонняя связь позволяет общую конфигурацию и управление метками со стороны инфраструктуры, другим применением является двухстороннее измерение расстояния, которое может быть полезно для поиска помеченного предмета с использованием ручного устройства считывания.

8.2.1 Техника решения двусторонней связи

Если блинк-посылка указывает, что метка-отправитель будет слушать непосредственно после отправки блинк-посылки, инфраструктура может решить ответить (обычно из ближайшего узла инфраструктуры, поддерживающего двустороннюю связь). Ответ инфраструктуры и все последующие взаимодействия должны использовать двусторонние сообщения, определенные здесь. Эти двусторонние сообщения используют кодирование кадра данных, определенное в 8.1.

Рисунок 22 — Кадр данных приложения

На рисунке 22 приведены данные уровня приложения в кадре информационного сообщения. Далее в настоящем подразделе передаваемая в сообщении информация приложения приведена без форматирования кадра данных, в который информация упакована.

Адресом назначения для любого направленного в метку сообщения (и адресом источника любого сообщения от метки) будет уникальный 64-битовый адрес метки, используемый в блинк-посылке, если этой метке не выделен временно инфраструктурой 16-битовый адрес.

Для связи с меткой сообщения инфраструктуры могут использовать 16-битовые или 64-битовые адреса. Если сообщение от инфраструктуры требует ответа метки, адрес источника из сообщения инфраструктуры должен использоваться как адрес назначения в ответе метки.

Смысл передаваемых данных приложения и вытекающая из них функциональность зависят от октета «код функции», который является первым октетом всех передаваемых данных приложения. В таблице 21 перечислены коды функций приложения и соответствующие функции. Последующие пункты охватывают различные поддерживаемые функции.

Каждый код функции выбирает конкретную функцию и определяет длину данных параметра, который следует за ним. Конкретные данные изготовителя могут следовать этим определенным стандартом параметрам. Любые такие данные должны быть интерпретированы, только если изготовитель был идентифицирован, например через идентификатор EUI-64 в блинк-посылке.

Таблица 21

Коды функций приложения

8.2.1.1 Ожидаемые ответы на блинк-посылки (и другие сообщения)

После передачи блинк-посылки, в которой указывается, что метка в дальнейшем слушает, метка должна ожидать какой-либо из следующих ответов:

• нет ответа;
• контроль активности (см. 8.2.2);
• команда читать возможности метки (см. 8.2.3);
• команда читать конфигурацию метки (см. 8.2.4);
• команда установить конфигурацию метки (см. 8.2.5);
• команда выполнить двустороннее измерение расстояния (см. 8.2.6).

В случае отсутствия ответа метка должна продолжать периодическую передачу блинк-посылок согласно пункту 7. Для каждого из остальных перечисленных выше ответов указанные пункты описывают взаимодействие и последующие действия.

После любого взаимодействия, описанного ниже, если метка завершает взаимодействие отправкой сообщения инфраструктуре, метка должна слушать (как это делает после передачи блинк-посылки) в ожидании дополнительных команд от инфраструктуры и должна возобновить периодическую передачу блинк-посылок согласно пункту 7, если дополнительных команд не получено.

8.2.2 Сообщение «контроль активности» (activity control)

Сообщение «контроль активности» (activity control) используется для подачи команды продолжения активности в ходе различных взаимодействий сообщениями, описанных в последующих пунктах, а также используется, чтобы сигнализировать об окончании этой активности.

Формат 4-октетного сообщения «контроль активности» (activity control) показан на рисунке 23. Сообщение содержит один октет параметра «код активности» и связанные с ним 2 октета параметра действия (P). Значения кода активности заданы в таблице 22.

Таблица 22

Коды контроля активности и их значения

Рисунок 23 — Формат сообщения «контроль активности» (activity control)

8.2.3 Команда «считать возможности метки» (read tag capabilities)

Команда «считать возможности метки» (read tag capabilities), передаваемая инфраструктурой метке, не имеет дополнительных параметров.

Рисунок 24 — Команда «считать возможности метки» (read tag capabilities)

Взаимодействие показано на рисунке 24. В ответ на команду «считать возможности метки» (read tag capabilities) метка передает ответ, который содержит битовую карту возможностей. В таблице 23 определены поля битовой карты возможностей. Эта битовая карта передается в порядке, изложенном в таблице, и для каждого поля младший бит передается первым.

После отправки ответа о возможностях метка должна слушать дополнительные команды, которые могут быть любыми из перечисленных в 8.2.1.1, обычно ожидается после блинка. В случае отсутствия дополнительных команд метка должна возобновить периодическую передачу блинков согласно пункту 7.

Таблица 23

Битовая карта возможностей метки

8.2.4 Команда «считать конфигурацию метки» (read tag configuration)

Команда «считать конфигурацию метки» (read tag configuration), передаваемая инфраструктурой метке, не имеет дополнительных параметров.

Обмен кадрами «чтение конфигурации метки» приведен на рисунке 25. Ответом на команду «считать конфигурацию метки» (read tag configuration) является отклик «конфигурация метки», который сообщает текущую конфигурацию метки. В таблице 24 приведены поля в этой структуре конфигурации. Эта структура передается в порядке, указанном в этой таблице, и для каждого поля младший бит передается первым. Эта структура также применяется командой «установить конфигурацию метки» (см. 8.2.5).

Рисунок 25 — Считывание конфигурации метки

После передачи отклика «конфигурация метки» метка должна слушать в ожидании дополнительных команд, которыми может быть любая из перечисленных в 8.2.1.1. Если дополнительных команд не получено, метка должна возобновить периодическую передачу блинк-посылок согласно пункту 7.

Таблица 24

Структура конфигурации метки

Примечание — Структура, определяемая таблицей 24, допускает расширение. Только два из восьми возможных значений октета «идентификатор конфигурации и длина» использованы и 5-битовая длина параметра позволяет расширение текущей конфигурации. Тогда реализация может увеличить длину конфигурации физического уровня или приложений либо добавить дополнительные идентификаторы конфигурации. Инфраструктуре нужно только изменить такие значения, когда она распознает метку через ее идентификатор, как известный тип с известными расширениями. Во всех остальных случаях инфраструктура должна сначала получить настройки и любые значения, помимо тех, которые определены здесь, должны быть оставлены без изменений при настройке конфигурации метки.

8.2.5 Команда «установить конфигурацию метки» (set tag configuration)

Команда «установить конфигурацию метки» (set tag configuration), передаваемая инфраструктурой метке, позволяет устанавливать настраиваемые параметры метки.

Рисунок 26 — Установка конфигурации метки

Взаимодействие по команде «установить конфигурацию метки» приведено на рисунке 26. Как новая конфигурация в команде «установить конфигурацию метки», так и результирующая конфигурация в отклике на команду «установить конфигурацию метки» являются форматированными конфигурационными структурами, приведенными в таблице 24. Эти структуры передаются в порядке, установленном в таблице, и каждое поле передается, начиная с младшего значащего бита.

Рисунок 27 — Ошибка установки конфигурации метки

В случае ошибки, если метка обнаруживает попытку сконфигурировать какой-то параметр в неподдерживаемое значение, метка должна игнорировать всю попытку ее переконфигурации и передать отклик «ошибка установки конфигурации», как показано на рисунке 27. Отклик включает 16-битовый код ошибки, который может быть использован в качестве вспомогательного средства, чтобы определить источник ошибки. Значение кода ошибки зависит от конкретной реализации метки.

Предполагая, что ошибки нет, изменения конфигурации должны вступать в силу сразу после того, как метка передаст свой отклик на команду «установить конфигурацию метки». После передачи отклика на команду «установить конфигурацию» метка должна слушать в ожидании дополнительных команд, которыми может быть любая из перечисленных в 8.2.1.1. Если дополнительных команд не получено, метка должна возобновить периодическую передачу блинк-посылок согласно пункту 7.

8.2.6 Команда «выполнить двухстороннее измерение расстояния» (perform two-way ranging)

Команда «выполнить двухстороннее измерение расстояния» (perform two-way ranging) инициирует серию обменов сообщениями для выполнения двухстороннего измерения расстояния. На рисунке 28 приведены типичные взаимодействия измерения расстояния. Команда инициации измерения расстояния присваивает метке временный короткий адрес. Этот адрес используется для последующих взаимодействий, пока метка не сообщит в подтверждающем сообщении управления измерением расстояния о том, что период взаимодействия окончился (или в противном случае по тайм-ауту, когда метка не получает никаких сообщений инфраструктуры) и метка возвращается к периодической передаче блинк-посылок.

Метка начинает обмен двухстороннего измерения расстояния с сообщения «опрос».

Поименованный узел инфраструктуры, который получил сообщение «опрос» в момент TPR, откликается сообщением «контроль активности — ответ» (на опрос) [activity control response (to poll)] в момент TRT. Этот ответ включает опциональный октет, позволяющий управлять следующими действиями метки, и еще 2 октета — параметр, полезность которого зависит от опционального октета. Чтобы обмен измерения расстояния продолжился с этого места, этот октет должен предписывать «продолжить измерения расстояния» согласно таблице 22.

Рисунок 28 — Двухстороннее измерение расстояния

Продолжая обмен измерения расстояния, метка затем передает «финальное сообщение метки» (final), сообщая 32-разрядное время передачи сообщения «опрос» (TPT), далее 32-разрядное время получения сообщения «управление активностью — ответ (на опрос)» [activity control response (to poll)] (TRR), далее точно предсказанное время передачи этого последнего сообщения (TFT), также 32 бита. Пункт 5.6 описывает метки времени и их единицы измерения. Инфраструктура отмечает время прибытия «последнего сообщения» (TFR).

Примечание - Вложенное время передачи должно включать задержки передающей антенны и все системные эффекты, чтобы точно предсказанная метка времени передачи была идентична той, которая была бы определена после обычной передачи.

Если метка не может вложить время передачи «финального сообщения метки» в «финальное сообщение метки», используется двухшаговый финальный обмен сообщениями, как показано на рисунке 29, здесь последнее сообщение без вложения включает только 32-разрядное время передачи сообщения «опрос» (TPT) и далее 32-разрядное время получения сообщения «управление активностью — ответ (на опрос)» [activity control response (to poll)] (TRR). За этим «финальным сообщением метки» без вложения времени передачи этого финального сообщения (TFT) метка немедленно передает «финальное сообщение передачи времени TFT», в котором сообщается время передачи (TFT) предшествующего финального сообщения.

Опрос, ответ и окончательные сообщения охватывают полный двухсторонний обмен измерения расстояния. Его успех подтверждается сообщением «управление активностью — подтверждение измерения расстояния», показывающим в своем опциональном октете, что измерение расстояния удалось, и обусловливающим, должна ли метка выполнять измерение расстояния с другим узлом или что период двухстороннего измерения расстояния закончился и метка должна вернуться к состоянию передачи пустых блинк-посылок.

Если метка не получает сообщения «управление активностью — подтверждение измерения расстояния», она должна повторно инициировать двухсторонний обмен измерения расстояния путем повторной отправки опроса. Отклик инфраструктуры «контроль активности» может потребовать повторить обмен измерения расстояния или может подтвердить предыдущий обмен, указав метке перейти к выполнению обмена измерения расстояния с другим узлом, или может указать метке вернуться к состоянию передачи пустых блинк-посылок.

Если метка не получает ответ на первоначальный опрос, она должна повторять его передачу вновь до достижения максимального числа повторных попыток опроса — MaxNumberOfPollRetries, после чего метка должна вернуться к передаче блинк-посылок с настроенной периодичностью.

Рисунок 29 — Двухстороннее измерение расстояния без включения TFT

Значение опционального октета в сообщении «управление активностью» и использование связанного с ним двухоктетного параметра (P) определены в пункте 8.2.2.

Если c — скорость света в воздухе, то расстояние задается выражением:

1/4·c·(((TRR — TPT) — (TRT — TPR)) + ((TFR — TRT) — (TFT — TRR))), что может быть упрощено до:

1/4·c·(2·TRR — 2·TRT — TPT + TPR + TFR — TFT).

Приложение А (справочное)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ &[19]& И НАСТОЯЩЕГО СТАНДАРТА ДЛЯ ПРИЛОЖЕНИЙ RTLS

А.1 Введение

Устройства RTLS используются для идентификации и определения местонахождения людей или объектов в промышленных или коммерческих условиях. Типичные приложения включают в себя управление активами, управление запасами, управление и автоматизацию процессов, безопасность и отчетность и многое другое.

В своей простейшей форме система RTLS включает в себя ряд только передающих меток, которые периодически передают пакет, содержащий уникальный идентификатор и небольшой объем данных. Пакет принимают один или более приемников, которые могут просто зарегистрировать метку как присутствующую или могут применить дальнейшую обработку, чтобы определить местонахождение метки. Более сложные системы RTLS могут использовать двухстороннюю связь с меткой для управления, связи и координации.

Активные системы RTLS, как правило, характеризуются следующими атрибутами:

• очень дешевые метки с низким энергопотреблением;
• большие популяции меток;
• низкая скважность передачи;
• разнообразие приемников — от очень малой дальности (несколько метров) до очень большой дальности (сотни метров);
• очень короткая длина пакетов, часто не содержащих иных данных, кроме идентификатора устройства и небольшого числа битов состояния.

Настоящий стандарт и [19] содержат два физических уровня, особенно подходящих для RTLS:

• физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой частотой повторения импульсов (LRP), приведенный в [19];
• физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой частотой повторения импульсов (HRP), приведенный в настоящем стандарте.

Настоящее приложение описывает, как функции этих физических уровней могут быть сконфигурированы для приложений RTLS.

А.2 Обзор физических уровней сверхширокополосного радиоинтерфейса RTLS

А.2.1 Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой частотой повторения импульсов (ЧПИ)

А.2.1.1 Описание

Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ — это физический уровень низкой сложности, оптимизированный для устройств RTLS. В системах RTLS компоненты оборудования в высокой степени асимметричны — большие популяции очень несложных меток распознаются гораздо меньшими популяциями потенциально сложных воспринимающих элементов. Обычно метка передает сообщения воспринимающему устройству, хотя обратные архитектуры также возможны (хотя и менее распространены).

Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ, таким образом, был преимущественно обусловлен потребностью в очень низком уровне сложности передатчиков (меток). Соображения низкой сложности включают:

• простую в реализации модуляцию;
• отсутствие в базовом режиме кодирования или отбеливания (декорреляции) данных;
• простоту внедрения масок спектральной плотности мощности (PSD);
• отсутствие сглаживания импульсов с целью спектрального сглаживания;
• спокойные временные требования.

Кроме того, низкая ЧПИ является ключевой особенностью, которая снижает неопределенность позиционирования и повышает эффективность некогерентных приемников в условиях высокого многолучевого затухания.

Подход низкой сложности ведет к низкому энергопотреблению и низкой стоимости реализации на дискретных элементах, что распространено в приложениях меньшего объема. Там, где продаются очень большие объемы устройств, жизнеспособны кремниевые решения, и RTLS-решения, использующие физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой ЧПИ, становятся возможными (см. А.2.2).

Следующие пункты выделяют ключевые черты каждого из режимов работы.

А.2.1.1.1 Базовый режим

Базовый режим — режим наименьшей сложности. Он используется там, где существует потребность в очень больших популяциях меток, но нет требований по работе на очень большой дальности. Как правило, большая дальность — это не проблема в средах с большим числом препятствий прямой видимости.

Ключевые атрибуты базового режима:

• очень простая модуляция — (манипуляция On-off keying — OOK);
• нет дополнительного кодирования или отбеливания;
• кратчайшая длина пакета;
• длина пакета, спроектированная для достижения максимальной амплитуды импульса в рамках глобального ограничения для физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса (192 импульса при частоте импульсов 1 МГц).

Этот последний пункт делает базовый режим особенно полезным для некогерентных приемников (детекторов энергии), которые выигрывают от увеличения мгновенной амплитуды импульса.

Приемник, обнаружив входящий поток сверхширокополосных импульсов, будет проходить через процедуру, подобную следующей, в выяснении того, было ли это получение пакета базового режима:

• проверка сигнала входящей преамбулы, чтобы определить 1 МГц импульсную последовательность (то есть не пакет режима большой дальности);
• поиск разделителя кадра с подтверждением соответствия какому-либо режиму — базовому или расширенному;
• проверка первых трех битов заголовка физического уровня (PHR) (три бита сразу после разделителя кадра), чтобы подтвердить базовый режим:
• три 0 = базовый режим;
• три 1 = расширенный режим;
• приемник может принять решение, проголосовать на первых трех битах заголовка физического уровня методом «лучший из трех», чтобы ввести простую проверку ошибок битов типа кодирования.

Следует отметить, что длина преамбулы переменная — 16 или 128 импульсов на усмотрение исполнителя. 16 импульсов, как было показано, достаточно для самых разных случаев применения, но разработчик может для повышения эффективности захвата данных увеличить длину заголовка. Однако такой подход имеет три важных негативных воздействия на общую эффективность системы, поэтому выбор должен быть тщательно просчитан. Более длинная преамбула влечет:

• риск увеличения длины пакета свыше 192 импульсов, что вызовет необходимость уменьшения амплитуды импульса, чтобы соответствовать лимитам на среднее сверхширокополосное излучение;
• увеличение потребления электроэнергии меткой (больше передаваемых импульсов и больше процессорного времени);
• увеличение коллизий пакетов меток (из-за более длинных пакетов).

А.2.1.1.2 Расширенный режим

Расширенный режим добавляет в базовый режим простую прямую коррекцию ошибок для повышения эффективности в определенных обстоятельствах. Кроме того, расширенный режим допускает более длинную преамбулу (до 256 импульсов), если разработчику необходимо увеличить надежность сбора данных на основе более надежной структуры символа. Схема кодирования проста для реализации в передатчике и допускает две разные схемы декодирования в приемнике.

Поскольку длина пакета расширенного режима больше, чем пакета базового режима, сигнал, скорее всего, станет сдерживаться нормативными лимитами на средние сверхширокополосного излучения. Это требует уменьшения амплитуды отдельных импульсов, что приводит к потерям в плане бюджета линии связи при использовании некогерентного приемника. Эту потерю следует сопоставить с ожидаемым выигрышем от кодирования до 4 дБ, чтобы определить, дает ли расширенный режим чистую выгоду в любых данных обстоятельствах.

В общем использование расширенного режима — это компромисс, баланс между выигрышем от кодирования и длиной пакета (то есть потерей энергии импульса). Длина пакета будет определяться рядом факторов, включая длину преамбулы, используемый режим адресации и размер подлежащих передаче данных.

Процесс определения приемником пакета расширенного режима такой же, как и для базового режима.

А.2.1.1.3 Режим большой дальности

Режим большой дальности ориентирован на когерентные приемники, которые могут использовать когерентно-импульсную интеграцию в целях повышения энергии символа. Поскольку множественные импульсы интегрируются вместе, чтобы сформировать один символ, длина пакета может быть большой, значит, амплитуда отдельного импульса, безусловно, уменьшится, что определяется нормативными ограничениями на средний уровень сверхширокополосного излучения. Однако когерентно-импульсная интеграция более чем компенсирует потери в энергии импульса за счет чистого прироста бюджета линии связи.

Эффективность когерентного приемника зависит в основном от двух факторов: точности шаблона импульсов, используемых в приемнике, и точности синхронизации времени на импульсном уровне между приемником и передатчиком. Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой частотой повторения импульсов не предъявляет жестких требований к любому из этих параметров, и это сделано намеренно в целях обеспечения низкой стоимости реализации (без сложной синхронизации или сложного формирования импульсов). Из этих соображений существует ограничение, до такой степени когерентное усиление может быть достигнуто путем простого добавления дополнительных импульсов в символ. Существует также расплата амплитудой импульса за добавление дополнительных импульсов из-за нормативных ограничений. Поэтому параметры, выбранные для режима большой дальности, представляют максимальную эффективность для когерентного приемника при относительно смягченных синхронизации и формировании импульсов; более длинные символы могли бы немного добавить к когерентному усилению и служат только для уменьшения энергии импульса.

Режим большой дальности использует в качестве схемы модуляции Манчестерское кодирование двоичной фазоимпульсной модуляции (ФИМ), а не простая манипуляция OOK, как в базовом и расширенном режимах, и работает при ЧПИ 2 МГц. Он также использует более сложную преамбулу, необходимую для поддержки этой схемы кодирования. Преамбула состоит из:

• последовательности от 1024 до 8192 импульсов, затем
• разделителя начала кадра (SFD), закодированного, как в базовом и расширенном режиме, затем
• последовательности от 16 до 64 двоичных символов 1, закодированных, как в режиме большой дальности.

За преамбулой следует разделитель начала кадра (SFD), закодированный, как в режиме большой дальности. Целью этой более сложной преамбулы в том, чтобы позволить когерентному приемнику выявить пакет режима большой дальности и достичь синхронизации символов до разделителя начала кадра, а также чтобы позволить некогерентным приемником достичь синхронизации.

Приемник, обнаруживший входящий поток сверхширокополосных импульсов, должен пройти процедуру, подобную следующей, для выяснения того, получает ли он пакет режима большой дальности:

• проверка сигнала входящей преамбулы, чтобы определить 2 МГц импульсную последовательность (то есть что это не пакет базового или расширенного режима);
• ожидание старта импульсной модуляции в виде повторяющихся 32 присутствующих импульсов, а затем 32 отсутствующих импульсов. На этой стадии приемник будет использовать эти переходы для достижения синхронизации символов;
• поиск разделителя начала кадра с подтверждением режима большой дальности;
• проверка первых трех битов заголовка физического уровня (три бита сразу после разделителя начала кадра) с 000 повторного подтверждения режима большой дальности (остальные значения зарезервированы для использования в будущем).

А.2.1.2 Сети со смешанным режимом

А.2.1.2.1 Соображения эффективности

Режим большой дальности в первую очередь ориентирован на когерентные приемники, в то время как базовый и расширенный режимы предназначены прежде всего для некогерентных приемников. Поскольку RTLS-системы, как правило, часть фиксированной инфраструктуры, маловероятно, что в любом заданном месте будет развернута смесь когерентных и некогерентных приемников. Вместо этого особенности расположения будут определять использование того или иного типа приемника для наилучшей общей эффективности системы.

Например, условия помещений с множеством препятствий, таких как склад или производственный цех, не могут позволить больших расстояний прямой видимости, поэтому расширенный диапазон бесполезен. Вместо этого там, скорее всего, будет развернута высокая плотность некогерентных приемников с метками, действующими либо в базовом, либо в расширенном режиме.

В отличие от этого, большие открытые пространства, например территории на открытом воздухе, позволят очень большие линии прямой видимости, так что использование низкой плотности приемников большой дальности может быть более экономически эффективным. В этом случае может быть развернута инфраструктура из когерентных приемников с метками, работающими в режиме большой дальности.

Однако существует много случаев, когда метки могут перемещаться из когерентной в некогерентную инфраструктуру, поэтому данный стандарт требует, чтобы все приемники, когерентные или некогерентные, могли принимать и демодулировать все режимы. Случаи перекрестного использования страдают от ограничения эффективности следующим образом.

Некогерентный приемник будет иметь меньшую дальность работы с метками, работающими в режиме большой дальности, в сравнении с метками, работающими в базовом или расширенном режиме. Метки, работающие в режиме большой дальности, имеют относительно длинные пакеты, которые вызывают средние излучения, подлежащие регулированию. Это означает, что в режиме большой дальности импульсы меньше по амплитуде, чем в базовом или расширенном режиме. Поскольку работа некогерентного приемника зависит от амплитуды единичного импульса, он не может принимать меньшие импульсы режима большой дальности на сравнимой дальности. Из-за меньшей дальности работы метки, работающие в режиме большой дальности, могут только периодически обнаруживаться в пределах сети некогерентных приемников, а позиционирование метки может оказаться невозможным.

Когерентный приемник будет иметь короткую дальность работы с метками, работающими в базовом или расширенном режиме, по сравнению с метками, работающими в режиме большой дальности. Метки, работающие в базовом или расширенном режиме, не дают последовательностей импульсов, достаточных для когерентно-импульсной интеграции, что сводит на нет преимущество когерентного приемника. Однако когерентный приемник может работать на сходных с работой некогерентного приемника расстояниях при работе с метками базового или расширенного режима. Поскольку когерентные приемники, как правило, развертываются несколько реже, чем некогерентные приемники, метки базового или расширенного режима могут быть только периодически обнаружены в сети когерентных приемников, а позиционирование метки может оказаться невозможным.

Характеристики случаев перекрестного использования сведены в таблицу А.1.

Таблица А.1

Характеристики случаев перекрестного использования

А.2.1.2.2 Соображения по обработке данных приемником

Любой из трех режимов может быть легко декодирован приемником любого типа, после того как радиочастотный сигнал был преобразован в основную полосу частот. Ключ к работе в случаях перекрестного использования — в способности синхронизировать и демодулировать входящий радиосигнал.

Когда когерентный приемник обнаруживает последовательность импульсов на частоте передачи импульсов (ЧПИ) 1 МГц, что указывает на пакет базового или расширенного режима, он должен начать поиск преамбулы, закодированной согласно базовому и расширенному режимам. После обнаружения преамбулы и достижения синхронизации остаток пакета может быть демодулирован так же, как и некогерентным приемником.

Когда некогерентный приемник обнаруживает импульсную последовательность с ЧПИ 2 МГц, это указывает на пакет режима большой дальности. Приемник может запустить свой нормальный процесс получения/синхронизации SFD, но на частоте 2 МГц. Вставка разделителя начала кадра (SFD) базового/расширенного режима в преамбулу режима большой дальности предоставляет такую функциональность.

После вставленного разделителя SFD некогерентный приемник начнет демодулировать биты с учетом повторения импульсов и Манчестерского кодирования. Это может быть достигнуто путем запуска нормального механизма OOK на частоте 2 МГц и добавления шага сжатия, который транслирует 32-импульсные повторы Манчестерского кода двоичной фазоимпульсной модуляции (ФИМ) в действительные биты. Это отражено на рисунке А.1.

Рисунок А.1 — Преобразование Манчестерского кода двоичной фазоимпульсной модуляции (ФИМ) в OOK с помощью цифрового сжатия битов

Альтернативно некогерентный приемник может взять аналоговый подход, усредняя импульсы в 32-импульсном окне, а затем применяя демодуляцию OOK и Манчестерское декодирование, как показано на рисунке А.2.

Рисунок А.2 — Преобразование Манчестерского кода двоичной фазоимпульсной модуляции (ФИМ) в OOK с использованием аналогового сжатия импульсов

После обнаружения разделителя начала кадра, некогерентный приемник должен игнорировать последовательность символов «1» (передаваемых для поддержки синхронизации когерентного приемника) и искать «000» нормального разделителя начала кадра SFD, закодированные как символы режима большой дальности, в качестве триггера запуска демодуляции оставшейся части пакета. Вполне вероятно, что некоторые изготовители захотят использовать вставленные символы «1» для целей позиционирования при необходимости.

А.2.1.3 Координация и синхронизация

Для сохранения битовой синхронизации приемник нуждается в регулярных импульсах. Манчестерское кодирование в режиме дальней связи гарантирует, что существует множество импульсов синхронизации, так как и единицы, и нули передаваемых данных содержат импульсы. Однако базовый и расширенный режимы используют OOK, где «0» обозначается отсутствием импульса. В этом случае длинная строка нулей будет вызывать длительный период без импульсов, что, в свою очередь, вызывает проблемы синхронизации.

Один из методов преодоления длительных периодов отсутствия импульсов — использовать системы синхронизации очень высокого качества, которые позволяют сохранять синхронизацию в течение длительного периода. Однако в соответствии с желанием разрешить использование дешевых компонентов в устройствах RTLS лучший подход заключается в том, чтобы гарантировать отсутствие длительных периодов без импульсов.

Поэтому физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ требует, чтобы передатчик вставлял последовательность из четырех импульсов после каждого 128-го элемента сообщения (импульса). Эти импульсы обеспечивают регулярную синхронизацию сигнала и должны игнорироваться приемниками физического уровня.

Стандарт устанавливает, что момент передачи любого отдельного импульса не должен дрейфовать более чем на 11 нс от номинального момента передачи на протяжении 128 периодов символа в указанном диапазоне рабочих температур устройства. Вставленные синхронизирующие импульсы гарантируют, что это может быть достигнуто с помощью стандартных кристаллов с АТ-срезом в нормальных температурных диапазонах. В устройствах для более широких диапазонов температур, возможно, потребуется использовать температурную компенсацию кристаллов для поддержания синхронизации. Цифра 11 нс гарантирует, что границы бита поддерживаются достаточно, чтобы свести к минимуму битовые ошибки из-за сдвигов синхронизации.

А.2.2 Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой частотой повторения импульсов (ЧПИ)

Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой частотой повторения импульсов (ЧПИ) был введен в стандарт как высокомобильный, работающий на большие расстояния, очень надежный физический уровень для промышленных условий, с возможностью позиционирования устройств с точность выше 1 м. Хотя модуляции и схемы кодирования для достижения этого сложны, затраты на устройства могут быть сведены к минимуму за счет кремниевых решений.

Вообще говоря, физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ выгоден, когда динамика рынка благоприятствует реализации дискретного устройства, в то время как физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой ЧПИ становится привлекательным, когда объемы устройств достаточно высоки, чтобы оправдать кремниевую интеграцию. Высокая ЧПИ интерфейса дает очень короткую длительность пакетов для поддержки больших популяций меток RTLS.

А.2.2.1 Взаимодействия с физическим уровнем сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ

Характеристики физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ были специально выбраны так, чтобы он был взаимно дополняющим с физическим уровнем сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой ЧПИ. Они используют одни и те же центральные частоты, оба являются импульсными физическими уровнями сверхширокополосного радиоинтерфейса и оба могут быть реализованы с когерентными или некогерентными приемниками. Эти характеристики позволяют разрабатывать архитектуру приемников, позволяющих демодулировать любой тип физического уровня с максимальным повторным использованием блоков приемника. Это обеспечивает совместимость, показанную на рисунке А.3.

Рисунок А.3 — Взаимодействие физических уровней сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой и высокой ЧПИ

Физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой ЧПИ хорошо подходит для активных систем радиочастотной идентификации/систем RTLS, основанных на методе разницы времени прибытия (TDOA). Действительно, возможности, которые доступны для его длины преамбулы и скорости передачи данных, позволяют ему работать с пользой в многочисленных сценариях. Например, если требуется дальняя дистанция, может использоваться длинная преамбула и скорость передачи данных 110 кб/с, чтобы максимизировать дальность связи, или в случае, если необходимы более высокая плотность меток и/или более частые обновления при меньшей дальности, могут быть использованы высокая скорость передачи данных и короткие преамбулы физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой ЧПИ.

Устройства считывания, которые поддерживают демодуляцию кадров меток, использующих физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой ЧПИ, легко принимают кадры от меток, использующих физический уровень сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ, за счет выравнивания частотного плана физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ с каналами 5, 6, 7, 9 и 11 физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой ЧПИ. Так, например, в интегральной схеме, принимающей 5-й канал физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса с высокой ЧПИ, который составляет 500 МГц с центральной частотой 6489,6 МГц, аналоговая часть может легко принимать канал 0 физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ, гарантируя пропускную способность не менее 400 МГц вокруг 6489,6 МГц его номинальной частоты. В такой интегральной схеме цифровое декодирование модуляции низкой ЧПИ относительно малое дополнение, чтобы сделать устройство, способное поддерживать модуляцию физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса как с высокой, так и с низкой ЧПИ.

В сетях со смешанным режимом необходимо, чтобы считывающие узлы могли определять тип модуляции и надлежащим образом демодулировать ее. Для физического уровня сверхширокополосного радиоинтерфейса с низкой ЧПИ способность делать это является неотъемлемой частью данной спецификации, предназначенной быть основным требованием для всех его приемников (см. А.2.1.2 - сети со смешанным режимом). Что касается возможности поддержки обоих физических уровней сверхширокополосного радиоинтерфейса — с низкой и с высокой ЧПИ, такие универсальные сверхширокополосные устройства считывания радиочастотной идентификации (RFID) обеспечивают единую инфраструктуру, которая одновременно поддерживает все стандартные сверхширокополосные активные радиочастотные метки (RFID)/метки RTLS (см. рисунок А.3).

А.3 Определение местонахождения

А.3.1 Определение местонахождения объекта по уровню мощности принимаемого сигнала

Передающее устройство (обычно радиочастотная метка (RFID)/метка RTLS) передает периодический сигнал (кадр «блинк-посылку»), который получает несколько приемников. Каждый приемник измеряет мощность принимаемого сигнала в течение заголовка физического уровня (преамбулы и разделителя начала кадра SFD) и выдает значение уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI). Это значение из нескольких приемников в сети собирается централизованным сервером и используется для вычисления приблизительного местонахождения передающего устройства.

Один из способов расчета местонахождения на основе значений RSSI — метод «взвешенного центра массы», где местонахождение вычисляется на основании известных мест нахождения приемников и значений RSSI, полученных соответствующими приемниками, как в следующих выражениях:

X_{RSSI} = \frac{\sum_{i}^{n} {}_{= 1}x_{i}r_{i}}{\sum_{i}^{n} {}_{= 1}r_{i}} ;

Y_{RSSI} = \frac{\sum_{i}^{n} {}_{= 1}y_{i}r_{i}}{\sum_{i}^{n} {}_{= 1}r_{i}} ,

где xi, yi определяют местонахождение приемника, а ri — соответствующее значение RSSI для соответствующего приемника.

Рассчитанные значения XRSSI и YRSSI представляют местонахождение передающего устройства.

А.3.2 Позиционирование объекта посредством трилатерации с использованием разницы во времени прибытия

А.3.2.1 Обзор трилатерации

Передатчик (метка) посылает сигнал, который получают приемники как минимум в трех разных местах. Каждый приемник отмечает время прибытия сигнала (time-of-arrival, toa). Разница времен прибытия на любую пару приемников означает, что передатчик находился где-то на известной гиперболе. Использование двух чувствительных пар (один чувствительный элемент может быть общим в этих парах) подразумевает, что метка находилась на пересечении двух разных гипербол. Рисунок А.4 иллюстрирует эту ситуацию.

Рисунок А.4 — Определение местонахождения метки методом трилатерации

Рисунок А.4 и все последующие уравнения относятся к двухмерным (то есть x, y) задачам. Если известно, что метка находится на какой-либо поверхности (например, на плоскости или геоиде), уравнения могут быть легко модифицированы для включения высоты метки и приемников (z) без увеличения степени многомерности решения. Однако если высота метки неизвестна и подлежит оценке, уравнения должны быть изменены, чтобы включать z в качестве свободной переменной, и потребуется четыре приемника для нахождения решения.

А.3.2.2 Математическое вычисление местонахождения

Пусть tx обозначает момент времени, когда метка передает из местонахождения (x, y). Устройство считывания k в точке (xk, yk) обнаружит сигнал в момент времени toak = tx + pk, где pk обозначает время, необходимое для распространения сигнала от метки до сенсора. Это время распространения равно расстоянию от метки до сенсора, деленное на скорость света c, как указано в уравнении ниже:

p_{k} = \frac{\sqrt{(x - x_{k})^{2} + (y - y_{k})^{2}}}{c} . (1)

Неизвестное время передачи становится неважным, когда рассматривается разница времен прихода на два сенсора (dTOAjk), которая определяется как:

dTOA_{jk} = toa_{j} - toa_{k} \equiv \frac{\sqrt{(x - x_{j})^{2} + (y - y_{j})^{2}}}{c} - \frac{\sqrt{(x - x_{k})^{2} + (y - y_{k})^{2}}}{c} . (2)

Уравнение (2) было использовано для создания гиперболических сегментов, показанных на рисунке А.4, как dTOA21Б, так и dTOA23.

Следующий пункт детализирует метод решения для пересечения этих двух гипербол. Пара уравнений даст два возможных места этого пересечения: одно — реальное, а другое (почти всегда) — мнимое. Мнимое решение не будет удовлетворять исходной паре уравнений dTOA и может быть признано ошибочным.

А.3.2.3 Подробное уравнение деривации

Для удобства определим, что \delta_{jk} \equiv c \cdot dTOA_{jk} . Путем возведения в квадрат приведенного выше уравнения (2) и сокращения получаем соотношение

\frac{1}{2} {_{jkjkkj}^{\delta^{2} + (x^{2} - y^{2}) - (x^{2} - y^{2})}}_{kjkjjk}^{+ (x - x) \cdot x + (y - y) \cdot y = \delta \cdot} \sqrt{(x - x_{j})^{2} + (y - y_{j})^{2}} . (3)

Снова для упрощения записи определим, что:

\lambda_{jk} \equiv \frac{1}{2} {_{jkjkkj}^{\delta^{2} + (x^{2} - y^{2}) - (x^{2} - y^{2})}}^{,}

тогда сенсоры 1, 2 и 3 дают гиперболические отношения:

\lambda_{21} + (x_{1} - x_{2}) \cdot x + (y_{1} - y_{2}) \cdot y = \delta_{21} \cdot \sqrt{(x - x_{2})^{2} + (y - y_{2})^{2}} ; (4a)

\lambda_{23} + (x_{3} - x_{2}) \cdot x + (y_{3} - y_{2}) \cdot y = \delta_{23} \cdot \sqrt{(x - x_{2})^{2} + (y - y_{2})^{2}} . (4b)

Вычитание этих двух выражений показывает, что искомая точка местонахождения должна лежать на линии, описанной уравнением

{_{\delta_{23} \cdot (y_{1} - y_{2}) - \delta_{21} \cdot (y_{3} - y_{2})}}_{\cdot y +}{_{\delta_{23} \cdot (x_{1} - x_{2}) - \delta_{21} \cdot (x_{3} - x_{2})}}_{\cdot y + (\delta_{23} \cdot \lambda_{21} - \delta_{21} \cdot \lambda_{23}) = 0} (5)

или, что эквивалентно: y = m·x + b, где

m = - \frac{\delta_{23} \cdot (x_{1} - x_{2}) - \delta_{21} \cdot (x_{3} - x_{2})}{\delta_{23} \cdot (y_{1} - y_{2}) - \delta_{21} \cdot (y_{3} - y_{2})} ; (6a)

b = - \frac{\delta_{23} \cdot \lambda_{21} - \delta_{21} \cdot \lambda_{23}}{\delta_{23} \cdot (y_{1} - y_{2}) - \delta_{21} \cdot (y_{3} - y_{2})} . (6b)

Все, что осталось, это найти пересечение этой линии с любой из ранее выявленных гипербол. Подстановка y = m·x + b в гиперболические соотношения (4), возведение в квадрат и сокращение дают квадратное уравнение A·x2 + B·x + C = 0, где

A = (x_{1} - x_{2})^{2} + 2 \cdot m \cdot (x_{1} - x_{2}) \cdot (y_{1} - y_{2}) + m^{2} \cdot (y_{1} - y_{2})^{2} - \delta_{21}^{2} \cdot (1 + m^{2}), (7a)

{}^{B = 2 \cdot}{_{211221121212122122}^{\lambda \cdot (x - x) + \lambda \cdot m \cdot (y - y) + b \cdot (x - x) \cdot (y - y) + m \cdot b \cdot (y - y)^{2} + \delta^{2} \cdot (x - m \cdot b + m \cdot y)}}^{,} (7b)

C = \lambda_{21}^{2} + 2 \cdot \lambda_{21} \cdot b \cdot (y_{1} - y_{2}) + b^{2} \cdot (y_{1} - y_{2})^{2} - \delta_{21}^{2} \cdot (x^{2} + (b - y_{2})^{2}). (7c)

Два возможных решения для местонахождения метки заданы квадратичной формулой совместно с линейным уравнением.

x = \frac{- B \pm \sqrt{B^{2} - 4 \cdot A \cdot C}}{2 \cdot A} , (8a)

y = m·x + b. (8b)

Второе решение — (почти всегда) мнимое, внесенное операцией возведения в квадрат. Это может быть подтверждено тем фактом, что оно не будет соответствовать наблюдаемой разнице во времени.

А.3.3 Позиционирование объекта с помощью угла прихода

А.3.3.1 Обзор триангуляции

Передатчик (метка) посылает сигнал, который принимается приемниками, расположенными как минимум в двух разных местах. Каждый приемник отмечает угол прибытия сигнала (aoa) — азимут, возвышение или то и другое. Метка находится на пересечении угловых векторов, измеренных на двух приемниках, как показано на рисунке А.5.

Рисунок А.5 — Определение местонахождения по угловым векторам

Если азимут и возвышение измерены каждым сенсором (на представленном выше рисунке показан только один замер, сделанный на каждом сенсоре), то можно найти трехмерное расположение метки, используя информацию только двух датчиков.

А.3.3.2 Математическое вычисление местонахождения

На приведенном выше рисунке местонахождение метки (x, y) можно вычислить, используя следующие соотношения:

d1 (расстояние от сенсора 1 до метки) = \sqrt{(x - x_{1})^{2} + (y - y_{1})^{2}} ;

d2 (расстояние от сенсора 2 до метки) = \sqrt{(x - x_{2})^{2} + (y - y_{2})^{2}} .

Затем:

x = x_{1} + d_{1} \cdot sin(\theta_{1});

y = y_{1} + d_{1} \cdot cos(\theta_{1});

а также:

x = x_{2} + d_{2} \cdot sin(\theta_{2});

y = y_{2} + d_{2} \cdot cos(\theta_{2}).

Эти уравнения могут быть решены для определения двух неизвестных (x, y) с помощью двух измерений \theta_{1} и \theta_{2} .

Приложение ДА (справочное)

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗ МЕЖДУНАРОДНОГО ДОКУМЕНТА &[15]&

Настоящее приложение содержит термины и определения раздела 3 «Определения» международного документа [15], на которые приведена ссылка в разделе 3 «Термины и определения» ИСО/МЭК 24730-62, по отношению к которому модифицирован настоящий стандарт. Термины приведены с нумерацией и в последовательности, указанной в международном документе [15].

3.1 альтернативный координатор персональной сети [alternate personal area network (PAN) coordinator]: Координатор, способный заменить координатор персональной сети, если указанный координатор персональной сети покидает сеть по любой причине. Персональная сеть (PAN) может не иметь или иметь несколько альтернативных координаторов персональной сети.

3.2 ассоциация (association): Сервис, используемый для установления принадлежности устройства к беспроводной персональной сети (WPAN).

3.3 признак аутентификации (authentication tag): Информация, которая позволяет проверять подлинность сообщения.

3.4 персональная сеть с поддержкой маяка [beacon-enabled personal area network (PAN)]: Персональная сеть, в которой все координаторы излучают регулярные маяки, то есть имеют заказ маяков < 0x0F <*>.

<*> Заказ маяков — четырехбитовое кодовое поле, определяющее периодичность передачи маяков.

3.5 блочный шифр (block cipher): Криптографическая функция, которая работает со строками фиксированного размера.

3.6 размер блока (block size): Размер строк, с которыми работает блочный шифр, в битах.

3.7 период конкурентного доступа (CAP) [contention access period (CAP)]: Период времени, следующий непосредственно после кадра маяка, в течение которого устройства, намеревающиеся осуществить передачу, будут конкурировать за доступ к каналу, используя множественный доступ с множеством разнесенных несущих с механизмом предотвращения коллизий (CSMA-CA).

3.8 символ периода конкурентного доступа [contention access period (CAP) symbol]: Длительность символа, имеющая место во время периода конкурентного доступа.

3.9 координатор (coordinator): Полнофункциональное устройство (FFD), способное передавать сообщения. Если координатор является основным контроллером персональной сети (PAN), он называется координатором персональной сети.

3.10 аутентификация данных (data authentication): Процесс, посредством которого объект, получающий сообщение, подтверждает признаки подлинности источника информации в сообщении и таким образом подтверждает, что сообщение не было изменено при пересылке.

3.11 подлинность данных (data authenticity): Обеспечение достоверности источника информации.

3.12 устройство (device): Любой объект, содержащий реализацию управление доступом к среде (MAC) по IEEE 802.15.4 и физического интерфейса к беспроводной среде. Устройство может быть устройством с пониженной функциональностью (RFD) или полнофункциональным устройством (FFD).

3.13 шифрование (encryption): Преобразование сообщения в новое представление таким образом, чтобы для восстановления исходного представления требовалась привилегированная информация.

3.14 кадр (frame): Формат агрегированных битов из подуровня управления доступом к среде (MAC) объекта, которые передаются вместе во времени.

3.15 полнофункциональное устройство (FFD) [full-function device (FFD)]: Устройство, способное работать как координатор.

3.16 групповой ключ (group key): Ключ, который известен только для набора устройств.

3.17 пустой период (idle period): Период времени, в течение которого не запланирована любая операция приемопередатчика.

3.18 ключ (key): Привилегированная информация, которая может использоваться, например, для защиты информации от ее раскрытия и/или неопределяемого изменения сторонами, которые не имеют доступа к этой привилегированной информации.

3.19 создание ключа (key establishment): Процесс, при котором две или более стороны устанавливают ключ.

3.20 ключевые данные (keying material): Комбинация ключа и связанной с ним информации о безопасности (например, неповторяющееся значение).

3.21 управление ключами (key management): Набор процессов установления и поддержания кодирования в течение всей жизни системы.

3.22 группа обмена ключами (key sharing group): Набор устройств, совместно использующих ключ.

3.23 внутренний синхронизирующий сигнал (local clock): Внутренний синхронизирующий символьный сигнал устройства.

3.24 ключ соединения (link key): Секретный ключ, который используется только двумя устройствами.

3.25 минимальный уровень безопасности (minimum security level): Указание минимальной защиты, требуемой при передаче информации.

3.26 мобильное устройство (mobile device): Устройство, логическое расположение которого в сети может изменяться во время использования.

3.27 м-последовательность (m-sequence): Максимально длинная последовательность сдвигового регистра с линейной обратной связью.

3.28 персональная сеть без поддержки маяка [nonbeacon-enabled personal area network (PAN)]: Персональная сеть, в которой координаторы не излучают регулярные маяки, то есть имеют заказ маяков = 0x0F <*>.

<*> Заказ маяков — четырехбитовое кодовое поле, определяющее периодичность передачи маяков.

3.29 временное значение (nonce): Неповторяющееся значение, такое как увеличивающий счетчик, достаточно длинная случайная строка или временная метка.

3.30 потерянное устройство (orphaned device): Устройство, потерявшее контакт с ассоциированным координатором.

3.31 пакет (packet): Отформатированные, агрегированные биты, которые совместно передаются во времени через физическую среду.

3.32 подлежащие передаче данные (payload data): Содержимое передаваемого информационного сообщения.

3.33 координатор персональной сети [personal area network (PAN) coordinator]: Координатор, который является основным контроллером персональной сети. Сеть по IEEE 802.15.4 имеет ровно один координатор персональной сети.

3.34 персональное рабочее пространство (POS) [personal operating space (POS)]: Пространство вокруг человека или объекта, которое обычно составляет около 10 м во всех направлениях и окружает человека или объект, неподвижный или находящийся в движении.

3.35 простой текст (plain text): Строка расшифрованной информации.

3.36 защита (protection): Сочетание сервисов безопасности, предоставляемых для передаваемой информации, таких как конфиденциальность, аутентичность данных и/или защита от воспроизведения.

3.37 радиосфера влияния (radio sphere of influence): Область пространства, в которой радиоустройство может успешно взаимодействовать с другими подобными радиоустройствами.

3.38 устройство с пониженной функциональностью (RFD) [reduced-function device (RFD)]: Устройство, которое не может работать в качестве координатора.

3.39 уровень безопасности (security level): Указание предполагаемой защиты, применяемой к передаваемой информации.

3.40 самовосстановление (self-healing): Способность сети без вмешательства человека обнаруживать и восстанавливать неисправности, возникающие в сетевых узлах или линиях связи.

3.41 самоорганизация (self-organizing): Способность сетевых узлов обнаруживать присутствие других узлов и организовывать их в структурированную, функционирующую сеть без вмешательства человека.

3.42 симметричный ключ (symmetric key): Секретный ключ, который совместно используется двумя или более сторонами и может применяться для шифрования/дешифрования или защиты/проверки целостности в зависимости от предназначения.

3.43 транзакция (transaction): Обмен связанными последовательными кадрами между двумя равными объектами управления доступом к среде (MAC), необходимый для успешной передачи команды управления доступом к среде (MAC) или кадра данных.

3.44 очередь транзакций (transaction queue): Список ожидающих транзакций, которые должны быть отправлены с использованием косвенной передачи и которые инициируются подуровнем управления доступом к среде (MAC) данного координатора. Очередь транзакций поддерживается этим координатором во время выполнения транзакций, а ее длина зависит от реализации, но должна составлять минимум единицу.

Приложение ДБ (справочное)

ПЕРЕЧЕНЬ ИЗМЕНЕНИЙ ССЫЛОК В НАСТОЯЩЕМ СТАНДАРТЕ ОТНОСИТЕЛЬНО ИСО/МЭК 24730-62:2013 И ОБЪЯСНЕНИЯ ПРИЧИН ИЗМЕНЕНИЙ

Таблица ДБ.1

(справочное)

СВЕДЕНИЯ О СООТВЕТСТВИИ ССЫЛОЧНЫХ НАЦИОНАЛЬНЫХ СТАНДАРТОВ МЕЖДУНАРОДНЫМ СТАНДАРТАМ, ИСПОЛЬЗОВАННЫМ В КАЧЕСТВЕ ССЫЛОЧНЫХ В ПРИМЕНЕННОМ МЕЖДУНАРОДНОМ СТАНДАРТЕ

Таблица ДВ.1

Библиография

<*> Действует ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-₁-99 «Информационная технология. Взаимосвязь открытых систем. Базовая эталонная модель. Часть 1. Базовая модель».

<**> Действует ГОСТ 28907-91 (ИСО 8802-2-89) «Системы обработки информации. Локальные вычислительные сети. Протокол и услуги уровня управления логическим звеном данных».