1 Introducción y breve reseña histórica Definiciones y conceptos Aplicaciones de la tecnología UWB Regulación y estandarización Señales y modulaciones en sistemas UWB Propagación de UWB Antenas de UWB INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA (UWB) INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA (UWB) Sistemas de Banda Ultra Ancha (UWB)
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Sistemas de Banda Ultra Ancha (UWB) INTRODUCCIÓN A LOS ...
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Introducción y breve reseña histórica
Definiciones y conceptos
Aplicaciones de la tecnología UWB
Regulación y estandarización
Señales y modulaciones en sistemas UWB
Propagación de UWB
Antenas de UWB
INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA (UWB)INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA (UWB)Sistemas de Banda Ultra Ancha (UWB)
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Introducción y breve reseña histórica
Los sistemas de banda ultra ancha (Ultra-WideBand, UWB de ahora en adelante) se definen como aquellos:
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.
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).
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.
- 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 MHzindependientemente de la frecuencia central.
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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)
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4G
POTENTIAL FOR UWB
Escenario de los sistemas UWB (cont.)
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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
1900-40: Las comunicaciones sin hilos se “canalizan”
1901: Trabajos teóricos sobre las señales UWB (Sommerfeld): difracción de un pulso en el dominio del tiempo por una cuña perfectamente conductora
Breve historia de las comunicaciones UWB
“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.
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1960: Nuevo planteamiento del estudio de la respuesta de las redes de microondas a pulsos de muy corta duración.
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.)
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
Evolución condicionada al diseño de antenas UWB y a la investigación de dispositivos semiconductores (tiempos de conmutación, amplitud y ciclo de vida)
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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
UWB hoy: 7500 MHZ de espectro disponible para uso sin licencia:
- Bandas de operación en Estados Unidos: 3100 –10600 MHz
Disponibilidad de los componentes necesarios desde principios de la década de 1970
“libre”, con ciertas máscaras de densidad espectral de potencia a cumplir
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Precedentes en EE.UU:
- Harmuth (Catholic University of America): diseño básico de transmisores y receptores en sus libros y artículos (1969-1984).
- Van Etten (USAF´s Rome air development): diseño de sistemas y conceptos de antena UWB (1977).
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).
- Ross & Robbins (Sperry Rand Corporation): patentes de señales UWB en comunicaciones, rádar y códigos (1972-1987).
- Shatz (Ioffe Physico-Technical Institute): Desarrollo de conmutadores de semiconductor rápidos (1963).
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UWB tiene muchos beneficios debido a su propia naturaleza de banda ancha:
Por otro lado, el mismo hecho de banda ultra ancha implica una serie de retos tecnológicos:
- altas tasas binarias
- transceptores de bajo coste
- baja potencia de transmisión
- bajo potencial de interferir en otros sistemas
- distorsión de la señales recibidas
- Hardware para pulsos de duración del orden de ns
- sincronización de pulsos extremadamente cortos,…
- esquemas de modulación para explotar la banda UWB,…
- Alta resolución temporal/protección frente al multitrayecto,...
- diseños de antenas para señales UWB
Características generales de los sistemas UWB
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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:
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
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Prestaciones:
- UWB de baja potencia es comparable a sistemas sin hilos de alta potencia
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Definiciones y conceptos.
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.
El nombre UWB se utiliza en diferentes ámbitos como:
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.
- 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,…
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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%
- B) Ancho de banda absoluto B es mayor o igual que 500 MHz, independientemente de la frecuencia central:
fU , fL : frecuencia superior, inferior en la que la densidad espectral de potencia de la señal estáa 10 dB respecto del máximo
NB Wideband Ultra WideBand
0 5% 20% … Ancho de banda fraccional
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
20 MHz16.6 MHz3.8 MHzCanales de 200 KHz en 25 MHzB (aprox)
GPS801.11.a (WI-FI)UMTSGSM
NB (NarrowBand)
WB (WideBand)
UWB (Ultra WideBand)
Frecuencia
Densidad espectral
de potencia
Señales UWB (cont.):
15
Den
sida
des
pect
rald
e po
tenc
ia(d
B)
6% bandwidth
Frecuencia (GHz)3 6 9 12 15
100% bandwidth
UWBUWB
WBWB
20% bandwidth
Señales NB/WB/UWB:
NBNB
tiempo Ruido blanco~1 ns
Ancho de banda tendiendo a cero
Sinusoide continua
Pulsos con forma sinusoidal
Pulso con forma gaussiana
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GSM (Canales 200KHz)
Wideband-CDMA (Canales 5 MHz)
UWB (varios GHz´s, de 3.1 a 10.6)
Frecuencia
Límite part 15( -41.3dBm/MHz )
Espectro UWB:
- 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
d.e.
p. (
dBm
/MH
z)
Habrá que calcular la interferencia mutua entre sistemas UWB y NB que
comparten zonas del espectro
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0 2 4 6 8 10 12-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
Frequency [GHz]
UW
B E
IRP
Em
issi
on le
vel [
dBm
/MH
z]
UWB Emission Limit
Indoor hand-heldOutdoor hand-heldFCC Part 15 Limit
0.96N
ivel
máx
imo
de E
IRP
(dB
m/M
Hz)
Frecuencia (GHz)
Banda GPS
1.61
3.1 10.61.99
Límites de emisión señales UWB (Estados Unidos)
IndoorOutdoorLímite Part 15(-41.3 dBm/MHz)
EIRP=Equivalent Isotropic Radiated Power
Regulación y estandarización.
Federal Communication Commission (FCC) (USA):
First report and Order: 2002
Second report and Order: 2004
Regulation Report:
- Límites/máscara de radiación (protección frente a otros servicios, como GPS)
- Se acepta uso sin licencia
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Yes1.99 to 10.6 GHzImaging: Surveillance
Yes<960 MHz or 1.99 to 10.6 GHzImaging: Through-wall
Yes<960 MHz or 3.1 to 10.6 GHzImaging: Ground Penetrating Radar, Wall, Medical Imaging
No3.1 to 10.6 GHz
(different “out-of-band” emission limits for indoor and hand-held devices)
Communications and Measurement Systems
No22 to 29 GHzVehicular
User Limitations
Frequency Band for Operation at Part 15 Limits
Class / Application
Tipos de uso del espectro UWB regulados por la FCC
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-100,0
-80,0
-60,0
-40,0
-20,0
0,0
0,0 2,0 4,0 10,0 12,0
EIRP mediaEIRP de pico
Límite de emisión UWB (Europa)
Frecuencia (GHz)6,0 8,0
Niv
elm
áxim
ode
EIR
P (d
Bm
/MH
z)
En Europa y Japón, se pretende terminar la regulación UWB durante 2006
Se fijará una máscara mas estricta con algún mecanismo de detección y protección de interferencias (DAA, Detection And Avoid)
European CommunicationsCommitee (ECC) también fija usos: comunicaciones y medidas, localización, imaging, aplicaciones médicas y de vigilancia
Regulación en Europa
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Frecuencia (GHz)
Límite de la máscara de emisión (-41.3 dBm/MHz)
PCS, GSM, UMTS
Bluetooth, WI-FI,
Teléfonos DECT, horno
microondas
1.6 1.8-2.2 2.4 50.8
GPS
3.1
GSM
10.6
Den
sida
d es
pect
ral d
e po
tenc
ia
WI-FI
UWB
Coexistencia de distintos servicios
Los límites de radiación (la máscara a cumplir) de las señales UWB se calculan para garantizar que la interferencia entre diferentes servicios sea mínima
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WLAN™IEEE 802.11
WPAN™IEEE 802.15
WMAN™IEEE 802.16
802.15.1“Bluetooth”
802.15.3“High Data Rate” MAC &
2.4 GHz PHY
Task Group 3aAlt PHY (UWB)
802.15.4“Zigbee” 2.4 GHz
LAN/MAN Standards Committee (Wireless Areas)
802.15.2Coexistence
MBWAIEEE 802.20
Regulatory TAGIEEE 802.18
Study Group 4a(UWB?)
WLAN-Wireless Local Area Network; MAN-Metropolitan Area Network; TAG-Technical Advisory Group; MBWA-Mobile Broadband Wireless Access
Estandarización UWB: IEEE 802.15.3a/15.4a
Coexistence TAGIEEE 802.19
baja tasa binaria
Alta tasa binaria
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Señales y modulaciones en UWB.
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
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.
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.
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Cuando se explota el espectro UWB con señales en banda base, sin portadora, se utilizan pulsos de muy corta duración (tipo radar) con unostiempos de subida y bajada muy pronunciados
Estos pulsos atacan directamente la antena, que debe ser capaz de funcionar en el ancho de banda UWB
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):
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.
Las señales de este tipo a veces también se llaman impulse radio en el contexto de radar o singleband en el contexto UWB
Pulsos gaussianos de distintos parámetros/formas Espectro de distintos pulsos gaussianos
Tiempo (nsec) Frecuencia (GHz)
|P(f)
| (dB
)
p(t)
La forma del espectro se conforma con la forma y anchura del pulso (~0.5ns):
Se usan también otros pulsos/monociclos (Scholtz, …), normalmente relacionados con el gaussiano (primera/segunda derivada,…) y con duración ~0.5 ns
TF
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Esquemas de modulación en banda base. Se usan varios tipos con señales ortogonales y antipodales. Ejemplos:
- Pulse Position Modulation (PPM)
- Pulse Amplitude Modulation (PAM +a0<+a1)
- On-Off Keying (OOK) (=ASK=PAM de amplitudes 0,+a)
- Bi-Phase modulation (=PAM de amplitudes ±a)
Instante de comienzo para el 0
Instante de comienzo para el 1
Anchura del pulso ~ 0.5ns
Periodo de repetición del pulso: periodo de símbolo
…
…
…
…
Periodo de repetición del pulso: periodo de símbolo
Tiempo
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Características de este tipo de sistemas:
- De igual manera, serán señales con poca probabilidad de ser detectadas (LPI/LPD)
Esquemas de modulación en banda-base (cont):
- También son posibles esquemas de M señales (varios bits por símbolo)
Bi-Phase
- 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
Quaternary-Phase
- 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
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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
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UWB Technique
A) OFDM 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