Avaliação das vantagens dos sistemas de banda ultralarga por meio de rádios de impulso

Usando rádios de impulso como exemplo, examinaremos as vantagens da tecnologia de banda ultralarga (UWB) em comparação com outras tecnologias de comunicação sem fio de curto alcance.

Ultra-wideband (UWB) é uma tecnologia de comunicação sem fio de curto alcance - como Wi-Fi ou Bluetooth - que usa uma banda de frequência relativa e / ou absoluta muito grande para enviar e receber informações. De acordo com os regulamentos da FCC, um dispositivo UWB pode ser operado sem licença na banda de 3,1–10,6 GHz (PDF).

Neste artigo, daremos uma olhada em algumas das características importantes da tecnologia UWB.

UWB compartilha o espectro de rádio

Partes da faixa de frequência alocada para UWB já são usadas por sistemas de comunicação existentes. Por exemplo, conforme mostrado abaixo, tanto 802.11ac - um protocolo de comunicação WLAN de alto rendimento - quanto UWB podem usar a banda de frequência em torno de 5 GHz.

Figura 1. Diagrama do UWB trabalhando abaixo do "piso de ruído". Imagem usada cortesia de ITU

O UWB tenta utilizar de forma mais eficiente os recursos escassos do espectro.

Como a tecnologia UWB pode usar o mesmo espectro dos sistemas sem fio existentes sem causar interferência? Isso é obtido restringindo a densidade espectral de potência do sinal eletromagnético emitido por um transmissor UWB.

De acordo com o FCC (o regulador de frequência dos EUA), a densidade espectral de potência de um transmissor UWB interno deve ser inferior a -41,3 dBm / MHz entre 3,1 e 10,6 GHz. Isso limita a interferência causada por um dispositivo UWB.

A Figura 2 mostra a máscara espectral exigida pela FCC para um transmissor UWB interno.

Figura 2. A máscara espectral para um transmissor UWB interno. Imagem usada cortesia de Redes e Comunicações de Banda Larga Sem Fio

O UWB oferece vantagens em relação à taxa de transferência de dados, imunidade ao efeito de múltiplos caminhos, alta precisão de alcance, baixo consumo de energia e simplicidade de implementação. Vamos considerar uma classe de sistemas UWB chamados rádios de impulso para obter uma melhor visão sobre os principais recursos desta tecnologia.

Rádio Impulse

Enquanto os sistemas convencionais de comunicação de banda estreita transmitem uma forma de onda contínua, um rádio de impulso transmite pulsos de duração ultracurta (menos de 1 ns) para comunicar informações.

Após cada pulso, o transmissor permanece “silencioso” por um período de tempo relativamente longo. Por exemplo, um rádio de impulso pode transmitir apenas um único pulso de 1 ns a cada intervalo de tempo de 100 ns. Nesse caso, dizemos que o ciclo de trabalho é de 1% (o pulso está presente apenas 1% do tempo de transmissão).

Figura 3. Uma sequência de pulso típica transmitida por um rádio de impulso

Esses pulsos podem ser modulados de diferentes maneiras para transmitir informações. A Figura 4 abaixo mostra como a modulação de posição de pulso e a modulação bifásica alteram uma sequência não modulada.

Figura 4. A posição do pulso e as modulações bifásicas alteram uma sequência não modulada. Imagem usada cortesia da Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Observe que um curto período de tempo corresponde a uma ampla largura de banda no domínio da frequência. Portanto, dependendo da duração do sinal, um sinal de banda larga será emitido pela antena do transmissor UWB.

Figura 5. Os sinais transmitidos por um rádio de impulso ocupam uma grande banda de freqüência. Imagem usada cortesia da Time Domain Corporation

Tanto a freqüência central quanto a largura de banda dos sinais transmitidos dependem completamente da largura do pulso.

Baixo consumo de energia

Como os pulsos são transmitidos apenas durante uma pequena porcentagem do tempo de transmissão, a potência média emitida pelo transmissor é muito baixa. Tendo uma potência de transmissão da ordem de microwatts, um dispositivo UWB pode estender a vida útil da bateria.

Alta taxa de dados

Embora a potência emitida seja restrita, o UWB permite o uso não licenciado de um espectro de banda extremamente ampla. Isso nos permite ter altas taxas de dados (> 100Mbit / s). No entanto, essa alta taxa de dados pode ser alcançada apenas em uma distância de transmissão relativamente curta de 10 m. Isso ocorre porque apenas uma energia muito baixa é emitida para cada bit de informação.

Com taxas de dados mais baixas (<1 Mbit / s), podemos empregar um grande fator de propagação para suportar distâncias maiores. A tabela a seguir compara a taxa de dados e o alcance do UWB com outras tecnologias de comunicação sem fio internas.

Sistema	Taxa máxima de dados (Mbps)	Distância de transmissão (m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB vs. tecnologias de comunicação sem fio internas comparáveis. Dados usados ​​cortesia da Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Robustez para o efeito multipercurso

Os sinais UWB exibem mais robustez para o efeito multipercurso do que as tecnologias sem fio convencionais. Suponha que, além de um caminho direto para a propagação da onda eletromagnética do transmissor ao receptor, haja outro caminho causado pelos reflexos de um objeto.

Figura 6. Representação de um efeito multicaminho

O tempo (t) que leva para o sinal transmitido percorrer a distância total (d) de um determinado caminho pode ser obtido pela seguinte equação:

d =c x t

onde c denota a velocidade da onda eletromagnética que é aproximadamente 3✕10 ⁸ em. Conseqüentemente, para cada pulso que transmitimos, dois pulsos aparecem na entrada do receptor. Isso é ilustrado na Figura 7, na qual os pulsos transmitidos e recebidos são mostrados em um diagrama.

Figura 7. Para cada pulso transmitido, dois pulsos aparecem na entrada do receptor.

Nesta figura, os dois pulsos recebidos são facilmente reconhecíveis porque eles não se sobrepõem. No entanto, este não é o caso em geral. Examinando a figura acima, podemos ver que os pulsos não interferem - somente se houver diferença de atraso entre os dois caminhos (t ₁ -t ₀ ) é maior do que a largura de pulso (PW).

Como os pulsos UWB têm uma duração muito curta, os pulsos provenientes de caminhos diferentes têm maior probabilidade de não interferir em nosso pulso desejado. Portanto, podemos facilmente extrair o sinal desejado daqueles originados de reflexões indesejadas. Isso dá a um sistema UWB mais imunidade ao efeito de caminhos múltiplos. Alternativamente, a energia pode ser somada por um receptor de rake.

Alta precisão de alcance

Como discutido acima, a resolução de tempo nítida dos sinais UWB nos permite ter um sistema que pode resolver componentes de multipercurso sem recorrer a algoritmos complexos. Isso torna o UWB adequado para aplicativos de estimativa de alcance com base no tempo de chegada (ToA).

Vale a pena mencionar que, embora esses esquemas de variação com base no tempo se beneficiem da alta resolução de tempo dos sinais UWB, eles têm suas próprias limitações. Por exemplo, como os pulsos UWB têm uma duração muito curta, o jitter do clock se torna um fator limitante.

Conclusão

Como vimos com rádios de impulso, UWB pode ser uma tecnologia de comunicação de curto alcance benéfica por causa de sua taxa de transferência de dados, imunidade ao efeito multipercurso, alta precisão de alcance, baixo consumo de energia e facilidade de implementação. Por esses motivos, muitos desenvolvedores comerciais estão optando por opções UWB em vez de opções de comunicação de campo próximo (NFC) para aprimorar a implementação e a segurança do projeto.