Presentación realizada en la ETSIT-UPV el 9 de febrero de 2011 acerca de ' Una introducción a IR-UWB con resultados de investigación', realizada por el Dr. Fernando Ramírez-Miirelex

1. Una introducción a IR-UWB
con resultados de investigación.
Dr. Fernando Ramírez-Mireles
ramirezm@ieee.org
Seminario en la
Febrero 10, 2011

2. Agenda
Parte I: Introducción a UWB
Parte II: Resultados de Investigación
F.RAMIREZ-MIRELES

3. Orígenes UWB
•1895 Se “inventa” la UWB (Marconi)
•1963 Se desarrolla el electromagnetismo en el dominio del tiempo (Ross)
•1973 Patente fundamental en UWB (Ross)
•1974 Radar para penetración del subsuelo comercial (Morey)
•1989 Se introduce el término Ultra Wideband (DOD)
•1990 Radios UWB punto-a-punto (Withington)
•1992 Radios UWB para acceso múltiple (Scholtz en USC)
•1996 Primer laboratorio UWB en universidad (USC)
•2002 FCC autoriza el uso de UWB en USA
•2006 IEEE 802.15.3a desbandado (MB-OFDM de Wimedia Alliance y DS-UWB del UWB Forum)
•2006 USB inalámbrico basado en MB-OFDM
•2007 IEEE 802.154a
•2009 2010 Versión 1.1 de USB inalámbrico
F.RAMIREZ-MIRELES

4. Noticias de la Industria
• 2008 Intel abandona desarrollo de UWB (TI también lo hizo)
• 2008 PulseLink despide gente
• 2009 "The wireless USB crowd is imploding,"
• Principio de año: MBOA transfiere la PI a Bluetooth SIG y grupos USB
• Principio de año: Focus Enhancements y Radisspire cierran
• Tzero cierra en Febrero
• WiQuest cierra en Octubre
• Staccato y Artimi se fusionan en Noviembre
• Finales de año: SIG abandona UWB
• Finales de año: WiMedia Alliance cierra.
• 2010 Compañias interesadas en UWB: Samsung, NEC, ST-NXP Wireless, CSR, Realtek,
Alereon, Wisair y Staccato.
• 2010 Versión 1.1 de USB inalámbrico
• 2013 Se predice que UWB se utilizará en nichos industrial y médico con soluciones propietarias
F.RAMIREZ-MIRELES

5. Avance tecnológico en UWB
Siglo 19 Siglo 21
F.RAMIREZ-MIRELES

6. Banda ultra ancha
¿Cómo que ULTRA?
F.RAMIREZ-MIRELES

7. ¿UUUUUUUUUUUUULTRA?
( fH − fL )
≥ 0.2 ( f H − f L ) ≥ 500 MHz
( fH − fL ) / 2
F.RAMIREZ-MIRELES

8. IR-UWB A BASE DE PULSOS DE
DURACION ULTRA-ANGOSTA
F.RAMIREZ-MIRELES

9. Pulsos, modulaciones,
modelos de canales
Modulación basada en pulso banda base
1. Pulso: Gausiano, No-Gausiano (Buttherwoth, etc.)
2. Modulación: PPM, PAM, etc.
3. CDMA: TH, DS, FH
4. Impulse radio: TH-PPM
5. IEEE 802.15.4a: C-UWB (Ráfaga PPM bipolar), TH, TDMA
Modulación basada en pulso pasabanda
1. Pulsos varios
2. Modulación: Biphase, otras,
3. CDMA: DS
4. DS-UWB: Biphase, DS, TDMA
Multiportadora*
1. MBOA: OFDM, FH,TDMA
Otras
1. FM, UWB-FSK
2. Chirp
Modelos de canales*
1. Lognormal,
2. Nakagami
3. Etc.
* "Modelado en frecuencia del canal UWB y su aplicación en el análisis de técnicas
de modulación adaptativa en sistemas MB-OFDM UWB para redes WPAN",
G. Llano Ramírez, Tesis Doctoral, UPV.

10. U WideBand
ltra
Fuente: “60-GHzMillimeter-Wave Radio: Principle, Technology, and New Results”
Nan Guo, Robert C. Qiu,1, Shaomin S.Mo, and Kazuaki Takahashi, EURASIP 2007

11. Banda ultra ancha
¿Porqué ultra?
F.RAMIREZ-MIRELES

12. Potencia, ancho de banda, complejidad
Potencia
“Paradigmas”:
N -Narrowband
-Wideband
-Ultra-wideband
UWB
W
Ancho
de
banda
Complejidad
F.RAMIREZ-MIRELES

13. C capacidad en bits/seg
B ancho de banda en Hz
SNR relación señal-a-ruido
F.RAMIREZ-MIRELES

14. Estimación de distancia
Ejemplo para medir el retardo de ida y vuelta
TX 1 RX 1
RX 2 TX 2
Figura tomada de [Lee & Scholtz, IEEE JSAC, December 2002]
F.RAMIREZ-MIRELES

15. “Resuelve” la multitrayectoria densa
recibidos
transmitido
Figurea tomada de[Yang & Giannakis, IEEE Signal
Processing Magazine, Nov. 2004]
Ancho de banda fraccional o Ancho de banda absoluto
Diversidad en mult-itrayectoria
Receptor Rake
Bajo margen de desvanecimiento
F. RAMIREZ-MIRELES

16. Bajo margen de desvanecimiento
* “Analytical Approach to Model the Fade Depth and the Fade Margin in UWB Channels”
G. Llano, J. Reig, L. Rubio, IEEE IEEE Trans. Vehic. Technol., 2010

17. (frequency hopping, time hopping, direct sequence, SSMA,
CDMA…)
Espectro expandido
Modulación que:
Usa un ancho de banda en exceso
Parece ruido (si no esta sincronizado)
Beneficios Wss
Baja probabilidad de Gran capacidad G=
detección Rb
Alta resistencia a la Resistencia a la
interferencia multitrayectoria
F.RAMIREZ-MIRELES

18. UWB se puede “ocultar” en ruido
UWB
Señal UWB ruido
Piso Ruido Termico
Co-existencia sin interferir
F.RAMIREZ-MIRELES

19. Baja potencia
F.RAMIREZ-MIRELES

20. Banda ultra ancha
¿Para que ultra?
F.RAMIREZ-MIRELES

21. Para detectar baches!
(entre otras cosas)
F.RAMIREZ-MIRELES

22. Para evitar colisiones
Para ver detrás de las paredes
Para tirar todos los cables
De tu computadora
De tu teatro casero
Para saber donde anda tu
mascota
Para localizar tu libro favorito
F.RAMIREZ-MIRELES

23. Para que transmitas a
1 Giga bit por
segundo
De manera inalámbrica!!
F.RAMIREZ-MIRELES

24. Presente y futuro…
UWB and USB
UWB y entretenimiento
UWB y WSN
UWB y compartición del espectro
UWB
ISM UPCS UPCS
U-NII
Millimeter
ISM U-NII U-NII
Wave Band
ISM
1910
1930
2400
2390
2484
5150
5250
5350
5725
5825
5850
902
928
59000
64000
Frequency
(MHz)
Figure from [B. Broderson, E225C Lecture notes, UCB]
F.RAMIREZ-MIRELES

25. Frecuencias Sin Licencia de FCC
ISM UPCS U-NII Millimeter Ultra
(1986) (1994) (1997) Wave Wideband
(1998) (2002)
UWB Ultra Wideband
U-NII
ISM UPCS UPCS ISM U-NII U-NII Millimeter
ISM Wave Band
0
902
928
960
10600
59000
1910
1930
2400
2390
2484
3100
5150
5250
5350
5725
5825
5850
64000
Frequency
(MHz)
Mm
UWB UWB UWB Wave
Band
0 10 20 30 40 50 60 GHz
ID Comm Vehicular Comm
Figure from [B. Broderson, E225C Lecture notes, UCB]

26. Agenda
Parte I: Introducción a UWB
Parte II: Resultados de Investigación
F.RAMIREZ-MIRELES

27. Resultados de Investigación
Diseño de señales
Capacidad de Canal
Un usuario en multitrayectoria
Acceso Múltiple
Receptores de baja complejidad
Control de potencia en WSN
Estado del Arte
F.RAMIREZ-MIRELES

28. Marco de la investigación
Transmisor Antena Canal Antena Receptor
Diseño de señales Capacidad de canal Desempeño
M-ary PPM, AWGN, BER
FSK MUI (modelado y quantificación), Numero de Usuarios
Multitrayectoria (uso de modelos)
Complejidad
Manejo de potencia Coherente,
WSN No coherente,
No acoplado
F.RAMIREZ-MIRELES

29. Agenda
Diseño de señales
[WIRELESS PERSONAL COMMUN., 2010]
[TRANS. ON VEHIC. TECHNOL., 2007]
[TRANS. ON VEHIC. TECHNOL., 2002]
Capacidad de Canal
Un usuario en multitrayectoria
Acceso Múltiple
Receptores de baja complejidad
Control de potencia en WSN
Estado del Arte
F.RAMIREZ-MIRELES

30. Diseño …
Diseño en arte
Diseño en modas
Diseño de señales
F.RAMIREZ-MIRELES

31. Diseño de señales
Decrementar la
Buen varianza de la MUI
Diseño Aumentar
distancia
Bajar BER
Propiedades
Incrementar
De Aumentar la
Dimensionalidad
correlación Velocidad De TX
Moldear Cumplir Máscara TX
la PSD
Mitigar Interferencia
F.RAMIREZ-MIRELES

32. Diseño de Señales
Dada una modulación y una forma de pulso en particular
en IR-UWB….
¿Qué diseños de señales se pueden usar en
UWB para: Bajar la probabilidad de error, o incrementar
la velocidad de transmisión, o aumentar el número de
usuarios, o reducir la interferencia hacia otros sistemas?
F.RAMIREZ-MIRELES

33. Diseño de
señales PPM
F.RAMIREZ-MIRELES

34. Diseño de señales PPM
F.RAMIREZ-MIRELES

35. Diseño de señales para incrementar
la velocidad de transmisión
Mayor velocidad
Se necesitan 4 correladores
log 2 (16)
≈ 1.6
log 2 (6)
Menor velocidad
Se necesita un 1 correlador
F.RAMIREZ-MIRELES

36. Diseño de señales
para bajar La BER
Pulso Gausiano
Receptor
Less BER
coherente
Cota Superior
Less Eb
F.RAMIREZ-MIRELES

37. Diseño de señales:
AWGN vs. Multitrayectoria
AWGN
S2 distancia
multitrayectoria
S1
F.RAMIREZ-MIRELES

38. Diseño de señales para
modelar la PSD
discreta
continua
F.RAMIREZ-MIRELES

39. Diseño de señales para moldear la PSD
(y mitigar la interferencia)
discrete continuous discrete continuous
overall pulse pulse
overall
Pulso Gausiano Pulso senoidal
F.RAMIREZ-MIRELES

40. Agenda
Introducción
Diseño de señales
Capacidad de Canal
[TRANS. ON VEHIC. TECHNOL., 2007]
[COMMUN. LETTERS., 2005]
Un usuario en multitrayectoria
Acceso Múltiple
Receptores de baja complejidad
Control de potencia en WSN
Estado del Arte
F.RAMIREZ-MIRELES

41. Capacidad de canal
Teóricamente, una señal con ancho de banda infinito
transmitida sobre un canal multitrayectoria permitiría
obtener la misma capacidad de canal que si fuera
transmitida en un canal sin multitrayectoria.
¿Qué tan lejos esta UWB de este límite teórico?
F.RAMIREZ-MIRELES

42. Capacidad de canal
Entrada contínua-salida contínua
C = B log 2 (1 + SNR )
Entrada discreta – salida discreta
C = 1 − h ( pe )
Entrada discreta – salida continua
Ecuación tomada de [Dolinar, Divsalar, Hamkins, & Pollara,IEEE ISIT,
2004]
F.RAMIREZ-MIRELES

43. Modelo para cálculo de
Capacidad de canal usando UWB
F.RAMIREZ-MIRELES

44. Vectores para cálculo de
Capacidad de canal usando UWB
F.RAMIREZ-MIRELES

45. Expresión para el cálculo de
Capacidad de canal en UWB
F.RAMIREZ-MIRELES

46. Capacidad de canal M-aria
en AWGN
F.RAMIREZ-MIRELES

47. Capacidad de canal en multitrayectoria
(para 2 diseños de señales)
F.RAMIREZ-MIRELES

48. Capacidad de un canal UWB binario
(como función de la distancia Tx-Rx)
F.RAMIREZ-MIRELES

49. Agenda
Introducción
Diseño de señales
Capacidad de Canal
Un usuario en multitrayectoria
[JNCW 2011]
[TRANS. ON BROADCASTING, 2006]
[TRANS. ON VEHIC. TECHNOL., 2001
Acceso Múltiple
Receptores de baja complejidad
Control de potencia en WSN
Estado del Arte
F.RAMIREZ-MIRELES

50. Desempeño PPM M-ario
DECREASING BER FOR
CONSTANT SNR
F.RAMIREZ-MIRELES

51. Margen de desvanecimiento
variable para un solo usuario
DECREASING BER FOR
CONSTANT SNR
F.RAMIREZ-MIRELES

52. Dsempeño FSK M-ario
DECREASING BER FOR
CONSTANT SNR
F.RAMIREZ-MIRELES

53. Agenda
Introducción
Diseño de señales
Capacidad de Canal
Un usuario en multitrayectoria
Acceso Múltiple
[TRANS. ON WIRELESS COMUN., 2007]
[TELECOMMUNICATIONS SYSTEMS, 2007]
[JOURNAL SELECT. AREAS ON COMMUN., 2001]
Receptores de baja complejidad
Control de potencia en WSN
Estado del Arte
F.RAMIREZ-MIRELES

54. Acceso múltiple
usando
F.RAMIREZ-MIRELES

55. F.RAMIREZ-MIRELES

56. Acceso múltiple usando TH-IR-UWB
Un solo usuario, en un canal con multitrayectoria,
sufre de desvanecimiento.
Varios usuarios, en un canal sin multitrayectoria,
sufren de interferencia multi-usuario.
¿Cual es el efecto combinado de tener
desvanecimiento e interferencia multiusuario juntas?
F.RAMIREZ-MIRELES

57. Acceso múltiple en multitrayectoria
F.RAMIREZ-MIRELES

58. Capacidad SSMA en AWGN para
varios diseños de señales
Usuarios
Asíncronos Target
BER
Suposición Number
Of users
Gausiana
Códigos
aleatorios
Target
BER
Receptor
Coherente
Cota
superior
F.RAMIREZ-MIRELES

59. Efecto combinado de la MUI y la
multitrayectoria
FADING (Nu=1)
DEGRADATION BY
MUI (AND FADING)
F.RAMIREZ-MIRELES

60. Diseño de señales para mitigar los efectos
combinados de la MUI y la multitrayectoria
IMPROVEMENT BY
SIGNAL DESIGN
DEGRADATION BY
MUI (AND FADING)
F.RAMIREZ-MIRELES

61. “Tradeoffs” en SSMA TH-IR-UWB
high Rb
Increasing
BER
Increasing
low Rb No. users
Increasing Increasing
No. users F.RAMIREZ-MIRELES Tx rate

62. Agenda
Introducción
Diseño de señales
Capacidad de Canal
Un usuario en multitrayectoria
Acceso Múltiple
Receptores de baja complejidad
[Trans. On Consumer Electronics, 2010]
Control de potencia en WSN
Estado del Arte
F.RAMIREZ-MIRELES

63. Receptores …
Receptores en futbol
Receptores de “banda ancha”
Receptores de baja complejidad
F.RAMIREZ-MIRELES

64. Receptores de baja complejidad
La modulación de FM puede ser demodulada
con receptores de baja y alta complejidad.
¿Cuales son los compromisos (“trade-offs”)
para UWB utilizando FM?
F.RAMIREZ-MIRELES

65. Modelo de sistema
integración
Señal TX
Derivación
(Antena)
“Ventaneo”
Señal RX en (muestreo)
Espacio libre
Filtrado
Señal RX en (Canal)
multitrayectoria
F.RAMIREZ-MIRELES

66. Señales FSK en multitrayectoria
(efectos de la “selectividad” en frecuencia)
FSK-
FSK+
F.RAMIREZ-MIRELES

67. “Tradeoffs” para FSK UWB
LOS NLOS
F.RAMIREZ-MIRELES

68. Agenda
Introducción
Diseño de señales
Capacidad de Canal
Un usuario en multitrayectoria
Acceso Múltiple
Receptores de baja complejidad
Control de potencia en WSN
[Cap. en , “New trends in Electrical Engineering, Computing
Science and Automatic Control” , 2010]
[WSAN 2008]
Estado del Arte
F.RAMIREZ-MIRELES

69. Desempeño cambia con la
naturaleza estadística de la MUI
SNR GAP
F.RAMIREZ-MIRELES

70. Hay condiciones que permiten
modelar la MUI como Gausiana
F.RAMIREZ-MIRELES

71. Podemos hacer una prueba para
saber cuando la MUI es Gausiana
F.RAMIREZ-MIRELES

72. Agenda
Introducción
Diseño de señales
Capacidad de Canal
Un usuario en multitrayectoria
Acceso Múltiple
Receptores de baja complejidad
Control de potencia en WSN
Estado del arte
[Recent Patents in Electrical Engineering, 2009]
F.RAMIREZ-MIRELES

73. Estado del arte en UWB
Comunicaciones de alcance corto (en el mercado)
Redes caseras
USB inalámbrico
DVD inalámbrico
Radar que penetra paredes (en el mercado)
Atrapar a los delincuentes
Buscar a las víctimas en terremotos
Sensores automotrices (en desarrollo)
Evitar colisiones
Detectar baches, etc.
Geo-localización precisa (en desarrollo)
Redes “conscientes” de la localización
“Detect and avoid” (en desarrollo)
F.RAMIREZ-MIRELES

74. Gracias
En especial a los Doctores Juan Reig,
Lorenzo Rubio y Alberto González
ramirezm@ieee.org
F.RAMIREZ-MIRELES

75. Comentarios en la modulación
PPM
Ventajas
Demodulación coherente y no-coherente
Éstimación de rango
Desventajas
PSD con componentes discretos (“picos”)
Se usa en IEEE 802.15.4a para comunicaciones y estimación de distancia
simultáneas
Usar PPM para modulación de datos Híbrido para mejor forma
Usar PAM para modulación de corrección de errores y mayor flexibilidad
Forma de onda con pulsos consecutivos (ráfaga)
FSK
Ventajas
Intercambiar potencia por ancho de banda (M-ary FSK)
Detección coherente y no coherente
Desventajas
Realizabilidad
Estandarización
F.RAMIREZ-MIRELES

76. Comentarios en el desempeño
del receptor
Recepción coherente
Filtro acoplado, receptor Rake ideal
Sincronización perfecta
Ventajas
Una referencia (el límite teórico)
Desventajas
No refleja desempeño en condiciones reales
Estudiamos receptor no-coherente, y receptor Rake no
ideal para ciertos casos
Usamos el modelo de canal de V. Tarok
Ventajas
Parámetros dependen de la distancia
Factor de atenuación de trayectoria aleatoria
Desventajas
No escogido para el estándard
F.RAMIREZ-MIRELES

77. Comentarios en el desempeño
de SSMA
Recepción coherente (filtro acoplado, receptor Rake ideal), código aleatorio,
control de potencia ideal, sincronización perfecta
Ventajas
Una referencia (el límite teórico)
Desventajas
No refleja desempeño en condiciones reales
Se estudia control de potencia imperfecto y con multitrayectoria
Usuarios asíncronos, se asume un interferencia multi-usuario (MUI)
Gausiano
Ventajas
Se simplifica el análisis
Se pueden calcular cotas superiores (p.e. máximo número de usuarios)
Se estudia el efecto combinado del desvanecimiento y la MUI
Adecuado para multitrayectoria
Desventajas
Válido para valores de SIR bajos o intermedios
Para velocidades de transmisión bajas y un gran número de usuarios
Cota Superior
Ventajas
Simplifica análisis
Evalúa el “mejor esfuerzo”
Desventajas
Válido para valores de SNR altos
F.RAMIREZ-MIRELES

78. Mi experiencia de trabajo
en el Valle del Silicio
F.RAMIREZ-MIRELES

79. Ecosistema
Universidades
Emprendedores
Ingenieros
Capital semilla
Inversionistas de riesgo (VC’s) y mercados de capitales
Veteranos de la industria
Foros y Redes de contactos
Administradores profesionales
Abogados
Ingenieros
Instalaciones
Equipo
Cultura de Emprendimiento
Sistema de manejo y transferencia de riesgo
F.RAMIREZ-MIRELES

80. Tipos de productos
High Tech High growth: Productos de
tecnología avanzada que se puedan vender por
millones
Innovación: Un nuevo producto o servicio que
usa un nuevo diseño, un nuevo algoritmo, y
una una nueva tecnología
Hacerlo competitivo dentro de la ventana de
oportunidad
Alto desempeño, compatibilidad global, y costo
adecuado, (Bueno, bonito, barato)
F.RAMIREZ-MIRELES

81. Innovación incremental,
manejo de riesgo, compatibilidad
No se ha hecho nunca
Se ha hecho algunas veces
Se ha hecho varias veces
F.RAMIREZ-MIRELES

82. Perfil del trabajo y del trabajador
Jornada de muchas horas
Presion intensa
Trabajo en equipo
Meritocracia y rendición de cuentas
Conocimiento y experiencia
Versado en varias habilidades
Flexibilidad
Orientado a resultados
Proactivo
F.RAMIREZ-MIRELES

83. Productos y Arquitectura
Ikanos
Chips set multipuerto para VDSL
Aware
Propiedad intelectual para DSL
Glenayre / Wireless Access
Radiolocalizador bidireccional
Arquitectura general
módulo analógico híbrido analógico-digital módulo digital
HW HW HW SW
F.RAMIREZ-MIRELES

84. Diferentes tipos de ingenieros
Technical marketing
System engineer
Baseband
Protocols
Hardware:
Analog IC designer
Mixed signal designer
Hardware designer (Digital bajo nivel)
Software
SW engineer (alto nivel)
DSP engineer (bajo nivel)
Test engineer
Field engineer
F.RAMIREZ-MIRELES

85. Trabajo en Ikanos
Communications
Senior Systems Engineers en el grupo de algoritmos y sistemas de
VDSL.
Desarrollo de algoritmos
Symbol timing recovery (Patente USA)
Diseño de sistemas
Multicarrier DMT
VDSL initialization sequence (Patente USA)
DCXO specifications,
Clock recovery performance,
Simulation
Clock drift effects
Crosstalk generation
Pruebas
System test plan
Algorithm optimization
Benchmarking
F.RAMIREZ-MIRELES

86. Trabajo en
Aware Inc.
System Engineer en el Grupo de tecnologías
estratégicas (el grupo de estándares)
Desarrollo de algoritmos
Cancelación de interferencia RFI en ADSL
Patentes en Norteamérica, Europa, Asia y Oceanía
Simulación de algoritmos
Cancelación de RF
WLAN PHY
Programación
Punto flotante usando MATLAB.
Punto fijo usando C
F.RAMIREZ-MIRELES

87. Trabajo en Glenayre
Wireless Access
Member of Technical staff en el grupo de desarrollo de circuitos
integrados
Demoduladores para cpfsk
ML block-by-block and bit-by-bit detection
reduced block noncoherent detection.
Procesamiento de señales
Para combatir ISI (Linear equalizer)
Para combatir desvanecimiento (hard decision vs. soft decision).
Modelado del efecto de transmisión simulcast
Algoritmos DSP
DC offset cancellation,
IQ phase & gain imbalance correction
RSSI.
Simulcaión en punto fijo
PHY REFLEX protocol.
F.RAMIREZ-MIRELES