ULTRA WIDE BAND - ENSEEIHT

Ultra Wide Band

ULTRA WIDE BAND

Martial COULON

ENSEEIHT - 3 annee Telecom-Reseaux - option Mobilite

annee 2007-2008

1/ 108

Ultra Wide Band

Plan du coursIntroduction

DefinitionHistorique et ReglementationsApplicationsSpecificites

Principes de transmissionEmetteurs I-UWB

Forme du pulseModulations TH-UWBModulations DS-UWB

Emetteurs MC-UWBPrincipes generauxOFDM-UWB

Modelisation du canalModeles Large EchelleModeles Petite Echelle

RecepteursProblemes generaux pour recepteurs UWBRecepteurs I-UWBRecepteurs MC-UWB

Coexistence avec d’autres systemesInterferences UWB sur systemes NBInterferences des systemes NB sur UWBInterferences UWB sur UWB

References2/ 108

Ultra Wide Band









References2/ 108

Ultra Wide Band









References2/ 108

Ultra Wide Band









References2/ 108

Ultra Wide Band









References2/ 108

Ultra Wide Band









References2/ 108

Ultra Wide Band

Introduction









References3/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Definition

Definition

fh : frequence haute a -10dBfl : frequence basse a -10dBLargeur de bande fractionnaire (fractional bandwidth) :

FB =fh − fl

(fh + fl)/2

1ere definition

signal UWB si FB > 20%

2eme definition (fc > 6GHz)

signal UWB si fh − fl > 500 MHz

4/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Definition

1er type de signal UWB : Impulse UWB (I-UWB)

emission d’impulsions tres breves de duree ∼ 1nsavec ou sans modulation sur frequence porteuse

Avantages :

I peu d’interferences avec autres systemes UWB

Inconvenients :

I interferences possibles avec nombreux systemes Narrow-Band (NB)

I necessite de synchronisation tres fine

2eme type de signal UWB : Multi-Band UWB (MC-UWB)

emissions simultanees de multiporteuses dans des bandes de largeur > 500MHz

Avantages :

I possibilite d’eviter certaines bandes

Inconvenients :

I implementation plus difficile

I besoin de FFT tres rapide5/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Definition

Comparaison de spectres I-UWB et MC-UWB

Spectre d’un signal I-UWB monocyle gaussien

Spectre d’un signal MC-UWB OFDM

6/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Definition

Principaux interets de UWB

I resolution temporelle tres fine+ grand potentiel pour la localisation (radar)

I plus grande robustesse en environnement multi-trajet tres dense si on saitexploiter les trajets resolvables+ moins de fading

I densite spectrale de puissance tres faible+ coexistence possible avec d’autres systemes avec peu d’interferences

I plus grande capacite (au moins sur faibles distances)

I applications de faibles a tres hauts (> 100Mbps) debits

7/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Definition

Comparaison des capacites UWB/802.11a/Bluetooth

I EIRP = −41dBm, N0 = −108dBm.

I Path Loss : n = 2 pour d < 8m, n = 3.3 pour d > 8m.

8/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Historique et Reglementations

Bref historique de l’UWB

I 1ers systemes UWB : Marconi (1894-1896)+ premieres transmissions radio par emission d’impulsions tres breves

I pas de technologie adaptee pour communications radio par UWB+ evolution des systemes radio sur frequence porteuse+ systemes par pulse limites au radar

I 1973 : premier brevet de systemes de telecommunications par UWB

I 1989 : terminologie ”UWB” proposee par le Department of Defense US

I debut 90’s : debut de la recherche sur les communications radio I-UWB

I avril 2002 : specification du masque de puissance d’emission par la FederalCommunications Commission (FCC) US+ pas de restriction de la definition de l’UWB a l’I-UWB+ debats sur les avantages/inconvenients respectifs de I-UWB etMC-UWB

9/ 108

Ultra Wide Band

Introduction


I debut 2006 : dissolution du groupe de recherche IEEE 802.15.3a pour lastandardisation de l’UWB+ developpement de solutions proprietaires+ OFDM-UWB pressenti pour prochaine generation de Bluetooth,et pourprochaine norme ETSI

I fevrier 2006 : proposition du masque d’emission par la Conferenceeuropeenne des postes et telecommunications (CEPT)

I ? : masque d’emission japonais

10/ 108

Ultra Wide Band

Introduction


Reglementations

FCC (avril 2002) : accord pour produits UWB sans license

I pas de bandes specifiques allouees

I superposition avec d’autres systemes existants

3 types d’applications :

I Radar pour vehicules

I Imagerie et Surveillance (imagerie medicale, imagerie a travers desobstacles)

I systemes de communications (indoor et outdoor)

Specification seulement du masque de puissance (densite moyenne de PIRE(EIRP))+ pas de schema de modulation impose

11/ 108

Ultra Wide Band

Introduction


Masques FCC pour systemes de telecom

Masques telecom Masque Radar vehicule

Avenir : certaines contraintes eventuellement relachees si pas d’impact desequipements UWB sur systemes NB.

12/ 108

Ultra Wide Band

Introduction


Masques Europe et Japon pour systemes de telecom

Masques Europe (CEPT) Masque Japon

Bande 4.2GHZ-4.8GHz (Europe) : autorisation provisoire de transmettre a-41.3dBm/MHz sans technique de reduction d’interference (jusqu’au 31decembre 2010).

13/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Applications

Applications

Types d’applications visees :

I hauts et bas debits

I faible cout

I faible puissance

Radar Haute Resolution

I pulses large bande + nombreuses informations sur la cible (forme,materiau,...).

I possibilite d’avoir frequence centrale faible + penetrer structures solides.

I resolution∆R =

cτ

2avec τ = duree du pulse

ex : τ = 100ps + ∆R = 1.5cm

14/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Applications

Imagerie

I a travers les murs : detection/identification presence de personnes(respiration, battements de coeur,...).

I medicale : regarder dans le corps + meilleure que IRM car possibilite debouger.

Communications

I initialement applications militaires

I remplacement de cables pour equipements hauts debits (∼ Gbps pourapplis multimedia) + offres commerciales (Motorola, Intel,...)

I WPAN : connecter differents equipements sur Ø < 10mex : IEEE 802.15.3a

110 Mpbs sur 10m200 Mps sur 4m480 Mbps < 4m

I amelioration de Bluetooth pour debits ∼ USB 2.0 (480Mbps)

I systemes UWB pour equipements sur vetements

15/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Applications

Localisation (Location Aware Communications)

I reseaux de capteurs- surveillance et controle de processus industriels automatises- pas de maintenance pendant des annees (utilisation a 0.1%)

I IEEE 802.15.4a (ZigBee)- bas debits, faible consommation- interconnexion d’equipements sans fil- suivi (tracking) de personnes et d’objets - services proposes aux pompiers

Premiers produits commerciaux

avant l’autorisation de la FCC (2002)

I Xtrem Spectrum : Trinity (2002). WPAN : remplacement de cables pourMPEG2 (Fast Ethernet).

I Time Domain Corp. : PulsOn (1999, 2002). Transmission voix/videos,tracking, capteurs industriels, securite.

I MSSI : systemes radars et communications pour applis militaires et civiles.

I Aether Wire: localisation avec ∆R = 1cm sur plusieurs kms avec reseaude centaines ou milliers de capteurs.

I 802.15.4a : en cours de normalisation. Puissance transmise leq0.5mW. 16/ 108

Ultra Wide Band

Introduction

Specificites

Specificites

Problemes nouveaux avec UWB, inexistants ou negligeables pour systemes NB

I gigue temporelle (timing jitter) + perte de synchro, de donnees

I oscillateurs non-ideaux

I distorsion de l’impulsion dependante de la frequence

I effets des antennes non constants sur l’ensemble de la bande

I modeles de propagation et de canal de transmission

I pour MC-UWB : tres grand PAPR + les equipements doivent supporterce pic de puissance

I synchronisation extremement precise entre emetteur et recepteur

I technologie DSP : besoin de FPGA et ASICs pouvant fonctionner aplusieurs dizaines de Gbps + limites actuelles.ex. : pulse ∼ 250ps, 2 ech./pulse, 6 bits par ech. ⇒ 48Gbps.Pbs conversion analogique/numerique : BP en entree du convertisseur leqbande du signal.

I WPAN : reseaux auto-organises, dynamiques. Nouveaux pbs pour couchesMAC.

17/ 108

Ultra Wide Band

Principes de transmission









References18/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

Transmissions I-UWB

Formes de l’impulsion

Formes les plus frequentes : gaussienne et ses derivees

I Impulsion gaussienne :

p(t) = αe−(t−µ)2/2σ2

duree du pulse = 2πσ

I Derivee premiere de gaussienne :

p(t) =32k6

πte−(kt)2

I Derivee seconde de gaussienne :

p(t) =

(32k2

9π

)1/4 (1− 2(kt)2) e−(kt)2

19/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

Impulsions basees sur la gaussienne

Probleme

ne rentre pas forcement dans la bande 3.1GHz-10.6GHz (ou autre)ou n’optimise pas le spectre

Gaussienne modulee sur frequence centrale fc

p(t) =

(8k

π

)1/4(1 + e

2π2f2c

k

)−1/2

e−(kt)2 cos(2πfct)

20/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

Autre possibilite

p(t) =

M−1∑m=0

wmpe(t−mT0)

pe(t) : impulsion elementaire de duree T0 (ex. : T0 = 35.7ps ou T0 = 73pssuivant complexite possible)wm : coefficients a optimiser pour utiliser au mieux la bande spectrale

Adequation de differentes formes d’onde au masque spectral

21/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

Deux grands types de modulations pour I-UWB

I Time-Hopped UWB (TH-UWB) : code (cj)j utilise dans le decalagetemporel du pulse

I Direct-Sequence spread-spectrum UWB (DS-UWB) : code (cj)j utilisedans l’amplitude du pulse

22/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

TH-UWB

Principe

objectif : emettre une suite de bits (. . . , b0, b1, . . . , bk, bk+1, . . .) (bk = 0/1)audebit 1/Tb.methode : decalages temporels du pulse de “granularite” δ par utilisation d’uncode pseudo-aleatoire (cj)j avec cj entier

1ere etape : repetition de chaque bit Ns fois (redondance par code repeteur)+ (. . . , b0, . . . , b0︸︷︷︸

Ns fois

, b1, . . . , b1︸︷︷︸Ns fois

, . . . , bk, bk+1, . . .) ≡ (. . . , a0, a1, . . . , aj , aj+1, . . .)

+ sequence binaire (aj)j au debit Ns/Tb ≡ 1/Tf.Tf : duree de la trame (frame) durant laquelle est emis chaque bit aj a l’aided’un pulse de duree Tp Tf

Interet de plusieurs pulses par bit

fournir suffisamment d’energie par bit pour la detectioncar 1 pulse → faible puissance (pour satisfaire au masque) → peu d’energie

23/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

codage

aj ↔ cj ∈ 0, 1, . . . , Nh

decalage temporel

dj = cjTc + ajδ =

cjTc pour aj = 0cjTc + δ pour aj = 1

avec duree chip Tc et δ tels que

cjTc + δ < Tf, ∀cj

24/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

Signal module transmis

Pulse-Position Modulation (PPM-TH UWB)

s(t) =∑j

√Epp(t− jTf − dj)

Ep : energie a emettre par pulse.

Pulse-Amplitude Modulation (PAM-TH UWB)

s(t) =∑j

√Epβjp(t− jTf − cjTc)

avec βj = 1− 2aj .

+ generalisation possible aux modulations a plusieurs etats M-PPM etM-PAM.

25/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

Exemples

PPM / PAM / OOK

26/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

DS-UWB

Principe

objectif : emettre une suite de bits (. . . , b0, b1, . . . , bk, bk+1, . . .) (bk = 0/1)audebit 1/Tb.methode : utiliser un code binaire d’etalement (cj)j avec cj ∈ −1,+1,periodique de periode Np (Np = kNs).

1ere etape : repetition de chaque bit Ns fois (redondance par code repeteur)+ (. . . , b0, . . . , b0︸︷︷︸

Ns fois

, b1, . . . , b1︸︷︷︸Ns fois

, . . . , bk, bk+1, . . .) ≡ (. . . , a∗0, a∗1, . . . , a

∗j , a∗j+1, . . .)

Nouvelle sequence :aj = 2a∗j − 1 ∈ −1,+1

+ sequence binaire (aj)j au debit Ns/Tb ≡ 1/Tf.Tf : duree de la trame (frame) durant laquelle est emis chaque bit aj a l’aided’un pulse de duree Tp Tf.

27/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs I-UWB

Signal module transmis (1 pulse par trame)

s(t) =∑j

√Epajcjp(t− jTf)

=∑j

√Epdjp(t− jTf)

remarque : pour DS-SS “classique”, p(t) rectangulaire sur [0;Tf].

Alternative (Nh pulses par trame) : code (cj)j=0,...,Nh

s(t) =∑j

√Epaj

Nh−1∑i=0

cip(t− jTf − iTc)

=∑j

√Ep

Nh−1∑i=0

djp(t− jTf − iTc)

28/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs MC-UWB

Principes generaux

Methode

I 1 flot de donnees → decoupe en plusieurs sous-flots transmis en parallelesur differentes sous-bandes de largeur & 500MHz

I sous-porteuses modulees a des debits plus faibles pour minimiser l’ISI.

I trains de pulses UWB et sous-canaux orthogonaux + grande efficacitespectrale, hauts debits.

Avantages de MC-UWB

I meilleure resolution temporelle + meilleures performances sur canauxmulti-trajets

I meilleure utilisation du spectre + debits plus grands

I permet d’eviter certaines sous-bandes

29/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs MC-UWB

Forme generale du signal

s(t) = β∑j

N−1∑n=0

bjnp(t− jTp)e2iπnfp(t−jTp)

avec :

I β fixe la valeur de la puissance emise

I bjn symbole transmis sur la neme sous-porteuse durant le jeme intervalle

I fp = 1/Tp

30/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs MC-UWB

OFDM-UWB (Multiband-OFDM)

Difference avec OFDM “classique” :

forme d’onde p(t) non-constante sur [0;Tp]

p(t) =

N∑n=1

s(t− nT )e−2jπc(n) t

Tc

avec

I s(t) : pulse elementaire de duree Ts < T

I p(t) : pulse module de duree Tp = NT

I c(n) : sequence de Frequency-Hopping (permutation de 1, . . . , N)I s(t− nT ) : module a la frequence fn = c(n)

Tc

31/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs MC-UWB

Exemple de mise en forme FH-OFDM UWB avec N = 4.

Specificites de MB-OFDM par rapport a OFDM :

I redondance en temps

I redondance en frequences

32/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs MC-UWB

Multi-Band OFDM pour IEEE 802.15.3a

I 14 sous-bandes de 528MHz

I 128 sous-porteuses par sous-bande, espacees de 4.125MHz

- 100 pour les donnees, modulees en QPSK- 12 tons pilotes pour le suivi de phase/porteuse- 10 tons de garde aux extremites- 6 tons nuls

I prefixe cyclique de 60.61ns pour chaque saut

I intervalle de garde de 9.47ns (pour passer d’une bande a l’autre)

Plan de bandes pour FH-OFDM UWB.

33/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs MC-UWB

Mapping des sous-porteuses pourMB-OFDM.

Frequency-Hopping dans la 1ere

sous-bande.

34/ 108

Ultra Wide Band


Emetteurs MC-UWB

Debit binaire MB-OFDM

R =NSC

Ts + TCP + TGI

m · rSF

I NSC : nb de sous-porteuses de donnees (ex. : NSC = 100)

I Ts = 1/∆f : duree symbole utile (ex. : Ts = 1/(4.125MHz))

I TCP : duree du prefixe cyclique (ex. : TCP = 60.61)

I TGI : duree de l’intervalle de garde (ex. : TGI = 9.47)

I m : nb de bits par symbole

I r : taux de codage

I SF : gain d’etalement (= SFtemporel × SFfrequentiel)

Exemples de debits pour MB-OFDM.

Debit R r Time SF Frequency SF SF total bits/symbole OFDM55Mbps 11/32 2 O 4 100

110Mbps 11/32 2 N 2 200200Mbps 5/8 2 N 2 200480Mbps 3/4 1 N 1 200

35/ 108

Ultra Wide Band

Modelisation du canal









References36/ 108

Ultra Wide Band


Modeles Large Echelle

Canal de Propagation

Ce qui est different avec UWB...

I canaux NB : coefficients du canal et effets de propagation (y comprisantennes) constants sur toute la largeur de bande.

I valable pour FB≤ 0.01, mais pas pour UWB.

I canaux NB multi-trajet : signal recu = somme de copies du signal emis,attenuees, retardees, dephasees (→ distorsion frequentielle du signalglobal).

I UWB : chaque composante subit sa propre distorsion freqentielle.

37/ 108

Ultra Wide Band



Propagation a Larges Echelles

Formule de Friis

I signaux NB : Path Loss (a peu pres) constant sur toute la bande

I signaux UWB : Path Loss peut varier sur la bande.

Path Loss en espace libre

Puissance recue :

Pr =EIRP

4πr2Ar =

PtGt4πr2

Ar

avec

Ar = ouverture effective de l’antenne receptrice =λ2

4πGr

Pr =PtGtGrλ

2

(4πr)2

PL =

(4πr

λ

)2

+ PL a priori fonction de λ (pour antennes a gain constant).

38/ 108

Ultra Wide Band



Antenne d’emission a ouverture constante

EIRP = Pt4πAtλ2

+

Pr = PtAtAr(λr)2

+

PL ∝ (λr)2

I Tx gain constant / Rx ouverture constante

Pr = PtGtAr

4πr2

I Tx ouverture constante / Rx gain constant

Pr = PtAtGr

4πr2

+ PL independant de λ dans les 2 cas.

39/ 108

Ultra Wide Band



Pulses recus a differentes distances pour un meme pulse emisPulse emis : gaussien ∼ 200ps / Pulses recus normalises pour eliminer lefacteur 1/r2

Antenne Bicone Antenne Corne

Bilan

Pour une meme antenne, toujours le meme pulse recu.+ distorsions seulement dues aux antennes elles-memes.+ PL independant de λ.

PL(r) = PL0

(r0

r

)2

PL0 contient la dependance vis-a-vis de λ.40/ 108

Ultra Wide Band



Path Loss en espace non-libre

PL moyen

PL(r) = PL0

(r0

r

)nQuestion : n depend-il de λ ? + pas de consensus.

n mesure pour differentes antennes, f ∈[1GHz-10GHz], r ≤ 10m

Question : que se passe-t-il pour r > 10m ?

41/ 108

Ultra Wide Band



Modeles de Path Loss dependant de f

H(f) : fonction de transfert mesuree du canal

PL(f) = E

[∫ f+ ∆2

f−∆2

|H(f)|2df

]→ pas de prise en compte des antennes.

Differents modelesI

PL(f) ∝ f−2k, k ∈ [0.8; 1.4]

I

log10 PL(f) ∝ e−δf

δ = 1 pour LOS, δ = 1.36 pour NLOS.

42/ 108

Ultra Wide Band



Propagation meilleure qu’en espace libre ?

Mesures du Path Loss et Shadowing en bureau/residence indoor

+ existence de valeurs de n inferieures a 2.Pourquoi ? + le signal mesure ne contient pas que le trajet LOS, mais on acollecte de l’energie sur d’autres trajets.

43/ 108

Ultra Wide Band



Modeles de Path Loss dependant du recepteur

Difficulte particuliere en UWB : recuperer toute l’energie disponible

+ modeles de PL fonction de la quantite d’energie collectee

+ dependent du type recepteur

+ pas forcement applicable a tous recepteurs.

Exemple : Peak Path Loss

ne considere que la composante multi-trajet la plus puissante+ meilleure representation du PL pour les recepteurs capables de ne recupererqu’une partie de l’energie du signal+ exposant du PL plus grand

44/ 108

Ultra Wide Band



Path Loss total Peak Path Loss

Alternative

considerer le Path Loss total et definir un facteur de captation de l’energieapproprie a l’architecture du recepteur

45/ 108

Ultra Wide Band



Shadowing

Comme pour systemes NB, shadowing en UWB ∼ N (0, σ2L) (en dB)

Valeurs typiques pour σL : entre 1.5dB et 4dB

CDFs mesurees et theoriques du Shadowing pour LOS et NLOS

46/ 108

Ultra Wide Band



Ex. de Path Loss aleatoire (avec Shadowing) : IEEE 802.15.4

PL(r) = PL0 + 10µn log10

r

r0+ 10σnX1 log10

r

r0+X2µσ +X2X3σσ

avec :

I PL0 : Path Loss moyen a la distance r0

I µn, σn : moyenne et variance de l’exposant du PL n

I µσ, σσ : moyenne et variance de σL

I X1, X2, X3 ∼ N (0, 1)

47/ 108

Ultra Wide Band



Bilan de Liaison

Objectif (cas general) :

Determiner la portee du systeme, i.e. distance maximale permettant d’obtenirune puissance recue minimale

Pr = Pt +Gt +Gr − PL− Pertes−Marge

+ determination de Eb/N0 d’apres :

Eb ≈ Pr ×duree du symbole

nb de bits par symbole

Marge :

I determinee grace au shadowing

I garantit que Eb/N0 obtenu dans toute la zone couverte avec une certaineprobabilite

48/ 108

Ultra Wide Band



Pour UWB :

I Pic de puissance puissance moyenne + Eb 6= Puissance moyenne ×Duree symbole / nb de bits+ puissance moyenne pas unique parametre a considerer

I gains des antennes pas necessairement constants sur tout la largeur debande

I ouvertures des antennes pas necessairement constants sur tout la largeurde bande

I fading eventuellement moins fort en UWB + marge reduite

Solution Possible

1. eliminer Gt et Gr du bilan+ remplacer par GAP (Antenna-Pulse coupling gain), fonction du pulseutilise et de l’ouverture de l’antenne Rx+ “gain” eventuellement negatif !

2. Path Loss ↔ propagation “pure” :

PL = 4πr2

49/ 108

Ultra Wide Band



ρ : fraction de l’energie capturee par le recepteur (20% ↔ -7dB)

Propagation en espace non-libre

remplacer n = 2 par n > 2PL = 4πrn

50/ 108

Ultra Wide Band


Modeles Petite Echelle

Modelisation du canal aux Petites Echelles

Pour UWB

large echelle ↔ d 1mpetite echelle ↔ d < 1m

Modele “classique”

h(t) =

K∑k=0

αkδ(t− τk)

Particularite de UWB :

τk ∝1

W∼ 1ns

+ resolution tres fine+ grand nombre de multi-trajets

51/ 108

Ultra Wide Band



Ex. de reponse impulsionnelle pourcanal NLOS IEEE802.15.3

Formes d’ondes emise et recu. (a)Tp = 91ns ; (b) Tp = 0.55ns

52/ 108

Ultra Wide Band



Modele de Saleh-Valenzuela

Modele par clusters : les composantes arrivent par paquets (clusters) aleatoires

53/ 108

Ultra Wide Band



Reponse impulsionnelle :

h(t) =

L∑l=0

K∑k=0

βk,lδ(t− Tl − τk,l)

I L : nb de trajets par clusters

I K : nb de clusters

I Tl : instant d’arrivee du leme cluster

Modelisation Poissonienne des arrivees des clusters :

f(Tl|Tl−1) = Λe−Λ(Tl−Tl−1)

Λ : taux moyen d’arrivee. Modelisation Poissonienne des arrivees des trajetsdans un cluster :

f(τk,l|τk−1,l) = λe−Λ(τk,l−τk−1,l)

λ : taux moyen d’arrivee.Puissance moyenne : decroissance exponentielle sur les clusters et les trajets

|βk,l|2 = |β0,0|2e−Tl/Γe−τk,l/γ

54/ 108

Ultra Wide Band



Distribution des amplitudes βk,l

Rayleigh ? pas forcement adapte a UWB car moins de trajets non-resolvables+ loi de Nakagami ou log-Normale

Modelisation log-normale

βk,l = pk,l10(µk,l+Xσ,k,l)/20

avec

I pk,l = ±1 equiprobables (polarite)

I Xσ,k,l ∼ N (0, σ2) (σ en dB)

I

µk,l =20 ln |β0,0| − 10Tl/Γ− 10τk,l/γ

ln 10− σ2 ln 10

20

55/ 108

Ultra Wide Band



Exemple de parametres de canal Saleh-Valenzuela UWB

56/ 108

Ultra Wide Band



Modele de Poisson modifie pour canal LOS

observation : pour canaux LOS, premieres composantes beaucoup plusenergetiques que les dernieres

I Premiere composante (LOS) : τ0 = 0, p0 = +1

I Autres composantes fortes

M = nb de composantes dominantes ∼ Unif. Reparti sur2, 3, 4

f(τk|τk−1) = λ1e−λ1(τk−τk−1), 0 < k < M

pk = ±1 avec equiprobabilite, |βk| ∼loi-normale

I Composantes faibles

f(τk|τk−1) = λ2e−λ2(τk−τk−1), k ≥M

1ere composante faible + energie W dB sous l’energie moyenne descomposantes fortespuis decroissance exponentielle

57/ 108

Ultra Wide Band



Modele Split-Poisson

UWB sur distances tres faible + eventuellement tres peu de clusters+ 2 clusters de parametres (λi, σi, γi)i=1,2 avec second cluster decale etattenue d’un facteur α par rapport au premier.

Illustration du modele Split-PoissonIllustration des deux clusters

58/ 108

Ultra Wide Band



Modele ∆−KIdee : proba pour qu’un trajet arrive avec un retard τ multipliee par un facteurK si trajet arrive sur les ∆ dernieres secondes.+ favorise la formation de clusters.+ instants d’arrivee ∼ processus de Poisson a 2 etats

59/ 108

Ultra Wide Band



Loi des amplitudes

Valeurs moyennes + Poewer Delay Profile (decroissance exponentielle)Variations locales : loi Rayleigh/log-Normale/Weibull/NakagamiUWB : moins de trajets non-resolvables + s’additionne moins pour former uneamplitude de Rayleigh.+ lois d’amplitudes plus “piquees”+ fading moins fort

I Rayleigh : pour les derniers trajets (plus nombreux)

I Nakagami

f(x) =2mmx2m−1

Γ(m)Ωme−

mx2Ω , x ≥ 0

m ≥ 1/2 et Ω ≥ 0. m > 1 + loi de Rice avec facteur de Rice

K =

√m2 −m

m−√m2 −m

60/ 108

Ultra Wide Band



CDF de l’amplitude pour differents delais en exces

61/ 108

Ultra Wide Band



Energie capturee

I critere important a prendre en compte dans le choix du modele (surtout sirecepteur de type Rake)

I depend du type de canal (LOS/NLOS) et du type d’antenne

Energie capturee en fonction du nbde doigts du Rake pour differentesantennes

Energie capturee mesuree etmodelisee

62/ 108

Ultra Wide Band



Effet des distorsions frequentielles

UWB : chaque composante multi-trajet subit une distorsion frequentielle (carles effets dus aux obstacles varient sur toute la largeur de bande)

r(t) =

K∑k=0

αks(t− τk) remplace par r(t) =

K∑k=0

αksk(t− τk)

h(t) =K∑k=0

αkδ(t− τk) remplacee par h(t) =

K∑k=0

αkhk(t− τk)

Solutions possibles :

1. chercher a estimer hk(t) + difficulte de connaıtre precisement l’effet desantennes sur la distorsion (decouplage antennes/environnement difficile).

2. distorsion sur chaque trajet ↔ filtre RIF

hk(t) =

Lk∑l=0

γkδ(t− τk,l)

63/ 108

Ultra Wide Band



Modelisation Spatiale

Attrait de UWB par rapport a NB

pulses tres brefs interagissant peu entre eux, moins de trajets non-resolvables+ diminution du phenomene de fading+ interet de la diversite spatiale ?

Fading spatial

Variation de la puissance du signal sur une petite surface.Energie recue a la position (i, j) d’un lieu l :

εli,j =

∫ T

0

∣∣∣rli,j(t)∣∣∣2 dtFade local (en dB) :

F li,j = 10 log10 εli,j − 10 log10 εref

64/ 108

Ultra Wide Band



CDF de l’energie recue en 6 lieux, mesuree sur une grille de 49 pts sur1m2

+ energie capturee ∼ constante sur la grille+ tres peu de fading local+ mecanismes de diversite necessaires ?

65/ 108

Ultra Wide Band



Fading local avec energie partielle

UWB : peu d’energie capturee+ variation de l’energie avec peu de doigts utilises (en particulier, seule lacomposante principale) ?

CDF de l’energie recue avec 1 seuldoigt du Rake

CDF de l’energie recue en fonctiondu nb de doigts du Rake

66/ 108

Ultra Wide Band



Correlation spatiale

+ pour connaıtre l’interet de technique MIMOa priori : faible fading spatial ↔ correlation forte ?

Signal recu en 3 positions alignes par rapport au Tx - canal LOS

I correlation spatiale forte sur le debut du signal

I correlation spatiale faible sur la fin du signal

67/ 108

Ultra Wide Band



Correlation entre signaux recus mesuree avec differentes durees

Bilan

I captation que du debut du signal + diversite peu efficace

I captation de la globalite du signal + diversite plus interessante68/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs









References69/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Problemes generaux pour recepteurs UWB

RECEPTEURS UWB

Problemes pour les recepteurs UWB

I resolution ultra-fine + pbs de synchronisation

I energie tres dispersee + besoin d’un gd nb de doigts

ex. 1 systeme indoor, delay-spread= 10ns, W = 7.26GHz+ nb de trajets = bWτsc = 72

ex. 2 systeme indoor, delay-spread= 1µs, W = 7.26GHz+ nb de trajets = bWτsc ≈ 7000!

I estimation du canal (pour recepteur type Rake) car Eb/N0 faible

I distorsion du pulse pour chacun des trajets

I pbs d’implementation (circuits) + methodes analogiques/numeriques outotalement analogiques

I synchronisation : decalages temporels + degradation des perfs pour tousdetecteurs bases sur correlations (en particulier pour modulations PPM)

I interference inter-canaux sur canaux multi-trajets : les sous porteusesrecues ne sont plus orthogonales

I PAPR tres eleve

70/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Detecteurs a seuil

+ detecteur les plus simples pour I-UWBPrincipe : niveau du pulse recu > seuil + detection

Pb : nombreuses fausses alarmes dues a des pics de bruit ou aux interferences+ adaptation permanente du seuil de detection par mesure en continu duniveau de bruit recu.

Inconvenients :

I ne considere que des pulses isoles + pas d’energie recoltee globalementsur l’ensemble des composantes.

I sensible au bruit et aux interferences.

71/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteurs optimaux

Modele de canal :

h(t) =K∑k=0

αkδ(t− τk)

Signal recu pour 2-PAM (aj = ±1 ):

r(t) =∑j

K∑k=0

αkajp(t− jTs − τk) + n(t)

Signal recu pour 2-PPM (aj = 0/1 ):

r(t) =∑j

K∑k=0

αkp(t− jTs − ajδ − τk) + n(t)

Hypotheses :

I duree symbole delay-spread + pas d’ISI

I canal parfaitement connu

72/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteur optimal 2-PAM : detection du jeme bit

aj = sign(zj) avec zj =

∫ (j+1)Ts

jTs

r(t)y(t− jTs)dt

ou

y(t) =K∑k=0

αkp(t− τk)

Probabilite d’erreur :

BER = Q

√√√√√2Ep

N0

1 +

K∑i,j=0/i 6=j

αiαjR(τi − τj)

I Ep energie transmise par pulse (normalise)

I R(τ) fonction d’autocorrelation du pulse

I∑k α

2k = 1

73/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteur optimal 2-PPM : detection du jeme bit

aj =

(sign(zj) + 1

2

)avec zj =

∫ (j+1)Ts

jTs

r(t)y(t− jTs)dt

ou

y(t) =

K∑k=0

αk (p(t− τk)− p(t− τk − δ))

Probabilite d’erreur :

BER = Q

√√√√ EpN0

K∑i,j=0

αiαj (R(τi − τj)−R(τi − τj − δ))

Limites des recepteurs optimaux

I perfs essentiellement theoriques (trop de connaissances a priori)

I references (bornes inferieures) pour comparer d’autres detecteurs

74/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteurs RAKE

Recepteur All-Rake

+ utilise tous les trajets+ identique au detecteur par correlateurs (optimal)

Probleme : estimation du canal

I rapport Eb/N0 tres faible (∝ 1/W )

I si canal varie rapidement

I estimation trop couteuse

+ detecteurs Rake non-coherents avec signaux orthogonaux et technique“square-law”

75/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteurs Selected-Rake

+ selection des D doigts les plus puissants (τdi)i=1,...,D.Pour PAM :

BER = Q

(√2EpN0

∆2

σ2

)avec

∆ =D∑i=1

α2di +

D∑i=1

K∑k=0

αkαdiR(τk − τdi)

σ2 =D∑

i,j=1

αdiαdjR(τdj − τdi)

76/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Performances du Rake en fonctiondu nb de doigts - estimationparfaite du canal

Performances du Rake en fonctiondu nb de doigts - estimationimparfaite du canal

77/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Bilan des detecteurs par correlateurs

Avantages :

I optimaux ou quasi-optimaux

I faisables en circuits analogiques ou numeriques

I banc de correlateurs

Inconvenients :

I correlations imparfaites car distorsion du pulse

+ egaliseurs adaptatifs+ faire des FA avec series de forme d’onde, mais

augmentation de la complexite

I pbs de synchronisation entre signal recu et forme d’onde

I SNR diminue si le correlateur ne peut pas capturer toute l’energie

78/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteur par filtre adapte “simple”

+ correlation avec le pulse lui-meme (sans passage dans le canal)

2-PAM :


∫ (j+1)Ts

jTs

r(t)p(t− jTs)dt

BER = Q

√√√√2Ep

N0

(K∑k=0

αkR(τk)

)2

Problemes :

I τk > Tp ⇒ R(τk) = 0 + energie apportee par le keme trajet perdue

I diminution du BER quand le nb de k|τk > Tp augmente

I + recepteur sous-optimal

79/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

2-PPM :

aj =

(sign(zj) + 1

2

)avec zj =

∫ (j+1)Ts

jTs

r(t) (p(t− jTs)− p(t− jTs − δ)) dt

BER =1

2

(Q(u0

σ

)+Q

(−u1

σ

))avec :

u0 = EpK∑k=0

αk (R(τk)−R(τk − δ))

u1 = EpK∑k=0

αk (R(τk + δ)−R(τk))

σ = N0Ep (1−R(δ))

Problemes : idem que 2-PAM.

80/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteurs par correlations et pilotes

+ utilisation de N signaux pilotes ri(t), i = 1, . . . , Navec (PAM)

ri(t) =

K∑k=0

αkp(t− τk) + ni(t)

Moyenne des signaux recus :

y(t) =1

N

N∑i=1

ri(t) = y(t) + n(t)

Detection du jeme bit (2-PAM)


∫ (j+1)Ts

jTs

r(t)y(t− jTs)dt

+ meme approche possible pour autres modulations.

81/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Performances pour 2-PAM enfonction du nb de pilotes

Performances pour autresmodulations

82/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteurs RAKE avec pilotes

Hypotheses :

I coefficients du canal inconnus

I delais τdi des D trajets les plus forts connus

Estimation du coefficients αdi a l’aide de N signaux pilotes :

αdi = αdi +∑j 6=di

R(τdi − τj) + ndi , αdi + ndi

+ utilisation de αdi a la place de αdi dans le detecteur Selected-Rake.+ degradation des performances

- faible si grand nb de pilotes

- forte si peu de pilotes

83/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Performances du Rake avec 25doigts et 50 pilotes

Performances du Rake avec 50doigts et 250 pilotes

84/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Recepteur pour systeme Transmitted Reference

Principe : transmission d’une paire de signaux, l’un non-module, l’autre module+ le premier sert a demodule le second.Avantages :

I pas d’estimation de canal

I captation de la totalite de l’energie

I plus robustes aux problemes de synchronisation

Inconvenients :

I canal variant dans le temps

I utilisation d’un signal bruite comme forme d’onde pour la demodulation

Ex. : modulation 2-PPM (Np/2 pulses modules/non-modules par bit)

sj(t) =

Np/2−1∑i=0

√Ep (p(t− 2iTf) + p(t− (2i+ 1)Tf − εj,iδ)) , j = 0, 1

bit 0 sj(t) = s0(t) avec ε0,i = i [2]bit 1 sj(t) = s1(t) avec ε1,i = 1− ε0,i

85/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Signal recu apres canal et filtrage passe-bande en reception :

r(t) =

Np/2−1∑i=0

√Ep (g(t− 2iTf) + g(t− (2i+ 1)Tf − εj,iδ)) + n(t)

Moyenne des signaux (non-modules) sur les intervalles [2iTf; (2i+ 1)Tf] :

g(t) =√Epg(t) +

Np/2−1∑i=0

n(t− 2iTf)

Puis correlation avec g(t) :

zj,i =

∫ Td

0

r(t+ (2i+ 1)Tf + εj,iδ)g(t)dt

avec 0 ≤ Td ≤ τmax + Tp (Td + energie et bruit ).Decision :

Z =

Np/2−1∑i=0

(z0,i − z1,i) ≷ 0

86/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Comparaison recepteurs TR et RAKE

Performances du recepteur TR enfonction de Td.

Performances du Rake en fonctiondu nb de doigts.

+ performances de TR limitees par termes de bruit (en particulier termebruit-sur-bruit dans g(t)n(t)).

87/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs I-UWB

Synchronisation

Effet cumulatif d’erreur de synchronisation.

I peu de travaux publies (solutions proprietaires)

I une solution : transmission d’un long flot de pulses regulierement espacesjusqu’a synchronisation.

88/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs MC-UWB

Recepteurs MC-UWB

Modele de canal :

h(t) =

K∑k=0

αkδ(t− τk)

Forme generale du signal recu :

s(t) = β∑j

N−1∑n=0

L−1∑l=0

bjnαlp(t− jTp − τl)e2iπnfp(t−jTp−τl)

avec :

I β fixe la valeur de la puissance emise

I bjn symbole transmis sur la neme sous-porteuse durant le jeme intervalle

I fp = 1/Tp

89/ 108

Ultra Wide Band

Recepteurs

Recepteurs MC-UWB

Detection du symbole sur la meme sous-porteuse

+ filtre adapte a p(t)e2iπmfpt.Pour le symbole j = 0 :

rm(t) =

∫r(u)p∗(t− u)e−2iπmfp(t−u)du

Puis echantillonnage aux instants ti :

rm(ti) = b0m

(β

L−1∑l=0

αle2iπmfp(ti−τl)X(ti − τl, 0)

)

+∑n 6=m

b0n

(β

L−1∑l=0

αle2iπnfp(ti−τl)X(ti − τl, (m− n)fp)

)+ wm(ti)

Objectif : separer les contributions de chaque sous-porteuse et les combiner defacon optimale pour la detection.Recepteur optimal : Multi-Channel Maximum Likelihood (MCML) detector+ maximisation de la vraisemblance sur l’ensemble des sous-canaux + tresgrande complexite, et besoin de l’estimation parfaite du canal + irrealisable enpratique + recepteurs sous-optimaux

90/ 108

Ultra Wide Band

Coexistence avec d’autres systemes









References91/ 108

Ultra Wide Band


Interferences UWB sur systemes NB

Coexistence de UWB sur systemes Narrow-Band

Introduction

Masque de puissance + interferences de UWB avec autres systemes NB etUWB avec ou sans license.

Systemes critiques : GPS, navigation, systemes cellulaires

Mesures + GPS et systemes radar eventuellement perturbes par systemesUWB si Pulse Repetition Frequency (PRF) elevee

Parametres importants pour mesurer le niveau d’interferences :

I PRF

I duty cycle

I formes d’onde

I nb et distributions des interfereurs

I puissances des interfereurs

I modulations

92/ 108

Ultra Wide Band



Interferences de UWB sur NB

Forme generale :r(t) = snb(t) + iuwb(t) + n(t)

I snb(t) : signal NB

I iuwb(t) : interferences UWB

I n(t) : bruit

Spectre de UWB ∼ plat sur la bande NB+ interferences UWB vues en premiere approximation comme uneaugmentation du niveau de bruit de PrBNB/BUWB.

ex. 1 : BNB = 20MHz, BUWB = 500MHz + BNB/BUWB = 0.04ex. 2 : BNB = 200kHz, BUWB = 500MHz + BNB/BUWB = 0.0004

93/ 108

Ultra Wide Band



Influence sur les performances

snb(t) : signal BPSK

BER =1

2Q

(√2EbN0

(1 + δ)

)+

1

2Q

(√2EbN0

(1− δ)

)avec

δ =

√EpEbP (fc)s(ε)

fc : frequence porteuse du systeme NB, ε : offset

BER d’une modulation BPSK avec interference UWB

94/ 108

Ultra Wide Band



Augmentation du SNR pour maintenir le BER (δ ≈ 5.8 10−3 EpEb )

+ augmentation du SNR de 3dB ⇒ EpEb≈ 3300

Interpretation : forte perte d’energie du signal UWB par filtrage de reception(SRRCF)

95/ 108

Ultra Wide Band



BER en presence de 1 et de 10 interfereurs

+ degradation des performances seulement si pulses de tres forte energie

96/ 108

Ultra Wide Band



Modelisation de la puissance d’interference

Puissance recue

I emetteurs UWB uniformement repartis autour du recepteur, entre Rmin etRmax.

I ρ : densite moyenne des emetteurs

I modele de Path Loss

PR = P0

(d0

d

)βPuissance moyenne recue :

limRmax→+∞

E[PR] = P0

(d0

Rmin

)β︸︷︷︸

puissance recue d’un emetteura la distance Rmin

2πR2minρ

β − 2︸︷︷︸aggregation de tous les emetteurs

= P02πR2

minρ

β − 2︸︷︷︸P0

(d0

Rmin

)β97/ 108

Ultra Wide Band



BER en fonction de la densite d’interfereurs

ρ = 10−k, k = 1, . . . , 6 (k = 6 + 1 interfereur par km2)

I densite faible + peu de degradation

I Rmin augmente + reduction des interferences

98/ 108

Ultra Wide Band


Interferences des systemes NB sur UWB

Interferences de NB sur UWB

1 signal UWB + interferences dues a de nombreux systemes NB.Forme generale :

r(t) = suwb(t) + iNB(t) + n(t)

I suwb(t) : signal NB

I inb(t) : interferences UWB

I n(t) : bruit

Ex. : modulation TH-PAM avec Np pulses par bit

BER = Q

(√NpSNRp

1 +∑l SNRl|P (fl)|2

)

I SNRp : SNR par pulse

I SNRl : SNR pour chaque interfereur

99/ 108

Ultra Wide Band



BER pour differentes valeurs de Np

I rapport interference-a-bruit global constant (10dB)

I ecart de 1dB par rapport aux perfs sans interference

I bonne resistance aux interferences

100/ 108

Ultra Wide Band



Performances pour TH-UWB et DS-UWB differentes valeurs de Np

( : 1 / + : 2 / : 4 / pentagramme : 8 / hexagramme : 16)trait plein : TH-UWB / tirets : DS-UWB

interfereur : 2 sinusoıdes pures en 400mHz et 600MHz

101/ 108

Ultra Wide Band



I DS-UWB tres proche de l’optimal pour Np suffisamment grand

I TH-UWB moins robustes aux interferences

Interpretation :

I pour TH-UWB, changement de la phase de l’interfereur NB a chaque pulse+ etalement de la bande de l’interfereur + impact sur UWB

I pour DS-UWB, changement de la phase de l’interfereur NB a chaque bitseulement + pas d’etalement

102/ 108

Ultra Wide Band



Performances pour TH-UWB et DS-UWB differentes valeurs de Np

( : 1 / + : 2 / : 4 / pentagramme : 8 / hexagramme : 16)trait plein : TH-UWB / tirets : DS-UWB

interfereur : signal BPSK a 50kbps103/ 108

Ultra Wide Band



Hypothese : bit BPSK (Tb = 20µs) constant sur chaque pulse de TH-UWB etchaque bit pour DS-UWB (Ts = 5.4µs).

I performances de DS-UWB et TH-UWB tres proches

I performances quand Np

Interpretation :

I pour TH-UWB, idem que pour interfereur sinusoıdal

I pour DS-UWB, chute des performances

104/ 108

Ultra Wide Band


Interferences UWB sur UWB

Interferences de UWB sur UWB

Coexistence de plusieurs systemes UWB + interferences multi-acces entresiganux UWB.

I reduction possible de la MAI par time-hopping et codes d’etalement

I utilisateurs quasi-orhtogonaux si duty cycle (Tp/Tf) faible ou si nbd’utilisateurs actifs faibles (Nu Np)

Pour transmission TH-UWB :

code d’etalement (ai)i=0,...,NpNc−1 ∈ −1, 0,+1, en moyenne αNpNc bits

non-nuls par symbole :

p(a) = (1− 2α)δ(a) + αδ(a− 1) + αδ(a+ 1)

105/ 108

Ultra Wide Band


Interferences UWB sur UWB

BER <1

2exp

(−NpE0

2I0

)avec

I I0 = σ2n + 2α

∑Nu−1k=1 E0

I Ek : energie par pulse de l’utilisateur k

I σ2n : variance du bruit AWGN

BER (bornes et simulations) pour differentes valeurs de α

Interpretation : diminution de α + diminution de la MAI.106/ 108

Ultra Wide Band

References









References107/ 108

Ultra Wide Band

References

References

I An introduction to Ultra Wideband communication systems, ed. par J.H.Reed, Prentice Hall, 2005.

I M.-G. di Benedetto, G. Giancola, Understanding Ultra Wide Band RadioFundamentals, Prentice Hall, 2006.

I M. Ghavami, L. B. Michael, R. Kohno, Ultra Wideband signals andsystems in communication engineering, Wiley and Sons, 2007.

I K. Siwiak, D. McKeown, Ultra-wideband radio technology, Wiley andSons, 2004.

I E. Okon, B. Allen, W. Malik, Ultra Wideband: antennas and propagationfor communications and radar and imaging, Wiley and Sons, 2006.

I http://www.wimedia.org

I http://www.multibandofdm.org

108/ 108

Documents

ULTRA WIDE BAND - ENSEEIHT