Diapositiva 1

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Sistemas de Banda Ultra Ancha (UWB)
INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA
(UWB)
INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE BANDA ULTRA ANCHA
(UWB)

• Introducción y breve reseña histórica
• Definiciones y conceptos
• Regulación y estandarización
• Señales y modulaciones en sistemas UWB
• Aplicaciones de la tecnología UWB
• Propagación de UWB
• Antenas de UWB

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Introducción y breve reseña histórica

• Los sistemas de banda ultra ancha
  (Ultra-WideBand, UWB de ahora en adelante) se
  definen como aquellos

- en los que el ancho de banda a 10 dB ocupa más
de un 20 respecto de la frecuencia central,
- ó bien tienen un ancho de banda a 10 dB igual
o superior a 500 MHz independientemente de la
frecuencia central.

• En los Estados Unidos, recientemente se ha
  aprobado la banda entre 3.1 GHz y 10.6 GHz (7.5
  GHz) para la explotación de sistemas UWB en el
  interior de edificios. Europa y Japón también
  están desarrollando su regulación sobre UWB.

• Se espera que la tecnología UWB provoque un
  cambio en los principios y técnicas usadas para
  comunicaciones de corto alcance (p. ej. 10 m), y
  que aparecerá un nuevo sector de comunicaciones
  sin hilos de alta tasa binaria (p. ej. 400 Mbps).

• De hecho, ya se están desarrollado los
  estándares IEEE 802.15.3a (alta tasa binaria) y
  802.15.4a (muy baja tasa binaria) basados en UWB.

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Escenario de los sistemas UWB
BT-Bluetooth 802.11WI-FI WLAN-Wireless Local
Area Network WPAN-Wireless Personal Area
Network MC-CDMA-MultiCarrier-Code Division
Multiple Access FWA-Fixed Wireless Access (o
WLL-Wireless Local Loop)
4
Escenario de los sistemas UWB (cont.)
4G
POTENTIAL FOR UWB
5
Breve historia de las comunicaciones UWB

• Antes de 1900 Realmente, las comunicaciones sin
  hilos comenzaron como UWB (Marconi y Hertz) se
  utilizaban señales de anchos de banda muy grande,
  pero sin explotarlos de manera eficiente

• 1901 Trabajos teóricos sobre las señales UWB
  (Sommerfeld) difracción de un pulso en el
  dominio del tiempo por una cuña perfectamente
  conductora

• 1900-40 Las comunicaciones sin hilos se
  canalizan

separación de servicios por bandas
- Procesado analógico desarrollo de tecnologías
de filtros, resonadores,...
- Era de la telefonía sin hilos comienza
AM/BLU/FM
- La radiodifusión comercial madura. También el
radar y el procesado de señal.
6

• 1960 Nuevo planteamiento del estudio de la
  respuesta de las redes de microondas a pulsos de
  muy corta duración.

• Desarrollo paralelo e independiente en EE.UU. Y
  U.R.S.S.

En EE.UU, trabajos en el seno de programas
clasificados del gobierno hasta 1994
En URSS, aprovechamiento de la tecnología en
radares multi-información (no sólo posición sino
forma, estado, etc.)

• Viabilidad de desarrollo práctico (equipos de
  medida y dispositivos para la observación de la
  respuesta temporal al impulso de las redes de
  microondas)

Aparición del osciloscopio de muestreo
(Tektronix y Hewlett Packard-1964)
Descubrimiento de dispositivos para generación
de pulsos de duración menor de 1 ns

• Evolución condicionada al diseño de antenas UWB
  y a la investigación de dispositivos
  semiconductores (tiempos de conmutación, amplitud
  y ciclo de vida)

7

• Disponibilidad de los componentes necesarios
  desde principios de la década de 1970

• 1970-90 Técnicas digitales aplicadas a UWB

- Radar de impulsos de gran ancho de banda
- Explotación de la mejora de prestaciones por
el uso de banda ancha

• 2000 UWB aprobado para uso comercial

• UWB hoy 7500 MHz de espectro disponible para
  uso sin licencia

libre, con ciertas máscaras de densidad
espectral de potencia a cumplir
- Bandas de operación en Estados Unidos 3100
10600 MHz
- Límite de emisión EIRP - 41.3dBm/MHz
(Equivalent Isotropic Radiated Power)
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• Precedentes en EE.UU

- Harmuth (Catholic University of America)
diseño básico de transmisores y receptores en sus
libros y artículos (1969-1984).
- Ross Robbins (Sperry Rand Corporation)
patentes de señales UWB en comunicaciones, rádar
y códigos (1972-1987).
- Van Etten (USAFs Rome air development) diseño
de sistemas y conceptos de antena UWB (1977).

• Precedentes en U.R.S.S

- Kharcevitch métodos de análisis en el dominio
del tiempo para pulsos de muy corta duración
(1952)
- Astanin (Mozjaisky Military Air Force Academy)
desarrollo de un transmisor en banda X de pulsos
de 0.5 ns (1957).
- Shatz (Ioffe Physico-Technical Institute)
Desarrollo de conmutadores de semiconductor
rápidos (1963).
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Características generales de los sistemas UWB
- altas tasas binarias

• UWB tiene muchos beneficios debido a su propia
  naturaleza de banda ancha

- transceptores de bajo coste
- baja potencia de transmisión
- bajo potencial de interferir en otros sistemas
!!!
- Alta resolución temporal/protección frente al
multitrayecto,...
- distorsión de la señales recibidas

• Por otro lado, el mismo hecho de banda ultra
  ancha implica una serie de retos tecnológicos

- diseños de antenas para señales UWB
- Hardware para pulsos de duración del orden de ns
- sincronización de pulsos extremadamente cortos,
- esquemas de modulación para explotar la banda
UWB,
10

• Hay dos modos básicos de explotar el ancho de
  banda UWB (del orden de GHzs)

- Pulsed UWB Con señales tipo rádar (impulse
radio) en forma de monociclos de muy corta
duración que atacan directamente la antena, sin
usar portadora (carrierless). Se accede al medio
con esquemas tipo TH- (Time-Hopping) o DS-
(Direct Sequence) CDMA.
- Carrier-based UWB utilización de portadoras,
como p. ej. en forma de OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) como se ha visto
en el tema II

• En cualquiera de los casos, se trasmite con una
  potencia muy baja (con unos límites que hay que
  cumplir). Al tener un ancho de banda muy grande
  es posible obtener grandes tasas binarias (ver
  pag. sig.) con snr bajas (baja potencia de
  consumo)

- De acuerdo a la fórmula de Shannon para la
capacidad de un canal con ruido blanco gaussiano
aditivo (AWGN), se puede intercambiar relación
señal-ruido por ancho de banda y seguir teniendo
una probabilidad de error arbitrariamente pequeña
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• Prestaciones

- UWB de baja potencia es comparable a sistemas
sin hilos de alta potencia
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Definiciones y conceptos.

• El nombre UWB se utiliza en diferentes ámbitos
  como

- impulse radio (como en el rádar de impulsos)
- sistemas carrierless or carrier-free (sin
portadora)
- transmisión en banda base de señales con anchos
de banda de GHz, pulsos de muy corta duración en
el dominio del tiempo,

• Realmente, el término UWB no se empezó a aplicar
  a sistemas con estas características hasta 1989
  por el Departamento de Defensa (DoD) de Estados
  Unidos.

• Hoy en día, el término UWB, aunque puede seguir
  tendiendo las connotaciones anteriores, se define
  en términos de anchos de banda (ver pag.
  siguiente), y no se define en términos de
  modulación, ni de ausencia de portadora, ni de la
  duración de los pulsos.

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• Una señal es UWB si cumple una de las dos
  condiciones A) o B)

- A) Ancho de banda fraccional B/fo entre puntos
a 10 dB es mayor o igual que el 20
fU , fL frecuencia superior, inferior en la que
la densidad espectral de potencia de la señal
está a 10 dB respecto del máximo
NB
Wideband
Ultra WideBand
0 5 20
Ancho de banda fraccional
- B) Ancho de banda absoluto B es mayor o igual
que 500 MHz, independientemente de la frecuencia
central

• Existen otras definiciones alternativas (que no
  usaremos), como p. ej. definir UWB si el ancho de
  banda relativo es mayor del 25 o absoluto mayor
  que 1.5GHz

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• Señales UWB (cont.)

Densidad espectral de potencia
NB (NarrowBand)
WB (WideBand)
UWB (Ultra WideBand)
Frecuencia
fo

• Anchos de banda orientativos en algunos sistemas

GSM UMTS 801.11.a (WI-FI) GPS
B (aprox) Canales de 200 KHz en 25 MHz 3.8 MHz 16.6 MHz 20 MHz
f0 (aprox.) 900,1800 MHz 1950,2150 MHz 2400 MHz 1600 MHz
B()B/f0 ? 100 0.02 - 3 0.2 0.7 1.3
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• Señales NB/WB/UWB

Sinusoide continua
NB
Ancho de banda tendiendo a cero
Densidad espectral de potencia (dB)
Pulsos con forma sinusoidal
WB
6 bandwidth
20 bandwidth
UWB
Pulso con forma gaussiana
100 bandwidth
tiempo
Ruido blanco
1 ns
Frecuencia (GHz)
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• Espectro UWB

GSM (Canales 200KHz)
d.e.p. (dBm/MHz)
Wideband-CDMA (Canales 5 MHz)
Límite part 15 ( -41.3dBm/MHz )
UWB (varios GHzs, de 3.1 a 10.6)
Frecuencia
- UWB es una forma de espectro extremadamente
ancho, tanto en absoluto como en relativo, donde
la energía de RF se distribuye sobre GHzs de
espectro
- Mas ancho que cualquier sistema de banda
estrecha por ordenes de magnitud
- La potencia de señal UWB que ven los sistemas
de banda estrecha son una fracción del total
Habrá que calcular la interferencia mutua entre
sistemas UWB y NB que comparten zonas del espectro
- Las señales UWB son vistas por los demás
sistemas como ruido
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Regulación y estandarización.

• Federal Communication Commission (FCC) (USA)

Límites de emisión señales UWB (Estados Unidos)
First report and Order 2002
Second report and Order 2004
Nivel máximo de EIRP (dBm/MHz)

• Regulation Report

3.1
10.6
1.99
- Límites/máscara de radiación (protección frente
a otros servicios, como GPS)
Indoor
0.96
1.61
Outdoor
Límite Part 15 (-41.3 dBm/MHz)
Banda GPS
- Se acepta uso sin licencia
Frecuencia (GHz)
EIRPEquivalent Isotropic Radiated Power
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Tipos de uso del espectro UWB regulados por la FCC
Class / Application Frequency Band for Operation at Part 15 Limits User Limitations
Communications and Measurement Systems 3.1 to 10.6 GHz (different out-of-band emission limits for indoor and hand-held devices) No
Imaging Ground Penetrating Radar, Wall, Medical Imaging lt960 MHz or 3.1 to 10.6 GHz Yes
Imaging Through-wall lt960 MHz or 1.99 to 10.6 GHz Yes
Imaging Surveillance 1.99 to 10.6 GHz Yes
Vehicular 22 to 29 GHz No
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Regulación en Europa

• En Europa y Japón, se pretende terminar la
  regulación UWB durante 2006

Límite de emisión UWB (Europa)
0,0

• Se fijará una máscara mas estricta con algún
  mecanismo de detección y protección de
  interferencias (DAA, Detection And Avoid)

-20,0
-40,0
Nivel máximo de EIRP (dBm/MHz)
-60,0

• European Communications Commitee (ECC) también
  fija usos comunicaciones y medidas,
  localización, imaging, aplicaciones médicas y de
  vigilancia

-80,0
EIRP media
EIRP de pico
-100,0
0,0
2,0
4,0
10,0
12,0
6,0
8,0
Frecuencia (GHz)
20
Coexistencia de distintos servicios
PCS, GSM, UMTS
Bluetooth, WI-FI, Teléfonos DECT, horno microondas
GPS
GSM
WI-FI
Densidad espectral de potencia
Límite de la máscara de emisión (-41.3 dBm/MHz)
UWB
1.6
1.8-2.2
2.4
5
0.8
3.1
10.6
Frecuencia (GHz)

• Los límites de radiación (la máscara a cumplir)
  de las señales UWB se calculan para garantizar
  que la interferencia entre diferentes servicios
  sea mínima

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Estandarización UWB IEEE 802.15.3a/15.4a
LAN/MAN Standards Committee (Wireless Areas)
MBWA IEEE 802.20
WPAN IEEE 802.15
WMAN IEEE 802.16
WLAN IEEE 802.11
Coexistence TAG IEEE 802.19
Regulatory TAG IEEE 802.18
802.15.1 Bluetooth
802.15.3 High Data Rate MAC 2.4 GHz PHY
Task Group 3a Alt PHY (UWB)
802.15.2 Coexistence
802.15.4 Zigbee 2.4 GHz
Study Group 4a (UWB?)
baja tasa binaria
Alta tasa binaria
WLAN-Wireless Local Area Network
MAN-Metropolitan Area Network TAG-Technical
Advisory Group MBWA-Mobile Broadband Wireless
Access
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Señales y modulaciones en UWB.

• Los sistemas UWB se dividen en dos tipos,
  dependiendo de cómo son las señales que se
  transmiten

- Pulsed UWB Con señales tipo rádar (impulse
radio) en forma de pulsos de muy corta duración
que atacan directamente la antena, sin usar
portadora (carrierless). Se accede al medio con
esquemas tipo TH- (Time-Hopping) o DS- (Direct
Sequence) CDMA.
- Carrier-based UWB utilización de portadoras,
como en los sistemas radio convencionales en
donde hay una señal en banda base que se
convierte a paso banda para su transmisión
mediante una modulación de canal

• El esquema que usa portadoras sería con
  modulaciones de canal como las vistas en los
  temas anteriores. OFDM (Orthogonal Frequency
  Division Multiplexing) es una opción utilizada, y
  ya se ha estudiado en el tema II.

• Sin embargo, en pulsed UWB, se usan pulsos de
  muy corta duración que se transmiten sin
  modulación de canal (sin portadora). Los propios
  pulsos que se generan ya tienen un espectro con
  la forma adecuada para cumplir la máscara de
  emisión.

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Pulsed UWB

• Cuando se explota el espectro UWB con señales en
  banda base, sin portadora, se utilizan pulsos de
  muy corta duración (tipo radar) con unos tiempos
  de subida y bajada muy pronunciados

• Estos pulsos atacan directamente la antena, que
  debe ser capaz de funcionar en el ancho de banda
  UWB

• Las señales de este tipo a veces también se
  llaman impulse radio en el contexto de radar o
  singleband en el contexto UWB

• Independientemente del nombre, la idea es que el
  espectro de los pulsos debe acomodarse a la banda
  UWB disponible sin ningún tipo de desplazamiento
  en frecuencia posterior (no hay uso de portadora)
  y con una d.e.p. que cumpla los requisitos (la
  máscara) de emisión.

• Los pulsos usados suelen ser de tipo gaussiano.
• La forma del pulso gaussiano básico es la
  siguiente, donde A determina la potencia y ? la
  anchura (0.5ns)

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• Se usan también otros pulsos/monociclos
  (Scholtz, ), normalmente
• relacionados con el gaussiano (primera/segunda
  derivada,) y con duración 0.5 ns

• La forma del espectro se conforma con la forma
  y anchura del pulso (0.5ns)

TF
Pulsos gaussianos de distintos parámetros/formas
Espectro de distintos pulsos gaussianos
P(f) (dB)
p(t)
Tiempo (nsec)
Frecuencia (GHz)
25

• Esquemas de modulación en banda base. Se usan
  varios tipos con señales ortogonales y
  antipodales. Ejemplos

Instante de comienzo para el 1
Instante de comienzo para el 0
- Pulse Position Modulation (PPM)

Periodo de repetición del pulso periodo de
símbolo
- Pulse Amplitude Modulation (PAM a0lta1)

Anchura del pulso 0.5ns
- On-Off Keying (OOK) (ASKPAM de amplitudes
0,a)

Periodo de repetición del pulso periodo de
símbolo

• Bi-Phase modulation
• (PAM de amplitudes a)

Tiempo
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• Esquemas de modulación en banda-base (cont)

Bi-Phase
Quaternary-Phase
- También son posibles esquemas de M señales
(varios bits por símbolo)
- Estas señales también se llaman BPSK y QPSK,
respectivamente, aunque no hay portadora, y se
entiende que son señales de tipo pulsed por el
contexto

• Características de este tipo de sistemas

- El uso de pulsos tan estrechos da lugar a las
mismas ventajas que se comentaban en la p. 64,
tema III alta resolución temporal y posibilidad
de discriminar los ecos debidos al multitrayecto
en recepción.
- Se transmite con muy baja potencia media (los
pulsos están separados en el tiempo no se
transmite de manera continua como cuando hay
portadora) bajo coste energético
- Por tanto se transmitirá una densidad espectral
de potencia muy baja y habrá poca interferencia
en otros sistemas
- De igual manera, serán señales con poca
probabilidad de ser detectadas (LPI/LPD)
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• Diseño de receptores de pulsed UWB

- Se trata de detectar pulsos de muy poca anchura
en banda base
- No hay portadora, por lo que desde este punto
de vista se simplifican y abaratan los circuitos
de transmisor y receptor (no hay que generar una
réplica de la portadora en el receptor y no hay
problemas de coherencia de frecuencia/fase)
- Por tanto, no existen las etapas de RF de un
sistema de comunicaciones clásico (ver p. sig.)
reducción de etapas analógicas, que implica menor
tamaño, menor consumo, menor coste.
- El problema es que se necesitan conversores AD
de alta frecuencia de muestreo (varios GHz, ya
que el pulso tiene duracion de ns) y de gran
margen dinámico
- Además de la problemática de encontrar
detectores de pulsos muy estrechos, se tienen
problemas debido a que el conversor AD ve toda la
banda de la señal UWB una interferencia de banda
estrecha puede afectar mucho al sistema
- Por ello, en vez de utilizar todo el espectro
con un solo tipo de pulsos, se canaliza el
espectro disponible (multiband pulsed UWB) y se
generan pulsos que directamente se acomodan el
los canales sin el uso de portadora, simplemente
cambiando los parámetros (forma y anchura) del
pulso
28
Candiditos a sistemas UWB
Candidatos a sistemas UWB
29
Candidatos a sistemas UWB (cont.)
Como en el tema II

• A) Multiband OFDM. En cada canal, habrá OFDM con
  sus subcanales.

• B) TH (Time-Hopping) UWB. Usuarios transmiten
  según un código que le dice el intervalo de tiempo

Con pulsos como los vistos en IV.4.1

• C) DSSS-CDMA UWB. Usuarios separados por códigos
  CDMA

• En el estandard IEEE 802.15.3a de alta tasa
  binaria para WPAN (Wireless Personal Area
  Network) están compitiendo

Apoyado por , Alereon, Intel, Nokia, Philips,
Sony, Staccato Communications, Texas Instruments
- A) Multiband OFDM
Apoyado por Motorola/Xtreme SpectrumBelkin,
Freescale, Motorola, Pulse-LINK, Time Domain
- C) DSSS-CDMA UWB
- La canalización de estos sistemas (de acuerdo a
la tabla de la pag. ant.) se presenta ahora
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Multiband OFDM
Grupo 1
Grupo 2
Grupo 3
Grupo 4
Grupo 5
banda 1
banda 13
banda 12
banda 2
banda 3
banda 4
banda 5
d.e.p.
Frecuencia (MHz)
3432

3960

4488

5016

5544

6072

6600

7128

7656

8184

8712

9240

9768

10296

banda 2
banda 1
banda 3
d.e.p. (dBm/MHz)
128 portadoras de Bs 4.125 MHz
WI-FI a 5GHz (802.11.a)
Grupo 1 (bandas 1-3) es obligatorio
B 528 MHz
Frecuencia (GHz)
31
DS-CDMA de dos bandas
Banda baja
Banda alta
3
4
5
6
7
8
9
10
11
3
4
5
6
7
8
9
10
11
- Banda baja (3.1-5.15 GHz) - De 25 Mbps a 450
Mbps
- Banda alta (5.825-10.6 GHz) - De 25 Mbps a 900
Mbps
Dos Bandas

• Tres Modos de operación

- Banda-baja, alta y dos bandas
- Con un diplexación adecuada, el modo dos-bandas
es full-duplex (rx en una banda y tx en otra)
3
4
5
6
7
8
9
10
11
- Multi-banda (3.1-5.15 GHz 5.825-10.6 GHz) -
Hasta 1.35 Gbps
32

• Diseño de receptores de pulsed UWB (cont.)

Transceptor Bluetooth (con portadora)
Transceptor pulsed UWB (sin portadora)
Conversor superior/inferior
Dem. FSK
Correlación y muestreo a muy alta velocidad
LNA
FI
LNA
MF/Corr
Banda-base
PA
RX
TX
RX
TX
Banda-base
Generador de pulsos
Sintetiz.
Oscilador Referencia
LNA-Low Noise Amplifier PA-Power Amplifier
FI-Frecuencia Intermedia
33
PPM Transceiver
Tasa binaria 110 Mbps utilizando 2PPM Polarity
34
Direct Sequence Transceiver
Hasta 1 Gbps
35
Transceiver Multibanda
108 Mbps _at_ 10 m
36
Transceiver OFDM
Hasta 480 Mbps, 110 Mbps _at_ 10 m
37
Aplicaciones de la tecnología UWB

• Comunicaciones

• Sensores inteligentes

- Sensores de colisión, proximidad y altitud
- USB sin cables
- Bluetooth de alta velocidad
- Telemetría
- WLANs
- Sistemas anti-colisión y mejora de activación
del airbag en coches
- Control de datos y voz
- Detección de movimiento

• Radar

- Monitorización de fluidos
- Ground-penetrating radars

• Otros

- Through-wall radars
- Sistemas precisos de geolocalización
- Rescate de víctimas enterradas
- Mandos para abrir puertas a distancia
- Detección de minas terrestres
- Aplicaciones médicas,
38
Aplicaciones de consumo UWB
Electrónica de consumo
Entretenimiento
Dispositivos portátiles
Ordenadores
Automoción
39
Entretenimiento
Intel white paper, UWB technology
40
Transferencia de contenidos a dispositivos
portátiles

• Aplicaciones
• PDA, MP3
• Media Player, Almacenamiento
• Requisitos
• Dispositivos de almacenamiento portátiles de
  distintos tamaños
• Flash 5, 32, 512, 2048 MB
• HD 4, , 60 GB
• Alcance cercano al dispositivo (lt 2m)
• Tiempo de transferencia lt 10s

Bajo consumo
Almacenamiento de imágenes de cámaras
MP3 al reproductor de música
Bajo consumo y alta tasa binaria
Intercambio de música y datos
Fichero MPEG4 (512 MB) al reproductor
Disco duro portátil
Imprimir desde la PDA
41
Transferencia de contenidos para su reproducción

• Aplicaciones
• Digital video camcorder (DVC)
• Media player
• Requisitos
• Alcance rango de visión (lt 5m)
• Formato DV 30 Mbps con QoS
• MPEG2 12-20Mbps
• Potencia lt 500 mW

DV o MPEG
Cambio de canal y control de dispositivo
El contenido del PDA es presentado en un proyector
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Propagación de UWB
La pérdida del trayecto, suele venir dada por la
siguiente fórmula

• donde
• PL(do) es la perdida de propagación a una
  distancia de do
• n y s dependen del tipo de edificio
• d es la distancia
• X es una variable aleatoria Gaussiana
• ? es la desviación estandar de shadowing

43
Propagación de UWB
44
Propagación de UWB
45
Propagación de UWB
46
Tiempo de retardo
Para LOS Tretardo lt 5 ns, 162 caminos
47
Tiempo de retardo
Para NLOS tretardo 10 ns , 623 caminos
48
Antenas de UWB
49
Antenas de UWB
50
Antenas de UWB
51
Antenas de UWB
52
Antenas de UWB
53
Antenas de UWB
54
Antenas de UWB
55
Antenas de UWB
56
Efecto de UWB sobre UMTS, PUWB -60 dBm/MHz
Radio normalizado de más que 80
57
Efecto de UWB sobre UMTS, PUWB -81 dBm/MHz
Radio normalizado de más que 99 y capacidad
normalizada de 99
58
Mascaras de UWB