Evaluación de las ventajas de los sistemas de banda ultraancha a través de radios de impulsos

Usando radios de impulso como ejemplo, examinaremos las ventajas de la tecnología de banda ultra ancha (UWB) en comparación con otras tecnologías de comunicación inalámbrica de corto alcance.

La banda ultraancha (UWB) es una tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance, como Wi-Fi o Bluetooth, que utiliza una banda de frecuencia relativa y / o absoluta muy grande para enviar y recibir información. De acuerdo con las regulaciones de la FCC, un dispositivo UWB se puede operar sin licencia en la banda de 3.1-10.6 GHz (PDF).

En este artículo, analizaremos algunas de las características importantes de la tecnología UWB.

UWB comparte el espectro de radio

Partes del rango de frecuencia asignado para UWB ya son utilizadas por los sistemas de comunicación existentes. Por ejemplo, como se muestra a continuación, tanto 802.11ac (un protocolo de comunicación WLAN de alto rendimiento) como UWB pueden usar la banda de frecuencia alrededor de 5 GHz.

Figura 1. Diagrama del UWB trabajando debajo del "piso de ruido". Imagen utilizada por cortesía de ITU

UWB intenta utilizar de manera más eficiente los escasos recursos del espectro.

¿Cómo puede la tecnología UWB utilizar el mismo espectro que los sistemas inalámbricos existentes sin causar interferencias? Esto se logra restringiendo la densidad espectral de potencia de la señal electromagnética emitida por un transmisor UWB.

Según la FCC (el regulador de frecuencia de EE. UU.), La densidad espectral de potencia de un transmisor UWB interior debe estar por debajo de -41,3 dBm / MHz entre 3,1 y 10,6 GHz. Esto limita la interferencia causada por un dispositivo UWB.

La Figura 2 muestra la máscara espectral exigida por la FCC para un transmisor UWB de interior.

Figura 2. La máscara espectral para un transmisor UWB interior. Imagen utilizada por cortesía de redes y comunicaciones inalámbricas de banda ultra ancha

UWB ofrece ventajas con respecto a la velocidad de transferencia de datos, inmunidad al efecto multitrayecto, alta precisión de rango, bajo consumo de energía y simplicidad de implementación. Consideremos una clase de sistemas UWB llamados radios de impulsos para obtener una mejor perspectiva de las características clave de esta tecnología.

Impulse Radio

Mientras que los sistemas de comunicación de banda estrecha convencionales transmiten una forma de onda continua, una radio de impulsos transmite pulsos de duración ultracorta (menos de 1 ns) para comunicar información.

Después de cada pulso, el transmisor permanece en "silencio" durante un período de tiempo relativamente largo. Por ejemplo, una radio de impulsos puede transmitir solo un pulso de 1 ns durante cada intervalo de tiempo de 100 ns. En este caso, decimos que el ciclo de trabajo es del 1% (el pulso está presente solo el 1% del tiempo de transmisión).

Figura 3. Una secuencia de pulsos típica transmitida por una radio de impulsos

Estos pulsos se pueden modular de diferentes formas para transmitir información. La Figura 4 a continuación muestra cómo la modulación de la posición del pulso y la modulación bifásica cambian una secuencia no modulada.

Figura 4. La posición de pulso y las modulaciones bifásicas cambian una secuencia no modulada. Imagen utilizada por cortesía de Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Tenga en cuenta que una duración breve corresponde a un ancho de banda amplio en el dominio de la frecuencia. Por lo tanto, dependiendo de la duración de la señal, la antena del transmisor UWB emitirá una señal de banda ancha.

Figura 5. Las señales transmitidas por una radio de impulsos ocupan una gran banda de frecuencia. Imagen utilizada por cortesía de Time Domain Corporation

Tanto la frecuencia central como el ancho de banda de las señales transmitidas dependen completamente del ancho del pulso.

Bajo consumo de energía

Dado que los pulsos se transmiten solo durante un pequeño porcentaje del tiempo de transmisión, la potencia promedio emitida por el transmisor es muy baja. Con una potencia de transmisión del orden de los microvatios, un dispositivo UWB puede prolongar la vida útil de la batería.

Alta velocidad de datos

Aunque la potencia emitida está restringida, UWB permite el uso sin licencia de un espectro de banda extremadamente ancho. Esto nos permite tener altas tasas de datos (> 100 Mbit / s). Sin embargo, esta alta velocidad de datos solo se puede lograr en una distancia de transmisión relativamente corta de 10 m. Esto se debe a que solo se emite muy poca energía por cada bit de información.

A velocidades de datos más bajas (<1 Mbit / s), podemos emplear un factor de dispersión grande para soportar distancias más largas. La siguiente tabla compara la velocidad de datos y el rango de UWB con otras tecnologías de comunicación inalámbrica en interiores.

Sistema	Velocidad máxima de datos (Mbps)	Distancia de transmisión (m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB frente a tecnologías de comunicación inalámbrica en interiores comparables. Datos utilizados por cortesía de Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Robustez del efecto multitrayecto

Las señales UWB exhiben más robustez al efecto multitrayecto que las tecnologías inalámbricas convencionales. Suponga que además de un camino directo para la propagación de ondas electromagnéticas desde el transmisor al receptor, existe otro camino causado por los reflejos de un objeto.

Figura 6. Representación de un efecto multitrayecto

El tiempo (t) que tarda la señal transmitida en recorrer la distancia total (d) de una ruta determinada se puede obtener mediante la siguiente ecuación:

d =c x t

donde c denota la velocidad de la onda electromagnética que es aproximadamente 3✕10 ⁸ Sra. Por lo tanto, por cada pulso que transmitimos, aparecen dos pulsos en la entrada del receptor. Esto se ilustra en la Figura 7 en la que los pulsos transmitidos y recibidos se muestran en un diagrama.

Figura 7. Por cada pulso transmitido, aparecen dos pulsos en la entrada del receptor.

En esta figura, los dos pulsos recibidos son fácilmente reconocibles porque no se superponen entre sí. Sin embargo, este no es el caso en general. Al examinar la figura anterior, podemos ver que los pulsos no interferirán, solo si la diferencia de retardo entre las dos rutas (t ₁ -t ₀ ) es mayor que el ancho de pulso (PW).

Dado que los pulsos de UWB tienen una duración muy corta, es más probable que los pulsos que provienen de las diferentes rutas no interfieran con nuestro pulso deseado. Por lo tanto, podemos extraer fácilmente la señal deseada de aquellas que se originan en reflejos no deseados. Esto le da a un sistema UWB más inmunidad al efecto multitrayecto. Alternativamente, la energía se puede sumar mediante un receptor de rastrillo.

Precisión de rango alto

Como se discutió anteriormente, la resolución de tiempo nítida de las señales UWB nos permite tener un sistema que puede resolver componentes de trayectos múltiples sin recurrir a algoritmos complejos. Esto hace que UWB sea adecuado para aplicaciones de estimación de rango basadas en el tiempo de llegada (ToA).

Vale la pena mencionar que, aunque estos esquemas de rango de base de tiempo se benefician de la alta resolución de tiempo de las señales UWB, tienen sus propias limitaciones. Por ejemplo, debido a que los pulsos UWB tienen una duración muy corta, la fluctuación del reloj se convierte en un factor limitante.

Conclusión

Como hemos visto con las radios de impulsos, UWB puede ser una tecnología de comunicación de corto alcance beneficiosa debido a su tasa de transferencia de datos, inmunidad al efecto multitrayecto, alta precisión de rango, bajo consumo de energía y facilidad de implementación. Por estas razones, muchos desarrolladores comerciales están recurriendo a UWB en lugar de las opciones de comunicación de campo cercano (NFC) para mejorar la implementación y la seguridad del diseño.