UWB Ultrawideband EDWAR ROJAS JONNATAN SERRATO WILIAN QUISTIAL
UWB Ultra-wide-band EDWAR ROJAS JONNATAN SERRATO WILIAN QUISTIAL
Introduccion � Las tecnologías inalámbricas de área local (WLAN) más utilizadas en nuestros días, como Wi-Fi y Bluetooth, fueron desarrolladas con el objetivo de interconectar sin hilos distintos dispositivos en un entorno de cortas distancias a unas velocidades moderadas. Sin embargo, estas tecnologías presentan aún serias limitaciones, entre las que destacan: incrementar la velocidad de transmisión, aumentar la autonomía de funcionamiento y aumentar la seguridad. � Con el fin de mejorar notablemente estas tres características, aparece una tecnología, nueva en el ámbito civil, que tiene una gran tradición de uso en el campo militar, conocida por ultra banda-ancha o UWB (Ultra Wide-Band). UWB, es una tecnología de radiofrecuencia, que se ha desarrollado desde la década de los años 1960 s en empresas relacionadas con instituciones militares y gubernamentales norteamericanas. Es por lo tanto una tecnología muy probada, que ha demostrado su potencial en muchas aplicaciones y en diversos escenarios, algunos de los cuales se corresponden con los requisitos que exigen las nuevas generaciones de sistemas móviles de comunicaciones personales y entre dispositivos. Además, si bien inicialmente los equipos UWB eran muy caros debido a la utilización de componentes discretos en los circuitos integrados, la situación ha cambiado radicalmente con la aparición de los circuitos integrados. � No hay que olvidar tampoco, que el éxito comercial de las tecnologías de comunicaciones inalámbricas depende enormemente de que la porción del espectro radio que las administraciones públicas asignen como disponible sea el adecuado. En la actualidad el espectro radio es un recurso cada vez más escaso. En este aspecto, UWB tiene la ventaja de que trabaja en las bandas con licencia existentes pero con un nivel de potencia tan bajo (en realidad, por debajo del límite inferior de interferencia de los aparatos de radio tradicionales) que los usuarios con licencia no experimentarán ningún tipo de interferencia.
Tecnología Las transmisiones en UWB constan de una serie de impulsos de energía modulados del orden de los picosegundos de duración, siendo la duración de los impulsos mucho menor que el intervalo de tiempo de un bit. Para la modulación o codificación de la información de los distintos impulsos se varía su amplitud, polarización, fase o temporización. Por esta razón se ha llamado a UWB transmisión en modo banda base sin portadora basada en impulsos o no sinusoidal, ya que los impulsos pueden alimentar directamente a la antena para su transmisión. Debido a la extremadamente corta duración de los impulsos, el espectro de frecuencias de una señal UWB es de un ancho de banda de varios GHz. Puesto que UWB debe distribuir la energía sobre un ancho de banda tan grande, la densidad espectral de dicha energía es muy pequeña, lo que retraduce en una carencia casi absoluta de interferencias con otras señales que estén utilizando dicha porción del espectro.
Los emisores UWB transmiten secuencias de impulsos que son detectados por los receptores, estando ambos sincronizados con una precisión de trillones de segundos. Para que tenga lugar la recepción es necesario que los receptores tengan información previa de la temporización y secuencias de los impulsos de los emisores. Los amplificadores de entrada de los receptores están activados durante un periodo de tiempo extremadamente corto, lo que le permite al receptor rechazar la mayoría de las señales no deseadas. En UWB los pares emisor-receptor están activos durante periodos de tiempo muy cortos por lo que es posible la existencia de muchos de estos pares en un mismo entorno, ya que cada uno de ellos tendrá una temporización y secuencia de impulsos diferentes, característica muy importante en las redes inalámbricas de área local, lo que permite la existencia de gran número de trasmisiones simultáneas. Un aspecto negativo de UWB es el alcance, ya que si se aumenta éste ha de ser a costa de disminuir la velocidad de transmisión, debido a las limitaciones de potencia. Este alcance también se verá afectado en el caso de presencia de obstáculos que tiendan a reflejar las señales, si bien su capacidad de atravesar estructuras u objetos es mucho mayor que la de otras tecnologías inalámbricas.
Estandarizacion El UWB Working Group es una asociación abierta de compañías, individuos y entidades de normalización y regulación, formada en 1998, cuyo objetivo común es el desarrollo y aceptación de la tecnología UWB. Este grupo de trabajo fue formado para proporcionar un foro coherente para la diseminación y discusión de temas relacionados con UWB. Hoy en día no hay estándares de UWB para su utilización en las redes inalámbricas de área local en la banda de 3, 1 GHz a 10, 6 GHz Sin embargo, hay dos grupos de trabajo que están en estos momentos intercambiando información para la redacción de estos estándares, uno norteamericano, IEEE 802. 15, y otro europeo, ETSI ERM TG 31. Los trabajos para la definición de un estándar de UWB por parte del IEEE comenzaron en enero de 2003. El objetivo es generar un estándar sencillo, barato, de bajo consumo y de elevada velocidad de transmisión para WLAN. La velocidad será del orden de 110 -200 Mbps y proporcionar la Qo. S necesaria para las transmisiones multimedia. El alcance será de unos 10 metros, con unas potencias radiadas de 100 -250 m. W.
El estándar IEEE 802. 15. 3 surgió de la necesidad de formar WPANs que fueran capaces de transmitir datos de manera rápida, y eficiente. Para lograr esto era necesario formar un grupo de trabajo que se encargara de desarrollar las bases para implementar este estándar. Con esto la IEEE autoriza en diciembre de 1999 la creación del grupo de trabajo IEEE 802. 15. 3 quien fue el encargado de publicar en Agosto de 2003 el primer borrador de dicho estándar, en el que se especifican (como en todos los estándares de la familia 802. 11, 802. 15, 802. 16, etc. ) los requerimientos en la capa física (PHY) y para el control de acceso a medios (MAC). A principios del año 2003, con la aprobación de la FCC, para la utilización y delimitación de un gran ancho de banda para las señales de RF denominadas ultra wide band (UWB), la IEEE designa otro grupo de trabajo que tienen los mismos objetivos de el grupo de trabajo IEEE 802. 15. 3, solo que este nuevo grupo es el encargado de estandarizar el uso de las recién aprobadas UWB. Este nuevo grupo así como su estándar son conocidos como el IEEE 802. 15. 3 a, los cuales se encuentran (noviembre de 2003) estudiando las propuestas de las principales compañías interesadas en manufacturar y comercializar productos que utilicen este nuevo estándar.
Características principales. El grupo de trabajo IEEE 802. 15. 3 se preocupo en desarrollar un estándar que fuera barato en su implementación y en sus costos de operación, por lo que estándar es poco complejo. Otra razón para que sea sencillo es que mientras más simple sean los protocolos, el formato de las tramas, la modulación, etc. , de un estándar la transmisión de datos es más eficiente y por lo tanto más rápido. La red formada con este estándar tiene características que la hacen segura ya que cuenta con encriptación compartida de información basada en el estándar Advanced Encryption Standard (AES 128). Es fácil de utilizarse e implementarse. Tiene un coordinador dinámico de selección y de handover. No depende de una red con backbone. Además está diseñado para trabajar en un ambiente multirutas
Principales aplicaciones. El IEEE 802. 15. 3 tiene muchas aplicaciones potenciales. Este estándar se puede implementar prácticamente en “cualquier dispositivo que sea digno de utilizar un microprocesador. Productos tan disparatados como juguetes, termómetros, y relojes se podrían ver beneficiados con este estándar. Por medio de una modesta cuota, los usuarios podrían actualizar sus juguetes y hacerlos un poco más interesantes. Las lecturas de los termómetros en un hospital se podrían recoger automáticamente por medio de este tipo de redes y ser guardadas para tener una historia clínica detallada de la evolución de algún paciente. Sin embargo alguna de las aplicaciones más interesantes dentro del hogar es la distribución de video. Con este estándar se puede implementar fácilmente una transferencia de alta velocidad de video digital de una cámara aun dispositivo de televisión, sistemas de teatro en casa, conexiones de una PC a un proyector, juegos de video interactivo. De igual forma se pueden hacer transferencias de datos de alta velocidad, para conectar reproductores de mp 3, impresoras, escáners, productos personales y cámaras digitales a una computadora.
Las UWB promete revolucionar las redes caseras en los hogares, teniendo aplicaciones tales como bajar imágenes de una cámara digital hacia una computadora, distribuir señales de alta densidad de televisión (HDTV) de un receptor a múltiples aparatos de televisión a lo largo de una casa, conectar impresoras a una computadora, remplazar cualquier cable de información (no de energía) en el perímetro de un cuarto de una casa, oficina, escuela, hospital, industria, etc. Las ventajas de las UWB son muchas. Por ejemplo, estas trabajan adecuadamente en ambientes ruidosos. La resistencia de estas señales radica en su gran ancho de banda, ya que si hay ruido en alguna banda específica esta solo afectará a un pequeña parte de la señal. También es importante señalar que estas señales tienen niveles de potencia tan bajos que prácticamente no causan interferencia a otros dispositivos que trabajen dentro del mismo rango de frecuencias.
Aplicaciones La tecnología UWB fue concebida para ser utilizada en aplicaciones militares, siendo a partir de los años 1990 s cuando varias empresas e instituciones perciben su enorme potencial para otro tipo de aplicaciones comerciales, orientadas tanto al mercado de redes de área personal (WPAN) como de área local (WLAN). En el campo militar sus dos grandes aplicaciones desde el principio fueron las comunicaciones y la vigilancia de espacios “obscuros”, como el suelo, subsuelo y los bosques. En efecto, los dispositivos UWB pueden ser utilizados para medir con gran precisión distancias y para capturar imágenes de alta resolución de objetos enterrados bajo tierra o detrás de superficies. Estas aplicaciones militares en radar y de localización, también podrían ser fácilmente extendidas al mercado corporativo, principalmente en servicios de emergencia, vigilancia, sanidad, seguridad o construcción. Dadas sus características, se han creado grandes expectativas en relación a su utilización para la fabricación, a costes muy bajos, de dispositivos móviles de bajo consumo, corto alcance y gran ancho de banda; unas características que se corresponden con la dirección que siguen los sistemas inalámbricos de comunicación personal y entre dispositivos en entornos corporativos y domésticos, que buscan integrar las tecnologías inalámbricas de área personal como medio de acceso a los sistemas móviles celulares de tercera y cuarta generación.
Aunque por otro lado, los analistas apuntan a un desarrollo más temprano del segmento más relacionado con la electrónica de gran consumo, sobre todo orientado a la interconexión de dispositivos multimedia en un entorno residencial, con soluciones de conectividad inalámbrica. En este ámbito, UWB se considera una tecnología muy útil para mejorar las prestaciones de los decodificadores de TV por cable y satélite, añadiendo la capacidad de proporcionar acceso a Internet de banda ancha y distribuir la señal de vídeo y audio descodificada a todos los aparatos de televisión del hogar. De hecho, UWB ya ha empezado a ser utilizada en el desarrollo del denominado USB (Universal Serial Bus) inalámbrico.
Comparativa Dentro de las tecnologías inalámbricas que pueden considerarse como competidoras de UWB, cabe destacar Bluetooth y Wi-Fi. En lo que se refiere a velocidad de transmisión, UWB permitirá velocidades de varios Gbps, llegándose en un futuro próximo a 480 Mbps según estimación de las empresas que están desarrollando el estándar 802. 15. 3 a para su uso en las WLAN, con lo que se superará en varios órdenes de magnitud la velocidad de 54 Mbps de las normas 802. 11 a y 802. 11 g de Wi-Fi. En este aspecto, Bluetooth es un débil rival, pues la velocidad que alcance es inferior a 1 Mbps. El consumo de las baterías de los terminales inalámbricos se reducirá drásticamente ya que los niveles de potencia radiada en sistemas UWB son del orden de menos de medio m. W, mientras que en Bluetooth son del orden de varias centenas de m. W y de decenas de m. W para Wi-Fi. Por lo tanto, los dispositivos UWB gozan de una gran autonomía, lo cual siempre es muy bien acogido por los usuarios. Otra ventaja de UWB es la seguridad intrínseca que posee, puesto que es necesario conocer la secuencia de transmisión de los bits de información para poder escuchar las transmisiones. Además la relación señal/ruido es tan baja que las transmisiones son confundidas con ruido ambiente o ruido de fondo. Asimismo las transmisiones pueden cifrarse sin ningún tipo de limitación y se pueden excluir de la escucha aquellos terminales que se hallen más alejados de una cierta distancia específica. Tampoco se tiene que sintonizar la transmisión, ya que no existe portadora.
Aparte de las claras ventajas sobre Wi-Fi y Bluetooth mencionadas anteriormente, donde UWB es imbatible es en el precio. Debido a la simplicidad de su funcionamiento y a la pequeña potencia radiada, la tarjeta de interfaz de red (NIC) de los sistemas de redes inalámbricas de área local en tecnología UWB se reduce a un circuito integrado (CMOS) con un tamaño muy reducido. Esto supondrá que los dispositivos en los que se integre no sufrirán alteraciones significativas en su tamaño, forma y peso. Las compañías que participan en estos desarrollos estiman que este circuito integrado tendrá un precio muy competitivo cuando se fabrique en serie. En principio, la gran desventaja de UWB respecto a todas estas tecnologías aparte de su menor alcance sobre todo en comparación con Wi-Fi, es su falta de estandarización y menor implantación en el mercado. Wi-Fi ya ha penetrado con fuerza en el mercado empresarial y residencial, siendo cada vez más habitual su integración en routers DSL, consolas de videojuegos, equipos de música, etc. Bluetooth está también muy extendido en el hogar, sobre todo en teléfonos móviles y PDA, aunque no es muy habitual su empleo por los usuarios salvo para la sincronización de la agenda de estos dispositivos con la del PC.
Características UWB difiere sustancialmente de las estrechas frecuencias de banda de radio (RF) y tecnologías “spread spectrum” (SS), como el Bluetooth y el 802. 1, ya que usa un ancho muy alto de banda del espectro de RF para transmitir información. Por lo tanto, UWB es capaz de transmitir más información en menos tiempo que otras tecnologías. Mientras que Bluetooth, Wi. Fi, 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 hace uso de un espectro de frecuencia recientemente legalizado. Puede usar frecuencias que van desde 3. 1 GHz hasta 10. 6 GHz: una banda de más de 7 GHz de anchura. Cada canal de radio tiene una anchura de más de 500 Mhz, dependiendo de su frecuencia central.
Ventajas Las ventajas que ofrece UWB son su bajo consumo (como emisor de ondas de radio), bajo coste (se puede usar tecnología CMOS para implementar un dispositivo UWB radio) y alta productividad, lo que marca esta tecnología como el futuro de las WPAN. Además permite reutilización de espectros. Por ejemplo, podemos tener una serie de dispositivos en nuestro salón de casa, comunicándose con nuestro ordenador a través de un canal, y a la vez, en otra habitación, otra serie de dispositivos en el mismo canal comunicándose igualmente. WPAN basadas en UWB pueden hacer uso del mismo canal sin interferencias, debido a los rangos tan cortos que permite UWB. Por ejemplo, si se usara una WPAN basada en Wi. Fi, mientras se estuviera usando un dispositivo, éste daría cuenta rápido del ancho de banda del canal, con lo que no podríamos estar usando otro dispositivo de forma eficiente
Banda Ultra-Ancha (UWB) Es una banda de 500 Mhz en el espectro entre 3, 1 y 10, 6 GHz Se transmite directamente sin modulación Alcances de ~10 m Se trabaja en la normalización 802. 15. 3 a Los partidarios dicen que volverá obsoleta a Bluetooth
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