Ultra-banda ancha ( UWB , banda ultra ancha , banda ultra-ancha y UltraBand ) es una tecnología de radio que se puede utilizar un nivel de energía muy bajo para corto alcance, comunicaciones de alta ancho de banda sobre una gran parte del espectro de radio. [1] UWB tiene aplicaciones tradicionales en imágenes de radar no cooperativas . Las aplicaciones más recientes apuntan a la recopilación de datos de sensores, localización de precisión [2] y aplicaciones de seguimiento. [3] [4] A partir de septiembre de 2019, la compatibilidad con UWB ha comenzado a aparecer en los teléfonos inteligentes de gama alta .
Caracteristicas
La banda ultraancha es una tecnología para transmitir información a través de un ancho de banda amplio (> 500 MHz ). Esto permite la transmisión de una gran cantidad de energía de señal sin interferir con la transmisión de onda portadora y de banda estrecha convencional en la misma banda de frecuencia. Los límites reglamentarios en muchos países permiten este uso eficiente del ancho de banda de radio y permiten la conectividad inalámbrica de la red de área personal (PAN) de alta velocidad de datos, aplicaciones de baja velocidad de datos de mayor alcance y sistemas de radar e imágenes, de forma transparente con las comunicaciones existentes. sistemas.
La banda ultraancha se conocía anteriormente como radio de pulsos , pero la FCC y el Sector de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones ( UIT-R ) actualmente definen UWB como una transmisión de antena para la cual el ancho de banda de la señal emitida excede el menor de 500 MHz o el 20% del centro aritmético. frecuencia. [5] Por lo tanto, los sistemas basados en pulsos, donde cada pulso transmitido ocupa el ancho de banda de UWB (o un agregado de al menos 500 MHz de portadora de banda estrecha; por ejemplo, multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)), pueden acceder a la UWB. espectro bajo las reglas.
Teoría
Una diferencia significativa entre las transmisiones de radio convencionales y UWB es que los sistemas convencionales transmiten información variando el nivel de potencia, la frecuencia y / o la fase de una onda sinusoidal. Las transmisiones UWB transmiten información generando energía de radio a intervalos de tiempo específicos y ocupando un gran ancho de banda, lo que permite la modulación de la posición del pulso o del tiempo. La información también se puede modular en señales UWB (pulsos) codificando la polaridad del pulso, su amplitud y / o usando pulsos ortogonales. Los pulsos de UWB se pueden enviar esporádicamente a frecuencias de pulso relativamente bajas para admitir la modulación de tiempo o posición, pero también se pueden enviar a velocidades hasta la inversa del ancho de banda de pulsos de UWB. Se ha demostrado que los sistemas Pulse-UWB tienen frecuencias de pulso de canal superiores a 1,3 gigapulsos por segundo utilizando un flujo continuo de pulsos UWB (Continuous Pulse UWB o C-UWB ), que admiten velocidades de datos codificadas con corrección de errores directos superiores a 675 Mbit / s. [6]
Se puede utilizar un sistema de radio UWB para determinar el "tiempo de vuelo" de la transmisión en varias frecuencias. Esto ayuda a superar la propagación por trayectos múltiples , ya que algunas de las frecuencias tienen una trayectoria de línea de visión . Con una técnica de medición bidireccional simétrica cooperativa, las distancias se pueden medir con alta resolución y precisión. [7]
Aplicaciones
Ubicación en tiempo real
UWB se utiliza para sistemas de ubicación en tiempo real. Sus capacidades de precisión y baja potencia lo hacen muy adecuado para entornos sensibles a las radiofrecuencias, como los hospitales. UWB también se utiliza para el rango fino de igual a igual, lo que permite muchas aplicaciones basadas en la distancia relativa entre dos entidades.
Telefonía móvil
Apple lanzó los primeros tres teléfonos con capacidades de banda ultra ancha en septiembre de 2019, a saber, el iPhone 11, iPhone 11 Pro y iPhone 11 Pro Max. [8] [9] [10] Apple también lanzó la Serie 6 de Apple Watch en septiembre de 2020, que presenta UWB, [11] y sus AirTags con esta tecnología se revelaron en un evento de prensa el 20 de abril de 2021. [12] El Samsung Galaxy Note 20 Ultra y Galaxy S21 Ultra y S21 + también admiten UWB, [13] junto con Samsung Galaxy SmartTag +. [14]
El Consorcio FiRa se fundó en agosto de 2019 para desarrollar ecosistemas UWB interoperables, incluidos los teléfonos móviles. Samsung, Xiaomi, Oppo son actualmente miembros del Consorcio FiRa. [15] En noviembre de 2020, Android Open Source Project recibió los primeros parches relacionados con la próxima API de UWB; Se espera compatibilidad con UWB con todas las funciones en versiones posteriores de Android. [dieciséis]
Llave digital
UWB Digital Car Key funciona según la distancia entre un automóvil y un teléfono inteligente.
Productos
Un pequeño número de circuitos integrados de UWB centrados en sistemas de ubicación se encuentran actualmente en producción o están planificados para su producción.
Proveedor | nombre del producto | Estándar | Banda | Anunciado | Productos comerciales |
---|---|---|---|---|---|
NXP | NCJ29D5 | HRP | 6–8,5 GHz [17] | 12 de nov. De 2019 | |
NXP | SR100T | HRP | 6–9 GHz [18] | 17 de septiembre de 2019 | Samsung Galaxy Note20 Ultra [19] |
manzana | U1 | HRP [20] | 6–8,5 GHz [21] | 11 de septiembre de 2019 | iPhone 11, Apple Watch Series 6, iPhone 12, HomePod Mini, AirTag |
Qorvo | DW1000 | HRP | 3,5–6,5 GHz [22] | 7 de noviembre de 2013 | |
Qorvo | DW3000 | HRP | 6–8,5 GHz [23] | Enero de 2019 [24] | |
3 dB | 3DB6830 | LRP | 6–8 GHz [25] |
Aplicaciones industriales
UWB ha sido evaluado para su uso en la señalización del metro de la ciudad de Nueva York .
Radar
La banda ultraancha ganó una gran atención por su implementación en la tecnología de radar de apertura sintética (SAR) . Debido a su alta resolución a pesar de usar frecuencias más bajas, el UWB SAR fue investigado intensamente por su capacidad de penetración de objetos. [26] [27] [28] A principios de la década de 1990, el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) desarrolló varias plataformas de radar estacionarias y móviles que penetran en el suelo, el follaje y las paredes que sirvieron para detectar e identificar IED enterrados y ocultos adversarios a una distancia segura. Los ejemplos incluyen el railSAR , el boomSAR , el radar SIRE y el radar SAFIRE . [29] [30] ARL también ha investigado la viabilidad de si la tecnología de radar UWB puede incorporar procesamiento Doppler para estimar la velocidad de un objetivo en movimiento cuando la plataforma está estacionaria. [31] Si bien un informe de 2013 destacó el problema con el uso de formas de onda UWB debido a la migración del rango objetivo durante el intervalo de integración, estudios más recientes han sugerido que las formas de onda UWB pueden demostrar un mejor rendimiento en comparación con el procesamiento Doppler convencional siempre que un filtro coincidente correcto se utiliza. [32]
Los radares Doppler de pulso de banda ultraancha también se han utilizado para monitorear los signos vitales del cuerpo humano, como la frecuencia cardíaca y las señales respiratorias, así como el análisis de la marcha humana y la detección de caídas. Sirve como una alternativa potencial a los sistemas de radar de onda continua, ya que implica un menor consumo de energía y un perfil de rango de alta resolución. Sin embargo, su baja relación señal-ruido lo ha hecho vulnerable a errores. [33] [34] Un ejemplo comercial de esta aplicación es RayBaby, que es un monitor para bebés que detecta la respiración y la frecuencia cardíaca para determinar si un bebé está dormido o despierto. Raybaby tiene un rango de detección de cinco metros y puede detectar movimientos finos de menos de un milímetro. [35]
La banda ultraancha también se utiliza en la tecnología de imágenes de radar de precisión "ver a través de la pared", [36] [37] [38] localización y seguimiento de precisión (utilizando mediciones de distancia entre radios) y tiempo de llegada de precisión enfoques de localización basados en [39] Es eficiente, con una capacidad espacial de aproximadamente 10 13 bit / s / m 2 . [ cita requerida ] El radar UWB se ha propuesto como el componente sensor activo en una aplicación de reconocimiento automático de objetivos , diseñado para detectar humanos u objetos que han caído sobre las vías del metro. [40]
Transferencia de datos
Las características de banda ultraancha son adecuadas para aplicaciones de corto alcance, como periféricos de PC , monitores inalámbricos , videocámaras , impresión inalámbrica y transferencias de archivos a reproductores multimedia portátiles . [41] UWB se propuso para su uso en redes de área personal y apareció en el borrador del estándar PAN IEEE 802.15.3a. Sin embargo, después de varios años de estancamiento, el grupo de trabajo IEEE 802.15.3a [42] se disolvió [43] en 2006. El trabajo fue completado por WiMedia Alliance y el USB Implementer Forum. El lento progreso en el desarrollo de estándares de UWB, el costo de implementación inicial y el rendimiento significativamente más bajo de lo esperado inicialmente son varias razones del uso limitado de UWB en productos de consumo (que causó que varios proveedores de UWB dejaran de operar en 2008 y 2009). [44]
Regulación
En los EE. UU., La banda ultraancha se refiere a la tecnología de radio con un ancho de banda que excede el menor de 500 MHz o el 20% de la frecuencia central aritmética , según la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. (FCC). Un informe y orden de la FCC del 14 de febrero de 2002 [45] autorizó el uso sin licencia de UWB en el rango de frecuencia de 3,1 a 10,6 GHz . El límite de emisión de densidad espectral de potencia de la FCC para transmisores UWB es -41,3 dBm / MHz. Este límite también se aplica a los emisores no intencionales en la banda UWB (el límite de la "Parte 15" ). Sin embargo, el límite de emisión para los emisores de UWB puede ser significativamente más bajo (tan bajo como -75 dBm / MHz) en otros segmentos del espectro.
Las deliberaciones en el Sector de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones ( UIT-R ) dieron como resultado un Informe y una Recomendación sobre UWB [ cita requerida ] en noviembre de 2005. El regulador británico Ofcom anunció una decisión similar [46] el 9 de agosto de 2007.
Ha habido preocupación por la interferencia entre señales de banda estrecha y UWB que comparten el mismo espectro. Anteriormente, la única tecnología de radio que utilizaba pulsos eran los transmisores de chispa , que los tratados internacionales prohibían porque interfieren con los receptores de onda media. Sin embargo, UWB usa menos energía. El tema se trató ampliamente en los procedimientos que llevaron a la adopción de las reglas de la FCC en los EE. UU. Y en las reuniones relacionadas con UWB del UIT-R que llevaron a su Informe y Recomendaciones sobre tecnología UWB. Los aparatos eléctricos de uso común emiten ruido impulsivo (por ejemplo, secadores de pelo) y los defensores argumentaron con éxito que el piso de ruido no aumentaría excesivamente con un despliegue más amplio de transmisores de banda ancha de baja potencia. [ cita requerida ]
Coexistencia con otros estándares
En febrero de 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) publicó una enmienda (Parte 15) que especifica las reglas de transmisión / recepción UWB. Según este comunicado, cualquier señal con un ancho de banda fraccional superior al 20% o que tenga un ancho de banda superior a 500 MHz se considera una señal UWB. La resolución de la FCC también define el acceso a un espectro sin licencia de 7.5 GHz entre 3.1 y 10.6 GHz que está disponible para sistemas de comunicación y medición. Las señales de banda estrecha que existen en el rango UWB, como los transmisores IEEE802.11a, pueden exhibir niveles de densidad espectral de alta potencia (PSD) en comparación con la PSD de las señales UWB como las ve un receptor UWB. Como resultado, se esperaría una degradación del rendimiento de la tasa de errores de bits de UWB. [47]
Grupos de tecnología
- Alianza WiMedia
- Bluetooth SIG
- USB inalámbrico
- Alianza Gigabit Inalámbrica
- WirelessHD
- FireWire inalámbrico
- TransferJet
- FM-UWB
- IEEE 802.15.3
- IEEE 802.15.4
- IEEE 802.15.4a
- IEEE 802.15.4f
- ISO / IEC 24730-61 LRP
- ISO / IEC 24730-62 HRP
- Consorcio FiRa
Ver también
- Lista de canales UWB
- Banda estrecha
- Banda ancha
- Banda ancha
- Espectro ensanchado
- Codificación de canales
- Métodos de modulación
- Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)
- Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
- Modulación de posición de pulso (PPM)]
- Wi-Fi directo
- Recolección de energía
- Transmisor de chispas
- WiB (Televisión Digital Terrestre)
Referencias
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enlaces externos
- IEEE 802.15.4a Incluye una capa física C-UWB , se puede obtener de [1]
- Estándar ECMA-368 Estándar PHY y MAC de banda ultra ancha de alta velocidad
- Interfaz estándar ECMA-369 MAC-PHY para ECMA-368
- Estándar ISO / IEC 26907: 2007
- Estándar ISO / IEC 26908: 2007
- Recomendaciones UIT-R - Serie SM Véase: RECOMENDACIÓN UIT R SM.1757 Impacto de los dispositivos que utilizan tecnología de banda ultraancha en los sistemas que funcionan dentro de los servicios de radiocomunicaciones.
- FCC (GPO) Título 47, Sección 15 del Código de Regulaciones Federales Subparte F: Banda ultraancha
- Uso de técnicas MIMO para UWB
- Numerosos enlaces y recursos útiles sobre bancos de pruebas de banda ultraancha y UWB - WCSP Group - University of South Florida (USF)
- El laboratorio de radio de banda ultra ancha de la Universidad del Sur de California