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Ultra Wideband (UWB) Technology

Cat: ICT
Pub: 2003
#: 0302a

Ryuji Kohno

Up: 03531

Title

Ultra Wideband Technology

UWBワイヤレス技術

Author
Ryuji Kohno 河野隆二
Index
Why?
  • Report of IECP Forum of Glocom by Prof. Ryuuji Kohno, Yokohama National Univ.
  • 2003年5月、国際大学GLOCOM、横浜国立大学河野隆二教授のIECPフォーラム報告
Summary
要約

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0.Prologue:

  • Narrow pulse:
    UWB wireless communication system transmits a narrow pulse within 1 ns, called impulse radio covering very Widebandwith (several GHz - several tens of GHz).
  • Less power:
    Very fast transmission with much less power consumption.
  • Interference might be problem;
    because it overlaps with the bandwidth allocated to other existing wireless system.
  • R&D is needed;
    to develop devices and systems, using the frequency spectrum from micro wave to mili wave bandwith.
  • Applications using high speed wireless communications (more than 100Mbps) are:
    • Communication between computers,
    • Ad hoc communication between mobile terminals,
    • Personal area network (PAN) and home network.

0.プロローグ:

  • 狭いパルス波:
    UWB無線システムは、1ns 以下という非常に幅の狭いパルス(インパルス・ラジオ波)を用いた非常に広帯域な周波数幅(数GHz - 数十GHz)を試用する無線システム。
  • 省電力:
    従来に比べ伝送速度が大きく、より少ない消費電力が特徴
  • 干渉問題:
    既存無線システムと重複した広帯域の周波数幅を利用するので、干渉が問題となる。
  • R&D:
    マイクロ波帯からミリ波帯に至る周波数スペクトルを有するUWB無線システムは、今後デバイスからシステムに至るR&Dが必要。
  • 応用分野 (高速無線通信100Mbps以上) を可能にする。
    • コンピュータ間通信、
    • 携帯端末間Ad Hoc通信、
    • パーソナルエリア通信、ホームネットワークなど

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1.Speed and Mobility of Mobile Communications:

  • 3G: IMT-2000 (W-CDMA, cdma2000, EDGE)
  • 4G: MMAC, BRAN, U-NII
  • Wireless LAN system: Bluetooth, IEEE802.11a/b/g
  • US FCC approved sales of products used UWB technology.

1.移動通信における伝送速度と移動速度:

  • <左図> 横軸は伝送速度、縦軸は移動速度。

  • 3G(第3世代移動通信システム)
    IMT-2000 (W-CDMA, cdma2000, EDGE)

  • 4G(マルチメディア移動アクセス):
    MMAC, BRAN, U-NII

  • 無線LANシステム:
    • Bluetooth
    • 2.4GHz IEEE802.11b/g
    • 5.2GHz IEEE802.11a

  • UWB規制緩和動向(2/14/2002)
    • 米国FCC: UWB技術を用いた製品の発売利用を許可
  • Comparison of WLAN systems: (無線システム間の比較)
System
UWB
Bluetooth
Bluetooth Ver2
5.2GHz
WLAN
60GHz
Home Link
Speed
>100 Mbps
721 Kbps
2 Mbps
54 Mbps
1.6 Gbps
Range
10m
10-100m
10-100m
N00m
10m
Pros

Ad Hoc
low price
high speed
location

Ad Hoc
low price
Ad Hoc
low price
Indoor?
high speed
Cons
short range
low speed
power consumption
hardware cost
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2. What is UWB?:

  • Features of UWB:
  • use ultra Wideband around GHz
  • use ultra low powered transmit: 10 nW/MHz
  • Modulation:
    • No carrier wave
    • Short impulse signal (1 Ns - several hundred Ns); called UWB on Impulse Radio
      • PPM (Pulse Position Modulation)
      • Bi-phase Modulation:
        DS(Direct Sequence), TH(Time Hopping)
      • PAM (Pulse Amplitude Modulation)
  • Multiple connection by multi users:
    • CDMA by TH (Time Hopping)

  • Transmit-Receive of UWB by TH (Time Hopping) and PPM (Pulse Positioning Modulation) <Cf: right chart>
    • When Data-0:
      Transmit several pulses delayed by proper TH for each user.
    • When Data-1:
      Transmit several pulsed delayed by proper TH plus one symbol (δ) for each user.
  • Range-finding (tellurometer function):
    It can measure the distance by calculating delayed time of the pulse signal.

  • Breakthrough technologies:
    1. Spread Spectrum technology: CDMA, Radar
    2. Adaptive Array Antenna technology: Smart Antenna, MIMO (Multi Input Multi Output), Space-Time Coding
    3. Multi Carrier technology: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
    4. Turbo Coding and Decoding
    5. Wireless ATM, Wireless IP, Wireless 1394, Wireless USB technology
    6. SDR (Software Defined Radio)
    7. UWB (Ultra Wideband) Wireless technology

2. UWBの特徴:

  • 超広帯域を利用:~GHz
  • 超低出力送信:10 NW/MHz
  • 情報変調:
    • 搬送波を用いない
    • 短い(インパルス状)パルス信号を用いる (1ns~数百 Nsの短時間のパルス; UWB on Impulse Radio)
      • PPM (Pulse Position Modulation)
      • BI-phase Modulation:
        DS(Direct Sequence), TH(Time Hopping)
      • PAM (Pulse Amplitude Modulation)
  • マルチユーザによる多元接続
    • 時間ホッピング(TH)によるCDMA

  • <左図> TH/PPMによるUWBの送受信
    • 入力データ0の場合:
      ユーザ毎に固有のTH系列分だけ遅延させたパルスを複数送受信する。
    • 入力データ1の場合:
      1シンボル分のパルスすべてをδ遅延させる。


  • 距離測定:
    パルス信号の到着時間を計測することで、距離を測ることができる。

  • 基盤技術(ブレークスルー技術):
    1. スペルトル拡散通信技術:
      CDMA, Radar
    2. アダプティブ・アレー・アンテナ技術:Smart Antenna, MIMO (Multi Input Multi Output), Space Time Coding
    3. マルチキャリア技術 (OFDM) :Multi carrier parallel伝送による高速伝送 (E.g.: 802.11 a/g)
    4. ターボ符号技術 (Turbo Coding and Decoding)
    5. 無線ATM、無線IP、無線1394、無線USB技術
    6. ソフトウェア無線 (SDR = Software Defined Radio)
    7. 超広帯域無線 (UWB)
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3. Definition of UWB:

  • Bandwidth of UWB:
    Ratio of bandwidth = (Bandwidth)/(central peak of frequencies) is usually more than 25% (DARPA)f.

BW = 2 (fH - fL) / (fH + fL) = (fH - fL) /fC

when fC=2.4 GHz, fH=3.0 GHz, fL=1.8, 1.2GHz, then BW=50%

    • AM radio: 6.8kHz/530kHz = 1.3%
    • cdmaOne: 1.25MHz/800MHz = 0.15%
    • W-CDMA: 5MHz/2200MHz = 0.23%
    • WLAN (802.11): 22MHz/23345MHz = 0.9%
  • UWB maximum speed (Shannon's capacity, bit/sec):
    C = B log2 (1 + P/N)

    where,

    • C = Max channel capacity in bits/s
    • B = channel bandwidth in Herz
    • P = Signal power in Watts
    • N = Noise power in Watts.
  • Possible Maximum speed (C): Several G bps:
    UWB system utilize the bandwidth (B) of several GHz order

3.UWBの定義:

  • UWBの帯域幅 (比帯域幅BW) =
    (帯域幅)/(中心周波数)は通常25%以上(米DARPA)
    2 (fH - fL) / (fH+ fL) = (fH- fL) /fC

    ここで、fC=2.4 GHz, fH=3.0 GHz, fL=1.8, 1.2GHz, の場合、比帯域幅BW=50%
    なお、

    • AM radio: 6.8kHz/530kHz = 1.3%
    • cdmaOne: 1.25MHz/800MHz = 0.15%
    • W-CDMA: 5MHz/2200MHz = 0.23%
    • WLAN (802.11): 22MHz/23345MHz = 0.9%
  • UWBの最大伝送速度(通信路容量)、シャノンの通
    信容量(bit/sec):
    C = B log2 (1 + P/N)

    ここで,

    • C = Max channel capacity (bits/s)
    • B = channel bandwidth (Herz)
    • P = Signal power (Watt)
    • N = Noise power (Watt)
  • 原理的には最大伝送速度Cは、数Gbpsが可能:
    占帯域幅Bが数GHzオーダー
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4. History of UWB:

  • 1963: Ross δ(t) response for microwave N-ports.
  • 1965: Ross, UWB technology research at Sperry.
  • 1970s: Ross, US patents
  • 1979: Bennet and Ross, Time Domain Electromagnetics.
  • 1980s: Harmuth UWB antennas
  • 1989: Barret UWB Term
  • 1990s: UWB development programs
  • 1998: FCC UWB No!
  • 1999.6: UWB devices
  • 2002.2: FCC UWB regulatory approval
  • 2002.5 CRL UWB project start
  • 2004 & beyond: Commercialization of UWB applications.

4.UWB開発の歴史:

  • 1963: Ross microwave N-portsに対するδ(t) レスポンス.
  • 1965: Ross, Sperry社でのUWB技術開発
  • 1970s: Ross, 米国特許取得
  • 1979: Bennet とRoss, 時間領域での電磁気学
  • 1980s: Harmuth UWB アンテナ
  • 1989: Barret UWB Term
  • 1990s: UWB 開発プログラム
  • 1998: FCC UWB 認可せず
  • 1999.6: UWB デバイス
  • 2002.2: FCC UWB 規制認可
  • 2002.5 CRL UWB プロジェクト開始
  • 2004以降: UWBアプリケーションの商用化
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5. UWB for product development:

  • Spectrum destiny is very lows:
    noise level, less than DS-SS
    • compatible with the existing systems, giving and receiving less interference (common use).
  • Lower power: can transmit several miles with less than 1mW
    • Tentative FCC guideline shows:
      -41dBm/MHz = 75 NW/MHz; if the bandwidth is 7GHz, this becomes 0.5mW
    • CF: feeble wireless station (322MHz - 10GHz) is about 0.37nW
  • Range of communication: Max 10m (by FCC guideline)
  • Very short pulse (nano second)
    • Rake receiving, Multi path
    • High resolution as a radar (several cm)
  • No carrier:
    • Very short time of transmitting
    • Small and lower power system
  • Wider bandwidth (GHz order)
    • Large capacity, multiple access, ultra high speed (several hundred Mbps)
  • Concurrently measurement of distance:
    • applicable to ITS (communication between cars)
  • Without spread modulation to enable ultra high speed (more than 100Mbps)
  • One-chip available only by time-domain process, without processing frequency.

5.製品開発のためのUWB:

  • 電力スペクトル密度は極めて低い(雑音レベル、DS-SS以下)
    • 既存通信システムとの与干渉・被干渉が少なく、共存の可能性
  • 平均電力レベル 1mW以下で数マイル伝送可能
    • FCC暫定基準では -41dBm/MHz = 75 NW/MHz; 7GHz幅の場合, 0.5mWとなる
    • 比較:微弱無線局 (322MHz - 10GHz) での強度は約0.37nW
  • 通信距離は最大10m程度 (FCC基準電波強度)
  • 極めて短いパルス(Ns単位)を利用
    • Rake受信によりマルチパスに強い
    • レーダーとして高い距離分解能 (数cm単位)
  • キャリアなし。
    • 信号の放射時間が極めて短い
    • 小型・低消費電力のシステム可能
  • 常に広い帯域を占有(GHzオーダ)
    • 大容量多元接続、超高速伝送<数百Mbps可能)
  • 通信と測距が同時に可能
    • ITS (車車間通信など) 応用可能
  • ★拡散変調なしで超広帯域化・超高速伝送(100Mbps以上)
  • ★周波数処理なし、時間領域処理だけでOne-chip化
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6. UWB applications:

  • Office/Home communication:
  • High Speed WLAN:
    • WPAN (Personal Area Network)
      short-range WLAN of 100Mbps
    • being standardized: IEEE802.15.3a
      • CF: 802.15.1 Bluetooth 1Mbps
      • CF: 802.15.3 WiMedea 20Mbps
    • US: Extreme Spectrum Inc./Time Domain Corp
    • Wireless USB 2.0 (480bps)
  • Codeless Telephone:
  • Radar/Sensor:
    • Military purpose
    • Police & Fire station: "Through Wall Sensor"
    • High resolution measurement of distance:
      collision avoidance system
  • Interference with GPS:
    • When a UWB transmitter located near a GPs receiver may interfere with the latter, deteriorating GPs accuracy:
    • When signal deterioration allowance of GPs receiver is 1dB, the USB transmitter must be detached 88m.

6.UWBの応用:

  • 室内通信:
  • 高速無線LAN:
    • 無線PAN (Personal Area Network)
      近距離での100Mbps以上の無線伝送
    • 標準化:IEEE802.15.3aにて規格検討中
      • Cf: 802.15.1 Bluetooth 1Mbps
      • Cf: 802.15.3 WiMedea 20Mbps
    • 開発:US: Etreme Spectrum Inc./Time Domain Corp
    • Wireless USB 2.0 (480Mbps)
  • コードレス電話:
  • レーダー・センサ:
    • 軍事用途
    • 警察消防:スルーウォールセンサ
    • 高精度測距:衝突防止センサ
  • GPSへの干渉:
    • UWB送信機がGPS受信機の近くに位置する場合、GPSの受信性能が劣化し、同期捕捉がはずれる可能性がある。
    • GPS受信機の劣化許容量を1dBとすると、UWB送信機は88m離す必要がる。
Comment
  • UWB technology seems not only one of the remarkable technology but also it gives revolutional impact in communication: such as review or regulatory policy of bandwidth, funciton of a carrier and users, and release of radar technology for general public.
  • "Through Wall Sensor technology" will be useful for rescue operation, etc. but be also a double-edged technology.
  • UWBは単なる画期的に技術だけでなく通信分野での革命的な衝撃を与えている。電波管理の見直し、キャリアとユーザの役割、一般へのレーダー技術の開放、等々。
  • "透視技術"は、災害対応への期待もあるが両刃の剣でもある。

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