Ultra Wideband cableado

Ultra Wideband cableado
Carlos Garcı́a Argos (carlos.garciaargos@estudiante.uam.es)
27 de enero de 2009
Resumen
Ultra Wideband es una tecnologı́a de transmisión digital que emplea espectro ensanchado y que nació inicialmente para dispositivos inalámbricos, permitiendo la coexistencia de
diferentes transmisores simultáneamente en el mismo área. Para ello, se transmiten pulsos
que ocupan un gran ancho de banda a baja potencia, cerca del suelo de ruido, lo que permite
reducir las interferencias.
Sin embargo, se ha considerado la posibilidad de aplicar esta tecnologı́a en medios
guiados, como el cable coaxial o el par trenzado, con resultados prometedores en forma de
patentes y de productos comerciales, como se verá en este trabajo.
Índice
1. Introducción
1
2. ¿Qué es Ultra Wideband sobre cobre?
2.1. Escenario de transmisión de datos por cable . . . . . . .
2.2. Evolución con Ultra Wideband en los servicios cableados
2.3. Ventajas de Ultra Wideband sobre medios guiados . . . .
2.4. Inconvenientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2
2
3
4
4
3. Aplicaciones
3.1. CWave de Pulse LINK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
5
4. Conclusiones
1.
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10
Introducción
Ultra Wideband (UWB) es una tecnologı́a inalámbrica emergente y muy prometedora para
el futuro más allá de la tercera generación de sistemas inalámbricos, al garantizar grandes capacidades de transmisión y reducidos coste y consumo de potencia.
Los sistemas Ultra Wideband son aquellos que utilizan un ancho de banda elevado, definiéndose éste como aquel que sea mayor de 500 MHz o bien más de un 20 % de la frecuencia
central de la banda empleada. Puede tratarse de sistemas basados en la tranmisión de pulsos
de corta duración (gran ancho de banda) o bien de la agregación de múltiples portadoras de
banda estrecha que ocupen la banda en cuestión, por ejemplo empleando OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing).
1
Figura 1: Antena de bocina para Ultra Wideband
La aplicación principal de los sistemas Ultra Wideband está en el entorno inalámbrico de
corto alcance, y al respecto se está estandarizando por parte de diversos organismos como ISO
[1], ECMA [2] o IEEE [3]. Algunos de los grandes problemas se encuentran precisamente en
el hecho de usar una banda muy amplia, ya que se solapa con los espectros de otros servicios y,
a pesar de transmitir a potencias muy reducidas, puede afectarlos. Existe cierta controversia en
cuanto a qué tipo de máscaras de respuesta en frecuencia aplicar a estos sistemas para protegar
a los demás.
En este trabajo se presenta una propuesta de aplicación novedosa para esta tecnologı́a en el
entorno cableado. El principal fabricante que se ha interesado por este asunto es Pulse LINK
[4], que posee una solución para la transmisión de vı́deo de alta definición usando esta técnica
sobre cable coaxial. Esta tecnologı́a ha sido patentada en los Estados Unidos con el número de
patente 6782048 [5].
La transmisión de Ultra Wideband sobre cable también ha sido estudiada en el proyecto
europeo IST-MUSE [6].
2.
2.1.
¿Qué es Ultra Wideband sobre cobre?
Escenario de transmisión de datos por cable
El cable coaxial ha sido durante mucho tiempo el medio principal de transmisión de televisión por cable (y de bajada desde las antenas hasta los hogares). Un cable coaxial puede
soportar varios GHz de ancho de banda, empleandose menos de 1 GHz para los sistemas de
televisión por cable (CATV) actuales, haciéndose un uso de sólo el 75 % del ancho de banda
disponible.
Los cables de pares cruzados pueden soportar anchos de banda de hasta 50 MHz, y el lı́mite
para las tecnologı́as DSL es de hasta 10 Mbps en distancias menores de 1 km.
2
Figura 2: Patente de Pulse LINK para Ultra Wideband sobre cable
2.2.
Evolución con Ultra Wideband en los servicios cableados
Figura 3: Ultra Wideband sobre cable en infraestructura HFCS
Usando Ultra Wideband en el cable coaxial, se puede aprovechar todo el ancho de banda
que éste es capaz de soportar a la vez que coexiste con otras señales, proporcionando cientos de
Mbps de capacidad adicional a los sistemas CATV sin hacer cambios en la infraestructura. En
la Figura 3 se ve un ejemplo de arquitectura de Ultra Wideband coexistiendo con un servicio de
distribución por red hı́brida fibra-coaxial (HFC) [7].
Además de la aplicación en los cables coaxiales, Ultra Wideband puede emplearse para
extender el alcance y la capacidad de los sistemas DSL que emplean par trenzado aprovechando
todo el ancho de banda de que disponen y permitiendo transmitir hasta 40 Mbps a distancias de
4 km. Además de esto, Ultra Wideband puede coexistir con el tráfico de voz en los cables de
3
par trenzado.
También es posible utilizar técnicas Ultra Wideband en lı́neas de potencia (PLC), para ofrecer anchos de banda de hasta 100 MHz y tasas de transmisión de hasta 100 Mbps en corto
alcance (1 a 4 metros).
De esta manera, es posible tener redes Power-Line Communications (PLC) en el hogar con
tasas de 50 Mbps. Una ventaja de Ultra Wideband es que los pulsos que se transmiten son
bastante robustos ante el ruido del ambiente hostil que es la conectividad con PLC.
2.3.
Ventajas de Ultra Wideband sobre medios guiados
Robustez de la señal: dado el amplio espectro que usa Ultra Wideband, los pulsos que se
transmiten se ven poco afectados ante entornos ruidosos.
Es posible adaptar la señal Ultra Wideband mediante conformado de pulsos, de manera
que su contenido espectral pueda amoldarse a un medio especı́fico maximizando el ancho
de banda y permitiendo la coexistencia con otras señales.
Sistemas CATV: el estándar DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification)
en su versión 2 permite tasas de hasta 24 Mbps, mientras que con Ultra Wideband se
permiten hasta cientos de Mbps adicionales sin cambiar la infraestructura.
Sistemas DSL: tı́picamente alcanzan hasta 10 Mbps al hogar, pero con Ultra Wideband
es posible ampliar el alcance y suministrar hasta 40 Mbps.
Power-Line: Home-Plug proporciona hasta 14 Mbps, y con Ultra Wideband serı́a posible
alcanzar los 100 Mbps a corto alcance y 50 Mbps dentro de una casa.
2.4.
Inconvenientes
Se ha hecho un estudio [8] en el contexto de los proyectos IST-MUSE y Eureka-Celtic
BANITS [9] sobre la viabilidad de Ultra Wideband en cable, empleando extrapolación modelos
a partir de 30 MHz y medidas de FEXT (Far End Crosstalk) y ruido de inserción para confirmar
que la extrapolación es correcta. En este estudio se concluye que el ancho de banda utilizable
en cables de par trenzado no excede los 100 MHz y que la capacidad máxima a distancias de
300 metros es de unos 200 Mbps. En pares cortos sin vecinos y sin sufrir FEXT se alcanzan 500
Mbps. La Figura 4 ilustra los resultados obtenidos en ese estudio.
Otro inconveniente actual de usar Ultra Wideband en cables es la falta de estándares, ya
que hasta el momento ningún organismo de estandarización parece haberse preocupado por
este aspecto de la tecnologı́a. Por ello, las realizaciones particulares de los fabricantes no serán,
en general, compatibles unas con otras, a menos que se contemple el caso inalámbrico, como
ocurre con la aplicación descrita en este trabajo.
3.
Aplicaciones
Nos encontramos en la era de la información, en la que tenemos acceso a cantidades ingentes
de información a través de diversos medios de comunicación, y están cambiando la forma en que
trabajamos, nos divertimos y nos comunicamos con los demás. Tenemos variedad de servicios
como televisión por cable y satélite, servicios de voz y datos y cada vez aumentan los requisitos
de ancho de banda.
4
Figura 4: Limitaciones de UWB sobre par trenzado: ancho de banda utilizable y tasa de transmisión
Servicios como el vı́deo bajo demanda, teleconferencias o telemedicina requieren altas tasas
de datos que permitan transferir las grandes cantidades de datos que se generan en un corto
espacio de tiempo, aumentando la interactividad y la calidad de experiencia del usuario.
Por ello, se buscan tecnologı́as que se puedan aplicar a estos servicios, tanto cableadas como
inalámbricas. En este caso se ha analizado un caso de éxito de una tecnologı́a inicialmente
concebida para ser inalámbrica aplicada a un medio guiado.
3.1.
CWave de Pulse LINK
Figura 5: Dispositivo Ultra Wideband de Pulse LINK
La distribución de multimedia a una alta velocidad puede conseguirse sobre sistemas de
cable en hogar y cables eléctricos desde los mismos chipset CWave usados para aplicaciones
5
inalámbricas. La tecnologı́a Ultra Wideband CWave de Pulse LINK es la primera y, por el momento, la única solución para proveer una plataforma común para conseguir una conectividad
de alta definición sin nuevos cables (conectando sobre coaxial, cables eléctricos o sin cable).
Figura 6: Diagrama de bloques del chipset PL3100 de CWave
La tecnologı́a CWave coexiste con los servicios de datos y contenidos que ya se ofrecen
a través de coaxial. También atraviesa los divisores de coaxial permitiendo que el coaxial se
convierta en el backbone para la distribución del contenido entre los dispositivos electrónicos
del hogar. Usando CWave sobre coaxial, una televisión en una habitación puede acceder y
reproducir el contenido de un video personal en el cuarto de estar, un PC en la oficina de
casa, una consola de videojuegos en otra sala, y similares escenarios. Lo más destacado de la
solución de CWave sobre coaxial son:
Más de 400 Mbps de rendimiento a nivel de aplicación
La frecuencia de operación dentro del coaxial es de 2 GHz, proporcionando coexistencia
fuera de banda con CATV y aplicaciones por satélite en el coaxial del hogar.
La habilidad demostrada para atravesar splitters y distancias para cubrir todo el hogar.
El chipset PL3100, cuyo diagrama de bloques se muestra en la Figura 6 y que se emplea
para proporcionar esta tecnologı́a se compone de tres elementos principales:
Amplificador de bajo ruido: ancho de banda mayor de 1 GHz, modo de bajo consumo y
con ganancia variable.
Transceptor RF: inmune a ruido del sustrato y de alimentación, modo de stand-by y sintetizadores integrados.
Banda base y MAC: tasas de datos seleccionables entre 21 y 675 Mbps y capacidad de
coordinación de picoceldas.
El conjunto del chipset tiene las siguientes caracterı́sticas:
Opera en la banda de 3,3 a 4,7 GHz.
Tasas de transmisión hasta 1,35 Gbps.
6
Puente de IEEE 1394 y Gigabit Ethernet sobre coaxial.
Cumple con la MAC de 802.15.3b.
Soporte completo para tráfico con calidad de servicio (QoS).
Soporta conectividad tanto cableada como inalámbrica.
Modulación y demodulación de Ultra Wideband.
Implementa corrección de errores FEC avanzada.
Amplificador de ganancia variable de tres etapas.
Amplificador de bajo ruido (LNA) de banda ancha.
Coexistencia con señales CATV.
En un informe de Octoscope [10], se analizó la tecnologı́a CWave, poniéndola frente a la
especificación de la WiMedia Alliance [11].
Figura 7: Esquema de modulación de CWave: una sola portadora BPSK usando una puerta XOR
como modulador. El ejemplo muestra una portadora a 4 GHz y una onda moduladora de 1,3 GHz. El
múltiplo entero de los ciclos de la portadora por sı́mbolo ayuda a la recuperación de la portadora y
mejora la robustez del esquema
El esquema de señalización empleado por CWave usa pulsos en banda base de unos 750
picosegundos de duración para ensanchar la energı́a de los bits a través del espectro de 1,35
GHz. La arquitectura resultante es sencilla y el rendimiento es un orden de magnitud superior
comparado con otra de las soluciones de referencia, WiMedia.
Se emplea modulación BPSK de una portadora, como muestra la Figura 7, lo que requiere
una ecualización menos exigente que QPSK y puede operar de forma más robusta sobre una
banda más ancha.
Con una portadora a 4 GHz, la función sinc tiene nulos en 2,7 y 5,3 GHz, como se observa
en el espectro mostrado en la Figura 8. Este espectro puede desplazarse a cualquier parte dentro
7
de la banda de 3,1 a 10,6 GHz especificada por la FCC [12] cambiando la frecuencia de la
portadora, y el ancho de banda puede expandirse o contraerse variando la frecuencia de la señal
moduladora (tasa de datos).
Figura 8: Espectro usado en CWave. El espectro sin filtrar muestra la caracterı́stica sinc (sin(x)/x)
de un impulso. El espectro filtrado se amolda a los lı́mites de la FCC
En CWave se implementó un algoritmo de corrección de errores diferente a los habituales,
conocido como Low-Density Parity Check Coding (LDPC) [13] con tasas de FEC de 1/2 y 3/4
(ver Tabla 1). Se argumenta que proporcionan bajo consumo de potencia y una mejora sustancial
frente a los tradicionales Reed-Solomon y Viterbi que se emplean en WiMedia.
Operation Transmitted Bit Rate (Mbps)
1
1350
2
1013
3
675
4
506
5
338
6
253
7
169
8
127
9
84
10
21
11
16
12
11
FEC Rate Spreading Factor
1
1
3/4
1
1/2
1
3/4
2
1/2
2
3/4
4
1/2
4
3/4
8
1/2
8
1
64
3/4
64
1/2
64
Tabla 1: Tasas de transmisión soportadas por CWave
En este mismo estudio se comparó el throughput obtenido con dispositivos USB inalámbricos que se ajustaban a la especificación de WiMedia y se incluyó la tecnologı́a de Pulse LINK.
En la Figura 9 se muestra el resultado de esta comparativa, observándose que CWave es claramente superior a sus competidores.
El escenario de uso potencial para esta tecnologı́a es ofrecer conectividad en hogares y
oficinas pequeñas. En el hogar, podrı́an conectarse pantallas HDTV, reproductores de con8
Figura 9: Comparativa de throughput con la distancia
9
tenidos (CD/DVD/Blu-Ray), descodificadores de satélite o cable, consolas de videojuegos, ordenadores, etc. Con la tecnologı́a de Pulse LINK se pueden conectar los dispositivos de usuario
a través de los enchufes eléctricos, eliminando la necesidad de tirar nuevos cables.
En un centro de trabajo podemos encontrar un PC, unos altavoces, una impresora, monitor,
cámara web, scanner, y demás dispositivos. Con la capacidad de CWave, estos aparatos podrı́an ser conectados todos juntos a través de cables eléctricos, proporcionando ancho de banda
adicional y eliminando la necesidad de cableado adicional.
Un problema que tienen las soluciones PLC como HomePlug [14] es el filtrado de los
enchufes que pueden bloquear las señales PLC, haciendo parecer que el producto es defectuoso.
CWave no se ve afectada por estos filtros, por lo que la conexión es fiable y no da problemas a
determinados usuarios. Otras caracterı́sticas son:
Hasta 1 Gbps de throughput a cortas distancias.
El mismo chipset de CWave permite transmitir en modo inalámbrico, con cable coaxial o
lı́neas eléctricas.
Adecuado para conectar equipamiento de usuario a través de los enchufes.
Potencial sustituto del cableado en automóviles y otros.
4.
Conclusiones
Además de su aplicación en entornos inalámbricos, es posible emplear Ultra Wideband en
diversos medios cableados, maximizando el ancho de banda disponible mientras se mantienen
otros servicios gracias a la coexistencia con el resto de señales.
Ultra Wideband sobre cable ofrece tasas de transmisión adicionales significativas sobre soluciones existentes, por lo que no es necesario cambiar la infraestructura.
Adicionalmente, al emplearse medios guiados, Ultra Wideband sobre cables no tiene las
mismas restricciones regulatorias que Ultra Wideband inalámbrico, problemática que es objeto
de amplia investigación [15], [16], [17].
En estas regulaciones se especifican las potencias máximas de emisión de los dispositivos
Ultra Wideband en cada banda de frecuencias, como las máscaras mostradas en las Figuras
10(a) y 10(b), correspondientes a las que aprobó la FCC estadounidense.
Sin embargo, existe otra propuesta [18] de la CEPT (European Conference of Postal and
Telecommunications Administrations) [19] que busca proteger las aplicaciones que existen en
Europa por debajo de la banda de 1 GHz mediante un lı́mite de -75 dBm/Hz por debajo de 960
MHz. Esta máscara parece más adecuada para proteger otros servicios, incluso estadounidenses,
tales como el GPS (Global Positioning System) que la propuesta por la propia FCC.
Por otro lado, es posible combinar Ultra Wideband cableado con Ultra Wideband inalámbrico para proporcionar soluciones de distribución de contenidos en el hogar, extremo a extremo y
seguras.
Este tipo de aplicaciones de Ultra Wideband puede ser un campo interesante de investigación para futuras tecnologı́as y servicios, además de estar abierto a estandarización en foros
tales como WiMedia, IEEE o ISO entre otros, en lugar de dejar a los fabricantes decidir cómo
debe ser la tecnologı́a.
10
(a) Máscara para dispositivos indoor
(b) Máscara para dispositivos outdoor
Figura 10: Máscaras espectrales de emisión para Ultra Wideband aprobadas por la FCC
11
Referencias
[1] International Organization for Standardization. http://www.iso.org.
[2] European Computer Manufacturers Association (ECMA) International. http://www.ecmainternational.org/.
[3] Institute of Electrical and Electronics Engineers. http://www.ieee.org.
[4] Pulse LINK. http://www.pulselink.net/.
[5] United States Patent 6782048: Ultra-wideband communication through a wired network .
http://www.freepatentsonline.com/6782048.html.
[6] MUSE IST Project. http://www.ist-muse.org.
[7] John Santhoff. Advantages of Using Ultra-Wideband on Wired Media.
[8] Magesacher, T.; Rius i Riu, J.; Odling, P.; Borjesson, P.O.; Tilocca, M.; Valentini, M.;.
Limits of Ultra-Wideband Communication over Copper. International Conference on
Communication Technology, 2006.
[9] Broadband Access Networks Integrated Telecommunication Systems. http://www.celticinitiative.org/Projects/BANITS/default.asp.
[10] Fanny Mlinarsky and John Ziegler. UWB Test Report. Technical report, Octoscope, 2007.
[11] WiMedia Alliance. http://www.wimedia.org.
[12] Federal Communications Commission (FCC). Revision of Part 15 of the Commissions
Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems. Technical report, First Report
and Order, ET Docket 98-153, FCC 02-48, 2002.
[13] Robert G. Gallager. Low Density Parity Check Codes. PhD thesis, Massachusetts Institute
of Technology, 1963.
[14] HomePlug Powerline Alliance. http://www.homeplug.org/home.
[15] Romeo Giuliano, Franco Mazzenga. On the coexistence of power-controlled ultrawideband systems with UMTS, GPS, DCS1800, and fixed wireless systems. 2005.
[16] Romeo Giuliano, Jorge Hernandez, Franco Mazzenga, Annalisa Durantini and Marta
Benedicto Villarroya. Detect and Avoid Procedure for UWB Interference Mitigation on
Narrowband Systems. 2006.
[17] Intel. Detect and Avoid regulatory framework. 2005.
[18] International Telecommunications Union. Characteristics of ultra-wideband (UWB) devices. Technical report, ITU-R TG 1-8 Working Group 1, 2003.
[19] European Conference
http://www.cept.org/.
of
Postal
and
12
Telecommunications
Administrations.