پايه و اساس سيستم‌هاي نوين فراپهن‌باند در دهه 80 توسط راس و با كار انجام شده در مركز تحقيقاتي Sperry بنيان گذاشته شد. تأكيد بر استفاده از UWB به عنوان يك ابزار تحليلي براي كشف خصوصيات شبكه‌هاي مايكروويو و خصوصيات ذاتي مواد بود. اين تكنيك‌ها به طور منطقي گسترش يافتند تا تحليل و توليد تجربي المان‌هاي آنتن را انجام دهند. موفقيت‌هاي اوليه باعث توليد سيستمي خانگي شد تا خصوصيات پاسخ ضربه اهداف يا موانع را اندازه‌گيري كند.

فناوري فراپهن‌باند و مسائل قانوني
مترجم: نيما حجازي- دنياي كامپيوتر و ارتباطات
اصطلاح فراپهن‌باند (UWB) به خصوصيات طيفي اين فناوري اشاره دارد و بر اساس كاري است كه منجر به انجام تحقيقي در وزارت دفاع آمريكا گشت. عبارات جايگزين براي اين اصطلاح «رادار ضربه‌اي»، «راديوي ضربه‌اي»، «حامل بي‌نياز»، «بدون حامل»، «دامنه زمان»، و مانند آن است. اصل اوليه اين است كه پالس كوچكي (در حوزه زمان)، كه به آن ضربه هم گفته مي‌شود، توليد، ارسال، دريافت، و پردازش مي‌شود.

اصل حاكم بر هر سيگنال راديويي رابطه ميان زمان پالس و پهناي باند اشغال شده توسط آن است. بر اساس تبديل فوريه، پالسي كه مدت زمان T ثانيه (در حوزه زمان) طول بكشد، به اندازه 2/T هرتز در حوزه فركانس فضا اشغال مي‌كند. مثلاً، پالسي با زمان حدود نانوثانيه در حوزه زمان، حدود 2 گيگاهرتز پهناي باند در حوزه فركانس اشغال مي‌كند. يك مثال از پردازش سيگنال در حوزه زمان، مدولاسيون موقعيت پالس (Pulse Position Modulation) است.

يك قطار پالس با فواصل زماني مساوي را درنظر بگيريد. پردازش گيرنده نشان مي‌دهد كه پالس دريافتي در محل صحيح خود است يا ديرتر يا زودتر از موعد دريافت شده است. در PPM، پالسي كه با تأخير دريافت شده، نماد «صفر» و پالسي كه زودتر دريافت شده، نماد «يك» را دارد.

1- تاريخچه فناوري فراپهن‌باند
مي‌توان گفت كه اولين سيستم بي‌سيم كه توسط گاگليرمو ماركوني در سال 1987 نمايش داده شد، خصوصيات راديوي فراپهن‌باند را دارد. اولين فرستنده‌هاي جرقه‌اي ماركوني فضاي زيادي از طيف را از فركانس‌هاي بسيار پايين تا فركانس‌هاي بالا را اشغال مي‌كردند. همچنين اين سيستم‌ها به طور غيراتوماتيك از پردازش زمان استفاده مي‌نمودند. چون كد مورس توسط اپراتورهاي انساني ارسال و دريافت مي‌شد.

پايه و اساس سيستم‌هاي نوين فراپهن‌باند در دهه 80 توسط راس و با كار انجام شده در مركز تحقيقاتي Sperry بنيان گذاشته شد. تأكيد بر استفاده از UWB به عنوان يك ابزار تحليلي براي كشف خصوصيات شبكه‌هاي مايكروويو و خصوصيات ذاتي مواد بود. اين تكنيك‌ها به طور منطقي گسترش يافتند تا تحليل و توليد تجربي المان‌هاي آنتن را انجام دهند. موفقيت‌هاي اوليه باعث توليد سيستمي خانگي شد تا خصوصيات پاسخ ضربه اهداف يا موانع را اندازه‌گيري كند.

اين رويكرد استفاده از رادارهاي كوتاه‌برد، نياز به محفظه بدون انعكاس براي مطالعه اهداف رادار را برطرف كرد، زيرا انعكاس‌هاي ناخواسته از ديوارها و سقف‌ها را مي‌توان با تكنيك‌هاي گيت زماني حذف كرد. استفاده از UWB، و تكنيك‌هاي پردازش حوزه زمان آن، نياز بزرگي را در اوايل دوره ظهور كامپيوتر برطرف كرد. مدارهاي منطقي پرسرعت، در حد نانو ثانيه در اواخر دهه 60 و اوايل دهه 70، دستيابي به سرعت‌هاي بالاتر را ممكن ساخت.

ولي لازم بود كه حجم زيادي از اطلاعات ميان پردازنده اصلي كامپيوتر و تجهيزات ورودي و خروجي متعدد منتقل شود. اين مشكل با تكنيك‌هاي پردازش حوزه زمان و ارسال چندين سيگنال روي خط ارتباطي حل شد. تكنيك فوق توسط راس و همكارانش اختراع و به ثبت رسيد. اين اختراع عاملي كليدي در مخابرات UWB گرديد. از اين مرحله تا ايجاد مخابرات بي‌سيم UWB راه زيادي نيست.

پيشرفت‌هاي ديگر در دهه 70 باعث پيدايش اصول لازم براي توصيف و توليد كامل رشته الكترومغناطيس حوزه زمان شد. در دهه‌هاي 80 و 90، الكترومغناطيس حوزه زمان به مخابرات بي‌سيم و به خصوص مخابرات راه نزديك و محيط‌هاي چند مسيره و متراكم اعمال مي‌شد. شاتز اين كاربري را با جزئيات بيان كرده و مزايا و معايب آن را شناخته است. او نشان داد كه مي‌توان تعداد زيادي از اين سيستم‌ها را در يك مكان به كار انداخت و سيگنال‌هاي پهن‌باند به مراتب بيشتر از سيگنال‌هاي باريك‌باند نسبت به آثار مخرب چندمسيري مصونيت دارند.

يكي از كاربردهاي بالقوه مخابرات UWB ارائه خدمات به كاربرهاي متعدد در محيط‌هاي چندمسيره است، ولي چالش سيستم، همزيستي آن در طيف راديويي شلوغ فعلي است. مزاياي اين سيستم ممكن است بر معايب آن نچربد، و شايد ديگر روش‌هاي بي‌سيم در محيط‌هاي چند مسيره و متراكم به خوبي روش فوق كار كنند. ديگر كاربرد مهم روش فوق در حسگرها است، مثلا رادارهاي تفكيك بالا و كوتاه‌برد. اين كاربرد نياز بسيار كمتري به پردازش سيگنال دارد و مدارهاي الكترونيكي بسيار ساده‌تري نيز دارد ولي به اندازه ديگر سيستم‌هاي پيچيده مخابراتي جلب توجه نكرده است.

يكي از اولين كاربردهاي آن، رادارهاي نفوذ در زمين بود. در سال 1974، موري، يك رادار به نام خود ثبت كرد كه به دليل استفاده از باند بسيار پهني از فركانس‌ها، مي‌توانست حدود يك تا چند متر در زمين نفوذ كند. اين امتياز بعدها باعث يك موفقيت تجاري شد.

2- مسائل قانوني
كميسيون فدرال مخابرات (FCC) پس از دريافت 3 درخواست از سازندگان UWB، دستور تحقيق داد تا استفاده‌هاي احتمالي از اين تكنيك مشخص شود. نظرات زيادي دريافت شد. همچنين FCC بعد از هماهنگي بر محدوديت‌هاي فني كه NTIA براي تأييد تقاضاها لازم داشت، با توليد محدود 3 مدل از تجهيزات UWB توان پايين موافقت كرد. اطلاعات جمع‌آوري شده توسط NOI باعث شد كه FCC در ماه مه 2000، آگهي براي قانون پيشنهادي ارائه كند.

بيشتر نگراني‌هاي قانوني حول اين مسئله است كه سيستم‌هاي UWB تا چه حد ممكن است با سيستم‌هاي راديويي فعلي تداخل داشته باشند. دو موسسه FCC و NTIA مشتركا طيف راديويي ايالات متحده آمريكا را مديريت مي‌كنند. بخش 15 جلد 47 آيين قوانين فدرال حاوي قوانين FCC براي اجازه دادن به عملكرد بدون پروانه براي تجهيزات توان پايين است كه معمولا در باند تجهيزات ديگر فعاليت مي‌كنند.

بخش 15 قانون فعلي 3 سطح مختلف براي تشعشع كننده‌ها تعريف مي‌كند: تشعشع‌كننده‌هاي تصادفي(كه عمداً سيگنال‌هاي فركانس راديويي نمي‌تابند و تنظيم شده نيستند مانند يك مته برقي)، تشعشع كننده‌هاي غيرعمدي (كه سيگنال‌هاي فركانس راديويي توليد مي‌كنند ولي نمي‌خواهند آنها را پخش كنند مانند يك كامپيوتر)، و تشعشع‌كننده‌هاي عمدي (كه آگاهانه سيگنال‌هاي فركانس راديويي توان پايين مي‌تابند مانند دربازكن گاراژ).

موسسه NPRM پيشنهاد مي‌كند كه ادوات UWB در بخش جديدي از قانون 15 تعريف شوند و براي ادوات جديد UWB محدوديت‌هاي مشابه تشعشع كننده‌هاي عمدي فعلي وضع شود. مسائل قانوني فعلي شامل تعيين حدودي است كه بايد به تشعشعات UWB اعمال شود و تكنيك‌هاي لازم براي اندازه‌گيري اين تشعشعات. موسسه NPRM محدوديت‌ها و تكنيك‌هاي اندازه‌گيري مشابه موارد فعلي در قانون 15 براي تشعشع‌كننده‌هاي عمدي پيشنهاد مي‌كند. البته حد مجاز اندازه پيك يا حد احتمالي پيك در يك پهناي باند 50 مگاهرتزي به آن افزوده شد.

يكي از سوالات مهم و مربوط اين است كه آيا بايد اين حدود براي باندهاي فركانسي خاصي كه توسط دولت فدرال براي امور اضطراري مانند GPS استفاده مي‌شود، محدودتر شود؟ اين فركانس‌ها در بخش 15 بيان شده‌اند و تشعشع كننده‌هاي عمدي از تشعشع در اين باندها منع شده‌اند. از آنجا كه سيستم‌هاي UWB معمولاً در باندهاي فركانس تحت مديريت NTIA و FCC تشعشع مي‌كنند، هر دو موسسه بايد بر روي قوانين جديد كار كنند.