Traducción - Escuela Politécnica Nacional

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
TEMA: Ultra WideBand (UWB)
INTEGRANTES:
•
•
•
•
ORDOÑEZ FRANCISCO
ORTEGA JORGE
PAREDES SANDRA
PEREZ LEONARDO
PARALELO: “ F ”
Período Septiembre 2006 – Febrero 2007
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COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Introducción
En este capitulo presentamos un esquema general para UWB y tratamos de explicarlo
sin demasiadas ecuaciones, las razones, UWB es considerado ser una emocionante y
adelantada tecnología. Colocamos a UWB en este esquema histórico y lo mostramos,
aunque UWB no es necesariamente en su totalidad nuevo en ninguno de los conceptos o
en las técnicas usadas de procesamiento de señales, dado el reciente énfasis en
comunicaciones inalámbricas en sistemas sinusoidales, UWB presenta un cambio en el
paradigma de muchas ingenierías.
Creemos que el énfasis actual (y en un futuro próximo) en baja potencia, baja
interferencia y baja regulación hace del uso de UWB una opción atractiva para la actual
y futuras aplicaciones inalámbricas
1.1 Resumen UWB
Históricamente, sistemas de radar UWB fueron desarrollados primordialmente como
una herramienta militar porque podían ver “a través de árboles” y debajo de superficies
terrestres. Sin embargo recientemente la tecnología UWB ha estado enfocada en
consumidores electrónicos y de comunicaciones. Los objetivos ideales para sistemas
UWB son baja potencia, bajo costo, altas velocidades de transmisión, capacidad de
posicionamiento preciso y baja interferencia.
Aunque los sistemas UWB llevan años de ser difundidos, la tecnología esta cambiando
la industria inalámbrica de hoy. La tecnología UWB es diferente de la convencional
tecnología inalámbrica de transmisión en banda estrecha – en vez de difundir en
frecuencias separadas, UWB separa las señales a través de una amplia gama de
frecuencias. La típica onda sinusoidal de radio es reemplazado por trenes de pulsos en
cientos de millones de pulsos por segundo. El gran ancho de banda y muy baja potencia
hacen que las transmisiones UWB aparezcan como un ruido de fondo.
1.2 Nota sobre terminología
El nombre ultra wideband es un termino extremadamente general para describir una
tecnología particular. Mucha gente propone otros nombres, por ejemplo comunicaciones
por pulso, que podría ser más descriptivo y conveniente. Sin embargo, UWB ha llegado
ha ser el termino al que mas gente hace referencia como tecnología ultra wideband.
La situación que se presenta luego es como deletrear UWB. Es este “ultrawideband”,
“ultra-wideband”, “ultra wide band”, ” ultrawide band” o “ultra wideband”? En este
texto, absolutamente arbitrario, decidimos usar el término ultra wideband. Nuestro
razonamiento es que el término comunicación wideband ha llegado a ser muy común en
años recientes y es con el que la mayoría de la personas esta familiarizada. Para mostrar
que UWB usa incluso un ancho de banda mayor el ancho extra “ultra” es un prefijo; sin
embargo ambos “ultra-wideband” y ”ultrawide-band” se ven poco manejables, entonces
usamos ultra wideband. Mucha gente no estará de acuerdo con nuestra elección, algunos
disgustados. Aceptamos sus argumentos y sugerencias al tiempo que mostramos la
elección mas popular para UWB.
2
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1.3 Desarrollo histórico de UWB
Muchas personas verán a UWB como una “nueva” tecnología, en el sentido en que esta
provee los medios para hacer lo que no ha sido posible antes, como altas velocidades de
transmisión, que antes eran bajas, dispositivos de muy baja potencia o, de hecho,
algunas nuevas aplicaciones. Sin embargo, UWB es, en parte, una nueva tecnología de
ingeniería en la cual ninguna nueva propiedad física ha sido descubierta.
Aunque el método dominante de comunicaciones inalámbricas esta basado hoy en
ondas sinusoidales. Las ondas electromagnéticas sinusoidales han llegado ha ser tan
universales en comunicaciones vía radio que mucha gente no esta enterada que los
primeros sistemas de comunicaciones estuvieron de hecho basados en pulsos. Este es el
cambio de paradigma para los ingenieros de hoy de sinusoides a pulsos, que requieren
en su mayoría cambiar de enfoque.
En 1893 Heinrich Hertz uso una descarga de chispas para producir ondas
electromagnéticas para su experimento. Estas ondas hoy serian llamadas ruido
coloreado. Intervalos de chispas y arcos de de descarga entre electrodos de carbón
fueron los generadores de onda predominantes por cerca de 20 años después del primer
experimento de Hertz.
Sin embargo la forma dominante de comunicaciones inalámbricas llego a ser sinusoidal
y esto no fue hasta los 60s en que el trabajo serio empezó de nuevo sobre el dominio del
tiempo de ondas electromagnéticas. El desarrollo del osciloscopio sampling a inicios de
los 60s y las correspondientes técnicas para generación de pulsos en banda base en
menos de un nanosegundo aceleró el desarrollo de UWB. Las técnicas para medir
impulsos fueron usadas para caracterizar el comportamiento transitorio de ciertas redes
de microondas.
Desde las técnicas de medida el principal enfoque cambio a desarrollar el radar y
dispositivos de comunicaciones. En particular, al radar le fue dada mayor atención
porque podría obtenerse de los resultados exactos. Los componentes de baja frecuencia
fueron útiles para penetrar objetos, y así el radar penetración – tierra pudo obtenido. Ver
referencias [1] y [2] para mas detalles acerca de sistemas de radar UWB.
En 1973 la primera patente US fue concedida para comunicaciones UWB [3]. El campo
de UWB había cambiado a una nueva dirección. Otras aplicaciones, por ejemplo
prevención de colisiones automovilísticas, sistemas de posicionamiento, sensor de nivel
de líquido y altímetro fueron desarrollados. La mayoría de las aplicaciones y desarrollos
ocurrieron en la milicia o como trabajo financiado por el gobierno de los US bajo
programas clasificados. Para la milicia, el radar exacto y baja probabilidad de
intercepción de comunicaciones fueron los estímulos detrás de la investigación y el
desarrollo.
Es interesante notar que en esos días, UWB estaba referido a banda base, sin portadora
ni tecnología de impulsos. El departamento de defensa de US estaba confiado de ser el
primeo en usar el termino ultra wideband
A finales de los 90s vimos el cambio para comercializar dispositivos y sistemas de
comunicaciones UWB. Compañías como TimeDomain [4] y en particular
emprendedoras como XtremeSpectrum [5] fueron formadas alrededor de la idea de
consumidores usando UWB.
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Para lectura histórica adicional, el lector interesado refiérase a [6] y [7]
1.4 Beneficios importantes de UWB
Los beneficios importantes de UWB pueden ser resumidos como:
1.
Alta velocidades de transmisión.
2.
Equipos de bajo costo.
3.
Inmunidad multidireccional.
4.
Expansión y comunicación al mismo tiempo
Nos extenderemos sobre estos beneficios en los siguientes capítulos, pero primero
daremos un corto resumen.
Las altas velocidades de transmisión son quizá el aspecto más importante desde el punto
de vista del usuario además desde la posición de los fabricantes comerciales. Las altas
velocidades de transmisión pueden habilitar nuevas aplicaciones y dispositivos que no
habrían sido posibles hasta ahora. Velocidades sobre los 100Mbps han sido demostradas
y el potencial de altas velocidades sobre cortas distancias existe. El gran ancho de banda
ocupado por UWB brinda este potencial como mostramos en la siguiente sección.
La habilidad para modular directamente un pulso sobre una antena es quizá tan simple
de transmitir como puede ser producirla, permitiendo a muchos fabricantes emocionarse
por las posibilidades de transceivers (receptores-transmisores) extremadamente baratos.
Esto es posible por la eliminación de muchos de los componentes requeridos para los
transmisores y receptores sinusoidales convencionales.
Los pulsos estrechos usados por UWB, los cuales además dan un ancho de banda
extremadamente amplio, si están separados proveen una resolución fina de pulsos
reflejados en el receptor. Esto es importante en cualquier comunicación inalámbrica, así
como pulsos (o sinusoides) interfiriendo uno con otro son el mayor obstáculo para una
comunicación libre de errores.
Finalmente el uso de ambas precisa expansiones (ubicación del objeto) y altas
velocidades de comunicación de datos en los mismos dispositivos inalámbricos
presentes atrayendo posibilidades para nuevos dispositivos y aplicaciones.
Simultáneamente el radar de prevención de colisiones de automotores y la
comunicación pueden brindar circulación fluida libre de accidentes, o juegos donde la
posición del jugador puede conocerse con precisión además de un enlace inalámbrico de
alta velocidad transmitiendo íntegramente una señal de video a las gafas de los
jugadores probablemente parece materia de ciencia ficción.
1.5 UWB y la teoría de Shannon
Talvez los beneficios y posibilidades de UBW pueden ser mejor resumidos examinando
la famosa ecuación de capacidad de Shannon. Esta ecuación es familiar a cualquiera que
haya estudiado comunicaciones o teoría de información. La capacidad del canal es
importante cuando se exigen aplicaciones audio-visuales que requieren altas y altas
velocidades de transmisión.
La ecuación de Shannon se expresa como:
S

C  B log1  
 N
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Donde C es la capacidad máxima el canal, con unidades [bits/second]; B es el ancho de
banda del canal [Hz]; S es la potencia de la señal en watts [W] y N es la potencia de
ruido también en watts.
Esta ecuación nos dice que existen 3 cosas que podemos hacer para mejorar la
capacidad del canal. Podemos incrementar el ancho de banda, incrementar la potencia
de la señal o reducir el ruido. La relación S/N es mas conocida como relación señal a
ruido (SNR) del canal. Además podemos ver que la capacidad del canal incrementa
linealmente con el incremento del ancho de banda B, pero solo logarítmicamente con la
potencia de la señal S.
El canal ultra wideband tiene un abundante ancho de banda y en efecto puede
compensar algo del ancho de banda por reducida potencia de señal e interferencia de
otras fuentes. Así, desde la ecuación de Shannon podemos ver que los sistemas UWB
tienen un gran potencial para comunicaciones inalámbricas de altas capacidades.
Otra manera de ver las comunicaciones inalámbricas es las compensaciones entre




La distancia entre transmisor y receptor.
Comunicaciones simultaneas para muchos usuarios.
Envíos de datos muy rápido.
Envíos y recepción de grandes cantidades de datos.
Los primeros sistemas de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo comunicaciones
inalámbricas en el mar, fue particular para comunicación entre embarcaciones separadas
por largas distancias. Sin embargo el monto de datos que podían efectivamente
transmitirse era extremadamente pequeño y la comunicación tomaba gran tiempo. Solo
una persona podía hablar usando código Morse en una vez. Mas recientemente, los
sistemas de teléfono celular tienen comunicaciones simultaneas con múltiples usuarios
como su fuerte. La distancia entre la estación base y el usuario es limitada a mas de
unos pocos kilómetros. Esto puede ser considerado como un sistema donde un monto
moderado de datos puede ser enviado razonablemente rápido. Esto a expensas de, en lo
importante, distancia. Las compensaciones precisas son por supuesto más complejas y
dependerán de las aplicaciones particulares.
1.6 Desafíos para ultrawideband
Mientras UWB tiene muchas razones para hacer una útil y exitosa tecnología para el
futuro de las comunicaciones inalámbricas y muchas otras aplicaciones, UWB además
tiene otros desafíos los cuales podrían ser superados para llegar a ser una tecnología
popular y difundida.
Quizás lo mas obvio a citar ha sido los problemas regulatorios. Las comunicaciones
inalámbricas han estado siempre para evitar interferencias entre diferentes usuarios del
espectro. Desde que UWB ocupa un gran ancho de banda hay muchos usuarios cuyo
espectro estaría afectado y necesitan estar convencidos que UWB no causará
interferencias indebidas a sus servicios existentes. En muchos de estos casos estos
usuarios han pagado para tener uso exclusivo del espectro.
Otros desafíos incluyen el aparecimiento de la industria para convenir normas para
interoperabilidad de dispositivos UWB. A la presente no han emergido claros consensos
y la posibilidad de algunas competencias para normas UWB es extremadamente
probable.
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Muchas ediciones de técnicas e implementación permanecen. La promesa de
dispositivos de bajo costo existe, pero la complejidad adicional para combatir
interferencia y baja potencia de operación podría traer incremento en los costos igual
que en los actuales dispositivos inalámbricos.
1.7 RESUMEN
En este capítulo se ha presentado los aspectos generales de UWB y se ha explicado las
razones para que UWB sea considerado como un adelanto de tecnología excitante,
particularmente desde el punto te vista del teorema de la capacidad de Shannon.
Nosotros hemos puesto a UWB en este fondo y lo hemos mostrado como el desarrollo
de UWB en aplicaciones de comunicaciones. Hemos mostrados las diferencias en el
concepto de la técnica de Procesamiento de Señal usadas para sistemas sinusoidales de
banda estrecha y para aquellos sistemas UWB basados en pulsos.
1
Propiedades Básicas de sistemas y señales UWB
1.1.
Introducción
En este capítulo las propiedades básicas de los sistemas y señales UWB serán descritas,
con detalle cada una de las características serán explicadas en los siguientes capítulos.
Primero, se examinara la forma básica de un pulso UWB en el dominio del tiempo y se
comprenderá como es el contenido del espectro con estos pulsos. De manera general,
los extremadamente pequeños pulsos con rápidas elevaciones y tiempos de caída tienen
un extenso espectro y un contenido muy pequeño de energía. Nosotros examinaremos
los aspectos regulatorios de salida de potencia y frecuencias espectrales.
Después nosotros veremos que debido a que los pulsos UWB son extremadamente
pequeños estos pueden ser filtrados o ignorados. Estos pueden sin esfuerzo ser
distinguidos de reflexiones multritrayectoria no deseadas por el corto tiempo de
resolución. Esto nos lleva a las características de la inmunidad de la multitrayectoria.
Además, las componentes de los pulsos UWB de baja frecuencia hacen posible que la
señal sea propagada efectivamente a través de materiales como el ladrillo y el concreto.
El gran ancho de banda de los sistemas UWB hace que los recursos de datos para
guardar sean extremadamente grandes, y nosotros mostraremos que los sistemas UWB
tienen una alta capacidad espectral.
Los transmisores y receptores UWB no requieren de costosos y grandes componentes
como moduladores, de moduladores y plataformas IF. Este hecho reduce costos,
tamaño, peso y consumo de potencia de un sistema UWB comparado con un sistema de
comunicaciones de banda estrecha.
1.2.
Densidad de Potencia Espectral
La densidad de potencia espectral de un sistema UWB es generalmente considerada
para ser extremadamente baja, especialmente para aplicaciones de comunicaciones. La
densidad de potencia espectral (DSP) esta definida como:
6
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DSP 
P
B
(1.1)
Donde P es la potencia transmitida en Watts (W), B es el ancho de banda de la señal en
Hertz (Hz), y la unidad para PSD es watts/hertz (W/Hz).
Históricamente, las comunicaciones inalámbricas eran únicamente usadas con un ancho
de banda estrecho y podían tener altas densidades de potencia espectral. Nosotros
podemos poner estos en otro sentido: puesto que nosotros conocemos que la frecuencia
y el tiempo son intervalos proporcionales, los sistemas sinusoidales tienen estrecho B y
largo tiempo de duración t. para un sistema UWB los pulsos tienen un pequeño t y un
muy gran ancho de banda B. esto es útil para revisar algunos sistemas inalámbricos de
transmisión y aplicaciones de comunicación para calcular su PSDs como se muestra en
la Tabla 1.1.
Tabla 1.1 Densidad de Potencia Espectral de algunos transmisiones inalámbricas y
sistemas de comunicaciones:
La energía usada para transmitir una señal inalámbrica no es infinita y, en general,
puede ser lo mas pequeña posible, especialmente hoy en día los dispositivos
electrónicos. Si nosotros tenemos una importante energía constante nosotros podemos
transmitir una gran cantidad de densidad de energía sobre un ancho de banda estrecho o
una muy pequeña cantidad de densidad de energía sobre un gran ancho de banda. Esta
comparación es mostrada por el PSD de dos sistemas en la Figura 1.1. La cantidad total
de potencia puede ser calculada como el área bajo el grafico de densidad espectral
Frecuencia – Potencia.
Para los sistemas UWB la energía es propagada sobre un muy gran ancho de banda (De
aquí su nombre Ultra Ancho de Banda “UWB”) y, en general, posee una muy pequeña
densidad espectral de potencia. La principal excepción para esta regla general es que los
sistemas de radar UWB los cuales transmiten a alta potencia sobre un amplio ancho de
banda. Sin embargo, aquí nosotros nos restringiremos el área de comunicaciones.
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Fig. 1.1. Sistemas con Densidad Baja de Energía y con Densidad Alta de Energía
Uno de los beneficios de densidad espectral baja de potencia es la baja probabilidad de
detección, la cual es de interés particular para aplicaciones militares: por ejemplo,
esconder comunicaciones y radar. Esto también es de interés para aplicaciones
inalámbricas, donde la seguridad de los datos para empresas y usuarios individuales de
los sistemas inalámbricos es considerada como insuficiente.
1.3.
Forma del Pulso
Una forma típica recibida de un pulso UWB, a veces conocida como doblete Gaussiano,
mostrado en la Figura 1.2. Mayores detalles con respecto a Gaussiano y otras formas de
onda son discutidas en el Capítulo 2. Este pulso es a menudo usado en sistemas UWB
porque tiene una forma fácilmente generable. Es un simple pulso cuadrado el cual ha
sido amoldado por los tiempos de elevaciones y reducciones del pulso y los efectos de
filtración de las antenas transmisoras y receptoras. Un pulso cuadrado puede ser
fácilmente generado conmutando un transistor rápidamente.
Mostramos un modelo simple generador de pulsos en las Figuras 1.3 y 1.4, el cual nos
demuestra la creación de dobletes Gaussianos en el transmisor, efectos de antena y
recepción. Nosotros comenzamos con un pulso rectangular en la Figura 1.4(a). Los
pulsos Ultra Ancho de Banda están típicamente en el orden de los nano segundos y pico
segundos.
La conmutación rápida (encendido y apagado) conduce a la forma de pulso la cual no es
rectangular, pero tiene los bordes suavizados. La forma del pulso aproxima la curva de
función Gaussiana. Una función Gaussiana G(x) es conocida por la siguiente ecuación:
G ( x) 
1
2 2
 x2
e
2 2
(1.2)
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Figura 1.2. (a) Forma del pulso idealizado recibido UWB (b) Pulso Idealizado del
especto recibido UWB
Este es el origen del nombre pulso Gaussiano, monociclo o doblete. Un circuito simple
para la creación del doblete Gaussiano se muestra en la Figura 1.3. Transmitiendo
directamente el pulso a las antenas.
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Fig. 1.3 Un simple modelo de un circuito en Matlab para crear la curva Gaussiana
Resulta en pulsos que son filtrados a través de las propiedades de las antenas. Esta
operación de filtrado puede ser modelada como una operación de derivación [9]. El
mismo efecto ocurre en la antena de recepción. Aquí, nosotros hemos modelado el canal
como si tuviera pérdidas y se ha sumido que el pulso es amplificado en el receptor.
En este capítulo se limitará la discusión a estos pulsos típicos recibidos, lo cual es
asumido por la gran mayoría de de Ultra Wide Band como pulsos que han sido
medidos. Detalles de la generación de pulsos y detalles sobres todos sus tipos se pueden
encontrar en el segundo capítulo.
Este pulso recibido idealizado prx puede ser escrito como [10]
La misma que es la ecuación utilizada para generar el pulso mostrado en la figura
1.2(a). Aquí, se asume que el Tm es 0.15. debe ser mencionado que Tm es un simple
parámetro de Eqn. (1.3) y determina el tiempo y frecuencia característicos de la curva
Gaussiana.
El espectro de la curva Gaussiana es mostrado en la figura 1.2(b). La frecuencia central
aproximada puede ser vista a los 5GHz con los 3dB de ancho de banda extendidos a los
largo de varios GHz. En comparación con el estrecho ancho de banda e incluso con el
ancho de banda de los sistemas de comunicaciones el largo del ancho de banda es
evidente y por lo tanto el nombre de comunicaciones de ultra ancho de anda puede ser
asumido.
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1.4 Trenes de Pulsos
Un pulso por si solo no comunica suficiente información. Los datos e información
requieren ser modulados en una secuencia de pulsos llamados tren de pulsos. Cuando
los pulsos son enviados en intervalos regulares, lo que a veces he llamado tasa de
repetición de pulsos o función de ciclo, el espectro resultante contendrá picos de poder
Fig. 1.4 Detalles de los pulsos generados en un sistema de comunicaciones UWB típico:
(a) Tren de pulsos rectangulares (b) Pulsos Gaussianos (c) Pulsos de la primera derivada
(d) Pulsos Gaussianos recibidos
a ciertas frecuencias. Estas frecuencias son el inverso de la tasa de repetición de pulsos.
Estas líneas con picos de energía son llamadas líneas de cepillo ya que muchas veces
lucen como tal.
Ver figura 1.5(b) para un ejemplo.
Estos picos limitan la energía total transmitida no deseada. Otro método de hacer el
espectro más parecido al ruido es añadiendo una señal randómica a cada pulso. El
espectro resultante es mostrado en la Figura 1.6 y debería ser comparado con la Figura
1.5(b).
Como veremos en el capítulo 5, al establecer este retardo no de una manera
completamente randómica sino en ciclos que estén de acuerdo a un código de pseudo
ruido, la información puede ser modulada en una onda en forma de pulso. Esto es
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conocido como PPM (Modulación de pulsos por posición) y ha sido investigado en
diferentes sistemas de comunicaciones como comunicaciones alámbricas ópticas.
Fig. 1.5 (a) Pulso de trenes UWB (b) Espectro de un pulso de trenes UWB
1.5 Máscara Espectral
El espectro de una señal UWB es uno de los mayores problemas ya que confronta a la
industria con el gobierno para el uso comercial de UWB. De hecho el nombre de ultra
wideband sugiere que el uso del espectro es la base de esta tecnología.
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Fig. 1.6 Espectro de un tren de pulsos el mismo que ha sido alterado intercalando pulsos
en el origen y final de la posición original
Todas las comunicaciones de radio están sujetas a diferentes leyes y regulaciones sobre
su salida de energía en diferentes bandas de frecuencia. Esto es para prevenir
interferencias a otros usuarios que utilicen la misma banda.
Los sistemas UWB cubren un largo espectro e interferencias con usuarios existentes. En
orden para mantener al mínimo esta interferencia la FCC y otros grupos regulatorios
especifican las máscaras espectrales para diferentes aplicaciones las mismas que
muestran las salidas permitidas para diferentes frecuencias especificadas.
En la figura 1.7 se muestra un ejemplo de la máscara espectral de la FCC para sistemas
interno UWB. Un largo ancho de banda de 7.5GHz está disponible entre 3.1GHz y
10.6GHz con una salida máxima de energía de -41.3 dBm/MHz.
Las principales razones por las que es tan restringido la salida de energía en las bandas
en las frecuencias de 0.96GHz-1.61GHz es por la presión que existe de grupos
representantes de los diferentes servicios tales como telefonía móvil, GPS y uso militar.
El nivel permitido de -41.3 dBm/MHz es considerado conservador y muchos grupos han
solicitado que se incremente.
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Fig. 1.7 Máscara espectral de la FCC 15.517 (b,c) para sistemas UWB internos
1.6 Multipath
En esta sección se estudiarán todos los efectos de multicaminos, particularmente en
canales inalámbricos internos. Se verá que por el corto ancho de los pulsos si estos
pueden ser resueltos en el dominio del tiempo, entonces los efectos de multipath como
ISI pueden ser mitigados.
Multipath es el nombre asignado para el fenómeno en el que el receptor luego de la
transmisión recibe una señal electromagnética que viaja por varios caminos hacia el
mismo. Vea la Fig. 1.8 para un ejemplo de multipath dentro de una habitación. Este
efecto es causado por la difracción, reflexión, absorción y dispersión de la energía
electromagnética por objetos que están entre el transmisor y el receptor. Si no existieran
objetos que absorvieran o reflejaran la energía este efecto no tomaría lugar y la energía
se propagaría fuera del transmisor dependiendo solamente de las características de la
antena. Sin embargo en el mundo real los objetos entre el transmisor y el reflector
causan los efectos de recepción, absorción, difracción y dan lugar a múltiples caminos.
A pesar de las diferentes longitudes de los caminos, los pulsos llegarán al receptor en
diferentes tiempos con el retraso proporcional al largo del camino.
Sistemas UWB son usualmente caracterizados como inmune multipath o multipath
resistivo. Examinando los pulsos descritos anteriormente, nosotros podemos ver que si
pulsos llegan dentro de un ancho de pulso estos interferirán, mientras estén separados
por lo menos con un ancho de pulso ellos no interferirán. Si los pulsos no se sobrelapan,
pueden ser filtrados en el dominio del tiempo, en otras palabras, ignorados. Asumiendo
un símbolo por pulso, ellos pueden no producir interferencia con el mismo símbolo.
Alternativamente la energía puede ser sumada por el receptor. Las figuras 1.9 y 1.10
demuestran pulsos de no sobrelapamiento y de sobrelapamiento, respectivamente.
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Ejemplo 1.1
Asumiendo una forma de pulso recibido similar a la figura 1.2. ¿Cuánta distancia extra
debe un segundo pulso viajar para no interferir con el pulso original? ¿Si el ancho del
pulso es la mitad, que necesitaría la separación entre las múltiples muestras?
Figura 1.9 Dos pulsos llegando con una separación mayor que el ancho del pulso, esto
no causará sobrelapamiento y no causará interferencia
Solución:
De la figura 1.2 el ancho del pulso es aproximadamente es 0.4 n seg. Usando la
relación que la distancia es el producto de la velocidad por el tiempo viajado, d = v t, y
desde que la energía electromagnética viaja a una velocidad es aproximadamente 3 x
108 metros por segundo, la distancia extra viajada por la segunda muestra para evitar
interferencia al receptor es 12 cm. Si el ancho del pulso es la mitad, la distancia
requerida entre multipaths para evitar interferencia también sería la mitad, 6 cm.
Como podemos observar del ejemplo 1.1 la distancia de separación requerida entre
multipaths decrece con el decrecimiento del ancho del pulso. Esta es una razón para
menores anchos de pulso, particularmente en ambientes internos.
Otro método para evitar interferencia multipath es disminuir el ciclo de ocupación del
sistema. Transmitiendo pulsos con tiempos de separación mayores que la máxima
separación esperada multipath, reflexiones no deseadas pueden ser evitadas en el
receptor. Esto es inherentemente ineficiente y pone límites en la máxima velocidad de
transmisión de información para un sistema de modulación dado. En el límite, si los
pulsos fuesen transmitidos continuamente, entonces el sistema se parecería a un sistema
senoidal. Estos tópicos se discuten en el capítulo 5.
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Figura 1.10 (a) Dos pulsos de UWB sobrelapados, y (b) forma de onda recibida con los
pulsos sobrelapados
1.7
Características de Penetración
Uno de los mayores beneficios de los sistemas de comunicación UWB es que ha
aumentado la habilidad de que los pulsos penetren fácilmente paredes, puertas,
particiones, y otros objetos en ambientes de hogar y de oficina. En esta sección
examinaremos los resultados reportados por penetración de pulsos UWB y comentar
como éstos afectarán la comunicación en el hogar y en la oficina.
La frecuencia f y la longitud de onda
como se muestra en la ecuación (1.4).
 m 
cm / s 
f Hz
están relacionadas por la velocidad de la luz c
(1.4)
En otras palabras, mientras la frecuencia aumente la longitud de onda se hará mas
pequeña, y para frecuencias más bajas la longitud de onda crecerá.
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En comunicaciones convencionales sinusoidales, ondas de frecuencia bajas tienen la
característica de ser capaces de “atravesar” paredes, puertas y ventanas porque la
longitud de la onda es mucho mayor que el material que está atravesando. Por otro lado,
altas frecuencias tendrán mayor de su energía reflejada de paredes y puertas debido a
que su longitud de onda es mucho menor.
Pulsos UWB están compuestos de un amplio rango de frecuencias, como se muestra en
la figura 1.2 (b). Una de las características básicas de un prototipo prematuro de los
sistemas de comunicación UWB era su habilidad de “atravesar paredes”, especialmente
en comparación con sistemas WLAN IEEE 802.11. La capacidad de penetración de
UWB proviene de las componentes bajas de frecuencia las cuales eran para sistemas
centrados en 1Ghz. Desde el 2002 regidos por la FCC (ver figura 1.7) la frecuencia
central para la mayoría de los sistemas de UWB se ha incrementado substancialmente.
Esto significa que las características de penetración de las señales ha decrecido
substancialmente, especialmente en comparación con sistemas IEEE 802.11b que están
centrados en 2.4Ghz.
1.8
Capacidades Espaciales y Espectrales
Otra propiedad básica de sistemas de UWB es su alta capacidad espacial, medida en bits
por segundo por metro cuadrado (bps/m2) [11]. Capacidad espacial es un término
reciente, y su interés proviene del interés de altas velocidades de datos, para distancias
extremadamente cortas.
La capacidad espacial puede ser calculada como la velocidad máxima de datos de un
sistema dividido por el área cobre la cual el sistema transmite. El área de transmisión
puede ser calculada de el área circular asumiendo un transmisor en el centro; en la
práctica una regla del pulgar es usar el cuadrado de la distancia de transmisión máxima.


Capacidadespacial bps / m 2 
 
Velocidad m áxim ade Inform ación bps
Área de Transm isión m 2
 
Área de transm isión m 2    Dis tan cia de transm isión 
2
1.5
1.6
Para sistemas de banda angosta la medida más popular de capacidad ha sido la
capacidad espectral, medida en bits por segundo por hercio (bps/Hz), porque el
espectro ha sido una fuente limitada. La potencia ha sido limitada generalmente por
razones de seguridad y comerciales, como es el caso de la vida de las baterías de los
dispositivos móviles.
Capacidadespectralbps / Hz 
Velocidad m áximade Información bps
Anchode bandaHz
(1.7)
17
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Para sistemas de UWB, que operan en otro espectro licenciado, la potencia se ha tenido
que mantener baja. Esto es compensado por un uso extremo de anchos de banda.
Usando la medida tradicional de la capacidad espectral [bits/Hz] UWB tiene
capacidades espectrales muy bajas comparadas con sistemas existentes. De todas
formas, cuando se compara capacidad espacial, UWB es extremadamente eficiente. La
tabla 1.2 muestra la comparación de capacidad espacial y espectral entre varios sistemas
inalámbricos de interiores.
1.9
Velocidad de transmisión de la información
Una de las ventajas de la transmisión por UWB para comunicaciones es su alta
velocidad de datos. Mientras que los actuales chipsets están siendo continuamente
mejorados, la mayoría de las aplicaciones para comunicación de UWB están trabajando
en el rango de 100Mbps a 500Mbps [12], que es equivalente a Ethernet cableado a USB
2.0. Esto es significante, que la velocidad de los datos es 100 a 500 veces la velocidad
de BLUETOOTH, alrededor de 50 veces la velocidad de 802.11b, o 10 veces la
velocidad de 802.11a WLAN.
Como se puede observar en la tabla 1.3 la velocidad de datos para transmisión UWB
inalámbrica de interiores está entre 110Mbps a 480Mbps. Esto comparado con
estándares cableados e inalámbricos. De hecho, la velocidad de transmisión está
actualmente siendo estandarizada en tres diferentes velocidades: 110Mbps con una
distancia de transmisión mínima de 10m, 200Mbps con una distancia de transmisión
mínima de 4m, y 480Mbps con una distancia no fijada mínima.
Las razones para esas particulares distancias es debido a las diferentes aplicaciones. Por
ejemplo, 10m cubrirán una habitación promedio y puede ser para una conexión de
teatro en casa inalámbrica. Una distancia menor de 4m cubrirá entre aparatos, este es el
caso de un home server y una televisión. Una distancia menor que 1m cubrirá
dispositivos alrededor de una computadora personal.
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1.10
Costo
Entre las más importantes ventajas de la tecnología de UWB son sus bajos sistemas de
complejidad y de bajo costo. Los sistemas UWB pueden hacer casi “todo digital”, con
mínima RF o con microonda electrónica. La baja cuenta de componentes está orientada
a reducir costos, tamaños de chips más pequeños. La transmisión más simple de UWB
puede ser asumida como un generador de pulsos, un temporizador, y una antena.
De todos modos, un margen alto de datos requiere circuitería de temporización más
compleja. Para proveer un sistema de acceso múltiple, requiere mayor complejidad. Los
receptores añaden circuitería y los costos se incrementan. De todos modos, los costos de
los chips dependen altamente de la cantidad de unidades manufacturadas.
Para reducir costos, durante los últimos ciclos de productos más funcionalidades se han
implementado a unos cuantos chips, reduciendo el área y el costo de manufactura.
En este punto es extremadamente difícil cuantificar el costo de los sistemas de UWB.
Para tomar otro ejemplo, se ha reportado [13] que el chipset XTREMESPECTRUM está
valuado a $19.95 por 100000 unidades.
1.11
Tamaño
El tamaño pequeño de los transmisores de UWB es un requerimiento para su inclusión
en los consumidores electrónicos de hoy. En los grupos de trabajo 802.15, compañías
consumidoras electrónicas se han enfocado en que el tamaño de los circuitos
inalámbricos debe lo suficientemente pequeño para encajar dentro de una memoria stick
o tarjeta SD [12]. Un chipset de XTREMESPECTRUM tiene un tamaño pequeño que
permite implementación compacta flash.
El principal argumento para el tamaño pequeño de transmisores UWB y receptores es la
reducción de componentes pasivos. De todas formas, el tamaño de la antena y su forma
es otro factor que necesita ser considerado. Las UWB se consideran en el capitulo 6.
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1.12
Consumo de Potencia
Con un apropiado diseño de ingeniería el consumo resultante de potencia de UWB
puede ser menor. Como cualquier tecnología, se espera que el consumo de potencia
decrezca y más eficientes circuitos se diseñan y más procesamientos de señal se hacen
en chips más pequeños con voltajes de operación bajos.
El consumo de potencia en los chipsets de UWB es menor que 100mW. La tabla 1.4
muestra algunas figuras para consumo de potencia de los actuales chipsets.
1.13
Sumario
En este capítulo las propiedades básicas de las señales de UWB fueron expuestas,
comenzando la forma básica y el espectro de un pulso UWB. Vemos que la potencia de
salida y el espectro de los pulsos de UWB se limitan por regulación.
Se mostró porque los pulsos de UWB son extremadamente cortos, y que pueden ser
filtrados o ignorados. Pueden ser rápidamente distinguibles de una multipath reflejada
no deseada debido a la fina resolución de tiempo. Esto encabeza a la característica de la
inmunidad multipath.
Las componentes de baja frecuencia de los pulsos de UWB permiten que la señal se
propague efectivamente a través de materiales como el ladrillo o el cemento.
BIBLIOGRAFÍA:
o http://clusterfie.epn.edu.ec/ibernal/html/CURSOS/Oct06Marzo07/ComInalam/T
Rabajos/TRABAJO3/UWB
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-------------------------------ORDOÑEZ FRANCISCO
C.I.
---------------------------------ORTEGA JORGE
C.I.
-------------------------------PAREDES SANDRA
C.I.
----------------------------------PEREZ LEONARDO
C.I.
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