La tecnologia UWB - Politecnico di Torino

Elettronica delle telecomunicazioni II
Prof. Dante del Corso
Claim
20/06/2006
La tecnologia UWB
Obiettivo Fornire una panoramica
generale sui sistemi UWB in modo da
affrontare lo stato dell’arte con
maggiore consapevolezza
Introduzione allo stato dell’arte
Marco Crepaldi, Politecnico di Torino
Corso di Dottorato in Ingegneria Elettronica e delle Comunicazioni
2
1
Outline
Che cos’è l’UWB?
Che cos’è la tecnologia UWB?
Occupazione spettrale FCC
Applicazioni
Modulazioni
Architetture ricevitori
Ranging
Conclusioni
Tecnologia Wireless Banda estremamente elevata
Occupazione spettrale: 3.1-10.6 GHz
Densità spettrale di potenza (PSD) = -41.3 dBm/MHz
Corrispondente a 79 nW/MHz
Dispositivi UWB Unintentional devices (come televisori, lettori mp3,
Elettronica portatile, etc...)
3
4
Definizione di segnale UWB
Caratteristiche del segnale
• Resistenza ai multipath (i multipath possono essere isolati)
Segnale UWB Banda frazionaria maggiore di 0.25 oppure
Banda maggiore di 500 MHz
•
•
•
•
Bf = 2 (fH – fL)/(fH+fL)
5
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)
6
1
NB, WB vs. UWB
Potenza in trasmissione?
Wideband CDMA (5 MHz)
FCC indoor/outdoor
limit (-41.3 dBm/MHz)
GPS
Emitted
Signal
Power
Bluetooth,
802.11b
Cordless Phones
Microwave Ovens
PCS
Narrowband (30kHz)
I limiti FCC per le altre
Tecnologie (2.4 GHz ISM)
sono 40 dBm/MHz in più
rispetto alla tecnologia
UWB
GSM
PSD molto bassa rispetto agli altri sistemi wireless
802.11a
“Part 15 Limit”
-41 dBm/Mhz
UWB
Spectrum
UWB (Molti GHz)
1.6 1.9
2.4
3.1
5
Frequency (Ghz)
Frequenza
Il livello di potenza UWB ‘visto’ dai ricevitori NB
e WB è molto più basso
10.6
UNLICENSED spectrum!
7
Potenza in trasmissione?
8
Maschera FCC indoor
Miglior controllo della banda di trasmissione rispetto a trasmissioni ISM Bande ISM circa 80 MHz, banda UWB 7.5 GHz
Febbraio 2002 (14/02/2002), Maschere FCC indoor e outdoor
Il segnale UWB può essere classificato come ‘rumore’
(livello rumore ambientale -174 dBm/Hz)
87 Log
ETSI Indoor Limit
FCC Indoor Limit
Part 15 Limit
Regolamentazione europea non ancora determinata
Problema aperto: coesistenza con altre tecnologie wireless tecnologie
802.11a dividono in 2 la banda UWB. Come risolvere?
Forma d’onda contenuta nella maschera FCC
9
Data rate
10
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
Target: Throughput 10-100Mbit/s
Applicazioni:
802.15.1 (BT)
Source IEEE802.15-3a
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
Se ne occupava il Task group IEEE 802.15.3a
Il tentativo di standardizzazione per queste applicazioni è stato abbandonato
Alto data rate su brevi distanze, basso data rate su elevate distanze
11
12
2
High data rate (HDR)
Mobile
Cluster
DVD
players
HDTV
VCRs
camcorders
CE
Cluster
camera
phones
cameras
audio
systems
console
games
High data rate (HDR)
Broadband services:
Cable, xDSL,Satelite,
Terestrial
Home Gateway
mobile phone
3G
handsets
storage
devices
Camcorder
laptops
Printer
DVD
Scanners
speakers
Desktop
computer
Monitor
PDAs
MP3
handheld PCs
Laptop
computer
TV
Digital
Camera
PDA
PC
Cluster
Audio
printers
Idea principale, fornire una connettività in più
con connessione high-speed USB 2.0, firewire IEEE 1394
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Applicazioni LDR
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Applicazioni LDR
LDR WPAN Low Data Rate Wireless Private Area Networks
Estensione del livello fisico esistente NB per applicazioni UWB Low-Data rate
Thoughput 10-100 kbit/s
Idea principale: Fusione della capacità di comunicazione e di localizzazione
Applicazioni Rescue (per pompieri, bambini, valanghe, soldati...)
Applicazioni Macchina-Macchina (M2M), reti di sensori,
automatismi
Dotare oggetti di capacità di loacalizzazione
Rescue
(determinazione del livello
Di ossigeno e delle
Condizioni di vita del soggetto)
Task group IEEE 802.15.4a
Interconnettività con capacità
di localizzazione
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Tipologie di sistemi UWB
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Approccio DS-UWB
L’impulso occupa tutta la banda
disponibile.
DS-UWB (Direct sequence UWB) Occupazione della banda UWB con segnali
Opportuni di durata molto breve
 Tecnologia IR-UWB (Impulse Radio)
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
Accesso multiplo al canale con codici
TH (Time Hopping)
DURATA IMPULSO qualche ns
OFDM-UWB Approccio WB applicato su banda UWB
DS-UWB 1 informazione = sequenza Impulsi UWB
IR-UWB (caso particolare DS-UWB) 1 informazione = 1 impulso UWB
17
18
3
Approccio OFDM-UWB
Come modulare il segnale?
OFDM-UWB modulazioni cassiche BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM
Banda > 500 MHz
Accesso multiplo grazie a TFC (Time Frequency Codes)
Banda UWB divisa in sottobande
Ricevitore con complessità maggiore nella
demodulazione e sincronizzazione
FH per ridurre ISI
122 sottoportanti per banda
(channel estimation, trasmissione dati,
guardia FH)
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)
19
20
Modulazioni IR-UWB
Modulazioni IR-UWB
V
+A
Pulse Position Modulation (PPM)
Position 0
-A
10001
10000
Position 1
10011
Position 2
00001
00000
10010
11100
Position 3
Position 15
00010
00011
Pulse Amplitude Modulation (PAM)
t
01100
-30
-40
-50
-60
DSP
5 bit/simbolo:
4 bits PPM + 1 bit PAM
On-Off Keying (OOK)
-70
-80
Permette anche di effettuare lo
Smoothing dello spettro BPSK (Biphase Shift Keying)
-90
-100
0
2
4
6
8
Fréquence [GHz]
10
12
21
22
Architettura ricevitori
Architettura ricevitori IR
Diversi tipi di architetture di ricevitori a seconda della tipologia della
Trasmissione Ricevitori OFDM Non-Coerenti
(ED):
s(t)+n(t)
()2
∫
12ADC
11 9 1
∫(n(t)+s(t))2 dt = ∫ s2(t)dt + ∫ n2(t) dt + 2∫ s(t)n(t)dt =
∫ s2(t)dt + ∫ n2(t) dt + ∫ s(t)n(t)dt + ∫ s(t)n(t)dt
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
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.
s(t)+n(t)
s(t)
23
Stima di canale
[waveform
template]
0 0Soglia
011
diminuzione
prestazioni
Integrazione “coerente”
La replica deve
essere il più possibile simile
al segnale ricevuto
∫s(t)(n(t)+s(t)) dt =
24
∫∫ s2(t)dt + ∫ s(t)n(t)dt
4
Ricevitori IR – Non coer. (ED)
Ricevitori IR - Coerenti
Analog
Antenna
+
BPF
Schema di base Digital
Transmitter
Mixed
RF
SW
VGA
LNA
∫
()2
Ricevitori RAKE Ricevitori omodina con crosscorrelazione che utilizzano una
conversione diretta RF-baseband per la separazione dei multipath
ADC
Pesi
Correlation mask
Synch
DC/PMU
Demod.
&
Data
Proc.
AGC
Counter
DAC
LUT
RAKE receiver NE/CCA
25
Ricevitori IR - Coerenti
Combinazione del segnale impulsivo con componenti di
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Multipath ritardate somma pesata Demodulaz. e sincron. con algoritmo pesato
Ricevitori IR - Coerenti
Funzioni per pesare le correlazioni ottenute con il RAKE receiver:
RAKE receiver con
Risposta impulsiva • 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
Ogni componente di multipath
è isolata dall’altra di τ
Σ([ ∫ s2(t)dt ]* ωi)
Bin o window
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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
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.
IFFT
IFFT per la generazione
del segnale nel tempo
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Canale
H (f)
FFT
Accesso multiplo con OFDMA in cui si trasmettono impulsi di una certa durata
Effettuando frequency hopping.
TFC comandato dalla
parte in banda base
FFT per la ricezione del
Segnale in frequenza
28
30
5
Canale UWB
Canale UWB
Modello SH (Salleh-Valenzuela modificato)
SH Sia per TG3a che per TG4a NUOVO accurato modello TG4a
Modello di canale SH TG4a Nuovo modello risp. 3a, diverse condizioni
ambientali.
Insieme di componenti multipath (delta di dirac) ritardate
nel tempo con ampiezza e ritardo determinati da distribuzioni statistiche.
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 1.2 e 1.9 per i modelli LOS e compreso tra 2.15 e 4.58 per
I modelli LOS
Ascincronismo RX  TX
Modelli disponibili: Indoor Office, Residential, Industrial LOS e NLOS
Outdoor Snow covered (LOS), Outdoor (LOS e NLOS)
31
Localizzazione
32
Localizzazione?
Problema: come determino il TOF?
Applicazioni LDR (Impulse Radio) Distanze elevate, data rate bassi ma capacità di localizzazione
Tipici approcci:
OWR (One Way Ranging), TWR (Two Way Ranging)
Breve durata impulsi UWB Elaborazione nel dominio del tempo
Determinazione del tempo di arrivo degli impulsi
Basati su TDOA (Time Differential Of Arrival), TOA (Time Of Arrival)
TOF (Time-Of-Flight) determinazione della distanza tra due dispositivi
Ipotesi: una serie di dispositivi UWB
sono posizionati all’interno di un certo
spazio
d = c TOF
Tempo di volo
distanza
L03
M21
M24
M16
M19
M30
L08
Velocità
della luce
M26
M22
Dinamica di trasferimento dati per
stima TOF?
L02
L07
L10
M29
M23
M14
M13
M20
M18
M11
M17
M12
M25
L09
M27
L01
L06
M15
33
Localizzazione?
L04
M28
34
OWR-TOA
To
OWR Determinazione del tempo di volo degli impulsi con una singolo
trasferimento dati (1 volta)
T1
TWR Determinazione del tempo di volo degli impulsi con un doppio
trasferimento dati (2 volte)
Ipotesi:
I sistemi sono
sincronizzati
Terminal A
TX
Isocroni
Terminal B
RX
TOF
TOA Lo schema si basa sulla determinazione del tempo di arrivo dell’impulso
Terminal
A
TDOA Lo schema si basa sulla determinazione della differenza temporale
di arrivo dell’impulso
Request
Stima TOF
Stima TOF
~
TOF B = (T1 − T0 )
~
~
d AB = TOF B .c
Terminal
B
Isocroni
35
36
6
OWR-TDOA
Mobile
TX
TWR-TOA
Anchor 1
RX
TOF,1
Anchor 2
RX
TOF,2
Anchor 3
RX
TOF,3
Anchor 1
Info
T2
T1
Isocroni
To
Stima TDOA
To
Terminal A
TX/RX
Asincrono
Info
T2
Info
T3
Terminal B
RX/TX
Mobile
T2
Info
T3
T3
Stima TOA
T1 , T2 , T3
TOF
Anchor 2
Stima TOF
Anchor 3
Terminal
A
Stima TDOA
T1
Isocroni
~
~
~
T21 = T1 − T2 ⇒ d 21 = T21.c
~
~
~
T23 = T3 − T2 ⇒ d 23 = T23.c
Risposta
Richiesta
Ritardo
dovuto al
tempo di
calcolo di B
Terminal
B
TReply
TOF
Stima TOF
1
~
TOF A = (T1 − T0 ) − TReply
2
~
~
d AB = TOF A .c
[
]
37
Ranging
38
Problema 1
Propagazione canale UWB
(multipath, fading,
dipendenze dalla frequenza)
Problema: determinato il tempo di volo, è necessario localizzare, ovvero
determinare le distanze tra i ricetrasmettitori
Date le distanze di,j, (i e j contraddistinguono i transceiver) elaborazioni
successive (2D, 3D) per determinare distanza TRX
Multipath
Impulso: derivata 22esima
Gaussian monocyle
Sigma = 0.182 ps
1) Canale UWB Multipath Come differenzio il primo impulso ricevuto
da quelli risultanti dai percorsi multipli?
Realizzazione canale 802.15.4a
CM1 – Residential LOS
2) Come conto il tempo degli impulsi ricevuti?
Antenna IDEALE
39
Problema 1
40
Problema 1
Multipath Si deve determinare
questo istante
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 41
In generale: processamento della forma d’onda ricevuta per la determinazione
del Tempo di arrivo del primo path
42
7
Problema 1
Problema 2
Algoritmi di ranging Adatti a ricevitori coerenti e non coerenti
1
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
UWB TRX A
2
d = TOF c
d: distanza TRX (m)
c: velocità luce
UWB TRX B
Counter start (Nclk)
A
Path più energetico
2
1
PPDU + Pream + SFD
t
PPDU
A: Delay CLK (tA)
B
PPDU + Pream + SFD
TOF
PPDU
t
TOF
TOF = [(Nclk – N) Tsym – tA - tB]/2
Primo path
43
B: Delay CLK (tB)
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