UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE ELECTROTECNIA Y COMPUTACIÓN Carrera de Ingeniería Electrónica

DEPARTAMENTO DE SISTEMAS DIGITALES Y TELECOMUNICACIONES

Examen 2 Modulo De Curso De Titulación

Tecnología Ultra-WideBand (UWB): Una Revolución a Corto Alcance

Autor(es): Br. Moisés Góngora Aragón

Br. José Gabriel Cano Portocarrero

Asesor / Instructor: Ing. Enrique Hernández García

Managua, Nicaragua

Mayo de 2012

Tecnología Ultra-WideBand (UWB): Una Revolución a Corto Alcance Las comunicaciones modernas demandan más ancho de banda, sin embargo el ancho de banda no es ilimitado, el espectro electromagnético se está agotando rápidamente debido al uso creciente de ancho de banda de las aplicaciones actuales. Todo esto es debido a la aparición de nuevas tecnologías y a la gran demanda de transmisión de datos cada vez mayores de los usuarios finales. Se requiere una plataforma que sea económica, confiable, y de alta calidad para dar respuesta a las necesidades de transmisión de datos. UWB es toda una revolución a corto alcance que promete dar soluciones a los problemas derivados de las necesidades de comunicación modernas. Pero que es UWB? El término Ultra-wideband (UWB), se usa para referirse a sistemas de radio que usan un ancho de banda mayor de 500 Mhz. o del 25% de la frecuencia central, de acuerdo con la FCC (Federal Communications Commision). Los primeros sistemas UWB estuvieron basados en el Spark-gap, de hecho el transmisor Spark-gap inventado por Marconi en 1897 se puede considerar como la primera tecnología UWB. UWB es una tecnología emergente. Ultra Wide Band es una tecnología industrial inalámbrica emergente que puede transmitir datos digitales sobre un espectro de frecuencia ancho (ensanchado) con una potencia muy baja y a tasas de datos de muy alta velocidad. Puede ser definida como una tecnología de radio que modula formas de onda basadas en impulsos (con una duración de una billonésima de segundo a una mil millonésima de segundo cada uno. La onda resultante tiene una banda muy amplia) en ves de ondas portadoras continuas (esta transmisión puede hacerse sin portadora). UWB nos provee un espectro ensanchado, al utilizar parte del espectro de transmisión asignado a otras tecnologías, lo que le confiere unas características especiales. UWB se reviste de características muy especiales que le permiten sobresalir en el medio de telecomunicaciones personales del mundo moderno. Una de ellas es la diferencia con las frecuencias de banda de radio (RF) y tecnologías “spread spectrum” (SS), como el Bluetooth y el 802.11, debido a su "estrechez" en el ancho de banda. UWB usa un gran ancho de banda del espectro de RF para transmitir información. Es por esto que es capaz de transmitir más información en menos tiempo que las tecnologías anteriormente mencionadas. En cuanto a licencias, tecnologías como Bluetooth, WiFi, teléfonos inalámbricos y demás dispositivos de radiofrecuencia están limitadas a frecuencias sin licencia en los 900 MHz, 2.4 GHz y 5.1 GHz, UWB utiliza un espectro de frecuencia recientemente legalizado que van desde las frecuencias de 3.1 GHz hasta 10.6 GHz (más de 7 GHz de ancho de banda). Cada canal de radio tiene un ancho de más de 500 MHz, dependiendo de su frecuencia central. Tiene una alta productividad (throughput). Esto es consecuencia del hecho de estar compartiendo bandas de frecuencia con otros dispositivos. El hecho de compartir hace necesario que las terminales de transmisión tengan que estar relativamente cerca para evitar las interferencias que pueda producir. Por lo que otra característica de UWB es que utiliza una señal de baja potencia (la FCC limita la potencia radiada isotrópica efectiva a -41.3 dBm/Mhz). Para lograr alta penetración con respecto a materiales que tienden a ser más opacos a frecuencias altas, utiliza las frecuencias mas bajas posibles. Por lo tanto distancias de comunicación cortas sumadas a baja potencia de transmisión, hacen que la posibilidad de interferencia con otros dispositivos (DTE) sea mínima o no existente.

Una característica primordial es la capacidad de UWB de transmitir una gran cantidad de datos del rango de cientos de megabits. Lo que hace que esta tecnología ofrezca un gran potencial al moderno sistema de telecomunicaciones industrial, beneficiando a lo usuarios finales. Vivimos en la sociedad de la información, las tecnologías de la información e Internet, lo que posibilita nuevas formas de relación y comunicación. Estamos viviendo una transformación a un nuevo estado socioeconómico impuesto por la sociedad de la información. Esto implica una revisión de las estrategias de las empresas u organizaciones para adecuar su plataforma tecnológica a los nuevos sistemas de información y comunicación. El elemento clave para una ventaja competitiva de las empresas es la plataforma tecnológica. Es en esta área que toma vital importancia la banda ancha, en especial la banda ultra ancha, que permite la transformación de la plataforma tecnológica hacia una arquitectura centralizada. Esta centralización es vital para la evolución de las empresas al mundo digital. La disponibilidad de redes de banda ancha en el contexto nacional y local, en especial WPAN-Wireless Personal Area Network, determinada por la gran existencia de dispositivos personales y de oficina ofrecidos por los diferentes fabricantes de equipos electrónicos de comunicación (esto incluye ubicuidad en los equipos modernos), es la base para abordar proyectos de centralización y consolidación de infraestructura informática en las redes de las empresas. Todo esto redunda en una reducción del costo de propiedad de los servidores. Como resultado podemos tener una infraestructura de IT (Information technology) más eficiente con unas comunicaciones suficientemente dimensionadas. La capacidad de transmitir cientos de megabits hace esta tecnología ideal para la transmisión de todo tipo de aplicaciones multimedia: videojuegos, HDTV o televisión de alta definición; VoD, o video en demanda; ITV o televisión interactiva; T-Commerce o comercio por televisión; VoIP, además para conectividad y portabilidad de dispositivos electrónicos. Es por lo tanto considerable el impacto que esta tecnología tiene y tendrá en la sociedad de las comunicaciones. Si tomamos en cuenta que las TICs son pilares básicos de la sociedad, y que según la comisión Europea en el siglo XXI el sector de las TIC es responsable del 5% del PIB europeo y que de los incrementos de productividad europeos el 20% proviene directamente del sector TIC y el 30% de inversiones en TIC del resto de sectores, podemos concluir que las redes (Internet) van a constituir la plataforma básica para el desarrollo económico y social de las sociedades avanzadas. Todo esto esta sucediendo en la actualidad y en el futuro inmediato. De manera inmediata la conectividad ubicua y el funcionamiento en línea serán el pilar habitual del conjunto de actividades de la sociedad moderna, las empresas y los individuos, convirtiéndose en la principal forma de relación con las administraciones publicas, educación, la asistencia sanitaria y los servicios financieros. Esta convergencia digital está acelerando la obsolescencia de modelos económicos que han funcionado hasta fechas recientes provocando fenómenos intensos de destrucción de valor y poniendo en evidencia el agotamiento de otros modelos (redes y servicios telefónicos). En resumen, estamos presenciando el nacimiento de un nuevo período de transformaciones económicas y sociales, que evidencia el impacto verdadero de tecnologías como UWB. Todo esto implica que hay nuevas tendencias de desarrollo en las redes con respecto a UWB. Muchos creen que la combinación de radios a corto alcance y la Internet cableada, puede convertirse en el complemento perfecto para la nueva generación de sistemas celulares para

datos, voz, audio y video. De acuerdo al artículo “Tecnología Ultra Wide-Band: La Revolución a Corto Alcance” (Jordi Díaz, Center for Communication and signal Processing) los factores que están impulsando las comunicaciones de radio de corto alcance en general UWB en particular son:

1. La creciente demanda de servicios de datos, para entornos móviles, con mayor ancho de banda pero con menor coste y consumo energético que los existentes actualmente.

2. Súper-explotación del espectro radioeléctrico, que se encuentra fragmentado por las autoridades normativas de la manera tradicional.

3. La popularización de acceso a Internet de alta capacidad en empresas, hogares y espacios públicos.

4. Continua bajada del coste de semiconductores así como de su consumo de potencia para procesado de señal.

Los puntos 1 y 2 benefician el desarrollo de sistemas que ofrezcan no solo altas velocidades de pico, sino también capacidad espacial (bits/seg/metro-cuadrado). En este particular hay que tomar en cuenta los estándares emergentes para comunicaciones de radio para corto o medio alcance. En este sentido los estándares IEEE 802.11a, 802.11b y 802.11g (los más comunes), tienen una capacidad espacial aproximada respectivamente de 83,000 bits/seg/metro-cuadrado, 1000 bits/seg/metro-cuadrado, 4900 bits/seg/metro-cuadrado. Por otro lado, el estándar Bluetooth, en su versión de baja potencia, rango de 10 metros y velocidad máxima de 1 Mbps, tiene una capacidad espacial aproximada de 30.000 bits/seg/metro-cuadrado. Si analizamos UWB (de acuerdo al articulo mencionado en los párrafos anteriores, Pág. 54), en un rango de 10 metros, se midieron velocidades de hasta 50 Mbps y como resultado se obtiene una capacidad espacial aproximada de 1, 000,000 de bits/seg/metro-cuadrado. Las cualidades de UWB ofrecen una posibilidad para que esta tecnología sustituya en un futuro cercano a la tecnología Bluetooth. De acuerdo al análisis anterior, podemos ver claramente a UWB como un claro sustituto para el dicho estándar. Mientras que para los estándares 802.11a, 802.11b, 802.11c, habría que hacer avances importantes en cuanto a legislación y distancia para que UWB se convierta una opción viable para los mismos. El punto 3, favorecen la provisión de gran ancho de banda para dispositivos móviles que utilicen estándares de comunicación sin cables a corta distancia tales como Bluetooth y 802.11, mencionados anteriormente. Esta es otra tendencia de desarrollo para UWB. Se vuelve factible el desarrollo de UWB como consecuencia del punto 4, ya que el procesado de señales de este tipo no era práctica hace unos años. Recordemos que el hecho de que utilice impulsos le confiere otra potencialidad: un bajo consumo de energía, lo que reduce los costos de transmisión. Todo esto hace que la tecnología UWB sea posible y con futuro. Existen también otros sectores en los que UWB se está enfocando, tales como: Diagnostico por imágenes (medicina), detección de enemigos ocultos (militar), ubicaciones geológicas y arqueológicas (georadar), detección de delincuentes emboscados o escondidos con rehenes (policial). Algunas de estas aplicaciones violan las restricciones estipuladas de algunos países (máxima densidad de potencia).

Hasta el momento hemos visto el potencial y tendencias de desarrollo de la tecnología UWB, sin embargo es necesario determinar hasta que punto se aplica UWB en las redes modernas. Estamos hablando del paso del estadio teórico a aplicaciones comerciales. Entre las nuevas aplicaciones posibles se encuentran controles automáticos en vehículos y comunicaciones inalámbricas en aviones. Sin embargo, su comercialización se ha visto frenada por trabas normativas. La utilización de una parte del espectro de radio, entre 3 y 10 giga hertzios, permite que la UWB sea una tecnología versátil, no obstante esto implica que los dispositivos dotados de esta tecnología pueden invadir frecuencias asignadas a otros dispositivos tales como WiMAX, las comunicaciones satelitales o los radares. Es por esto, que las autoridades legislativas temen que esta tecnología produzca interferencias con otras técnicas. En la actualidad se están llevando a cabo investigaciones, ensayos y demostraciones con las que se pretende despejar las dudas al respecto. Dentro de lo que permiten las normativas actuales, encontramos usos prácticos de UWB en HDTV. Un ejemplo de esto lo vemos con el chipset CWave fabricado por la compañía Pulse-Link (http://www.pulselink.net/) que permite soluciones interactivas para el hogar. Este chipset permite la distribución de cuarto a cuarto de múltiples HDTV streams y contenido multimedia sobre cable coaxial y conexiones inalámbricas simultáneamente. Las redes inalámbricas implementadas con este chipset, permiten conexiones en cada cuarto para HDTV, DVRs, DVD players, Media Center Pcs y otros equipos multimedia. En un enlace en la página web de Pulse-Link, encontramos que el fabricante de equipos computacionales y periféricos, “Secure Communications Systems”, está fabricando con éxito equipo basado en UWB para el área militar, el artículo dice textualmente en dos párrafos: “Secure es un proveedor de clase mundial de soluciones de cómputo misión-criticas para todas las ramas militares. La compañía ha diseñado y fabricado con éxito miles de soluciones de computadoras tácticas para el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD). Secure integra equipo comercial, disponible en inventario en soluciones de gran resistencia y a probadas para batallas. Bajo los términos del acuerdo equipo de trabajo, Pulse-Link suplirá su plataforma inalámbrica CWave robusta a SECURE para una gran rango de propuestas que serán presentadas al DoD y otras ramas del gobierno. Las soluciones tácticas se enfocarán en Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN) y Redes Inalámbricas de Área Personal (WBAN). Las aplicaciones, tanto para uso internacional y nacional, incluyen soldados montados y desmontados, inalámbrica entre vehículos y cabinas inalámbricas para aviones, helicópteros y vehículos terrestres.” En otro campo que se encuentra uso de UWB, es en las redes WSN (Wireless Sensor Network-Redes Inalámbricas Sensoriales). En este campo se han diseñado soluciones tanto en el campo industrial como el militar. Veebeam (http://www.veebeam.com/), ha desarrollado y sacado a la venta un transmisor de UWB que transmite contenidos desde la computadora a la televisión de forma inalámbrica. Entre tanto, la HTW de Dresde ha constituido una empresa tecnológica, ZIGPOS (http://zigpos.com/), para comercializar aplicaciones de conexión en red con sensores basados en UWB.

Podemos afirmar sin lugar a dudas que deben pasar algunos años para que la tecnología UWB pueda emplearse en las redes con amplia penetración, dado los problemas normativos del sector, esto debido a que UWB comparte porciones de la banda de radio con otras tecnologías. Además, la clave para evitar interferencias perjudiciales al compartir el espectro con otras técnicas, es la baja potencia de transmisión de la UWB, lo que la limita a una distancia de tan solo 10 metros, no permitiéndole incurrir en el campo de Wifi y Wimax.

Referencias

[1] Jordi Díaz, “Tecnología Ultra Wide-Band: La Revolución a Corto Alcance”, Articulo. Center for Communications and Signal Processing Reseach New Jersey Institute of Technology, 19 Abril 2003.

[2] José I. Cracovski, “Tecnología Emergente: Banda Ultra Ancha”, Primera Edición: 2000

ejemplares, Buenos Aires, Diciembre de 2007

[3] Boris I. Lembrikov, “Novel Applications of the UWB Technologies”, first published July,

2011.

[4] Página principal de pulse-link se encuentra disponible en: http://www.pulselink.net/

[5] Página principal de Veebeam Ltd se encuentra disponible en: http://www.veebeam.com/