Indice Introduzione 2 1 Sistemi Ultra WideBand 4 1.1 Breve storia sull Ultra WideBand................ 4 1.2 Attività industriale ed accademica e principali aree di applicazione............................... 7 1.3 Che cosa è l Ultra WideBand.................. 10 1.3.1 L impulso......................... 10 1.3.2 La modulazione ed il Time Hopping........... 12 1.3.3 Circuiteria......................... 16 1.4 Confronto con i sistemi a banda stretta............. 18 1.5 Normativa e sviluppi....................... 23 1.5.1 Normativa Statunitense................. 23 1.5.2 Sviluppi regolatori negli altri paesi........... 26 1.6 La proposta 802.15.3a...................... 29 1.7 Conclusioni............................ 32 1
Introduzione Sotto il nome di Ultra Wide-Band (UWB) vengono raccolte tutta una serie di modalità di trasmissione di tipo prettamente impulsivo che impiegano impulsi radio di brevissima durata (si parla di frazioni di nanosecondo e quindi di spettri necessariamente molto ampi). L UWB è una tecnologia vecchia di quarant anni ma che sta emergendo velocemente negli ultimi anni grazie alle sue caratteristiche uniche che permettono di ottenere grandi vantaggi in diverse aree di applicazione a radiofrequenze quali: comunicazioni wireless, radar, radar sottosuperficiali, sistemi di posizionamento globale, ecc.... Nel 2002 la Federal Communication Commission (FCC) ha assegnato una nuova banda (3.1-10.6 Ghz) senza licenza, nella quale l UWB, lavorando con potenze praticamente sotto la soglia del rumore di fondo, può coesistere con gli altri sistemi a radiofrequenze. Già dal 2003 l European Telecommunications Standard Institute (ETSI) ed altre organizzazioni nazionali ed internazionali sparsi in tutto il mondo (in Giappone, Canada,... ) hanno proposto l utilizzo dell UWB ricalcando sostanzialmente la normativa statunitense. Inoltre il crescente interesse per questa tecnologia ha coinvolto sempre più aziende importanti del panorama mondiale (Intel, Philps, Samsung, Motorola, Texas Instruments,... ) e generato numerose ricerche di tipo accademico. Basti pensare che solo negli ultimi tre anni il numero di pubblicazioni scientifiche riguardanti l UWB sono passate da un centinaio ad oltre un migliaio. Il fascino e le potenzialità di questa tecnologia unito alla rapida esplosione nella tecnologia dell informazione e nella comunicazione wireless, rappresen- 2
Introduzione 3 tano la principale motivazione di questo lavoro di tesi. L obbiettivo che ci siamo posti è lo sviluppo di competenze nel campo di sistemi UWB, con particolare riguardo alle problematiche connesse alle antenne. In questo caso, si è mirato alla messa a punto di criteri efficaci e ripetibili per il progetto, la realizzazione e la misura di antenne UWB. Nel primo capitolo di questa tesi, quindi, si descriveranno gli aspetti salienti dei sistemi UWB fra cui principi, struttura, modulazioni, storia e normativa. Nel secondo capitolo si presenterà una descrizione delle antenne comunemente utilizzate per sistemi UWB. In particolare si confronteranno i parametri che caratterizzano un antenna classica con quelli di un antenna UWB, che risulta avere caratteristiche molto particolari: banda estremamente ampia, dispersione del segnale minima ecc.... Nel terzo capitolo si passerà ai risultati della progettazione di tre antenne UWB, effettuata col programma HFSS. La prima antenna considerata, è lo sviluppo di un antenna conica e rappresenta una ottima scelta per quanto riguarda le prestazioni. Le altre due, la single ended antenna (SEA) e la coplanar waveguide fed disc antenna (CPW-FDA), rappresentano un ottimo compromesso fra prestazioni, compattezza e costi. Infine l ultimo capitolo sarà dedicato alla descrizione della realizzazione delle due antenne planari progettate ed ai risultati delle loro misure. In particolare verranno illustrate le diverse tecniche di misura di un antenna UWB ed il confronto con le misure classiche, ed ultimo, i risultati delle misure effettuate nel laboratorio di Microonde dell Università di Pavia. Seguono le conclusioni.
Capitolo 1 Sistemi Ultra WideBand 1.1 Breve storia sull Ultra WideBand Le origini della tecnologia Ultra WideBand risalgono al 1962, quando si vollero descrivere le caratteristiche di alcune classi di reti a microonde nel dominio del tempo, attraverso lo studio della loro risposta ad un impulso [?],[?],[?]. Invece di caratterizzare un sistema lineare tempo invariante (LTI) attraverso modulo e fase della funzione di trasferimento, esso poteva essere completamente analizzato studiando la sua risposta ad un impulso h(t). Naturalmente solo con lo sviluppo della tecnologia, ed in particolare con l avvento dell oscilloscopio campionatore (Hewlett-Packard), questo metodo d analisi divenne attuabile. Dal 1962 in poi ci sono stati diversi contributi: Harmuth alla Catholic University of America, Ross e Robbins alla Sperry Rand Corporation, Van Etten allo USAF s Rome Air develepment Center ed in Russia. Tra il 1968 ed il 1984 Harmuth rese di publico dominio gli schemi base dei trasmettitori e ricevitori UWB. Intanto Robbins nel 1972 inventò un ricevitore per impulsi corti e Ross nel 1973 ottenne il primo brevetto relativo a comunicazioni UWB; i due tra il 1972 ed il 1987 utilizzarono questa tecnologia in innumerevoli aree di applicazione, dalle telecomunicazioni ai radar. Nel 1974 Morey progettò un sistema radar sottosuperficiale basato sulla tecnolo- 4
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 5 gia UWB denominato Geophisycal Survey Sistem, che ebbe molto successo. Tra gli anni sessanta e settanta lo sviluppo di questa tecnologia rimase sempre molto legata ai progressi delle grandi case produttrici di strumenti di diagnostica nel dominio nel tempo come la Hewlett Packard e la Tektronix. Solo dagli anni settanta in poi lo sviluppo dell UWB non ebbe più ostacoli di tipo tecnologico: infatti, dal 1975 i sistemi UWB di comunicazione e radar poterono essere costruiti direttamente con componenti distribuiti dalla Tektronix. Parallelamente ed indipendentemente dagli americani, anche i russi svilupparono questa tecnologia prima nell Unione Sovietica e poi nell odierna Federazione Russa. Già nel 1951 Zernov notò le differenze tra i metodi di analisi basati su segnali ad onda continua e metodi basati su impulsi ultra corti. Nel 1952 Kharcevitch descrisse la semplicità dei metodi di analisi nel dominio del tempo che utilizzano impulsi corti rispetto ad i metodi classici basati su onde continue. Nel 1957 Astanin sviluppò all accademia militare delle forze aeree Mozjaisky un trasmettitore in banda X di impulsi di 0.5 ns per lo studio delle guide d onda. Nel 1964, all Istituto Radioelettronico dell Accademia delle Scienze dell Urss, Kobzarev gettò le basi dell UWB russo conducendo test sulla propagazione indoor di impulsi ultracorti generati da radar ad alta risoluzione. Come negli Stati Uniti, lo sviluppo dell UWB in Russia si lega al progresso della strumentazione e quindi alla creazione dei primi oscilloscopi campionatori. A differenza degli americani, l attenzione dei russi è inizialmente incentrata essenzialmente sui radar; col tempo però le loro ricerche cominciarono a spaziare sugli stessi campi di applicazione degli americani e raggiunsero sostanzialmente gli stessi risultati. Dagli anni ottanta in poi, sia in Russia che negli Stati Uniti, si conoscevano ormai i concetti basilari di questa tecnologia ed infatti l UWB, più che sviluppato, fu applicato in nuovi campi, quali i dispositivi di posizionamento, la rivelazione di oggetti oltre i muri, in ambito medico, ma soprattutto in
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 6 campo militare. Nel 1988 Taylor iniziò a collaborare col dipartimento della difesa degli Stati Uniti d America e Ross insieme a Fontana progettarono, svilupparono e realizzarono un sistema di comunicazione a bassa probabilità di intercettazione e rilevazione (LPI/D) per il Governo degli Stati Uniti. Ed è proprio nell ambito militare di quegli anni che nacque il termine Ultra WideBand: prima di allora, infatti, questa tecnologia aveva svariate denominazioni: baseband, impulse, carrier-free, non-sinusoidal, time-domain. In questi anni, inoltre, nacquero i primi programmi accademici (Università del Michigan, Rochester, Brooklyn,... ) e si moltiplicarono le pubblicazioni scientifiche che cominciarono a considerare i diversi aspetti di questa tecnologia: modulazioni, spettro, interazioni col corpo umano, tipi di impulso, progetto dell antenna ecc... Diverse aziende si focalizzarono sull UWB come per esempio: la Time-Domain, la Multispectral Solution, la Extreme Spectrum e la Pulselink. Fino a dieci anni fa, comunque, l UWB è rimasto in sordina, poco conosciuto e forse anche ostacolato. La sua semplicità circuitale (e quindi il basso costo) e nel contempo gli enormi vantaggi che sembra offrire (altissimi bit-rate, bassi consumi, elevata sicurezza,... ) lo rendono estremamente competitivo soprattutto nel campo delle reti di comunicazione locali e personali al punto di poter mettere in crisi standard consolidati come il WI-FI ed il Bluetooth. Comunque le continue pressioni esercitate non solo dalle consolidate aziende che lavorano ormai da anni sull UWB (Time-Domain ecc... ), ma anche da un numero sempre crescente di aziende importanti (Intel, Philips,Texas Instruments, Samsung,... ), hanno portato alla già citata assegnazione di spettro senza licenza da parte della FCC nel 2002. Da quel momento in poi l interesse per l UWB è esploso, ma soprattutto si sono moltiplicati gli investimenti e le proposte di standard in sede IEEE, fra cui l ormai consolidato 802.15 (WPAN).
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 7 1.2 Attività industriale ed accademica e principali aree di applicazione Una delle caratteristiche che rendono interessante questa nuova tecnologia è il fatto di avere innumerevoli aree di applicazione, in ognuna delle quali si sfruttano, tutti o in parte, i diversi pregi dell UWB. Le aree principali sono: Radar. Dispositivi di posizionamento. Progetti in ambito militare. Sistemi per la riproduzione di immagini. Campionamento Ultra veloce. Sistemi di scansione in ambito medico. Comunicazioni W-PAN/LAN. Nell elenco vengono considerate quelle aree che hanno avuto un grande sviluppo o in cui si sta investitendo molto negli ultimi anni [?]. Noi ci soffermeremo in particolare sull ultima area e cioè sulle tecniche per trasmettere informazione in ambito wirelesss. Di seguito inseriamo un elenco delle principali aziende che commercializzano prodotti del mondo UWB [?]: Aether Wire & Location (USA). Dispositivi di comunicazione e localizzazione a bassa potenza. Progetti per la DARPA (Defense Advanced Research Project Agency).
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 8 Intel (USA). Trasmissioni dati UWB tra dispositivi (wireless USB). Skycross (USA). Produzione di antenne. Pulse-Link (USA). Sviluppo di una piattaforma UWB per la trasmissione video wireless. Comunicazioni a corto ed a lungo raggio (km). Time Domain (USA). Comunicazioni wireless (home W-LAN) e radar ad alta definizione. Realizzazione del chipset UWB PulseON. Multispectral Solution (MSSI) (USA). Reti di comunicazioni ad alta velocità Dispositivi radar capaci di evitare ostacoli e collisioni. Sistemi di trasporto intelligente. Freescale (Xstreme Spectrum, USA). Realizzazione del chipset UWB Trinity. Wisair (Israele). Sviluppo di chipset per comunicazioni wireless ad alte prestazioni basate sull UWB. I chipset della Wisair promettono connettività a basso costo, basso consumo di potenza ed alti bit-rate.
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 9 McEwan Tecnologies (USA). Tecnologia radar. Furaxa (USA). Campionamento ultraveloce e studio della generazione di impulsi. Farr-reasearch (USA). Studio di antenne UWB. IBM Zurich Reasearch lab, Rueschlikon. Studi sugli aspetti in banda base dell UWB. Pulsicom. Sistemi di posizionamento. General Atomics. Sviluppo di sistemi di comunicazione basati sulla tecnicnologia Spectral Keying T M, che rappresenta la base della proposta di standard 802.15.3 richiesta all IEEE.
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 10 1.3 Che cosa è l Ultra WideBand La tecnica UWB utilizza impulsi brevissimi che vanno dalle centinaia di picosecondi al nanosecondo, lavorando praticamente in banda base. La modulazione viene effettuata in fase, in posizione o in ampiezza, ma le possibilità sono svariate. Uno dei punti di forza dell UWB infatti, è che sostanzialmente non si entra nel merito di come vengono modulati gli impulsi, o che forma debbano avere: l unica caratteristica fondamentale, inserita anche nella definizione che viene data dalla normativa statunitense, è che copra una banda di frequenze molto ampia, oltre i 500 MHz (per la definizione esatta si vedrà più avanti). Per questo motivo, di seguito tratteremo le principali tecniche di modulazione, forme di impulso e gli schemi base di un circuito UWB. 1.3.1 L impulso La forma degli impulsi spesso utilizzati sono in genere di tipo gaussiano, di Rayleigh, di Scholtz, ecc.... In figura 1.1 mostriamo alcuni esempi di impulso, con i relativi spettri fig.1.2, che ovviamente risultano coprire una banda di frequenze molto ampia [?][?][?][?][?]. Come ben noto, infatti, tanto più è breve la durata dell impulso, tanto più è ampio l intervallo spettrale occupato. La forma dell impulso determina la distribuzione spettrale, come si può notare dalle figure. Il punto focale della tecnica UWB è proprio l utilizzo di densità spettrali di potenza non troppo elevate, in modo tale che il suo spettro praticamente si confonde con quello del rumore di fondo. Questo genera l interessante possibilità di far coesistere segnali di questo tipo con segnali preesistenti (fig. 1.3).
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 11 Figura 1.1: Esempi di forme di impulsi nel dominio del tempo. Figura 1.2: Densità spettrale di potenza degli impulsi mostrati nella fig. precedente
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 12 Figura 1.3: Spettro di un segnale UWB confrontato con altri sistemi. Lo studio della forma dell impulso è fondamentale non solo per quanto riguarda la buona riuscita della cross-correlazione effettuata in ricezione, ma anche perchè deve andare incontro alle specifiche della normativa statunitense, in particolare deve potersi adattare alla forma della maschera approvata nella normativa della FCC [?][?]. 1.3.2 La modulazione ed il Time Hopping In generale vengono utilizzati tre periodi di clock: di campionamento (sotto il centinaio di picosecondi). di impulso (dalle centinaia di picosecondi a decine di nanosecondi). di ripetizione (dalle decine alle centinaia di nanosecondi). In fig. 1.4 rappresentiamo uno schema di base. L impulso ha una durata temporale pari a T imp e viene ripetuto secondo il tempo di ripetizione T f. Gli impulsi in genere vengono direttamente applicati all antenna dopo il filtraggio ed in ricezione l informazione è recuperata facendo una semplice
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 13 Figura 1.4: Schema di base con i periodi di clock utilizzati nei sistemi UWB. cross-correlazione tra l impulso ricevuto e quello atteso. Naturalmente diventa fondamentale la sincronizzazione dei tempi di impulsi e di ripetizione tra ricezione e trasmissione. Come avevamo accennato le tecniche di modulazione più utilizzate sono modulazione di fase (PSK), di ampiezza (PAM) e di posizione (PPM); di seguito riportiamo alcuni semplici esempi: la pulse position modulation (fig. 1.5), la pulse amplitude modulation (fig. 1.6), e la bi-phase modulation (fig. 1.7). Figura 1.5: Pulse Position Modulation.
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 14 Figura 1.6: Pulse Amplitude Modulation. Figura 1.7: Bi-phase Modulation. Insieme ad ogni tipo di modulazione, in genere, viene utilizzata la tecnica del time-hopping (TH), che fornisce diversi vantaggi. Per esempio uno degli approcci più utilizzati ed efficaci per multiplare più utenti resta l Impulse Radio (IR) [?][?], che utilizza una combinazione di PPM e TH, appunto, per generare una tecnica digitale ad accesso multiplo, attraverso la quale l utente i-esimo avrà un segnale espresso come segue: s (i) (t) = m= g(t mt f c (i) m T t(b (i) m )) (1.1) dove g(.) è la forma dell impulso, T f è il periodo di ripetizione, c (i) m è una sequenza TH periodica di periodo L con valori compresi in {0,1,...,N-1}, T è una costante di tempo del TH (generalmente T f =NT), b (i) m rappresenta
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 15 la sequenza di dati opportunamente codificati, ed infine t(.) rappresenta la funzione che implementa il PPM. Figura 1.8: Esempio di Time-Hopping nell UWB, modulato con la tecnica PPM. In figura 1.8 si può vedere un tipico segnale IR, dove in ogni periodo di ripetizione T f è posizionato un impulso secondo il codice di Time-Hopping c (i) m, che garantisce la possibilità di multiplare più utenti senza collisioni [?]. Questa tecnica può facilmente utilizzare anche modulazioni di fase o di ampiezza. Un possibile problema è che un treno di impulsi regolari nel tempo corrisponde ad un insieme di spikes nel dominio della frequenza che naturalmente rischiano di aumentare considerevolmente le interferenze con altri apparati a radiofrequenza [?]. Un altro vantaggio del TH, quindi, è che l utilizzo di algoritmi pseudo-casuali permette di mitigare il fenomeno degli spikes in frequenza [?][?]. A questo proposito viene mostrato uno degli approcci più efficaci, basato su una modulazione PPM associata ad un algoritmo pseudocaotico [?]. Lo schema utilizza un flusso di dati binari {b m }, ed il segnale trasmesso risulta essere:
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 16 s(t) = g(t mt f f(b m, b m 1,..., b m M )T ) (1.2) m= dove il periodo di ripetizione è T f = 2 M T, T è la spaziatura utilizzata dalla modulazione PPM e la funzione pseudo-caotica è: M f(b m, b m 1,..., b m M ) = 2 M 2 i b m i 2 M (1.3) che assume valori interi nell intervallo [0,2 M ]. La funzione (1.3) è non lineare ed è derivata dalla teoria dei sistemi caotici. Questa tecnica ha ottime proprietà spettrali anche se è stata sviluppata per trasmissioni a singolo utente. L utilizzo di algoritmi pseudo-caotici fornisce, inoltre, un altro interessante vantaggio, in quanto rende le trasmissioni difficilmente intercettabili e quindi più sicure (ciò spiega l utilizzo dell UWB in ambito militare). In definitiva possiamo dire che associare la tecnica di TH alla modulazione (PPM, PAM o PSK), risulta non solo necessario ma soprattutto vantaggioso, infatti: permette di affievolire gli spikes dello spettro del segnale UWB rendendolo simile ad un rumore bianco. permette un efficiente sistema di multiplazione. la trasmissione diventa estremamente sicura, infatti solo chi conosce il codice che regola il TH può recuperare l informazione. i=0 1.3.3 Circuiteria Lo schema circuitale di base per trasmettere e ricevere impulsi UWB è molto semplice [?][?][?][?] ed in figura 1.9 ne mostriamo un esempio. Il generatore di impulsi utilizzato in trasmissione è comandato da un codice pseudo casuale P-N (pseudo-noise) di TH, i dati vengono modulati con la tecnica PPM e
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 17 a) b) Figura 1.9: schema di un circuito UWB: a) in trasmissione. b) in ricezione. l impulso viene filtrato ed applicato all antenna UWB. In ricezione l impulso è amplificato e viene cross-correlato con la forma d impulso attesa; naturalmente la correlazione deve essere effettuata nella finestra temporale comandata dallo stesso codice P-N di TH, altrimenti il sistema non può funzionare. È evidente la semplicità del circuito che di conseguenza è anche poco costoso: infatti non ci sono mixer, PLL (phase-lock loop), VCO (voltage controlled oscillator). L aspetto fondamentale e più stringente nella realizzazione del circuito resta la sincronizzazione, infatti persino un piccolo disallineamento della finestra temporale di acquisizione, porta ad una considerevole perdita dell efficacia della cross-correlazione [?]. Per quanto riguarda la generazione del segnale UWB, in genere, si parte da una funzione a gradino da cui poi si ottiene l impulso desiderato, oppure si utilizzano sorgenti capaci di generare direttamente l impulso [?][?][?]. La forma dell impulso desiderata (gaussiana, monociclo,... ) viene ottenuta filtrando opportunamente il segnale. In figura 1.10 mostriamo la tabella pubblicata da Ross [?] in cui si fa un elenco di possibili sorgenti UWB con i relativi tempi di salita.
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 18 Figura 1.10: Possibili sorgenti per sistemi UWB, e relativi tempi di salita. 1.4 Confronto con i sistemi a banda stretta Un sistema di comunicazione wireless ideale dovrebbe poter trasmettere grandi quantità di dati, quanto più velocemente possibile, quanto più lontano possibile, multiplando numerosi utenti e trasmettendo in completa sicurezza. Naturalmente nessuna architettura wireless odierna riesce a soddisfare al meglio tutti gli obbiettivi, ma solo alcuni di essi. Negli ultimi anni l attenzione nei confronti delle reti locali e personali (W-LAN/PAN) capaci di scambiare grandi quantità di dati, è cresciuta enormemente e l UWB si inserisce molto bene in questo ambito, promettendo prestazioni superiori a quelle delle altre tecnologie a banda stretta. Alcuni standard come l 802.11b ed 802.11a (WI-FI) o il Bluetooth vengono sempre più utilizzati in tutto il mondo, ma non sembrano in grado di raggiungere le prestazione di un sistema UWB, soprattutto nelle reti di tipo PAN. In figura 1.11 mostriamo il risultato di una proiezione, fatta dalla Intel nel 2000 [?], sulla capacità spaziale delle più diffuse tecnologie wireless paragonate all UWB, dove la capacità spaziale è definita come bits/sec./m 2. Ciò mostra le potenzialità di questa tecnologia
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 19 Figura 1.11: Confronto tra la capacità spaziale di sistemi WI-FI, Bluetooth ed UWB.
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 20 nell implementare reti con molti utenti. L UWB risulta quasi immune al fading, anche in presenza di ambienti ricchi di elementi riflettenti (Dense Multipath Environments). Ciò dipende dalla struttura stessa del sistema: infatti, l informazione viene recuperata in un preciso istante temporale di brevissima durata (periodo di impulso) e qualsiasi impulso riflesso e di conseguenza qualsiasi sentiero di propagazione difficilmente si sovrappone ad un altro [?][?][?][?]. Inoltre l interferenza fra impulsi UWB e corpo umano, dovuti a dispositivi in prossimità del corpo o addirittura indossati (alla cintura per esempio), ha effetti trascurabili sulla comunicazione [?][?]. Questa caratteristica rende il segnale UWB molto robusto rispetto ai classici segnali costruiti su onde continue. Inoltre, un circuito UWB, oltre che molto semplice e quindi poco costoso, consuma meno potenza rispetto ai circuiti usati per sistemi a banda stretta. A questo proposito citiamo un interessante confronto tra un ricetrasmettitore Bluetooth ed uno UWB tratto da un esperimento dell Intel [?]. Il circuito in figura 1.12 rappresenta un esempio di dispositivo bluetooth a basso costo, che trasmette informazione a corto raggio (10 m). Il Bluetooth utilizza il Frequency Shift Keying (FSK) in cui la modulazione avviene spostando (shifting) la portante a frequenze più basse o più alte. Ciò viene effettuato applicando i bit di informazione (TX in figura) ad un Voltage Controlled Oscillator (VCO), mentre per mantenere la frequenza intermedia di oscillazione viene utilizzato un PLL ed un oscillatore di riferimento. Al segnale, che occupa una banda di 1 MHz, viene poi applicata la tecnica del Frequency-Hopping (FH) che lo diffonde (spreading) fino ad occupare una banda di 79 MHz, il tutto centrato alla frequenza di 2.45 GHz. In ricezione il segnale viene amplificato e traslato ad una frequenza intermedia (120 MHz) dalla quale viene poi demodulato. In figura 1.13, invece, è inserito lo schema di base di un dispositivo UWB che può lavorare con modulazioni di ampiezza, fase o posizione. L impulso ha una durata di 200 picosecondi e la sua forma è tale da concentrare la
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 21 Figura 1.12: Ricetrasmittente Bluetooth. Figura 1.13: Ricetrasmittente UWB.
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 22 massima densità spettrale di potenza tra i 2 ed i 6 GHz; in questo caso si può evitare l uso di un amplificatore di potenza perchè il generatore deve produrre impulsi con ampiezze di soli 100 mv. Sia in trasmissione che in ricezione l impulso viene filtrato con un filtro passa-banda da 2 a 6 GHz, poi viene recuperato in ricezione attraverso la cross-correlazione. Riassumendo, il dispositivo Bluetooth lavora a banda stretta intorno a 2.45 GHz con una banda di 75 MHz raggiungendo 1 Mb/sec. su un raggio di 10 m e consumando una potenza media di 1 mw. Il dispositivo UWB lavora nella banda tra i 2 ed i 6 GHz utilizzando impulsi di durata pari a 200 ps con tensioni dell ordine di 100 mv. Per raggiungere lo stesso bit-rate, su un raggio d azione identico, il dispositivo consuma in media meno di 1 µw. Un altro aspetto che sta vedendo crescere la propria importanza negli ultimi anni è la sicurezza delle trasmissioni radio. L UWB rappresenta un eccellente scelta per chi desidera costruire reti a prova d intruso, e questo perché la densità spettrale dei sistemi UWB giace praticamente al livello o addirittura sotto la soglia del rumore di fondo, rendendolo un sistema cosiddetto a bassa probabilità di rilevazione (LPD, Low Probability Detection). I normali strumenti di rilevazione di un segnale a banda stretta sono i radiometri, che però sono inefficaci nella rilevazione dei segnali UWB. Affinché si rilevino questi tipo di segnali bisogna partire dal presupposto che alcune informazioni devono essere note (periodo di ripetizione, periodo d impulso, sincronizzazione) ed il radiometro, oppurtunamente modificato, deve trovarsi molto vicino alla sorgente di segnale [?][?]. È chiaro che difficilmente si hanno a disposizione tali informazioni e quindi risulta evidente il vantaggio che i sistemi UWB hanno rispetto a quelli a banda stretta.
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 23 1.5 Normativa e sviluppi Lo spettro radio è una risorsa internazionale limitata. L utilizzo di radiofrequenze per servizi wireless è regolato dal Settore delle Radiocomunicazioni dell Unione internazionale delle Telecomunicazioni (ITU-R) e dalle rispettive autorità nazionali. Per minimizzare le interferenze, lo spettro radio è tradizionalmente frazionato in bande e l ITU-R assegna, nel mondo o su base locale, ognuna di esse ad uno o più servizi wireless. Le autorità nazionali approvano gli standard ed assegnano le bande di frequenza in base ai propri bisogni ed in genere seguono la regolamentazione ed allocazione dell ITU-R. Di solito i dispositivi wireless devono avere una licenza prima di essere utilizzati, ma alcuni di essi possono non averla, per esempio quelli che utilizzano potenze molto basse (Bluetooth). L UWB è un sistema che si inserisce, almeno in questa prima fase, in questa ultima categoria. In questa sezione tratteremo prima la normativa statunitense e le relative definizioni, che rappresentano in pratica il punto di riferimento per tutti gli sviluppi normativi effettuati negli altri paesi ed a livello internazionale, e poi lo stato normativo di altre nazioni fra cui l Italia. 1.5.1 Normativa Statunitense Nel 2002, la Federal Communications Commission (FCC) degli Stati Uniti d America ha autorizzato l utilizzo senza licenza di tre tipi di sistemi UWB [?]: 1. Sistemi di misura e comunicazione allocati nello spettro 3.1-10.6 Ghz. La trasmissione è a corto raggio e deve avvenire in ambito indoor sotto specifiche restrizioni. 2. Sistemi radar veicolari (Vehicular Radar System) allocati nello spettro 22-29 GHz. In questo ambito si intendono tutti quei sistemi che permettono di rilevare e localizzare oggetti fermi o in movimento in
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 24 prossimità di veicoli, al fine di evitare collisioni. Nel 2003 L FCC ha aggiunto la possibilità di utilizzare questo tipo di sistemi anche nella banda 3.1-10.6 GHz [?]. 3. Sistemi per la formazione di immagini (Imaging System) che comprendono: Sistemi radar sottosuperficiali (Ground Penetrating Radar, GPR) che operano nella banda sotto i 960 MHz o in quella 3.1-10.6 GHz. L obiettivo di questi sistemi è la detenzione e la classificazione di oggetti sepolti nel terreno. Sistemi per la riproduzioni di immagini attraverso i muri (Through- Wall Imaging System) che operano nella banda sotto i 960 Mhz o in quella 1.99-10.6 Ghz. L obiettivo è rilevare oggetti o persone ferme o in movimento dietro strutture come per esempio un muro. Sistemi per la riproduzione di immagini dai muri (Wall Imaging System) che operano nella banda sotto i 960 MHz o in quella 3.1-10.6 GHz. Questi sistemi vengono progettati per individuare oggetti dentro i muri o in strutture simili. Sistemi di sorveglianza (Surveillance System) che operano nella banda 1.99-10.6 GHz. Funzionano come delle recinzioni di sicurezza (security fences): viene definita una area attraverso una rete stazionaria a radiofrequenze, e viene rilevata l intrusione di oggetti o persone. Sistemi in ambito medico (Medical System) che operano nella banda 3.1-10.6 GHz. Vengono utilizzati per esaminare l interno del corpo di uomini o animali. Secondo la normativa, un dispositivo UWB è definito come :
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 25... qualsiasi dispositivo la cui banda frazionale è più grande di 0.25 oppure occupa 1.5 GHz o più di spettro. dove la banda frazionale η è definita come: η = 2 (f h f l ) (f h f l ) (1.4) dove f h ed f l sono rispettivamente la frequenza superiore ed inferiore calcolate a -10 db. Invece, quando si parla di frequenza centrale f c in una trasmissione UWB si intende: f c = (f h + f l ) 2 (1.5) Di seguito riportiamo in figura 1.14 la maschera che riguarda l emissioni di potenza consentite ad un dispositivo UWB utilizzato per le telecomunicazioni. Figura 1.14: limiti di emissione per dispositivi di comunicazione UWB in ambienti indoor (FCC). La potenza emessa è misurata in Equivalent Isotropic Radiated Power (EIRP) cioè potenza isotropica equivalente irradiata che è pari al prodotto