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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

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

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  • 1. Una introducción a IR-UWBcon resultados de investigación. Dr. Fernando Ramírez-Mireles ramirezm@ieee.org Seminario en la Febrero 10, 2011
  • 2. AgendaParte I: Introducción a UWBParte 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 canalesModulación 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, TDMAModulación basada en pulso pasabanda 1. Pulsos varios 2. Modulación: Biphase, otras, 3. CDMA: DS 4. DS-UWB: Biphase, DS, TDMAMultiportadora* 1. MBOA: OFDM, FH,TDMAOtras 1. FM, UWB-FSK 2. ChirpModelos 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 ltraFuente: “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 bandaComplejidad F.RAMIREZ-MIRELES
  • 13. C capacidad en bits/segB ancho de banda en HzSNR relación señal-a-ruido F.RAMIREZ-MIRELES
  • 14. Estimación de distancia Ejemplo para medir el retardo de ida y vueltaTX 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 colisionesPara ver detrás de las paredesPara tirar todos los cables De tu computadora De tu teatro caseroPara saber donde anda tumascotaPara localizar tu libro favorito F.RAMIREZ-MIRELES
  • 23. Para que transmitas a1 Giga bit por segundoDe manera inalámbrica!! F.RAMIREZ-MIRELES
  • 24. Presente y futuro… UWB and USB UWB y entretenimiento UWB y WSN UWB y compartición del espectro UWBISM UPCS UPCS U-NII Millimeter ISM U-NII U-NII Wave Band ISM 1910 1930 2400 2390 2484 5150 5250 5350 5725 5825 5850902928 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) MmUWB UWB UWB Wave Band0 10 20 30 40 50 60 GHzID Comm Vehicular Comm Figure from [B. Broderson, E225C Lecture notes, UCB]
  • 26. AgendaParte I: Introducción a UWBParte II: Resultados de Investigación F.RAMIREZ-MIRELES
  • 27. Resultados de InvestigaciónDiseño de señalesCapacidad de CanalUn usuario en multitrayectoriaAcceso MúltipleReceptores de baja complejidadControl de potencia en WSNEstado del Arte F.RAMIREZ-MIRELES
  • 28. Marco de la investigación Transmisor Antena Canal Antena ReceptorDiseño de señales Capacidad de canal Desempeño M-ary PPM, AWGN, BER FSK MUI (modelado y quantificación), Numero de Usuarios Multitrayectoria (uso de modelos) ComplejidadManejo de potencia Coherente, WSN No coherente, No acoplado F.RAMIREZ-MIRELES
  • 29. AgendaDiseño de señales [WIRELESS PERSONAL COMMUN., 2010] [TRANS. ON VEHIC. TECHNOL., 2007] [TRANS. ON VEHIC. TECHNOL., 2002]Capacidad de CanalUn usuario en multitrayectoriaAcceso MúltipleReceptores de baja complejidadControl de potencia en WSNEstado 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 BERPropiedades Incrementar De Aumentar la Dimensionalidadcorrelación Velocidad De TX Moldear Cumplir Máscara TX la PSD Mitigar Interferencia F.RAMIREZ-MIRELES
  • 32. Diseño de SeñalesDada una modulación y una forma de pulso en particularen IR-UWB…. ¿Qué diseños de señales se pueden usar enUWB para: Bajar la probabilidad de error, o incrementarla velocidad de transmisión, o aumentar el número deusuarios, o reducir la interferencia hacia otros sistemas? F.RAMIREZ-MIRELES
  • 33. Diseño de señales PPMF.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 BERPulso Gausiano Receptor Less BER coherenteCota Superior Less Eb F.RAMIREZ-MIRELES
  • 37. Diseño de señales: AWGN vs. Multitrayectoria AWGNS2 distancia multitrayectoria S1 F.RAMIREZ-MIRELES
  • 38. Diseño de señales para modelar la PSDdiscretacontinua 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. AgendaIntroducciónDiseño de señalesCapacidad de Canal [TRANS. ON VEHIC. TECHNOL., 2007] [COMMUN. LETTERS., 2005]Un usuario en multitrayectoriaAcceso MúltipleReceptores de baja complejidadControl de potencia en WSNEstado del Arte F.RAMIREZ-MIRELES
  • 41. Capacidad de canalTeóricamente, una señal con ancho de banda infinitotransmitida sobre un canal multitrayectoria permitiríaobtener la misma capacidad de canal que si fueratransmitida en un canal sin multitrayectoria.¿Qué tan lejos esta UWB de este límite teórico? F.RAMIREZ-MIRELES
  • 42. Capacidad de canalEntrada 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 deCapacidad de canal usando UWB F.RAMIREZ-MIRELES
  • 44. Vectores para cálculo deCapacidad de canal usando UWB F.RAMIREZ-MIRELES
  • 45. Expresión para el cálculo deCapacidad 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. AgendaIntroducciónDiseño de señalesCapacidad de CanalUn usuario en multitrayectoria [JNCW 2011] [TRANS. ON BROADCASTING, 2006] [TRANS. ON VEHIC. TECHNOL., 2001Acceso MúltipleReceptores de baja complejidadControl de potencia en WSNEstado del Arte F.RAMIREZ-MIRELES
  • 50. Desempeño PPM M-ario DECREASING BER FOR CONSTANT SNR F.RAMIREZ-MIRELES
  • 51. Margen de desvanecimientovariable 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. AgendaIntroducciónDiseño de señalesCapacidad de CanalUn usuario en multitrayectoriaAcceso Múltiple [TRANS. ON WIRELESS COMUN., 2007] [TELECOMMUNICATIONS SYSTEMS, 2007] [JOURNAL SELECT. AREAS ON COMMUN., 2001]Receptores de baja complejidadControl de potencia en WSNEstado del Arte F.RAMIREZ-MIRELES
  • 54. Acceso múltipleusando 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 UsuariosAsíncronos Target BERSuposición 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 efectoscombinados 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 RbIncreasing BER Increasing low Rb No. users Increasing Increasing No. users F.RAMIREZ-MIRELES Tx rate
  • 62. AgendaIntroducciónDiseño de señalesCapacidad de CanalUn usuario en multitrayectoriaAcceso MúltipleReceptores de baja complejidad [Trans. On Consumer Electronics, 2010]Control de potencia en WSNEstado 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 FiltradoSeñal 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. AgendaIntroducciónDiseño de señalesCapacidad de CanalUn usuario en multitrayectoriaAcceso MúltipleReceptores de baja complejidadControl 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 lanaturaleza estadística de la MUI SNR GAP F.RAMIREZ-MIRELES
  • 70. Hay condiciones que permitenmodelar la MUI como Gausiana F.RAMIREZ-MIRELES
  • 71. Podemos hacer una prueba parasaber cuando la MUI es Gausiana F.RAMIREZ-MIRELES
  • 72. AgendaIntroducciónDiseño de señalesCapacidad de CanalUn usuario en multitrayectoriaAcceso MúltipleReceptores de baja complejidadControl de potencia en WSNEstado del arte [Recent Patents in Electrical Engineering, 2009] F.RAMIREZ-MIRELES
  • 73. Estado del arte en UWBComunicaciones de alcance corto (en el mercado) Redes caseras USB inalámbrico DVD inalámbricoRadar que penetra paredes (en el mercado) Atrapar a los delincuentes Buscar a las víctimas en terremotosSensores 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. GraciasEn especial a los Doctores Juan Reig,Lorenzo Rubio y Alberto González ramirezm@ieee.org F.RAMIREZ-MIRELES
  • 75. Comentarios en la modulaciónPPM 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 receptorRecepción coherenteFiltro acoplado, receptor Rake idealSincronización 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 casosUsamos 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 SSMARecepción 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 multitrayectoriaUsuarios 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 usuariosCota 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. EcosistemaUniversidadesEmprendedoresIngenierosCapital semillaInversionistas de riesgo (VC’s) y mercados de capitalesVeteranos de la industriaForos y Redes de contactosAdministradores profesionalesAbogadosIngenierosInstalacionesEquipoCultura de EmprendimientoSistema de manejo y transferencia de riesgo F.RAMIREZ-MIRELES
  • 80. Tipos de productosHigh Tech High growth: Productos detecnología avanzada que se puedan vender pormillonesInnovación: Un nuevo producto o servicio queusa un nuevo diseño, un nuevo algoritmo, yuna una nueva tecnologíaHacerlo competitivo dentro de la ventana deoportunidad 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 trabajadorJornada de muchas horasPresion intensaTrabajo en equipoMeritocracia y rendición de cuentasConocimiento y experienciaVersado en varias habilidadesFlexibilidadOrientado a resultadosProactivo F.RAMIREZ-MIRELES
  • 83. Productos y Arquitectura Ikanos Chips set multipuerto para VDSL Aware Propiedad intelectual para DSL Glenayre / Wireless Access Radiolocalizador bidireccional Arquitectura generalmódulo analógico híbrido analógico-digital módulo digital HW HW HW SW F.RAMIREZ-MIRELES
  • 84. Diferentes tipos de ingenierosTechnical marketingSystem engineer Baseband ProtocolsHardware: Analog IC designer Mixed signal designer Hardware designer (Digital bajo nivel)Software SW engineer (alto nivel) DSP engineer (bajo nivel)Test engineerField engineer F.RAMIREZ-MIRELES
  • 85. Trabajo en IkanosCommunications 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 tecnologíasestratégicas (el grupo de estándares)Desarrollo de algoritmos Cancelación de interferencia RFI en ADSL Patentes en Norteamérica, Europa, Asia y OceaníaSimulación de algoritmos Cancelación de RF WLAN PHYProgramación 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