La tecnologia UWB. Claim. Outline. Che cos è l UWB? Caratteristiche del segnale. Definizione di segnale UWB

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1 Elettronica delle telecomunicazioni II Prof. Dante del Corso 0/06/006 La tecnologia UWB Introduzione allo stato dell arte Marco Crepaldi, Politecnico di Torino Corso di Dottorato in Ingegneria Elettronica e delle Comunicazioni Claim Obiettivo Fornire una panoramica generale sui sistemi UWB in modo da affrontare lo stato dell arte con maggiore consapevolezza Outline Che cos è l UWB? Che cos è la tecnologia UWB? Occupazione spettrale FCC Applicazioni Modulazioni Architetture ricevitori Ranging Conclusioni 3 Tecnologia Wireless Banda estremamente elevata Occupazione spettrale: GHz Densità spettrale di potenza (PSD) = -4.3 dbm/mhz Corrispondente a 79 nw/mhz Dispositivi UWB Unintentional devices (come televisori, lettori mp3, Elettronica portatile, etc...) 4 Definizione di segnale UWB Caratteristiche del segnale Segnale UWB Banda frazionaria maggiore di 0.5 oppure Banda maggiore di 500 MHz B f = (f H f L )/(f H +f L ) Resistenza ai multipath (i multipath possono essere isolati) Capacità di localizzazione (alte risoluzioni temporali) Elevata capacità del canale (formula Hartley-Shannon) Relativa semplicità del trasmettitore (generazione impulsi) Bassa intercettabilità (bassi livelli di potenza) 5 6

2 NB, WB vs. UWB Potenza in trasmissione? PSD molto bassa rispetto agli altri sistemi wireless I limiti FCC per le altre Tecnologie (.4 GHz ISM) sono 40 dbm/mhz in più rispetto alla tecnologia UWB Narrowband (30kHz) Wideband CDMA (5 MHz) UWB (Molti GHz) FCC indoor/outdoor limit (-4.3 dbm/mhz) Frequenza Il livello di potenza UWB visto dai ricevitori NB e WB è molto più basso 7 Emitted Signal Power -4 dbm/mhz GSM GPS PCS Bluetooth, 80.b Cordless Phones Microwave Ovens 3. 5 Frequency (Ghz) UNLICENSED spectrum! 80.a UWB Spectrum Part 5 Limit Potenza in trasmissione? Maschera FCC indoor Miglior controllo della banda di trasmissione rispetto a trasmissioni ISM Bande ISM circa 80 MHz, banda UWB 7.5 GHz Febbraio 00 (4/0/00), Maschere FCC indoor e outdoor Il segnale UWB può essere classificato come rumore (livello rumore ambientale -74 dbm/hz) Regolamentazione europea non ancora determinata Problema aperto: coesistenza con altre tecnologie wireless tecnologie 80.a dividono in la banda UWB. Come risolvere? 87 Log ETSI Indoor Limit FCC Indoor Limit Part 5 Limit 9 Forma d onda contenuta nella maschera FCC 0 Data rate Applicazioni HDR Capacità di localizzazione HDR WPAN High Data Rate Wireless Private Area Networks Estensione del livello fisico esistente NB per applicazioni UWB High-Data rate Source IEEE80.5-3a (BT) Target: Throughput 0-00Mbit/s Applicazioni: Desktop e Laptop PCs Connettività con dispositivi usati in ufficio Stampanti, scanner, fotocopiatrici Dispositivi portatili Lettori di MP3, giochi, video, Macchine fotografiche digitali, connettività personale Alto data rate su brevi distanze, basso data rate su elevate distanze Se ne occupava il Task group IEEE a Il tentativo di standardizzazione per queste applicazioni è stato abbandonato

3 High data rate (HDR) High data rate (HDR) VCRs HDTV camcorders audio systems CE Cluster cameras speakers DVD players camera phones console games storage devices printers Mobile Cluster mobile phone 3G handsets PDAs MP3 handheld PCs laptops Scanners PC Cluster 3 PDA Broadband services: Cable, xdsl,satelite, Terestrial Camcorder Audio Home Gateway Monitor DVD TV Printer Laptop computer Desktop computer Idea principale, fornire una connettività in più con connessione high-speed USB.0, firewire IEEE 394 Digital Camera 4 Applicazioni LDR Applicazioni LDR LDR WPAN Low Data Rate Wireless Private Area Networks Estensione del livello fisico esistente NB per applicazioni UWB Low-Data rate Thoughput 0-00 kbit/s Idea principale: Fusione della capacità di comunicazione e di localizzazione Applicazioni Rescue (per pompieri, bambini, valanghe, soldati...) Applicazioni Macchina-Macchina (MM), reti di sensori, automatismi Dotare oggetti di capacità di loacalizzazione Task group IEEE a Rescue (determinazione del livello Di ossigeno e delle Condizioni di vita del soggetto) Interconnettività con capacità di localizzazione 5 6 Tipologie di sistemi UWB DS-UWB (Direct sequence UWB) Occupazione della banda UWB con segnali Opportuni di durata molto breve OFDM-UWB (Orthogonal Frequency domain multiplexing) Occupazione della Banda FCC dividendo l intera banda in porzioni di 500 MHz e utilizzando un Approccio Wideband all interno Approccio DS-UWB L impulso occupa tutta la banda disponibile. Tecnologia IR-UWB (Impulse Radio) Accesso multiplo al canale con codici TH (Time Hopping) DURATA IMPULSO qualche ns OFDM-UWB Approccio WB applicato su banda UWB DS-UWB informazione = sequenza Impulsi UWB IR-UWB (caso particolare DS-UWB) informazione = impulso UWB 7 8 3

4 Approccio OFDM-UWB Come modulare il segnale? Banda > 500 MHz Banda UWB divisa in sottobande Ricevitore con complessità maggiore nella demodulazione e sincronizzazione FH per ridurre ISI sottoportanti per banda (channel estimation, trasmissione dati, guardia FH) OFDM-UWB modulazioni cassiche BPSK, QPSK, 6-QAM, 64-QAM Accesso multiplo grazie a TFC (Time Frequency Codes) IR-UWB (DS-UWB) modulazioni tipicamente nel dominio del tempo, ortogonali tra di loro Accesso multiplo grazie a Time-Hopping (TH) con codici univoci per Differenziare gli utenti Accesso multiplo utilizzando dei codici TFC (Time-Frequency Codes) 9 0 Modulazioni IR-UWB Modulazioni IR-UWB V Pulse Position Modulation (PPM) +A Position 0 Position Position Position 3 Position 5 t Pulse Amplitude Modulation (PAM) -A On-Off Keying (OOK) 5 bit/simbolo: 4 bits PPM + bit PAM DSP BPSK (Biphase Shift Keying) Permette anche di effettuare lo Smoothing dello spettro Fréquence [GHz] Architettura ricevitori Architettura ricevitori IR Diversi tipi di architetture di ricevitori a seconda della tipologia della Trasmissione Ricevitori OFDM Utilizzano FFT, conversioni a frequenza intermedia (IF) (riuso tecnologie NB applicate su bande larghe) Ricevitori IR-UWB Due tipi di ricevitori, Coerenti e non-coerenti Ricevitori Coerenti Più complessi, rake receivers con molti fingers Ricevitori Non-Coerenti Meno complessi, prestazioni in termini di BER inferiori ai ricevitori Coerenti, tipicamente 3 db in meno. 3 Non-Coerenti (ED): Coerenti: s(t)+n(t) s(t)+n(t) Stima di canale [waveform template] () La replica deve essere il più possibile simile al segnale ricevuto ADC 9 (n(t)+s(t)) dt = s (t)dt + n (t) dt + s(t)n(t)dt = s (t)dt + n (t) dt + s(t)n(t)dt + s(t)n(t)dt s(t) 0 0 Soglia 0 Integrazione coerente diminuzione prestazioni s(t)(n(t)+s(t)) dt = s (t)dt + s(t)n(t)dt 4 4

5 Ricevitori IR Non coer. (ED) Ricevitori IR - Coerenti Antenna + BPF SW Transmitter LNA VGA () ADC Analog Digital Mixed RF Schema di base Ricevitori RAKE Ricevitori omodina con crosscorrelazione che utilizzano una conversione diretta RF-baseband per la separazione dei multipath Correlation mask Pesi DC/PMU Counter AGC DAC Synch LUT NE/CCA Demod. & Data Proc. 5 RAKE receiver Combinazione del segnale impulsivo con componenti di Multipath ritardate somma pesata Demodulaz. e sincron. con algoritmo pesato 6 Ricevitori IR - Coerenti Ricevitori IR - Coerenti Funzioni per pesare le correlazioni ottenute con il RAKE receiver: RAKE receiver con Risposta impulsiva Ogni componente di multipath è isolata dall altra di τ Σ([ s (t)dt ]* ω i ) Maximum ratio combining (MRC) I pesi sono determinati per massimizzare l SNR Selection Diversity (SD) I pesi sono determinati per selezionare la componente multipath più forte Absolute combining (AC) Calcola il modulo di ogni uscita del rake prima di calcolare la somma Equal Gain Combining (EGC) Somma tutte le componenti senza pesi Bin o window 7 8 Architettura ricevitori OFDM Architettura ricevitori OFDM PLL per FH Mixer per frequenza centrale in TX Mixer per componenti I/Q in RX Convertitori ADC in RX per Baseband processing TFC comandato dalla parte in banda base Al trasmettitore il bitstream seriale viene convertito in parallelo e poi processato dalla IFFT che crea il segnale da trasmettere. Successivamente viene moltiplicato per una frequenza centrale. Al ricevitore vengono recuperati i bit dalla FFT e in seguito viene demodulato il dato in uscita. Accesso multiplo con OFDMA in cui si trasmettono impulsi di una certa durata Effettuando frequency hopping. IFFT per la generazione del segnale nel tempo IFFT Canale H(f) FFT FFT per la ricezione del Segnale in frequenza

6 Canale UWB Canale UWB Modello SH (Salleh-Valenzuela modificato) SH Sia per TG3a che per TG4a NUOVO accurato modello TG4a Insieme di componenti multipath (delta di dirac) ritardate nel tempo con ampiezza e ritardo determinati da distribuzioni statistiche. Modello di canale SH TG4a Nuovo modello risp. 3a, diverse condizioni ambientali. A seconda delle condizioni ambientali diverse caratteristiche del canale Path loss dipendente dal tipo di realizzazione (Office, Indoor, Residential, Outoor snow covered,...) Modelli LOS (Line of Sight) e NLOS (Not Line of Sight) Path loss compreso tra. e.9 per i modelli LOS e compreso tra.5 e 4.58 per I modelli LOS Ascincronismo RX TX 3 Modelli disponibili: Indoor Office, Residential, Industrial LOS e NLOS Outdoor Snow covered (LOS), Outdoor (LOS e NLOS) 3 Localizzazione Localizzazione? Applicazioni LDR (Impulse Radio) Distanze elevate, data rate bassi ma capacità di localizzazione Breve durata impulsi UWB Elaborazione nel dominio del tempo Determinazione del tempo di arrivo degli impulsi TOF (Time-Of-Flight) determinazione della distanza tra due dispositivi distanza d = c TOF Velocità della luce Tempo di volo Problema: come determino il TOF? Tipici approcci: OWR (One Way Ranging), TWR (Two Way Ranging) Basati su TDOA (Time Differential Of Arrival), TOA (Time Of Arrival) Ipotesi: una serie di dispositivi UWB sono posizionati all interno di un certo spazio Dinamica di trasferimento dati per stima TOF? M L08 M9 L0 M30 L07 L0 L03 M4 M6 M8 M M6 M9 M3 M3 M0 M M5 M M4 L09 M7 33 L04 M8 M5 M7 L06 L0 34 Localizzazione? OWR-TOA OWR Determinazione del tempo di volo degli impulsi con una singolo trasferimento dati ( volta) TWR Determinazione del tempo di volo degli impulsi con un doppio trasferimento dati ( volte) Isocroni Terminal A TX Terminal B RX T o T Ipotesi: I sistemi sono sincronizzati TOA Lo schema si basa sulla determinazione del tempo di arrivo dell impulso TDOA Lo schema si basa sulla determinazione della differenza temporale di arrivo dell impulso Terminal A Isocroni Request T OF Terminal B Stima T OF Stima T OF TOF = B d = T AB ( T T ) OF B. c

7 OWR-TDOA TWR-TOA Isocroni Mobile TX Anchor RX Anchor RX Anchor 3 RX T, T OF, T OF, T OF,3 Stima TOA T, T 3 T o T T 3 T Info T Info T 3 Stima TDOA Info T 3 Anchor 3 Anchor Mobile Stima TDOA T = T T d = T. c T = T T d = T. c Isocroni Info T Anchor 37 Asincrono Terminal A Risposta Terminal A TX/RX Terminal B RX/TX Richiesta Terminal B T o T OF Ritardo dovuto al tempo di calcolo di B T Reply Stima T OF Stima T OF T = ( T T ) d OF A AB = T T OF [ T ] OF A. c 0 Reply T 38 Ranging Problema Problema: determinato il tempo di volo, è necessario localizzare, ovvero determinare le distanze tra i ricetrasmettitori Date le distanze d i,j, (i e j contraddistinguono i transceiver) elaborazioni successive (D, 3D) per determinare distanza TRX Propagazione canale UWB (multipath, fading, dipendenze dalla frequenza) Multipath ) Canale UWB Multipath Come differenzio il primo impulso ricevuto da quelli risultanti dai percorsi multipli? ) Come conto il tempo degli impulsi ricevuti? Impulso: derivata esima Gaussian monocyle Sigma = 0.8 ps Realizzazione canale a CM Residential LOS Antenna IDEALE Problema Multipath Si deve determinare questo istante Problema Si rende necessario l uso di un algoritmo da applicare sui dati ricevuti per determinare l istante di arrivo del primo path Algoritmo di ranging Forma d onda ricevuta Impulso trasmesso 4 In generale: processamento della forma d onda ricevuta per la determinazione del Tempo di arrivo del primo path 4 7

8 Problema Algoritmi di ranging Adatti a ricevitori coerenti e non coerenti Gli algoritmi di ranging presenti in letteratura si basano sul concetto di search-back Search-back = data la posizione del path più energetico, si osserva la posizione dei path all indietro per la determinazione del primo path. Campionamento dell Energy Profile (profilo energia) con campioni distanti alcuni nanosecondi Path più energetico UWB TRX A A Problema PPDU + Pream + SFD UWB TRX B Counter start (N clk ) d = TOF c PPDU d: distanza TRX (m) c: velocità luce t B PPDU + Pream + SFD PPDU A: Delay CLK (t A ) t Primo path 43 TOF B: Delay CLK (t B ) TOF TOF = [(N clk N) T sym t A - t B ]/ N: numero di clk se TOF = 0 44 Conclusioni Tecnologia UWB Adatta per applicazioni LDR e HDR Capacità di localizzazione Basso consumo di potenza, ricevitori Noncoerenti bassa complessità LDR devices con bassi consumi di potenza HDR devices con elevato throughput 45 8