Descubra cómo las radios de impulso Ultra-Wideband (UWB) superan a Wi-Fi y Bluetooth

Usando radios de impulso como ejemplo, examinaremos las ventajas de la tecnología ultra-wideband (UWB) comparada con otras tecnologías de comunicación inalámbrica de corto alcance.

Ultra-wideband (UWB) es una tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance —como Wi-Fi o Bluetooth— que usa una banda de frecuencia relativa y/o absoluta muy grande para enviar y recibir información. Según regulaciones FCC, un dispositivo UWB puede operar sin licencia en la banda de 3.1–10.6 GHz (PDF).

En este artículo, echaremos un vistazo a algunas de las características importantes de la tecnología UWB.

UWB comparte el espectro radioeléctrico

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

 

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

 

UWB intenta utilizar más eficientemente los recursos escasos del espectro.

¿Cómo puede la tecnología UWB usar el mismo espectro que sistemas inalámbricos existentes sin causar interferencia? 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 mandatada por la FCC para un transmisor UWB interior.

 

Figura 2. La máscara espectral para un transmisor UWB interior. Imagen cortesía de Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

 

UWB ofrece ventajas respecto a tasa de transferencia de datos, inmunidad al efecto multipath, alta precisión de rango, bajo consumo de energía y simplicidad de implementación. Consideremos una clase de sistemas UWB llamados radios de impulso para obtener una mejor comprensión de las características clave de esta tecnología.

Radio de impulso

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

Después de cada pulso, el transmisor permanece "silencioso" por un período de tiempo relativamente largo. Por ejemplo, una radio de impulso podría 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 1% (el pulso está presente solo el 1% del tiempo de transmisión).

 

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

 

Estos pulsos pueden ser modulados de diferentes formas para transmitir información. La Figura 4 a continuación muestra cómo la modulación de posición de pulso y modulación bi-fase cambian una secuencia no modulada.

 

Figura 4. La modulación de posición de pulso y bi-fase cambian una secuencia no modulada. Imagen cortesía de Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

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

 

Figura 5. Las señales transmitidas por una radio de impulso ocupan una gran banda de frecuencia. Imagen 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. Teniendo una potencia de transmisión en el orden de microwatts, un dispositivo UWB puede extender la vida de la batería.

Alta tasa de datos

Aunque la potencia emitida está restringida, UWB permite el uso sin licencia de un espectro de banda ancha extremadamente amplio. Esto nos permite tener altas tasas de datos (>100 Mbit/s). Sin embargo, esta alta tasa de datos solo puede lograrse sobre una distancia de transmisión relativamente corta de 10 m. Esto es porque solo se emite muy baja potencia para cada bit de información.

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

 

Sistema	Tasa de Datos Máxima (Mbps)	Distancia de Transmisión (m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB vs. tecnologías comparables de comunicación inalámbrica interior. Datos cortesía de Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

Robustez al efecto multipath

Las señales UWB exhiben más robustez al efecto multipath que las tecnologías inalámbricas convencionales. Asuma que, además de un camino directo para la propagación de la onda electromagnética del transmisor al receptor, hay otro camino causado por reflexiones de un objeto.

 

Figura 6. Representación de un efecto multipath

 

El tiempo (t) que toma la señal transmitida para viajar la distancia total (d) de un camino dado puede obtenerse mediante la siguiente ecuación:

 

d = c x t

 

donde c denota la velocidad de la onda electromagnética que es aproximadamente 3×10⁸ m/s. Por lo tanto, por cada pulso que transmitimos, dos pulsos aparecen en la entrada del receptor. Esto se ilustra en la Figura 7 donde se muestran los pulsos transmitidos y recibidos en un diagrama.

 

Figura 7. Por cada pulso transmitido, dos pulsos aparecen 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. Examinando la figura anterior, podemos ver que los pulsos no interferirán —solo si la diferencia de retardo entre los dos caminos (t₁-t₀) es mayor que el ancho de pulso (PW).

Dado que los pulsos UWB tienen una duración muy corta, los pulsos que vienen de diferentes caminos son más propensos a no interferir con nuestro pulso deseado. Por lo tanto, podemos extraer fácilmente la señal deseada de aquellas que se originan en reflexiones no deseadas. Esto da a un sistema UWB más inmunidad al efecto multipath. Alternativamente, la energía puede sumarse junto por un receptor rake.

Alta precisión de rango

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

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

Conclusión

Como hemos visto con las radios de impulso, UWB puede ser una tecnología de comunicación de corto alcance beneficiosa debido a su tasa de transferencia de datos, inmunidad al efecto multipath, 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 opciones de comunicación de campo cercano (NFC) para mejorar la implementación de diseño y seguridad.