Introducción a la tecnología de banda ultra ancha (UWB)

Aprenda los conceptos básicos del protocolo inalámbrico de banda ultra ancha y corto alcance, una tecnología que se puede encontrar en dispositivos de vanguardia.

La banda ultra ancha (UWB), una comunicación de 132 años, ahora se está revitalizando para conectar dispositivos de forma inalámbrica en distancias cortas. Muchos observadores de la industria afirman que UWB podría resultar más exitoso que Bluetooth porque tiene una velocidad superior, es más barato, usa menos energía, es más seguro y proporciona un descubrimiento de ubicación y rango de dispositivos superiores.

Empresas como Intel, Time Domain, Apple, Huawei, Samsung, Xiaomi, NXP, Sony, Bosch y Xtreme Spectrum están investigando e invirtiendo en tecnología UWB. De hecho, Apple ya proporciona chips UWB en su iPhone 11 que permiten una precisión de posicionamiento superior y un rango a través de la medición del "tiempo de vuelo".

En este artículo, cubriremos los conceptos básicos de la tecnología de banda ultraancha, incluidos sus orígenes, beneficios y una mirada de alto nivel a los métodos de transmisión.

¿Qué es UWB?

La banda ultraancha (UWB) es un protocolo de comunicación inalámbrica de corto alcance, como Wi-Fi o Bluetooth, que utiliza ondas de radio de pulsos cortos en un espectro de frecuencias que van desde 3,1 a 10,5 GHz en aplicaciones sin licencia.

El término UWB se usa para un ancho de banda (BW) mayor o igual a 500 MHz o un ancho de banda fraccional (FBW) mayor al 20% donde FBW =BW / fc , donde fc es la frecuencia central.

Historia de UWB

La historia de la tecnología UWB se remonta a la época de la primera radio artificial cuando Marconi usó transmisores de chispa (pulsos eléctricos cortos) para la comunicación inalámbrica.

En 1920, se prohibió el uso comercial de las señales UWB. La tecnología UWB se restringió a aplicaciones de defensa bajo programas altamente clasificados para comunicaciones seguras. No fue hasta 1992 que UWB comenzó a recibir una atención notable en la comunidad científica.

Los desarrollos en microprocesadores de alta velocidad y técnicas de conmutación rápida han hecho que UWB sea comercialmente viable para comunicaciones de corto alcance y bajo costo. Las primeras aplicaciones incluyen sistemas de radar, comunicaciones, electrónica de consumo, redes de área personal inalámbricas, localización y electrónica médica. Desde entonces, se ha desarrollado un conocimiento detallado de la ingeniería de sistemas, componentes y electromagnetismo de UWB.

En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. (FCC) fue la primera organización del mundo en publicar regulaciones UWB que permitían el uso sin licencia del espectro asignado. Sin embargo, el límite de potencia permitido se estableció muy bajo para evitar interferencias con otras tecnologías que operan en esta banda de frecuencia, como WiFi, Bluetooth, etc.

La baja densidad espectral de las señales UWB es atractiva, lo que hace que UWB sea menos susceptible a la interferencia dentro de banda de otras señales de banda estrecha y es muy segura, ya que son difíciles de detectar debido a la baja densidad de potencia.

Las ventajas de la tecnología de banda ultra ancha

El ancho de banda muy amplio de las señales UWB permite un rendimiento interior superior en comparación con los sistemas tradicionales de banda estrecha.

Algunas de las características de este ancho de banda se destacan a continuación:

• El ancho de banda amplio proporciona inmunidad contra el efecto del canal en un entorno denso y permite resoluciones de espacio-tiempo muy finas para un posicionamiento interior de alta precisión de los nodos UWB, por ejemplo, el nuevo iPhone 11.
• La baja densidad espectral, por debajo del ruido ambiental, garantiza una baja probabilidad de detección de la señal y aumenta la seguridad de la comunicación.
• Se pueden transmitir altas velocidades de datos a corta distancia utilizando UWB.
• Los sistemas UWB pueden coexistir con sistemas de banda estrecha ya implementados.

Transmisión UWB

Se adoptan dos enfoques diferentes para la transmisión de datos:

• Pulsos ultracortos en el rango de picosegundos, que cubre todas las frecuencias simultáneamente (también llamadas radios de impulsos)
• Subdivisión del ancho de banda total de UWB en un conjunto de canales de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) de banda ancha

El primer enfoque es rentable a expensas de una relación señal / ruido degradada. En general, la transmisión de radio por impulsos no requiere el uso de una portadora, lo que significa una complejidad reducida en comparación con los transceptores de banda estrecha tradicionales (es decir, una arquitectura de transceptor más simple) ya que la señal se irradia directamente a través de la antena UWB. El monociclo gaussiano o uno de sus derivados es un ejemplo de pulso UWB que es fácil de generar.

El segundo enfoque explota el espectro de manera más eficiente y ofrece un mejor rendimiento y rendimiento de datos a expensas de una mayor complejidad (es decir, requiere procesamiento de señales) y consumo de energía.

La elección entre los dos enfoques depende de las aplicaciones.