09 - UWB

Introdução

Conceitos básicos

A tecnologia UWB (Ultra Wideband) oferece um sistema de comunicação sem fios de banda larga, que suporta altas taxas de transferência de dados, vídeo digital e streams de áudio. O UWB foi lançado com o objetivo de substituir os fios de ligação de componentes eletrônicos domésticos de alta fidelidade (Televisão, DVD,...) que necessitam de ritmos de transmissão superiores a 1Mbps e baixos consumos de potência.

O sistema UWB de transmissão baseia-se em técnicas de comunicação por ondas de rádio utilizando uma potência muito baixa e uma extensa largura de banda. Este sistema consegue transmitir milhares de pulsos por segundo. Onde o sistema utiliza uma freqüência muito maior do que os sistemas convencionais e são geralmente muito difíceis de detectar. O pulso pode ser gerado a partir do chaveamento liga e desliga de um transistor utilizando uma onda quadrada sendo que estes pulsos são da ordem de nanosegundos. A largura de banda de um sistema UWB pode variar de acordo com a sua aplicação. Porém utiliza-se uma largura de banda maior ou igual a 25% da frequência central no espectro de frequência.

UWB é baseada no standard IEEE 802.15.3, é uma tecnologia de curto alcance e de altas velocidades (até 55 Mbps). O standard apenas especifica a camada física e MAC, enquanto que UWB preenche as camadas seguintes deixando a camada aplicação livre ao utilizador.

Fornecedores/desenvolvedores

Os fornecedores e desenvolvedores são os seguintes:

Wisair é uma empresa de Israel que desenvolve um conjunto de circuitos integrados, utilizando a tecnologia UWB, para a comunicação em ambientes indoor.

A Intel Corporation, pelas suas contribuições no avanço tecnológico, desenvolveu a Intel Research And Development (R&D) como líder na tecnologia UWB. Segundo Willey, a empresa vislumbra um cenário futuro em que a tecnologia UWB será utilizada para a conectividade em redes pessoais locais sem fio de dispositivos móveis e computadores pessoais com altas velocidades e pequenas distâncias.

A XtremeSpectrum desenvolveu quatro conjuntos de circuitos integrados em série (análogo aos ASIC’s) para a utilização da tecnologia UWB.

A Time Domain desenvolveu um conjunto de circuitos integrados UWB comercializado como a marca registrada PulsON. É a primeira empresa a receber da FCC a certificação de um produto de comunicação UWB. O produto é conhecido como kit de avaliação PulsON 200.

No Japão, o Communication Research Laboratory (CRL) recentemente criou um grupo de projeto voltado à tecnologia UWB, no intuito de promover a pesquisa e o desenvolvimento essa tecnologia. A instituição tem investigado especificações apropriadas para a regulamentação dos sistemas UWB.

A Motorola e a XtremeSpectrum assinaram um memorando de entendimento para trabalharem juntas, no intuito de aproximarem a tecnologia UWB do mercado e, eventualmente, entregar produtos desenvolvidos em parcerias.

Seamon Science – China CIRCUIT OCEAN INTERNATIONAL CO., LIMITED - China GET - China BRILLIANT TECHNOLOGY - EUA Hanshin Information Technology Co, LTD. - Coreia do norte UKAI SDN BHD - Malásia

Cronologia

 1962 - A tecnologia UWB(Ultra Wideband) teve seu inicio, para descrever o comportamento de certas classes de redes micro-ondas.  1670 - No inicio dos anos 70, o Dr. Gerald F. Ross demonstrou a utilização do formato de onda UWB para aplicações em comunicações e implementações de radares.  1960 e 1990 esta tecnologia ficou restrita a aplicações militares dos EUA  1990 - Esta tecnologia só recebeu este nome no final dos anos 90, sendo conhecida, até esta data, apenas de banda base. A tecnologia UWB não substitui qualquer outra tecnologia sem fio e sim proporciona uma outra visão em relação as tecnologias sem fio e suas aplicações. As pesquisas em desenvolvimento de possíveis aplicações referentes a tecnologia UWB tem ganhado mais força para a criação de possíveis produtos para serem comercializados. 2002 – Abril, a Comissão Federal de Comunicações Norte Americana (FCC-USA) definiu as primeiras linhas mestras para a transmissão em UWB, contendo especificações para sua transmissão (máscaras), e determinou que sua ocupação de banda deveria ser maior que 500 MHz.

Nos Estados Unidos, a FCC emitiu um mandato permitindo as transmissões de rádio UWB a operarem legalmente em uma faixa de 3,1 GHz a 10,6 GHz, a uma potência de transmissão de - 41,3 dBm/MHz.
No Japão os legisladores emitiram a primeira licença de UQWB permitindo a operação de um transmissor UWB no Japão.

Em setembro no Japão, o CRL criou o então chamado UWB Consortium juntamente com o conglomerado industrial e as universidades, com a supervisão e o suporte da Yokosuka Research Park. O projeto consiste na colaboração entre as indústrias, universidades e governo.

objetivos deste consórcio são:

* Pesquisa e desenvolvimento de todas as tecnologias para sistemas de acesso sem fio baseados em UWB;
* Implementação e experimentos investigativos utilizando microondas e sistemas wavebande (ou seja, 960 MHz, 3,1-10,6 GHz e 22-29 GHz);
* Pesquisa e desenvolvimento de sistema UWB em freqüências altas não utilizadas, tal como a freqüência de 60 GHz;
* Estabelecimento de sistemas de transmissão baseados em UWB, com baixo custo e altas taxas de transmissão, da ordem de 100 Mbit/s;
* Contribuição para a padronização dos sistemas UWB no Japão e em outros países.

2003 – janeiro de 2003, o IEEE criou o grupo 802.15.3a para definir uma norma para a tecnologia UWB.

Duas propostas diferentes foram apresentadas para a camada física (PHY) do sistema UWB:

uma aproximação multi-banda, combinando saltos em freqüência (frequency hopping) em OFDM [Batra et al. 2003], e uma segunda aproximação usando seqüência direta UWB (DSUWB), que preserva a natureza do sinal UWB (espalhamento espectral) [Roberts, 2003].

2005 – Em abril começou a comercialização de poucos produtos.

2005 – 2006 - A Intel lança soluções UWB padronizadas.

2006 - Na Europa, o processo de regulamentação foi iniciado, mas só em Julho de 2007 a Comissão Europeia legalizou definitivamente a utilização de UWB.

2009 - Março, a WiMedia Alliance passou a desenvolvimento atual e futuro da especificação de MB-OFDM para os grupos Bluetooth SIG, USB Implementers Fórum e Wireless USB Promoter Grou.

Pontos relevantes

O sinal UWB possui os seguintes pontos relevantes:

1- Um dos pontos relevantes da transmissão UWB é a elevada taxa de dados. Enquanto muitas tecnologias estão continuamente sendo melhoradas, muitas das comunicações UWB estão atingindo faixas de 100 Mbit/s a 500 Mbit/s.

2- Um ponto muito importante da tecnologia UWB está a baixa complexidade e o baixo custo dos sistemas. Sistemas UWB podem ser construídos quase que totalmente digitais, com um mínimo de radio freqüência e eletrônica de microondas. O número reduzido de componentes e o tamanho reduzido dos circuitos integrados contribuem para um sistema de mais baixo custo.

Exemplo:

Um transmissor UWB poderia ser composto por um gerador de pulsos, um circuito de tempo e uma antena somente.

3- Baixo consumo de energia - O consumo atual de energia dos conjuntos de circuitos integrados do UWB é um valor inferior a 100 mW. Devido a baixa potência utilizada para produzir o pulso.

Exemplo: 802.11 a o consumo e de 1500-2000

4 - Imunidade a múltiplos caminhos do sinal entre o emissor e o receptor;

5 - Canais codificados para cada comunicação fim-a-fim (user-code);

6 - Precisão na comunicação em comunicação simultânea.

   * Não causa interferência em outros sinais de rádio.
    → Devido a baixa potencia dos pulsos emitidos.

   * Dificuldade de detecção do sinal UWB por possíveis invasores.
    → Por ser pulsos com baixa potência o sinal facilmente é confundido como ruído.
   * Baixo custo dos componentes.
    → Pois equipamentos com potencia mais baixas são mais baratos.
   * Possibilidade de aplicação em diferentes arquiteturas.
   *  Altas taxas de transmissão de dados.

• Minimização de interferências com outros serviços. As interferências podem ser minimizadas por causa da baixa densidade de potência.
• Persistência ao multi-caminho o O multi-caminho pode ser eliminado utilizando métodos de filtragem.
• Penetração de superfícies o Habilidade de penetrar paredes e portas.

Funcionamento

Princípios básicos de funcionamento

Um transmissor UWB funciona enviando bilhões de pulsos dentro de um espectro muito largo de frequências, que chega a vários giga hertz de uma largura de banda. O receptor traduz os pulsos em dados, ouvindo uma sequencia de pulsos já conhecida, enviada pelo transmissor.

O UWB e uma combinação de uma grande largura de espectro, baixa potência e pulsos de dados que melhora a 

velocidade e reduz a interferência de outros equipamentos wireless.

Nos EUA o Comite Federal de Comunicações (FCC), regularizou que o as transmissões UWB podem operar 

legalmente numa faixa 3.1 GHz e 10.1 GHz e limita a potência de transmissão a -41 dbm/MGHz. O resultado e um canal de capacidade de baixo alcance e interferência limitada.

Topologia/arquitetura

http://www.gta.ufrj.br/grad/10_1/uwb/Arquitetura.html

Elementos

Os elementos do UWB são os seguintes:

Protocolos e tipos de acesso

Os protocolos e tipos de acesso são os seguintes:

IP (UPnP)

Não-IP Peer-to-peer (W1394)

Bluetooh

Peripheral Interconnect (WUSB)

Estágio atual

Estado da arte

É previsto que, em 2005 existirão mais de 80 milhões de redes sem fim no mundo, dentre estas, 13 milhões dentro de casas nos Estados Unidos, impulsionadas pela grande quantidade de equipamentos que surgirão com necessidade de comunicação de banda larga, rápida e fácil. Dentre estas podemos citar os PCs, máquinas de filmar e fotográficas digitais, televisores de alta definição (HDTV), etc. E tudo indica que o UWB será capaz de atender todas estas necessidades, estimulando principalmente as redes pessoais ou WPANs. Definitivamente as redes sem fio de curto alcance (Short Range Wireless) serão prioridade para os próximos anos.

Os próximos passos para a comercialização do UWB dependem das regras dispostas para FCC e a definição de um padrão único para que todas as aplicações possam se falar. As pesquisas com UWB estão rumando para a codificação e a estimação de canais, arquiteturas multi- usuários, além da busca por chips mais eficientes e menores, e antenas. As empresas do mercado estão partindo para o desenvolvimento de redes móveis as hoc, além de mais precisão na localização geográfica, etiquetas eletrônicas de baixa potência para produtos e radares de curto alcance. Dentro da área de definições técnicas com relação ao Ultra Wideband, ainda estão em discussão os protocolos de camadas acima da camada física para aproveitar ainda mais o potencial do Ultra Wideband. O objetivo principal das pesquisas é aumentar ainda mais a mobilidade utilizando-o em redes escaláveis, distribuídas e baseadas em IP. Nos Estados Unidos, há grande interesse militar nas aplicações do UWB. A Agência americana de Pesquisas Avançadas em Projetos de Defesa (DARPA), está financiando estudos sobre as propriedades de canais UWB e o efeito da sua utilização sobre a transmissão em outros espectros de freqüência. Há uma estimativa de que existam cerca de 40 projetos de pesquisa patrocinados pelo governo ou por áreas militares americanas.

A atual tendência é adotar o padrão IEEE 802.15a, como um método de múltiplo acesso, para uma camada física do UWB.

Problemas

O sistema UWB possui alguns problemas:

Interferência com outros sistemas. Outros sistemas apenas receberiam o sinal como sendo um ruído.

Grande número de multi-caminhos. Um grande aparecimento de multi-caminhos com maior incidência nas limites inferior e superior da freqüência.

Longos tempos de sincronização. O envio de pulsos em tempos regulares pelo transmissor em intervalos de nanosegundos acarreta em uma necessidade de sincronização entre o transmissor e o receptor.

Dificuldade de transmissão para taxas acima de 1 Gbps. → Isso traz a incapacidade de se competir com meios de transmissão óticos.

Pequeno alcance para o sinal emitido, menor que 10m. → Devido a baixa potência o sinal é facilmente destruído pelo ruído, não alcançando grande distâncias, porém se aumentar a potência essa distancia limite também aumenta.

Por ser um sinal de baixa potência pode ser facilmente destruído por um ruído.

Exemplos

O campo de aplicações a partir da utilização de sinais UWB é bastante amplo. Esta tecnologia pode ser usada tanto na área tecnológica como na área médica.Abaixo segue algumas de suas aplicações:

• Conexão sem fio de diversos sistemas eletrônicos. Possibilidade de transferência de dados entre aparelhos eletrônicos tanto para redes pessoais como para redes locais, PAN e LAN respectivamente.

• Medição da distancia e posicionamento, e rastreamento em tempo real. Possibilidade de determinar o posicionamento de um objeto e a distancia entre o transmissor e o receptor.

• Detecção de intrusos. Possibilidade de detecção de invasores tanto para uso residencial como empresarial.

• Localização de objetos e pessoas. Possibilidade de localizar pessoas que estão debaixo de escombros devido ao desmoronamento de encostas e construções, por exemplo. Possibilidade de localizar objetos como cabos e encanamentos para auxiliar na construção civil além da identificação de minas terrestres para uso militar.

• Monitoramento do corpo humano Possibilidade de monitoramento de batimentos cardíacos e monitoramento respiratório de pacientes que estão na UTI(Unidade de Tratamento Intensivo) em hospitais. Possibilidade de monitoramento de mulheres grávidas a partir de sessões em que é possível monitorar o batimento cardíaco e respiratório da mãe, os movimentos e o batimento cardíaco do feto e as contrações do útero materno.

• UWB tags Possibilidade de detecção e identificação de problemas relacionados a motoristas e comunicação veículo-a-veículo além do RFID.