Descubra Como Rádios de Impulso Ultra-Wideband (UWB) Superam Wi-Fi e Bluetooth

Usando rádios de impulso como exemplo, examinaremos as vantagens da tecnologia ultra-wideband (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 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, como mostrado abaixo, tanto 802.11ac – um protocolo de comunicação WLAN de alta taxa de transferência – quanto UWB são permitidos a usar a banda de frequência em torno de 5 GHz.

 

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

 

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

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

De acordo com a 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 Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

 

UWB oferece vantagens em relação a taxa de transferência de dados, imunidade ao efeito multipath, 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 compreensão dos principais recursos desta tecnologia.

Rádio de Impulso

Enquanto sistemas de comunicação de banda estreita convencionais transmitem uma forma de onda contínua, um rádio de impulso transmite pulsos de duração ultra-curta (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 durante cada intervalo de tempo de 100 ns. Neste caso, dizemos que o ciclo de trabalho é 1% (o pulso está presente apenas 1% do tempo de transmissão).

 

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

 

Esses pulsos podem ser modulados de diferentes maneiras para transmitir informações. A Figura 4 abaixo mostra como modulação de posição de pulso e modulação bi-fásica mudam uma sequência não modulada.

 

Figura 4. Modulação de posição de pulso e bi-fásica mudam uma sequência não modulada. Imagem usada cortesia de Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

Note que uma duração de tempo curta corresponde a uma largura de banda ampla 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 frequência. Imagem usada cortesia da Time Domain Corporation

 

Tanto a frequência 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 na ordem de microwatts, um dispositivo UWB pode estender a vida útil da bateria.

Alta Taxa de Dados

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

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

 

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 comparáveis de comunicação sem fio indoor. Dados usados cortesia de Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

Robustez ao Efeito Multipath

Sinais UWB exibem mais robustez ao efeito multipath do que tecnologias sem fio convencionais. Assuma que, além de um caminho direto para propagação de onda eletromagnética do transmissor para o receptor, existe outro caminho causado por reflexões de um objeto.

 

Figura 6. Representação de um efeito multipath

 

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

 

d = c x t

 

onde c denota a velocidade da onda eletromagnética que é aproximadamente 3×10⁸ m/s. Portanto, para cada pulso que transmitimos, dois pulsos aparecem na entrada do receptor. Isso é ilustrado na Figura 7, onde 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 não se sobrepõem. No entanto, este não é o caso em geral. Examinando a figura acima, podemos ver que os pulsos não interferirão – apenas se a diferença de atraso entre os dois caminhos (t₁-t₀) for maior que a largura do pulso (PW).

Como pulsos UWB têm duração muito curta, os pulsos vindos de diferentes caminhos são mais propensos a não interferir com nosso pulso desejado. Portanto, podemos extrair facilmente o sinal desejado daqueles originados de reflexões indesejadas. Isso dá a um sistema UWB mais imunidade ao efeito multipath. Alternativamente, a energia pode ser somada junto por um receptor rake.

Alta Precisão de Alcance

Como discutido acima, a resolução temporal aguda de sinais UWB nos permite ter um sistema que pode resolver componentes multipath sem recorrer a algoritmos complexos. Isso torna UWB adequado para aplicações de estimativa de alcance baseadas em time-of-arrival (ToA).

Vale a pena mencionar que, embora esses esquemas de alcance baseados em tempo se beneficiem da alta resolução temporal de sinais UWB, eles têm suas próprias limitações. Por exemplo, como os pulsos UWB têm duração muito curta, jitter de clock torna-se um fator limitante.

Conclusão

Como vimos com rádios de impulso, UWB pode ser uma tecnologia benéfica de comunicação de curto alcance por causa de sua taxa de transferência de dados, imunidade ao efeito multipath, alta precisão de alcance, baixo consumo de energia e facilidade de implementação. Por estas razões, muitos desenvolvedores comerciais estão se voltando para UWB em vez de opções de comunicação de campo próximo (NFC) para melhorar implementação de design e segurança.