Introducción y breve reseña histórica Definiciones y conceptos Regulación y estandarización

1. Sistemas de Banda Ultra Ancha (UWB) INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA (UWB) INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA (UWB) • Introducción y breve reseña histórica • Definiciones y conceptos • Regulación y estandarización • Señales y modulaciones en sistemas UWB • Aplicaciones de la tecnología UWB • Propagación de UWB • Antenas de UWB

2. Introducción y breve reseña histórica • 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. • 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.

3. 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)

4. Escenario de los sistemas UWB (cont.) 4G POTENTIAL FOR UWB

5. Breve historia de las comunicaciones UWB • 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 • 1901: Trabajos teóricos sobre las señales UWB (Sommerfeld): difracción de un pulso en el dominio del tiempo por una cuña perfectamente conductora • 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.

6. 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)

7. Disponibilidad de los componentes necesarios desde principios de la década de 1970 • 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 • 2000: UWB aprobado para uso comercial • 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)

8. 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). • 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).

9. Características generales de los sistemas UWB - altas tasas binarias • 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,... - distorsión de la señales recibidas • Por otro lado, el mismo hecho de banda ultra ancha implica una serie de retos tecnológicos: - 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,…

10. 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 • 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:

11. Prestaciones: - UWB de baja potencia es comparable a sistemas sin hilos de alta potencia

12. Definiciones y conceptos. • 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,… • 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. • 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.

13. 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 Ultra WideBand 0 5% 20% … Ancho de banda fraccional - B) Ancho de banda absoluto B es mayor o igual que 500 MHz, independientemente de la frecuencia central: • 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

14. Señales UWB (cont.): Densidad espectral de potencia NB (NarrowBand) WB (WideBand) UWB (Ultra WideBand) Frecuencia fo • Anchos de banda orientativos en algunos sistemas:

15. 3 6 9 12 15 • Señales NB/WB/UWB: Sinusoide continua NB Ancho de banda tendiendo a cero Densidad espectral de potencia (dB) Pulsos con forma sinusoidal WB 6% bandwidth 20% bandwidth UWB Pulso con forma gaussiana 100% bandwidth tiempo Ruido blanco ~1 ns Frecuencia (GHz)

16. Espectro UWB: GSM (Canales 200KHz) d.e.p. (dBm/MHz) 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 Habrá que calcular la interferencia mutua entre sistemas UWB y NB que comparten zonas del espectro - Las señales UWB son vistas por los demás sistemas como ruido

17. Regulación y estandarización. • Federal Communication Commission(FCC) (USA): Límites de emisión señales UWB (Estados Unidos) First report and Order: 2002 Second report and Order: 2004 Nivel máximo de EIRP (dBm/MHz) • Regulation Report: 3.1 10.6 1.99 - Límites/máscara de radiación (protección frente a otros servicios, como GPS) Indoor 0.96 1.61 Outdoor Límite Part 15 (-41.3 dBm/MHz) Banda GPS - Se acepta uso sin licencia Frecuencia (GHz) EIRP=Equivalent Isotropic Radiated Power

18. Tipos de uso del espectro UWB regulados por la FCC

19. Regulación en Europa • En Europa y Japón, se pretende terminar la regulación UWB durante 2006 Límite de emisión UWB (Europa) 0,0 • Se fijará una máscara mas estricta con algún mecanismo de detección y protección de interferencias (DAA, Detection And Avoid) -20,0 -40,0 Nivel máximo de EIRP (dBm/MHz) -60,0 • European Communications Commitee (ECC) también fija usos: comunicaciones y medidas, localización, imaging, aplicaciones médicas y de vigilancia -80,0 EIRP media EIRP de pico -100,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 Frecuencia (GHz)

20. Coexistencia de distintos servicios PCS, GSM, UMTS Bluetooth, WI-FI, Teléfonos DECT, horno microondas GSM GPS WI-FI Densidad espectral de potencia 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) • Los límites de radiación (la máscara a cumplir) de las señales UWB se calculan para garantizar que la interferencia entre diferentes servicios sea mínima

21. Estandarización UWB: IEEE 802.15.3a/15.4a LAN/MAN Standards Committee (Wireless Areas) MBWA IEEE 802.20 WPAN™ IEEE 802.15 WMAN™ IEEE 802.16 WLAN™ IEEE 802.11 Coexistence TAG IEEE 802.19 Regulatory TAG IEEE 802.18 802.15.1 “Bluetooth” 802.15.3 “High Data Rate” MAC & 2.4 GHz PHY Task Group 3a Alt PHY (UWB) 802.15.2 Coexistence 802.15.4 “Zigbee” 2.4 GHz 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

22. 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.

23. Pulsed UWB • 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 • Estos pulsos atacan directamente la antena, que debe ser capaz de funcionar en el ancho de banda UWB • Las señales de este tipo a veces también se llaman impulse radio en el contexto de radar o singleband en el contexto UWB • 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. • Los pulsos usados suelen ser de tipo gaussiano. La forma del pulso gaussiano básico es la siguiente, donde A determina la potencia y  la anchura (~0.5ns):

24. Se usan también otros pulsos/monociclos (Scholtz, …), normalmente relacionados con el gaussiano (primera/segunda derivada,…) y con duración ~0.5 ns • 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 |P(f)| (dB) p(t) Tiempo (nsec) Frecuencia (GHz)

25. 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

26. Esquemas de modulación en banda-base (cont): Bi-Phase Quaternary-Phase - También son posibles esquemas de M señales (varios bits por símbolo) - 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 • 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)

27. 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 lasetapas de RFde 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

28. Multiband carrier-based UWB Multiband pulsed UWB Candiditos a sistemas UWB Candidatos a sistemas UWB

29. Candidatos a sistemas UWB (cont.) Como en el tema II • A) Multiband OFDM. En cada canal, habrá OFDM con sus subcanales. • B) TH (Time-Hopping) UWB. Usuarios transmiten según un código que le dice el intervalo de tiempo Con pulsos como los vistos en IV.4.1 • C) DSSS-CDMA UWB. Usuarios separados por códigos CDMA • En el estandard IEEE 802.15.3a de alta tasa binaria para WPAN (Wireless Personal Area Network) están compitiendo: Apoyado por , Alereon, Intel, Nokia, Philips, Sony, Staccato Communications, Texas Instruments - A) Multiband OFDM Apoyado por Motorola/Xtreme SpectrumBelkin, Freescale, Motorola, Pulse-LINK, Time Domain - C) DSSS-CDMA UWB - La canalización de estos sistemas (de acuerdo a la tabla de la pag. ant.) se presenta ahora:

30. Multiband OFDM Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo 4 Grupo 5 banda #1 banda #2 banda #3 banda #4 banda #5 banda #12 banda #13 d.e.p. Frecuencia (MHz) 3432 3960 4488 5016 5544 6072 6600 7128 7656 8184 8712 9240 9768 10296 banda #1 banda #2 banda #3 d.e.p. (dBm/MHz) 128 portadoras de Bs = 4.125 MHz WI-FI a 5GHz (802.11.a) Grupo 1 (bandas 1-3) es obligatorio B = 528 MHz Frecuencia (GHz)

31. DS-CDMA de dos bandas Banda baja Banda alta 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3 4 5 6 7 8 9 10 11 - Banda baja (3.1-5.15 GHz) - De 25 Mbps a 450 Mbps - Banda alta (5.825-10.6 GHz) - De 25 Mbps a 900 Mbps Dos Bandas • 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

32. Diseño de receptores de pulsed UWB (cont.): Transceptor pulsed UWB (sin portadora) Transceptor Bluetooth (con portadora) Conversor superior/inferior Dem. FSK Correlación y muestreo a muy alta velocidad LNA FI LNA MF/Corr Banda-base PA TX RX TX RX Banda-base Generador de pulsos Sintetiz. Oscilador Referencia LNA-Low Noise Amplifier; PA-Power Amplifier; FI-Frecuencia Intermedia

33. PPM Transceiver Tasa binaria = 110 Mbps utilizando 2PPM + Polarity

34. Direct Sequence Transceiver Hasta 1 Gbps

35. Transceiver Multibanda 108 Mbps @ 10 m

36. Transceiver OFDM Hasta 480 Mbps, 110 Mbps @ 10 m

37. Aplicaciones de la tecnología UWB • Comunicaciones: • Sensores inteligentes: - Sensores de colisión, proximidad y altitud - USB sin cables - Bluetooth de alta velocidad - Telemetría - WLANs - Sistemas anti-colisión y mejora de activación del airbag en coches - Control de datos y voz - Detección de movimiento • Radar: - Monitorización de fluidos - Ground-penetrating radars • Otros: - Through-wall radars - Sistemas precisos de geolocalización - Rescate de víctimas enterradas - Mandos para abrir puertas a distancia - Detección de minas terrestres - Aplicaciones médicas, …

38. Aplicaciones de consumo UWB Electrónica de consumo Entretenimiento Dispositivos portátiles Ordenadores Automoción

39. Entretenimiento Intel white paper, “UWB technology”

40. 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 Intercambio de música y datos Fichero MPEG4 (512 MB) al reproductor Disco duro portátil Imprimir desde la PDA

41. 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 DV o MPEG Cambio de canal y control de dispositivo El contenido del PDA es presentado en un proyector

42. Propagación de UWB La pérdida del trayecto, suele venir dada por la siguiente fórmula: • donde • PL(do) es la perdida de propagación a una distancia de do • n y σ dependen del tipo de edificio • d es la distancia • X es una variable aleatoria Gaussiana •  es la desviación estandar de shadowing

43. Propagación de UWB

44. Propagación de UWB

45. Propagación de UWB

46. Tiempo de retardo Para LOS Tretardo < 5 ns, 162 caminos

47. Tiempo de retardo Para NLOS tretardo = 10 ns , 623 caminos

48. Antenas de UWB

49. Antenas de UWB

50. Antenas de UWB