Alcance UWB

Tecnología de posicionamiento inalámbrico

La medición de radio por impulsos de banda ultraancha (o medición de radio UWB-IR ) es una tecnología de posicionamiento inalámbrico basada en el estándar IEEE 802.15.4z ^[1] , que es un protocolo de comunicación inalámbrica introducido por IEEE para sistemas que operan en espectro sin licencia , equipados con transceptores de ancho de banda extremadamente grande. UWB permite una medición de distancia muy precisa ^[2] (del orden de centímetros ) sin introducir interferencias significativas con sistemas de banda estrecha . Para lograr estos estrictos requisitos, los sistemas UWB-IR explotan el ancho de banda disponible ^[3] (que supera los 500 MHz para sistemas compatibles con el protocolo IEEE 802.15.4z) que admiten, lo que garantiza una sincronización (y, por lo tanto, una medición de distancia) muy precisa y robustez contra trayectos múltiples , especialmente en entornos interiores ^[4] . El ancho de banda disponible también permite a los sistemas UWB distribuir la potencia de la señal en un amplio espectro ^[5] (esta tecnología se denomina, por lo tanto, espectro extendido ^[6] ), evitando la interferencia de banda estrecha ^{[7] [8] [9]}

Protocolo

La tecnología UWB-IR se basa en la transmisión a baja potencia de secuencias específicas de pulsos de corta duración . La potencia de transmisión está limitada según las regulaciones de la FCC , con el fin de reducir las interferencias y el consumo de energía. Las bandas admitidas por el estándar son las siguientes:

• La banda de sub-gigahercios, que contiene solo 1 canal y va desde 249,6 MHz a 749,6 MHz.
• La banda baja, que contiene 4 canales y va desde 3,1 GHz a 4,8 GHz.
• La banda alta, que contiene 11 canales y va desde 6,0 GHz a 10,6 GHz.

La división temporal primaria en sistemas UWB se estructura en tramas . Cada trama está compuesta por la concatenación de 2 secuencias:

• El primero se denomina preámbulo (también conocido como SHR o encabezado de sincronización) y consiste en un encabezado, conocido a priori tanto en el lado del transmisor como en el del receptor. Se utiliza para fines de sincronización.
• La segunda se llama unidad de datos del protocolo de capa física (abreviada como PPDU) y contiene los datos a comunicar, que a priori sólo se conocen en el lado del transmisor.

Las subdivisiones temporales posteriores del preámbulo y del PPDU se organizan de diferentes maneras. Para fines de localización, solo se utiliza el preámbulo (y se describe en detalle más adelante), ya que está diseñado específicamente para realizar una sincronización precisa en el lado del receptor.

La secuencia SHR está compuesta por la concatenación de otras 2 subsecuencias:

• La primera se denomina secuencia de sincronización (abreviada como SYNC) y es la más larga. Su finalidad es aumentar la relación señal/ruido efectiva y, al mismo tiempo, exhibir una función de autocorrelación altamente puntiaguda , con el fin de mejorar la precisión de la sincronización.
• El segundo se llama inicio de secuencia delimitadora de cuadros (abreviado como SFD) y, como su nombre lo sugiere, se emplea para reconocer de manera eficiente las delimitaciones temporales de los distintos cuadros.
• Tanto la secuencia SYNC como la SFD se dividen en el tiempo en símbolos.
• La secuencia SYNC consta de símbolos idénticos. ${\displaystyle N_{\mathrm {sync} }\in \{16,64,1024,4096\}}$
• La secuencia SFD consta de diferentes símbolos, generados según un código específico que permite detectar fácilmente las delimitaciones temporales del fotograma. ${\displaystyle N_{\mathrm {sfd} }\in \{8,64\}}$
• Cada símbolo consiste en una secuencia de ráfagas, generadas a través de un código ternario (los elementos de la secuencia pueden ser 0, +1, -1) de longitud 31 ó 127. Estos códigos están diseñados específicamente para tener una autocorrelación altamente puntiaguda y una correlación cruzada muy baja , con el fin de simplificar la sincronización a través de la búsqueda de picos y evitar simultáneamente falsas alarmas (es decir, la detección de un código que no fue transmitido).
• Cada ráfaga se divide a su vez en chips . ${\displaystyle L}$
• ${\displaystyle L}$Se denomina factor de expansión y se define como la relación entre la frecuencia de pulso de pulso y la tasa de chips. Puede ser igual a 16 o 64 para códigos de longitud 31, mientras que se establece en 4 para códigos de longitud 127; por lo tanto, el número de chips por símbolo es . El propósito del factor de expansión, como sugiere el nombre, es expandir la señal en el dominio del tiempo, para hacer que los chips sean muy dispersos en el tiempo, lo que permite reducir la interferencia con otros sistemas que operan en la misma banda. ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle N_{\mathrm {cps} }\in \{496,508,1984\}}$
• La velocidad del chip es = 500 MHz o, alternativamente, el tiempo del chip es = 2 ns. ${\displaystyle f_{c}}$ ${\displaystyle T_{c}}$
• Cada chip está modulado por la misma forma de onda de pulso.
• La forma de onda del pulso no está especificada por el protocolo, por lo que queda a criterio del usuario. Sin embargo, el espectro de los pulsos debe estar completamente contenido en los canales permitidos.

Forma de onda SHR

La forma de onda SHR transmitida ( equivalente de banda base ) se puede modelar de la siguiente manera

$${\displaystyle x(t)=\sum _{k,n}c_{kn}\cdot p{\big (}t-nLT_{c}-kN_{\mathrm {cps} }T_{c}{\big )}}$$

donde los parámetros se definen como se muestra a continuación

• ${\displaystyle c_{kn}\in \{0,\pm 1\}}$.
• ${\displaystyle p(t)}$es la forma del pulso.
• ${\displaystyle L}$es el factor de propagación.
• ${\displaystyle N_{\mathrm {cps} }}$es el número de fichas por símbolo.
• ${\displaystyle T_{c}}$Es la hora del chip.

La forma de onda SHR recibida puede describirse, en cambio, como

$${\displaystyle y(t)=\sum _{k,n,\ell }\alpha _{\ell }\cdot c_{kn}\cdot p{\big (}t-nLT_{c}-kN_{\mathrm {cps} }T_{c}-\tau _{\ell }{\big )}+w(t)}$$

donde los parámetros adicionales se definen de la siguiente manera

• ${\displaystyle \alpha _{\ell }}$y son la ganancia del canal complejo y el retardo de propagación asociado a la ruta. ${\displaystyle \tau _{\ell }}$ ${\displaystyle \ell ^{th}}$
• ${\displaystyle w(t)}$es la forma de onda del ruido, que normalmente se describe como AWGN .

Para asociar el retardo de propagación a una distancia, debe existir una ruta LoS entre el transmisor y el receptor o, alternativamente, se debe conocer un mapa detallado del entorno para poder realizar la localización basada en los rayos reflejados.

En presencia de trayectos múltiples, el gran ancho de banda es de suma importancia para distinguir todas las réplicas, que de lo contrario se superpondrían significativamente en el lado del receptor, especialmente en entornos interiores.

Alcance

El retardo de propagación se puede estimar mediante varios algoritmos, generalmente basados ​​en la búsqueda del pico de correlación cruzada entre la señal recibida y la forma de onda SHR transmitida. Los algoritmos más utilizados son la correlación máxima y la máxima verosimilitud. ^{[10] [11]}

Función de autocorrelación típica de la forma de onda SHR. El pico corresponde al retraso estimado, que en este caso es 0

Existen dos métodos para estimar la distancia mutua entre los transceptores. ^{[12] [13] [14]} El primero se basa en el tiempo de llegada (TOA) y se denomina medición unidireccional. Requiere una sincronización a priori entre los anclajes y consiste en estimar el retardo y calcular el alcance como

$${\displaystyle {\hat {r}}=c\cdot {\hat {\tau }}}$$donde se refiere al retraso estimado de la ruta LoS. ${\displaystyle {\hat {\tau }}}$

El segundo método se basa en el tiempo de ida y vuelta (RTT) y se denomina two-way measuring. Consiste en el siguiente procedimiento:

• El primer ancla transmite una trama de datos
• El segundo ancla recibe el marco y espera un tiempo fijo. ${\displaystyle T}$
• Después de esperar un tiempo , el segundo ancla transmite el marco de reconocimiento. ${\displaystyle T}$
• El primer ancla recibe la trama de reconocimiento y estima el retraso acumulado desde la transmisión de la trama de datos inicial.

En este segundo caso la distancia entre los 2 anclajes se puede calcular como

$${\displaystyle {\hat {r}}={\frac {1}{2}}\cdot c\cdot ({\hat {\tau }}-T)}$$También en este caso se refiere al retraso estimado de la ruta LoS. ${\displaystyle {\hat {\tau }}}$

Pros y contras

La medición de distancias mediante UWB presenta varias ventajas:

• La potencia de transmisión es muy baja (0,1 mW), lo que permite ahorrar batería y limitar las interferencias con otros sistemas de comunicación.
• Debido a la baja potencia de transmisión, el alto factor de expansión y el empleo de códigos de medición ternarios efectivos, la interferencia es muy limitada.
• La interferencia limitada permite que muchos sistemas diferentes (como Wi-Fi , Bluetooth , teléfonos inalámbricos , etc.) funcionen en la misma banda sin perjudicarse (o introduciendo perjudicaciones muy pequeñas) entre sí.
• UWB opera en un espectro sin licencia, por lo tanto no se requiere licencia, lo que hace que estos sistemas sean relativamente baratos.
• La alta escasez en el dominio del tiempo y el uso de códigos de medición ternarios permiten la reutilización de altas frecuencias, ya que la banda es mucho más grande que la tasa de bits típica requerida.
• Dado que el ancho de banda es grande, se admiten transmisiones de alta velocidad de datos, en caso de que sea necesaria una comunicación de datos de baja latencia para realizar la localización (por ejemplo, comunicar la posición de referencia del ancla, la velocidad y el tiempo).
• Se puede lograr una resolución temporal (y por lo tanto de rango) precisa a través de un gran ancho de banda, lo que también permite discriminar con precisión las réplicas de trayectos múltiples en el lado del receptor.
• El método basado en RTT no requiere sincronización a priori.

Sin embargo, también existen algunas desventajas relacionadas con los sistemas UWB:

• Debido a los bajos límites de potencia de transmisión, los sistemas UWB solo pueden funcionar a corto alcance; de ​​lo contrario, la señal es indetectable en el lado del receptor.
• Debido al gran ancho de banda, el nivel de potencia de ruido suele ser alto, lo que degrada la relación señal-ruido y, por lo tanto, la precisión de medición.
• Un gran ancho de banda requiere frecuencias de muestreo altas, lo que puede hacer que los transceptores sean bastante caros.

Véase también

• IEEE 802.15.4
• Lista de canales UWB
• Espectro expandido
• Sistema de posicionamiento en interiores
• Hora de llegada
• Retraso en el viaje de ida y vuelta

Referencias

1. "IEEE 802.15.4-2020: Estándar para redes inalámbricas de baja velocidad". IEEE . 2020. doi :10.1109/IEEESTD.2020.9144691. ISBN 978-1-5044-6689-9.
2. "Precisión de medición de distancia UWB". IEEE . 2015.
3. Win, MZ; Scholtz, RA (1998). "Radio de impulso: cómo funciona". IEEE . 2 (2): 36–38. doi :10.1109/4234.660796.
4. "Detección de distancia en un entorno multitrayecto denso utilizando un enlace de radio UWB". IEEE . 2002.
5. "Densidad espectral de señales UWB de espectro ensanchado con saltos temporales aleatorios y fluctuación temporal uniforme". IEEE . 1999.
6. Torrieri, Dan (2005). Principios de los sistemas de comunicación de espectro ensanchado (5.ª ed.). Springer.
7. "Sobre la coexistencia del sistema UWB con GSM900, UMTS/WCDMA y GPS". IEEE . 2002.
8. "El rendimiento de un sistema de banda ultraancha con propagación por secuencia directa en presencia de interferencias por trayectos múltiples, de banda estrecha y de múltiples usuarios". IEEE . 2002.
9. "Sobre el rendimiento de los sistemas de comunicación de espectro ensanchado UWB y DS". IEEE . 2002.
10. "Estimación de TOA para sistemas IR-UWB con diferentes tipos de transceptores". IEEE . 2006.
11. "Rendimiento de algoritmos de estimación de TOA en diferentes condiciones de trayectoria múltiple en interiores". IEEE .
12. Waltenegus, Dargie; Poellabauer, Christian (2010). Fundamentos de las redes de sensores inalámbricos: teoría y práctica . Wiley.
13. Gezici, S.; Zhi Tian; Giannakis, GB; Kobayashi, H.; Molisch, AF; Poor, HV; Sahinoglu, Z. (2005). "Localización a través de radios de banda ultra ancha: una mirada a los aspectos de posicionamiento para futuras redes de sensores". IEEE . 22 (4): 70–84. doi :10.1109/MSP.2005.1458289.
14. Zekavat, Reza; Buehrer, R. Michael (2011). Manual de ubicación de puestos: teoría, práctica y avances . Wiley.

Enlaces externos

• Una encuesta sobre la estimación de la posición inalámbrica
• Localización UWB de alta precisión en entornos interiores densos
• Descripción general del estándar IEEE 802.15.4z, su comparación con los estándares UWB existentes