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Banda ultra ancha

La banda ultraancha ( UWB , ultra wideband , banda ultraancha y ultraband ) es una tecnología de radio que puede utilizar un nivel de energía muy bajo para comunicaciones de corto alcance y gran ancho de banda en una gran parte del espectro radioeléctrico. [1] La UWB tiene aplicaciones tradicionales en imágenes de radar no cooperativas . Las aplicaciones más recientes apuntan a la recopilación de datos de sensores, la localización precisa [2] y el seguimiento. [3] [4] La compatibilidad con UWB comenzó a aparecer en teléfonos inteligentes de alta gama en 2019.

Características

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 convencional de banda estrecha y ondas portadoras en la misma banda de frecuencia. Los límites regulatorios en muchos países permiten este uso eficiente del ancho de banda de radio y posibilitan la conectividad inalámbrica de redes de área personal (PAN) de alta velocidad de datos, aplicaciones de bajo alcance y mayor alcance, y la coexistencia transparente de sistemas de radar y de imágenes con los sistemas de comunicaciones existentes.

La banda ultra ancha antes se conocía 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% de la frecuencia central aritmética. [5] Por lo tanto, los sistemas basados ​​en pulsos, donde cada pulso transmitido ocupa el ancho de banda UWB (o un agregado de al menos 500 MHz de una portadora de banda estrecha; por ejemplo, multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)), pueden acceder al espectro UWB 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 o la fase (o una combinación de estos) de una onda sinusoidal. Las transmisiones UWB transmiten información generando energía de radio en intervalos de tiempo específicos y ocupando un gran ancho de banda, lo que permite la modulación de posición de pulso o tiempo. La información también se puede modular en señales UWB (pulsos) codificando la polaridad del pulso, su amplitud y/o utilizando pulsos ortogonales. Los pulsos 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 del pulso UWB. Los sistemas de pulso-UWB se han demostrado a frecuencias de pulso de canal superiores a 1.3 mil millones de pulsos por segundo utilizando un flujo continuo de pulsos UWB (Continuous Pulse UWB o C-UWB ), al tiempo que admiten velocidades de datos codificados con corrección de errores de avance 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 , mientras que otras trayectorias indirectas tienen demoras más largas. Con una técnica de medición bidireccional simétrica cooperativa, se pueden medir distancias con alta resolución y precisión. [7]

Aplicaciones

Ubicación en tiempo real

La tecnología de banda ultra ancha (UWB) se utiliza para la localización en tiempo real debido a su precisión y fiabilidad. Desempeña un papel en diversas industrias, como la logística, la atención sanitaria, la fabricación y el transporte. La precisión centimétrica de UWB es valiosa en aplicaciones en las que el uso de métodos tradicionales puede resultar inadecuado, como en entornos interiores, donde la precisión del GPS puede verse obstaculizada. Su bajo consumo de energía garantiza una interferencia mínima y permite la coexistencia con la infraestructura existente. UWB funciona bien en entornos desafiantes gracias a su inmunidad a la interferencia por trayectos múltiples, lo que proporciona un posicionamiento consistente y preciso. En logística, UWB aumenta la eficiencia del seguimiento del inventario, lo que reduce las pérdidas y optimiza las operaciones. La atención sanitaria utiliza UWB en el seguimiento de activos, la optimización del flujo de pacientes y la mejora de la coordinación de la atención. En la fabricación, UWB se utiliza para agilizar la gestión del inventario y mejorar la eficiencia de la producción mediante un seguimiento preciso de los materiales y las herramientas. UWB respalda la planificación de rutas, la gestión de flotas y la seguridad de los vehículos en los sistemas de transporte. [8]

UWB utiliza múltiples técnicas para la detección de ubicación: [9]

Dispositivos móviles con capacidad UWB

Apple lanzó los primeros tres teléfonos con capacidades de banda ultra ancha en septiembre de 2019, a saber, el iPhone 11 , el iPhone 11 Pro y el iPhone 11 Pro Max. [10] [11] [12] Apple también lanzó la Serie 6 de Apple Watch en septiembre de 2020, que cuenta con UWB, [13] y sus AirTags con esta tecnología se revelaron en un evento de prensa el 20 de abril de 2021. [14] [4] El Samsung Galaxy Note 20 Ultra, Galaxy S21+ y Galaxy S21 Ultra también comenzaron a admitir UWB, [15] junto con el Samsung Galaxy SmartTag+. [16] El Xiaomi MIX 4 lanzado en agosto de 2021 admite UWB y ofrece la capacidad de conectarse a dispositivos AIoT seleccionados. [17]

El Consorcio FiRa se fundó en agosto de 2019 para desarrollar ecosistemas UWB interoperables, incluidos los teléfonos móviles. Samsung, Xiaomi y Oppo son actualmente miembros del Consorcio FiRa. [18] En noviembre de 2020, el Proyecto de código abierto de Android recibió los primeros parches relacionados con una futura API UWB; la compatibilidad con UWB "con todas las funciones" (exclusivamente para el único caso de uso de alcance entre dispositivos compatibles) se lanzó en la versión 13 de Android. [19]

Aplicaciones industriales

Radar

La banda ultra ancha ganó una amplia atención por su implementación en la tecnología de radar de apertura sintética (SAR) . Debido a sus altas capacidades de resolución utilizando frecuencias más bajas, el SAR UWB fue intensamente investigado por su capacidad de penetración de objetos. [23] [24] [25] A principios de la década de 1990, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) desarrolló varias plataformas de radar estacionarias y móviles que penetraban el suelo, el follaje y las paredes que servían para detectar e identificar IED enterrados y adversarios ocultos a una distancia segura. Los ejemplos incluyen el railSAR , el boomSAR , el radar SIRE y el radar SAFIRE . [26] [27] 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. [28] 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 se utilice un filtro adaptado correctamente. [29]

Los radares Doppler de pulso de banda ultraancha también se han utilizado para monitorear los signos vitales del cuerpo humano, como las señales de frecuencia cardíaca y respiratoria, así como para 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. [30] [31] 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. [32]

La banda ultra ancha también se utiliza en la tecnología de imágenes de radar de precisión "que permite ver a través de la pared", [33] [34] [35] localización y seguimiento de precisión (utilizando mediciones de distancia entre radios) y enfoques de localización de precisión basados ​​en el tiempo de llegada. [36] El radar UWB se ha propuesto como el componente de sensor activo en una aplicación de reconocimiento automático de objetivos , diseñado para detectar humanos u objetos que han caído sobre las vías del metro. [37]

Transferencia de datos

Las características de banda ultra ancha son adecuadas para aplicaciones de corto alcance, como periféricos de PC , monitores inalámbricos , videocámaras , impresión inalámbrica y transferencias de archivos a reproductores multimedia portátiles . [38] 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 [39] se disolvió [40] en 2006. El trabajo fue completado por la WiMedia Alliance y el USB Implementer Forum. El lento progreso en el desarrollo de estándares UWB, el costo de la implementación inicial y el rendimiento significativamente menor de lo esperado inicialmente son varias razones para el uso limitado de UWB en productos de consumo (lo que provocó que varios proveedores de UWB cesaran sus operaciones en 2008 y 2009). [41]

Vehículos autónomos

Las capacidades precisas de posicionamiento y alcance de UWB permiten evitar colisiones y una precisión de localización a nivel de centímetros, superando a los sistemas GPS tradicionales. Además, su alta velocidad de datos y baja latencia facilitan una comunicación fluida entre vehículos, lo que promueve el intercambio de información en tiempo real y acciones coordinadas. UWB también permite una comunicación eficaz entre vehículos e infraestructura, integrándose con elementos de infraestructura para un comportamiento optimizado basado en tiempos precisos y datos sincronizados. Además, la versatilidad de UWB admite aplicaciones innovadoras como imágenes de radar de alta resolución para sistemas avanzados de asistencia al conductor, entrada segura sin llave mediante biometría o emparejamiento de dispositivos y sistemas de monitoreo de ocupantes, lo que potencialmente mejora la comodidad, la seguridad y la protección de los pasajeros. [42]

Productos/chips UWB

Regulación

En los EE. UU., la banda ultra ancha 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 los EE. UU. (FCC). Un Informe y Orden de la FCC del 14 de febrero de 2002 [59] 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 (PSD) de la FCC para transmisores UWB es de −41,3 dBm/MHz. Este límite también se aplica a emisores no intencionales en la banda UWB (el límite de la "Parte 15" ). Sin embargo, el límite de emisión para emisores UWB puede ser significativamente menor (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 Recomendación sobre UWB [ cita requerida ] en noviembre de 2005. El regulador del Reino Unido Ofcom anunció una decisión similar [60] el 9 de agosto de 2007.

Ha habido preocupación por la interferencia entre las 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 interferían con los receptores de onda media. Sin embargo, UWB utiliza niveles de potencia mucho más bajos. 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 de la UIT-R que llevaron a su Informe y Recomendaciones sobre la tecnología UWB. Los electrodomésticos de uso común emiten ruido impulsivo (por ejemplo, secadores de pelo), y los defensores argumentaron con éxito que el nivel de ruido no se elevaría excesivamente con un despliegue más amplio de transmisores de banda ancha de baja potencia. [61]

Coexistencia con otras normas

En febrero de 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) publicó una enmienda (Parte 15) que especifica las reglas de transmisión y recepción de UWB. Según esta publicación, cualquier señal con un ancho de banda fraccional mayor al 20% o que tenga un ancho de banda mayor a 500 MHz se considera una señal UWB. La resolución de la FCC también define el acceso a 7,5 GHz de espectro sin licencia entre 3,1 y 10,6 GHz que se pone a disposición para sistemas de comunicación y medición. [62]

Las señales de banda estrecha que existen en el rango UWB, como las transmisiones IEEE 802.11a , pueden exhibir niveles altos de PSD en comparación con las señales UWB detectadas por un receptor UWB. Como resultado, se esperaría una degradación del rendimiento de la tasa de error de bits de UWB. [63]

Grupos de tecnología

Véase también

Referencias

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Enlaces externos