IV. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA

IV. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS
DE BANDA ULTRA ANCHA (UWB).
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
IV.1.1. Breve historia de las comunicaciones UWB.
IV.1.2. Características generales de los sistemas UWB.
IV.2. Definiciones y conceptos.
IV.3. Regulación y estandarización.
IV.4. Señales y modulaciones en sistemas UWB.
IV.4.1. Pulsed UWB.
IV.4.2. Candidatos a sistemas UWB.
IV.5. Aplicaciones de la tecnología UWB.
IV.6. Conclusiones.
TAC (2007-08)
Temas Avanzados en Comunicaciones, Univ. Autónoma de Madrid
1
J.A.R.C
ver. 0
IV.1. Introducción y breve reseña histórica
¾ Los sistemas de banda ultra ancha (Ultra-WideBand, UWB de ahora en
adelante) se definen como aquellos:
- en los que el ancho de banda a 10 dB ocupa más de un 20% respecto
de la frecuencia central,
- ó bien tienen un ancho de banda a 10 dB igual o superior a 500 MHz
independientemente de la frecuencia central.
¾ En los Estados Unidos, recientemente se ha aprobado la banda entre 3.1 GHz
y 10.6 GHz (7.5 GHz) para la explotación de sistemas UWB en el interior de
edificios. Europa y Japón también están desarrollando su regulación sobre UWB.
¾ Se espera que la tecnología UWB provoque un cambio en los principios y técnicas
usadas para comunicaciones de corto alcance (p. ej. 10 m), y que aparecerá un nuevo
sector de comunicaciones sin hilos de alta tasa binaria (p. ej. 400 Mbps).
¾ De hecho, ya se están desarrollado los estándares IEEE 802.15.3a (alta tasa
binaria) y 802.15.4a (muy baja tasa binaria) basados en UWB.
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV. Introducción a los sistemas UWB.
2
ver. 0
Escenario de los sistemas UWB
BT-Bluetooth; 802.11~WI-FI; WLAN-Wireless Local Area Network; WPAN-Wireless Personal Area Network;
MC-CDMA-MultiCarrier-Code Division Multiple Access; FWA-Fixed Wireless Access (o WLL-Wireless Local Loop)
TAC (2007-08)
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
3
J.A.R.C
ver. 0
Escenario de los sistemas UWB (cont.)
4G
POTENTIAL FOR UWB
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
4
ver. 0
IV.1.1. Breve historia de las
comunicaciones UWB
¾ Antes de 1900: Realmente, las comunicaciones sin hilos comenzaron como
UWB (Marconi y Hertz); se utilizaban señales de anchos de banda muy grande,
pero sin explotarlos de manera eficiente
¾ 1901: Trabajos teóricos sobre las señales UWB (Sommerfeld): difracción de un
pulso en el dominio del tiempo por una cuña perfectamente conductora
¾ 1900-40: Las comunicaciones sin hilos se “canalizan”
“separación de servicios por bandas”
- Procesado analógico: desarrollo de tecnologías de filtros, resonadores,...
- Era de la telefonía sin hilos comienza: AM/BLU/FM
- La radiodifusión comercial madura. También el radar y el procesado de señal.
TAC (2007-08)
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
5
J.A.R.C
ver. 0
¾ 1960: Nuevo planteamiento del estudio de la respuesta de las redes de
microondas a pulsos de muy corta duración.
¾ Desarrollo paralelo e independiente en EE.UU. Y U.R.S.S.
– En EE.UU, trabajos en el seno de programas clasificados del gobierno hasta 1994
– En URSS, aprovechamiento de la tecnología en radares multi-información
(no sólo posición sino forma, estado, etc.)
¾ Viabilidad de desarrollo práctico (equipos de medida y dispositivos para la
observación de la respuesta temporal al impulso de las redes de microondas)
– Aparición del osciloscopio de muestreo (Tektronix y Hewlett Packard-1964)
– Descubrimiento de dispositivos para generación de pulsos de duración menor de 1 ns
¾ Evolución condicionada al diseño de antenas UWB y a la investigación de
dispositivos semiconductores (tiempos de conmutación, amplitud y ciclo de vida)
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
6
ver. 0
¾ Disponibilidad de los componentes necesarios desde principios de la
década de 1970
¾ 1970-90: Técnicas digitales aplicadas a UWB
- Radar de impulsos de gran ancho de banda
- Explotación de la mejora de prestaciones por el uso de banda ancha
¾ 2000: UWB aprobado para uso comercial
¾ UWB hoy: 7500 MHZ de espectro disponible para uso sin licencia:
“libre”, con ciertas máscaras de densidad
espectral de potencia a cumplir
- Bandas de operación en Estados Unidos: 3100 –10600 MHz
- Límite de emisión: EIRP= - 41.3dBm/MHz (Equivalent Isotropic Radiated Power)
TAC (2007-08)
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
7
J.A.R.C
ver. 0
¾ Precedentes en EE.UU:
- Harmuth (Catholic University of America): diseño básico de transmisores y
receptores en sus libros y artículos (1969-1984).
- Ross & Robbins (Sperry Rand Corporation): patentes de señales UWB en
comunicaciones, rádar y códigos (1972-1987).
- Van Etten (USAF´s Rome air development): diseño de sistemas y conceptos de
antena UWB (1977).
¾ Precedentes en U.R.S.S:
- Kharcevitch: métodos de análisis en el dominio del tiempo para pulsos de muy
corta duración (1952)
- Astanin (Mozjaisky Military Air Force Academy): desarrollo de un transmisor en
banda X de pulsos de 0.5 ns (1957).
- Shatz (Ioffe Physico-Technical Institute): Desarrollo de conmutadores de
semiconductor rápidos (1963).
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
8
ver. 0
IV.1.2. Características generales
de los sistemas UWB
- altas tasas binarias
¾ UWB tiene muchos
beneficios debido a su
propia naturaleza de
banda ancha:
- transceptores de bajo coste
- baja potencia de transmisión
- bajo potencial de interferir en otros sistemas
- Alta resolución temporal/protección frente al multitrayecto,...
¾ Por otro lado, el
mismo hecho de banda
ultra ancha implica
una serie de retos
tecnológicos:
- distorsión de la señales recibidas
- diseños de antenas para señales UWB
- Hardware para pulsos de duración del orden de ns
- sincronización de pulsos extremadamente cortos,…
- esquemas de modulación para explotar la banda UWB,…
TAC (2007-08)
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
9
J.A.R.C
ver. 0
¾ Hay dos modos básicos de explotar el ancho de banda UWB (del orden de GHz´s):
- Pulsed UWB: Con señales tipo rádar (impulse radio) en forma de monociclos de muy corta
duración que atacan directamente la antena, sin usar portadora (carrierless).
Se accede al medio con esquemas tipo: TH- (Time-Hopping) o DS- (Direct Sequence) CDMA.
- Carrier-based UWB: utilización de portadoras, como p. ej. en forma de OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) como se ha visto en el tema II
¾ En cualquiera de los casos, se trasmite con una potencia muy baja (con unos límites
que hay que cumplir). Al tener un ancho de banda muy grande es posible obtener
grandes tasas binarias (ver pag. sig.) con snr bajas (baja potencia de consumo)
- De acuerdo a la fórmula de Shannon para la capacidad
de un canal con ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN),
se puede intercambiar relación señal-ruido por ancho de
banda y seguir teniendo una probabilidad de error
arbitrariamente pequeña:
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
10
ver. 0
¾ Prestaciones:
- UWB de baja potencia es comparable a sistemas sin hilos de alta potencia
TAC (2007-08)
IV.1. Introducción y breve reseña histórica.
11
J.A.R.C
ver. 0
IV.2. Definiciones y conceptos.
¾ El nombre UWB se utiliza en diferentes ámbitos como:
- impulse radio (como en el rádar de impulsos)
- sistemas carrierless or carrier-free (sin portadora)
- transmisión en banda base de señales con anchos de banda de GHz,
pulsos de muy corta duración en el dominio del tiempo,…
¾ Realmente, el término UWB no se empezó a aplicar a sistemas con estas
características hasta 1989 por el Departamento de Defensa (DoD) de Estados Unidos.
¾ Hoy en día, el término UWB, aunque puede seguir tendiendo las connotaciones
anteriores, se define en términos de anchos de banda (ver pag. siguiente), y no se
define en términos de modulación, ni de ausencia de portadora, ni de la duración
de los pulsos.
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV. Introducción a los sistemas UWB.
12
ver. 0
¾ Una señal es UWB si cumple una de las dos condiciones A) o B):
- A) Ancho de banda fraccional B/fo entre puntos a 10 dB es mayor o igual
que el 20%
fU , fL : frecuencia superior, inferior en la que la
densidad espectral de potencia de la señal está
a 10 dB respecto del máximo
NB Wideband
0
5%
Ultra WideBand
…
20%
Ancho de banda fraccional
- B) Ancho de banda absoluto B es mayor o igual que 500 MHz,
independientemente de la frecuencia central:
¾ Existen otras definiciones alternativas (que no usaremos), como p. ej. definir UWB
si el ancho de banda relativo es mayor del 25% o absoluto mayor que 1.5GHz
TAC (2007-08)
IV.2. Definiciones y conceptos.
13
J.A.R.C
ver. 0
¾ Señales UWB (cont.):
Densidad
espectral
de potencia
NB (NarrowBand)
WB (WideBand)
UWB (Ultra WideBand)
fo
Frecuencia
¾ Anchos de banda orientativos en algunos sistemas:
GSM
UMTS
801.11.a
(WI-FI)
GPS
B (aprox)
Canales de 200
KHz en 25 MHz
3.8 MHz
16.6 MHz
20 MHz
f0 (aprox.)
900,1800 MHz
1950,2150
MHz
2400 MHz
1600 MHz
B(%)=B/f0
× 100
0.02% - 3%
0.2%
0.7%
1.3%
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.2. Definiciones y conceptos.
14
ver. 0
Densidad espectral de potencia (dB)
¾ Señales NB/WB/UWB:
Sinusoide continua
Pulsos con forma sinusoidal
Ancho de banda
tendiendo a cero
NB
6% bandwidth
WB
20% bandwidth
UWB
Pulso con forma gaussiana
100% bandwidth
tiempo
Ruido blanco
~1 ns
3
TAC (2007-08)
6
9
12
15
Frecuencia (GHz)
IV.2. Definiciones y conceptos.
15
J.A.R.C
ver. 0
d.e.p. (dBm/MHz)
¾ Espectro UWB:
GSM (Canales 200KHz)
Wideband-CDMA (Canales 5 MHz)
Límite part 15
( -41.3dBm/MHz )
UWB (varios GHz´s, de 3.1 a 10.6)
Frecuencia
- UWB es una forma de espectro extremadamente ancho, tanto en absoluto como
en relativo, donde la energía de RF se distribuye sobre GHz´s de espectro
- Mas ancho que cualquier sistema de banda estrecha por ordenes de magnitud
- La potencia de señal UWB que ven los sistemas de banda
estrecha son una fracción del total
- Las señales UWB son vistas por los demás sistemas como ruido
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.2. Definiciones y conceptos.
Habrá que calcular la
interferencia mutua entre
sistemas UWB y NB que
comparten zonas del espectro
16
ver. 0
IV.3. Regulación y estandarización.
¾ Federal Communication
Commission (FCC) (USA):
- Notice of Inquire: 1998
- First report and Order: 2002
- Second report and Order: 2004
¾ Regulation Report:
- Límites/máscara de
radiación (protección frente a
otros servicios, como GPS)
- Se acepta uso sin licencia
Nivel máximo
de level
EIRP
(dBm/MHz)
UWB EIRP Emission
[dBm/MHz]
-30
-40
-50
-60
1.99
3.1
10.6
-70
0.96
Indoor
Outdoor
Límite Part
15
Indoor hand-held
Outdoor hand-held
(-41.3 dBm/MHz)
1.61
-80
Banda GPS
-90
- Autoriza 5 tipos de uso
(ver pag. siguiente)
Límites de emisión
señales
UWB
UWB
Emission
Limit(Estados Unidos)
0
2
FCC Part 15 Limit
4
6
Frequency [GHz]
8
10
12
Frecuencia (GHz)
EIRP=Equivalent Isotropic Radiated Power
IV. Introducción a los sistemas UWB.
TAC (2007-08)
17
J.A.R.C
ver. 0
Tipos de uso del espectro UWB
regulados por la FCC
J.A.R.C
Class / Application
Frequency Band for Operation
at Part 15 Limits
Communications and
Measurement Systems
3.1 to 10.6 GHz
User
Limitations
(different “out-of-band” emission limits
for indoor and hand-held devices)
No
Imaging: Ground
Penetrating Radar, Wall,
Medical Imaging
<960 MHz or 3.1 to 10.6 GHz
Yes
Imaging: Through-wall
<960 MHz or 1.99 to 10.6 GHz
Yes
Imaging: Surveillance
1.99 to 10.6 GHz
Yes
Vehicular
22 to 29 GHz
No
TAC (2007-08)
IV.3. Regulación y estandarización.
(de [1])
18
ver. 0
Regulación en Europa
¾ En Europa y Japón, se
pretende terminar la regulación
UWB durante 2006
Nivel máximo de EIRP (dBm/MHz)
Límite de emisión UWB (Europa)
¾ Se fijará una máscara mas
estricta con algún mecanismo
de detección y protección de
interferencias (DAA,
Detection And Avoid)
¾ European Communications
Commitee (ECC) también fija
usos: comunicaciones y
medidas, localización,
imaging, aplicaciones médicas
y de vigilancia
0,0
-20,0
-40,0
-60,0
-80,0
EIRP media
EIRP de pico
-100,0
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
12,0
Frecuencia (GHz)
IV.3. Regulación y estandarización.
TAC (2007-08)
10,0
19
J.A.R.C
ver. 0
Densidad espectral de
potencia
Coexistencia de distintos servicios
GSM GPS
PCS,
GSM,
UMTS
Bluetooth,
WI-FI,
Teléfonos
DECT,
horno
microondas
WI-FI
Límite de la máscara de
emisión (-41.3 dBm/MHz)
UWB
0.8 1.6 1.8-2.2 2.4
3.1
5
10.6
Frecuencia (GHz)
¾ Los límites de radiación (la máscara a cumplir) de las señales UWB
se calculan para garantizar que la interferencia entre diferentes servicios
sea mínima
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.3. Regulación y estandarización.
20
ver. 0
Estandarización UWB: IEEE 802.15.3a/15.4a
LAN/MAN Standards Committee (Wireless Areas)
WLAN™
IEEE 802.11
802.15.1
“Bluetooth”
802.15.2
Coexistence
802.15.4
“Zigbee” 2.4 GHz
WPAN™
IEEE 802.15
MBWA
IEEE 802.20
WMAN™
IEEE 802.16
Coexistence TAG
IEEE 802.19
Regulatory TAG
IEEE 802.18
802.15.3
Task Group 3a
Alt PHY (UWB)
“High Data Rate” MAC &
2.4 GHz PHY
Study Group 4a
(UWB?)
baja
tasa binaria
Alta tasa
binaria
WLAN-Wireless Local Area Network; MAN-Metropolitan Area Network; TAG-Technical
Advisory Group; MBWA-Mobile Broadband Wireless Access
TAC (2007-08)
IV.3. Regulación y estandarización.
(de [1])
21
J.A.R.C
ver. 0
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
¾ Los sistemas UWB se dividen en dos tipos, dependiendo de cómo son las
señales que se transmiten :
- Pulsed UWB: Con señales tipo rádar (impulse radio) en forma de pulsos de muy corta
duración que atacan directamente la antena, sin usar portadora (carrierless).
Se accede al medio con esquemas tipo: TH- (Time-Hopping) o DS- (Direct Sequence) CDMA.
- Carrier-based UWB: utilización de portadoras, como en los sistemas radio convencionales
en donde hay una señal en banda base que se convierte a paso banda para su transmisión
mediante una modulación de canal
¾ El esquema que usa portadoras sería con modulaciones de canal como las vistas
en los temas anteriores. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es
una opción utilizada, y ya se ha estudiado en el tema II.
¾ Sin embargo, en pulsed UWB, se usan pulsos de muy corta duración que se
transmiten sin modulación de canal (sin portadora). Los propios pulsos que se generan
ya tienen un espectro con la forma adecuada para cumplir la máscara de emisión.
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV. Introducción a los sistemas UWB.
22
ver. 0
IV.4.1. Pulsed UWB
¾ Cuando se explota el espectro UWB con señales en banda base, sin
portadora, se utilizan pulsos de muy corta duración (tipo radar) con unos
tiempos de subida y bajada muy pronunciados
¾ Estos pulsos atacan directamente la antena, que debe ser capaz de funcionar
en el ancho de banda UWB
¾ Las señales de este tipo a veces también se llaman impulse radio en el contexto
de radar o singleband en el contexto UWB
¾ Independientemente del nombre, la idea es que el espectro de los pulsos debe
acomodarse a la banda UWB disponible sin ningún tipo de desplazamiento en
frecuencia posterior (no hay uso de portadora) y con una d.e.p. que cumpla los
requisitos (la máscara) de emisión.
¾ Los pulsos usados suelen ser de tipo gaussiano.
La forma del pulso gaussiano básico es la siguiente,
donde A determina la potencia y σ la anchura (~0.5ns):
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
TAC (2007-08)
23
ver. 0
J.A.R.C
¾ Se usan también otros pulsos/monociclos (Scholtz, …), normalmente
relacionados con el gaussiano (primera/segunda derivada,…) y con duración ~0.5 ns
¾ La forma del espectro se conforma con la forma y anchura del pulso (~0.5ns):
TF
Pulsos gaussianos de distintos parámetros/formas
Espectro
de distintos
pulsos
gaussianos
Spectra
for Gaussian
pulses
-3
10
1
2
3
4
5
6
G1
G3
G5
G7
-4
10
p(t)
|P(f)| (dB)
Tp = 0.5 ns
-5
10
-6
10
-7
10
-8
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
Time [ns]
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
10
0
2
4
Tiempo (nsec)
TAC (2007-08)
J.A.R.C
6
8
10
12
Frequency [GHz]
14
16
18
20
Frecuencia (GHz)
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
(de [2])
24
ver. 0
¾ Esquemas de modulación en banda base. Se usan varios tipos con
señales ortogonales y antipodales. Ejemplos:
Instante de comienzo para el 1
Instante de comienzo para el 0
- Pulse Position Modulation
(PPM)
…
Periodo de repetición del
pulso: periodo de símbolo
- Pulse Amplitude Modulation
(PAM +a0<+a1)
…
Anchura del pulso ~ 0.5ns
- On-Off Keying (OOK)
(=ASK=PAM de amplitudes 0,+a)
…
Periodo de repetición del
pulso: periodo de símbolo
- Bi-Phase modulation
(=PAM de amplitudes ±a)
…
Tiempo
TAC (2007-08)
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
(de [1])
25
J.A.R.C
ver. 0
¾ Esquemas de modulación en
banda-base (cont):
- También son posibles esquemas de
M señales (varios bits por símbolo)
BiPhase
QuaternaryPhase
- Estas señales también se llaman BPSK y QPSK, respectivamente, aunque
no hay portadora, y se entiende que son señales de tipo pulsed por el contexto
¾ Características de este tipo de sistemas:
- El uso de pulsos tan estrechos da lugar a las mismas ventajas que se comentaban
en la p. 64, tema III: alta resolución temporal y posibilidad de discriminar los ecos
debidos al multitrayecto en recepción.
- Se transmite con muy baja potencia media (los pulsos están separados en el tiempo;
no se transmite de manera continua como cuando hay portadora): bajo coste energético
- Por tanto se transmitirá una densidad espectral de potencia muy baja y
habrá poca interferencia en otros sistemas
- De igual manera, serán señales con poca probabilidad de ser detectadas (LPI/LPD)
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
26
ver. 0
¾ Diseño de receptores de pulsed UWB:
- Se trata de detectar pulsos de muy poca anchura en banda base
- No hay portadora, por lo que desde este punto de vista se simplifican y abaratan los
circuitos de transmisor y receptor (no hay que generar una réplica de la portadora en el
receptor y no hay problemas de coherencia de frecuencia/fase)
- Por tanto, no existen las etapas de RF de un sistema de comunicaciones clásico (ver p. sig.):
reducción de etapas analógicas, que implica menor tamaño, menor consumo, menor coste.
- El problema es que se necesitan conversores AD de alta frecuencia de muestreo (varios
GHz, ya que el pulso tiene duracion de ns) y de gran margen dinámico
- Además de la problemática de encontrar detectores de pulsos muy estrechos, se
tienen problemas debido a que el conversor AD ve toda la banda de la señal UWB:
una interferencia de banda estrecha puede afectar mucho al sistema
- Por ello, en vez de utilizar todo el espectro con un solo tipo de pulsos, se canaliza el
espectro disponible (multiband pulsed UWB) y se generan pulsos que directamente se
acomodan el los canales sin el uso de portadora, simplemente cambiando los parámetros
(forma y anchura) del pulso
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
TAC (2007-08)
27
J.A.R.C
ver. 0
¾ Diseño de receptores de pulsed UWB (cont.):
Transceptor pulsed UWB
(sin portadora)
Transceptor Bluetooth
(con portadora)
Conversor
superior/inferior
LNA
Correlación y muestreo a
muy alta velocidad
Dem.
FSK
FI
LNA
PA
TX
Banda-base
MF/Corr
RX
TX
Generador
de pulsos
Sintetiz.
Oscilador
Referencia
TAC (2007-08)
J.A.R.C
RX
Banda-base
LNA-Low Noise Amplifier; PA-Power Amplifier; FI-Frecuencia Intermedia
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
28
ver. 0
IV.4.2. Candidatos a sistemas UWB
Multiband carrier-based UWB
UWB
Technique
A) OFDM
Multiband pulsed UWB
B) TDMA/FDMA Pulses
C) DSSS/CDMA
Bands
3 to 13 (in five groups)
3 to 13
2
Bandwidths
528 MHz
550 MHz
1.368 GHz, 2.736 GHz
Frequency
ranges
3.168 GHz – 4.752 GHz
4.752 – 10.296
3.325 GHz – 4.975 GHz,
4.975 GHz – 10.475 GHz
3.1 GHz – 5.15 GHz
5.825 GHz – 10.6 GHz
Modulation
Scheme
OFDM, QPSK
(carrier-based)
M-ary Bi-Orthogonal Keying (MBOK), Quaternary-Phase
(Pulsed)
Bi-phase, Quaternary-phase, M-BOK
(Pulsed)
Error
correction
Convolutional code
Convolutional code,
Reed-Solomon code
Convolutional code,
Reed-Solomon code
Code rates
11/32 rate at 110 Mbps,
5/8 rate at 200 Mbps,
¾ rate at 480 Mbps
6/32 rate at 110 Mbps,
5/16 rate at 200 Mbps,
¾ rate at 480 Mbps
½ rate at 110 Mbps,
RS(255,223) at 200 Mbps,
RS(255,223) t 480 Mbps
Link margin
5.3/6 dB at 10 m / 110 Mbps,
10.7 dB at 4 m / 200 Mbps,
6.2 dB at 4 m / 480 Mbps
6.3 dB at 10 m / 108 Mbps,
8.0 dB at 4 m / 288 Mbps,
4.0 dB at 4 m / 577 Mbps
6.1 dB at 10 m / 110 Mbps,
11.1 dB at 4 m / 200 Mbps,
6.1 dB at 4 m / 600 Mbps
Symbol
period
312.5 ns OFDM symbol
3 ns
23 or 17.5 ns (Low band),
11.7 or 8.9 ns (High band)
Multipath
mitigation
method
1-tap (robust to 60.6 ns delay
spread)
frequency interleaving of MBOK
chips; time frequency codes;
feed forward filter
Decision feedback equalizer
TAC (2007-08)
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
(de [1])
29
J.A.R.C
ver. 0
Candidatos a sistemas UWB (cont.)
¾ A) Multiband OFDM. En cada canal, habrá OFDM con sus subcanales.
¾ B) TH (Time-Hopping) UWB. Usuarios transmiten según un
código que le dice el intervalo de tiempo
Como en el
tema II
Con pulsos
como los vistos
en IV.4.1
¾ C) DSSS-CDMA UWB. Usuarios separados por códigos CDMA
¾ En el estandard IEEE 802.15.3a de alta tasa binaria para WPAN
(Wireless Personal Area Network) están compitiendo:
- A) Multiband OFDM
Apoyado por , Alereon, Intel, Nokia, Philips, Sony,
Staccato Communications, Texas Instruments
- C) DSSS-CDMA UWB
Apoyado por Motorola/Xtreme SpectrumBelkin,
Freescale, Motorola, Pulse-LINK, Time Domain
- La canalización de estos sistemas (de acuerdo a la tabla de la pag. ant.) se presenta ahora:
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
30
ver. 0
Multiband OFDM (A)
d.e.p.
Grupo 1
Grupo 2
banda banda
#2
#3
banda
#1
3960
4488
WI-FI a 5GHz
(802.11.a)
Grupo 4
Grupo 5
banda banda
#4
#5
5016
d.e.p. (dBm/MHz)
3432
Grupo 3
5544
banda banda
#12
#13
6072 6600
banda
#1
7128
7656 8184
8712 9240
banda
#2
9768
Frecuencia
(MHz)
10296
banda
#3
128 portadoras de
Bs = 4.125 MHz
Grupo 1
(bandas 1-3)
es obligatorio
B = 528 MHz
Frecuencia (GHz)
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
TAC (2007-08)
(de [1])
31
J.A.R.C
ver. 0
DS-CDMA de dos bandas (C)
Banda baja
3
4
5
6
Banda alta
7
8
9
10 11
3
- Banda baja (3.1-5.15 GHz)
- De 25 Mbps a 450 Mbps
4
5
6
7
8
9
10 11
- Banda alta (5.825-10.6 GHz)
- De 25 Mbps a 900 Mbps
Dos Bandas
¾ Tres Modos de operación
- Banda-baja, alta y dos bandas
- Con un diplexación adecuada, el
modo dos-bandas es full-duplex (rx
en una banda y tx en otra)
3
4
5
6
7
8
9
10 11
- Multi-banda (3.1-5.15 GHz + 5.825-10.6 GHz)
- Hasta 1.35 Gbps
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.4. Señales y modulaciones en UWB.
(de [1])
32
ver. 0
IV.5. Aplicaciones de la tecnología UWB.
¾ Comunicaciones:
¾ Sensores inteligentes:
- Sensores de colisión,
proximidad y altitud
- USB sin cables
- Bluetooth de alta velocidad
- WLANs
- Telemetría
- Sistemas anti-colisión y mejora de
activación del airbag en coches
- Control de datos y voz
- Detección de movimiento
¾ Radar:
- Ground-penetrating radars
- Monitorización de fluidos
¾ Otros:
- Through-wall radars
- Sistemas precisos de geolocalización
- Rescate de víctimas enterradas
- Mandos para abrir puertas a distancia
- Detección de minas terrestres
- Aplicaciones médicas, …
IV. Introducción a los sistemas UWB.
TAC (2007-08)
(de [2])
33
J.A.R.C
ver. 0
Aplicaciones de consumo UWB
Electrónica de
consumo
Entretenimiento
Dispositivos
portátiles
Ordenadores
Automoción
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV.5. Aplicaciones de la tecnología UWB.
(de [1])
34
ver. 0
Entretenimiento
Intel white paper,
“UWB technology”
TAC (2007-08)
IV.5. Aplicaciones de la tecnología UWB.
35
J.A.R.C
ver. 0
Transferencia de contenidos a dispositivos portátiles
•
•
Aplicaciones:
– PDA, MP3
– Media Player, Almacenamiento
Requisitos:
– Dispositivos de almacenamiento
portátiles de distintos tamaños:
• Flash 5, 32, 512, 2048 … MB
• HD 4, …, 60+ GB
– Alcance: cercano al dispositivo (< 2m)
– Tiempo de transferencia < 10s
Bajo consumo
Almacenamiento
de imágenes de
cámaras
MP3 al
reproductor de
música
Bajo consumo y alta tasa binaria
Fichero MPEG4 (512
MB) al reproductor
Disco duro
portátil
TAC (2007-08)
J.A.R.C
Intercambio de
música y datos
Imprimir desde la PDA
IV.5. Aplicaciones de la tecnología UWB.
(de [1])
36
ver. 0
Transferencia de contenidos para su reproducción
•
•
Aplicaciones
– Digital video camcorder (DVC)
– Media player
Requisitos
– Alcance: rango de visión (< 5m)
– Formato DV: 30 Mbps con QoS
– MPEG2: 12-20Mbps
– Potencia < 500 mW
Cambio de canal y
control de
dispositivo
TAC (2007-08)
DV o MPEG
El contenido del PDA
es presentado en un
proyector
IV.5. Aplicaciones de la tecnología UWB.
(de [1])
37
J.A.R.C
ver. 0
IV.6. Conclusiones.
¾ La tecnología UWB, aunque sus fundamentos eran conocidos hace bastante
tiempo, ha recibido un gran impulso con la regulación de bandas del orden de GHz
para su uso en diferentes áreas y aplicaciones, incluidas las comunicaciones.
- Se marcan límites de emisión a cumplir (máscaras)
- Se autorizan una serie de servicios: comunicaciones y medidas, imaging y
radar, vehículos.
¾ Hay diferentes formas de explotar el espectro UWB:
- con pulsos de muy corta duración (pulsed UWB). P. ej: TH-CDMA y DS-CDMA
- con modulaciones de canal multiportadora (carrier-based UWB). P ej. OFDM
¾ En concreto para el estándar de alta velocidad IEEE 802.15.3a, DS-CDMA y
MultiBand OFDM están compitiendo y el mercado decidirá.
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV. Introducción a los sistemas UWB.
38
ver. 0
¾ Tecnológicamente, hay todavía muchos retos:
- Generación y detección de pulsos de muy corta duración.
- Diseño de antenas con buena adaptación y eficiencia de radiación.
- Estudio de la interferencia de otros sistemas y sobre otros sistemas en entornos
compartidos,…
¾ Y alguna ventajas claras:
- Altas tasas binarias y multitud de aplicaciones.
- Alta resolución temporal/robustez frente al multitrayecto: características
idóneas para sistemas de medida de alta resolución.
- Muy baja densidad espectral de potencia: sistemas de baja probabilidad de
interceptación y detección (LPI/LPD).
- Sistemas de bajo consumo,…
TAC (2007-08)
IV.6. Conclusiones.
39
J.A.R.C
ver. 0
Bibliografía
• X. Shen, M. Guizani, R. C. Qiu, T. Le-Ngoc, “Ultra-Wideband
Wireless Communications and Networks”, 1ª ed. John Wiley and Sons,
2006
• T.W. Barret, “History of ultrawideband (UWB) radar & communications:
pionners and innovators”, Progress in Electromagnetic Symposium (PIERS
’00), Cambridge, Mass, USA, July 2000
• M.G. Di Benedetto and G. Giancola, “Understanding Ultra Wide Band
radio Fundamentals”, Prentice Hall, 2004
• [1] Chia-Hsin Cheng , “Introduction to Ultra WideBand Systems”,
Wireless Access Tech. Lab, CCU (www.ee.ccu.edu.tw)
• [2] Matti Hämäläinen, “Introduction to existing ultra wideband (UWB)
technologies”, Centre for Wireless Communications, University of Oulu
(www.cwc.oulu.fi)
TAC (2007-08)
J.A.R.C
IV. Introducción a los sistemas UWB.
Gran parte del
material se ha
tomado de estas
presentaciones
40
ver. 0