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UWB: capacidades y perspectivas de aplicaciónpor@notanotherone
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UWB: capacidades y perspectivas de aplicación

por notAnotherOne10m2023/06/16
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La tecnología de banda ultra ancha (UWB) es una tecnología de comunicación inalámbrica que utiliza un espectro ultra amplio de la señal portadora. Permite que los datos se transmitan en distancias cortas con un consumo de energía extremadamente bajo. Debido a esto, UWB coexiste con otras tecnologías de comunicación por radio más tradicionales sin causar interferencias.
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La tecnología de banda ultraancha, o UWB , ocupa cada vez más el centro de atención de los medios digitales o se menciona en relación con los productos estrella de las principales empresas. Sin embargo, sigue siendo un desvalido entre las tecnologías inalámbricas convencionales y sufre de falta de exposición en los medios.


Por lo tanto, este artículo pretende resolver esta injusticia. Es una revisión que contiene una breve perspectiva histórica, una descripción de los principios generales, métodos, campos de aplicación y casos de uso, y analiza las capacidades y perspectivas.


Descripción general del contenido

  • Acerca de la tecnología UWB
  • Historia del desarrollo
  • Pros y contras de la tecnología UWB
  • Métodos de localización UWB
  • Aplicaciones y casos de uso
  • Conclusión


Acerca de la tecnología UWB

UWB es una tecnología de comunicación inalámbrica que utiliza un espectro ultra amplio de la señal portadora y permite que los datos se transmitan en distancias cortas con un consumo de energía extremadamente bajo.


De acuerdo a Sector de Radiocomunicaciones de la UIT :

“La tecnología de banda ultraancha (UWB) es una tecnología para radiocomunicaciones de corto alcance, que involucra la generación y transmisión intencional de energía de radiofrecuencia que se distribuye en un rango de frecuencias muy amplio, que puede superponerse a varias bandas de frecuencias asignadas a los servicios de radiocomunicaciones. Los dispositivos que utilizan tecnología UWB normalmente tienen radiación intencional de la antena con un ancho de banda de –10 dB de al menos 500 MHz o un ancho de banda fraccional de –10 dB superior a 0,2”.


El principal método de comunicación UWB es la transmisión de una serie de pulsos cortos, cada uno con una duración de aproximadamente 1 nanosegundo. Y dado que cuanto más corto es el pulso, más amplio es su espectro, tales pulsos requieren un ancho de banda mucho mayor (en comparación con las comunicaciones de banda estrecha). De ahí el término “banda ultraancha”.


Otra característica es un nivel de señal muy bajo, cercano a la fuerza del ruido de radio. Debido a esto, UWB coexiste con otras tecnologías de comunicación por radio más tradicionales sin causar interferencias.


Historia del desarrollo


El método de transmisión de señales por impulsos se conoció a finales de los años 80 del siglo XIX . En ese momento, las versiones mejoradas del transmisor de chispa, con el que Heinrich Hertz iba a probar la existencia de ondas electromagnéticas, fueron muy utilizadas en la organización de la comunicación inalámbrica entre barcos y estaciones costeras .


Más tarde, durante la Segunda Guerra Mundial, la tecnología de pulsos de radio se utilizó en numerosos radares militares. En la década de 1950 , los científicos soviéticos, tratando de mejorar los sistemas de energía, comenzaron una extensa investigación en esta área. Ellos eran el primero en comprender que los pulsos ultracortos pueden transmitir más información sobre un objeto , aunque el ámbito de aplicación seguía siendo principalmente militar.


En la década de 1970 , los sistemas de radar basados en UWB comenzaron a usarse para aplicaciones civiles: escaneo terrestre, edificios, posicionamiento, advertencia de colisión, detección de nivel de líquido, detección de intrusos y en estaciones de radar móviles.


Patente estadounidense de Ross 3.728.632 , del 17 de abril de 1973, se considera un hito en el desarrollo de la tecnología y destaca una de las principales ventajas de UWB: la coexistencia con estándares comunes sin interferencias.


En 2002 , debido al creciente interés comercial, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. aprobó el uso comercial regulado del espectro de radio de 3,1 a 10,6 GHz.


En 2003 , el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI) publicó el estándar IEEE 802.15.4, que define la capa física (PHY) y la capa de control de acceso al medio (MAC) para redes de área personal inalámbricas de baja velocidad (LR-WPAN). Una extensión del estándar centrada en la seguridad se introdujo en 2020 en 802.15.4z, que introdujo la capa física PHY CSS (Modulación de frecuencia lineal a 2450 MHz), definió un método de rango bidireccional y agregó un cifrado de sustitución.


No fue hasta hace unos años, en 2019 , que UWB se dio a conocer a una audiencia de usuarios finales más amplia cuando compañías de renombre mundial como Apple y Samsung comenzaron a introducir funcionalidades basadas en esta tecnología en sus dispositivos del segmento de consumidores.


Pros y contras de la tecnología UWB

Una de las principales ventajas de UWB es su resistencia a el efecto multitrayecto debido a su alta resolución de tiempo y longitud de onda corta. Es por eso que la tecnología es tan buena para la medición y el seguimiento de distancias: UWB es 100 veces más preciso que Wi-Fi o Bluetooth Low Energy en tales tareas y proporciona una precisión de unos pocos centímetros en lugar de unos pocos metros.


El uso de UWB, a su vez, otorga una alta resiliencia a la frecuencia selectiva desvanecimiento en comparación con Bluetooth y Wi-Fi. Esto hace posible implementar múltiples sistemas basados en UWB en el mismo entorno sin causar conflictos con otros estándares.


La latencia extremadamente baja convierte a UWB en un candidato ideal para los sistemas de posicionamiento automático de objetos que se mueven rápidamente en tiempo real, por ejemplo, drones.


Otra ventaja clave es el alto grado de protección de datos como consecuencia de la baja potencia de los pulsos generados. Lo último IEEE 802.15.04z-2020 El cambio ha aumentado la seguridad de los datos mediante la introducción de una nueva capa física de modulación de frecuencia de línea, agregando técnicas de encriptación como marca de tiempo codificada y cifrado de sustitución.


Otras ventajas de UWB incluyen:

  • Sin restricciones en la disponibilidad del espectro radioeléctrico;
  • Soporte simultáneo de cientos de canales;
  • Amplia gama de velocidades de datos: desde 4 Mbit/s hasta 675 Mbit/s y más, dependiendo de la frecuencia;
  • Soporte inherente de las docenas de topologías;
  • Uso flexible del espectro;
  • Consumo de energía ultrabajo: 2 mW a 1 Mbps, 6 μW a 1 kbps;
  • Bajo costo de chip: ~2 – 5 USD para producción en masa.

Pero, por supuesto, no todo es tan sencillo...


Debido a la longitud de pulso corta y al espectro ultra amplio, el rendimiento de UWB cae mucho más (en comparación con la transmisión de banda estrecha) con la distancia .


En teoría, el ancho de banda amplio y la alta potencia de la señal (cuando esta última no está limitada por la normativa) pueden interferir con los sistemas y líneas de comunicación existentes .

Además, la disponibilidad de espectro en varios países ( 12 países , la mayoría de los cuales se encuentran en la antigua Unión Soviética) está limitada por agencias estatales y servicios de seguridad. En Rusia, por ejemplo, los rastreadores AirTags se ven obligados a usar Bluetooth en lugar del UWB concebido originalmente.


Métodos de localización UWB

Veamos cómo la tecnología implementa una de sus ventajas clave: la determinación de distancia ultraprecisa.



Alcance bidireccional (TWR)

UWB usa ToF (Tiempo de vuelo) , el tiempo para entregar paquetes de "solicitud-respuesta", para medir la distancia entre dispositivos, en lugar de RSSI (Indicador de intensidad de señal recibida) , que se usa en otros estándares.


Este método calcula la distancia entre la etiqueta y el ancla determinando el ToF y luego multiplicándolo por la velocidad de la luz.



El rango bidireccional de doble cara (DS-TWR) más complejo corrige implícitamente los errores de desplazamiento del reloj, pero requiere más paquetes de datos y, como resultado, consume más energía:

ToF =1/2*(T1'T2'-T1T2)/(T1'+T2'+T1+T2)


Diferencia horaria de llegada (TDoA)

Por supuesto, la medición de ToF usando un solo ancla no dará la ubicación de la etiqueta, pero con la ayuda de varias anclas externas, la UWB puede determinar la posición bidimensional y tridimensional de la etiqueta en el espacio dentro de un área determinada. Al mismo tiempo, los paquetes de etiquetas se intercambian con los anclajes y se calcula la diferencia en el tiempo de recepción de dichos paquetes.


Dependiendo de cuál sea el lado receptor, se reconocen dos topologías:


  • Tag-Side Time-Difference of Arrival (TS-TDoA) , como por ejemplo en GPS;
  • Diferencia horaria de llegada del lado del ancla (AS-TDoA) .




Diferencia de fase de llegada (PDoA)

Tenga en cuenta que el cálculo de ToF solo determina la distancia, pero no la dirección. El método de diferencia de fase de llegada (PDoA) resuelve este problema, así como el problema con la organización de infraestructura adicional. Se realiza con dos antenas en al menos uno de los dispositivos. La diferencia de fase de la señal recibida en las antenas permite calcular el ángulo de llegada de la señal (Angle of Arrival, AoA).




Aplicaciones y casos de uso

La mayoría de las aplicaciones de la tecnología UWB utilizan sus capacidades de seguridad de rango fino o una combinación de ambas. Siendo, durante mucho tiempo, atractiva sobre todo para fines militares e industriales, la tecnología ha encontrado una nueva implementación recientemente debido al estado del arte actual en la electrónica de consumo: dispositivos portátiles, teléfonos inteligentes e infraestructura inteligente.



Capacidades de rango fino

Con UWB, la ubicación precisa a unos pocos centímetros de todo tipo de objetos se vuelve real.

En el cuidado de la salud , UWB ayuda a las personas a encontrar los servicios necesarios en los hospitales, proporciona al personal datos basados en la proximidad, como registros médicos de pacientes, y localiza pacientes para los cuidadores. El seguimiento de activos médicos también es útil cuando se trata de una búsqueda rápida de artículos pequeños o equipos costosos e importantes, como desfibriladores.


Las propiedades del radar UWB se utilizan en la medición remota de parámetros vitales como la frecuencia cardíaca y la frecuencia respiratoria, lo que también encuentra su aplicación en edificios inteligentes con detección de presencia, monitores de bebés, aplicaciones médicas y detección de caídas.


La tecnología tiene una aplicación extremadamente amplia en la navegación interior cuando es necesaria la guía a través de diferentes tipos de instalaciones (centros comerciales, hospitales, estacionamientos, sitios de producción).


UWB se puede usar durante una evacuación de emergencia al rastrear y rastrear a cualquier persona que permanezca en el sitio.


El distanciamiento social es uno de los temas más relevantes en el período de pandemia. Las insignias y pulseras habilitadas para UWB pueden advertir cuando se acercan y alertar cuando se viola la zona segura con una precisión de menos de 10 cm.


Con UWB, los procesos de producción se pueden digitalizar y optimizar a través del seguimiento de herramientas y equipos , lo que mejora las tasas de utilización de artículos y ahorra tiempo. El sitio de producción se vuelve más seguro con los sistemas de detección anticolisión que utilizan el método TWR de UWB.


Y, por supuesto, las etiquetas UWB ya ampliamente conocidas adheridas a los llaveros o mochilas y emparejadas con su teléfono inteligente ahorran tiempo para encontrar artículos personales importantes.


Control de acceso y entrada pasiva sin llave

Con el cálculo del tiempo de vuelo, UWB garantiza una alta precisión en el alcance, así como la seguridad de los datos transmitidos, mientras que el cálculo del ángulo de llegada (AoA) permite definir la dirección del movimiento. Por lo tanto, los dispositivos habilitados para UWB pueden entender si un usuario se está acercando a una puerta cerrada o saliendo y determinar de qué lado de la puerta está sucediendo.

En el caso del control de acceso, UWB se usa junto con otros protocolos , más comúnmente, Bluetooth. Bluetooth se usa para iniciar el rango y transferir datos, mientras que UWB es directamente responsable del rango.



La nueva capa física (PHY) añadida en IEEE 802.15.4z y relacionada con la protección criptográfica minimiza el éxito de Ataques MITM . Esto abre una gran cantidad de posibilidades: cerraduras inteligentes en puertas de apartamentos y garajes, sistemas de control de acceso físico en sitios de producción, servicios de alquiler, llaves digitales para vehículos y mucho más.


A principios de 2022, Samsung, en colaboración con Zigbang, anunció el lanzamiento de un "cerradura de puerta inteligente" . Para desbloquear este bloqueo, ni siquiera necesita sacar su teléfono inteligente de su bolsillo.

En enero de 2021, Apple anunció su función de llave de automóvil digital basada en UWB y confirmó que está agregando una gama más amplia de opciones de clave digital e identificación digital a iOS 15 y a watchOS 8 para usuarios de Apple Watch. Pixel 6 Pro y Pixel 7 Pro de Google también son compatibles con la clave digital UWB, así como con la función "Nearby Share" de Android, que le permite transferir archivos a corta distancia de un dispositivo a otro.


volkswagen y el fabricante de chips más grande del mundo, NXP manténgase al día ofreciendo funcionalidades ampliadas como el reconocimiento de la presencia del asiento infantil y la desactivación del airbag correspondiente, el control por gestos del portón trasero, la detección automática y la extracción del enganche para el acoplamiento con un remolque.


Los renovados BMW X5 y X6 admitirán la función de llave digital UWB, que se puede compartir con hasta cinco personas más a través de una aplicación nativa.


Los dispositivos UWB pueden formar la llamada "burbuja de seguridad" alrededor de un área determinada, que se utiliza en particular para desbloquear automáticamente dispositivos personales. Un par de videos con una demostración de cómo funcionan tales "burbujas":


La tecnología se puede utilizar en una variedad de aplicaciones WBAN . En el control de la salud, se puede utilizar una red de sensores UWB como el electrocardiograma (ECG), el sensor de saturación de oxígeno (SpO2) y la electromiografía (EMG) para desarrollar un sistema de salud proactivo e inteligente.


Multimedia, realidad aumentada y virtual

El bajo valor de latencia (5-10 ms para transmisión de audio cuando se usan códecs y hasta 2 ms para audio sin comprimir) hace que UWB sea atractivo para usar en transmisión de datos de audio y video, en VR y AR, y varios tipos de controladores .


Los dispositivos UWB pueden crear experiencias contextuales basadas en la proximidad y la orientación que se utilizan en los sistemas inteligentes de venta minorista y hogar inteligente .


Los altavoces Apple HomePod, HomePod mini y Nest de Google pueden captar instantáneamente la música que se reproduce en un teléfono inteligente, un podcast o una conversación telefónica en curso cuando se acerca al altavoz (función "Handoff" de Apple).


Un buen ejemplo de un dispositivo doméstico inteligente es Control remoto inteligente Sevenhugs X . Lanzado en 2016, este producto lamentablemente se adelantó a su tiempo. El conjunto incluía el control remoto y anclas para definir su orientación de modo que se llame al menú contextual del dispositivo al que apunta el control remoto. La principal desventaja fue el precio prohibitivo: $ 399 al principio.

Los detectores de presencia con UWB se pueden utilizar en sistemas de iluminación profesional de edificios de oficinas . Encender la luz cuando se detecta movimiento ahorra electricidad, y la alta sensibilidad de los sensores UWB puede detectar incluso el más mínimo movimiento de una persona sentada en silencio frente a una computadora o teléfono y mantener la iluminación en el área deseada.


El marketing dirigido brinda a los clientes ofertas individuales basadas en su ruta de viaje y preferencias. Las empresas pueden beneficiarse del tráfico peatonal y el análisis del comportamiento de compra .


Automotor

Múltiples casos para automoción incluyen:

  • Servicio de aparcacoches y recogida sin conductor : el conductor puede dejar el coche en el lugar adecuado, y el coche encontrará un sitio y se aparcará solo. Posteriormente, a través de una aplicación en el teléfono inteligente, el conductor puede llamar al automóvil para que lo atiendan en el lugar deseado;
  • V2X* (comunicación vehículo-a-todo) y conducción autónoma ;
  • Llave digital del automóvil y varias funciones de conveniencia, mencionadas anteriormente;
  • La comunicación C2X (una red social para automóviles) puede reducir significativamente los accidentes a través de las comunicaciones entre los vehículos y los elementos de la infraestructura del tráfico.

Las funciones "Sígueme" y anticolisión que utilizan la tecnología UWB encontraron sorprendentemente una aplicación en la maleta inteligente Airwheel SR5 que libera las manos del propietario y se comporta como un "buen chico" siguiendo a "papá" y evitando obstáculos.

Además, UWB es un candidato tecnológico líder para aplicaciones de microvehículos aéreos (MAV).


Conclusión

Es justo decir que el estándar UWB está preparado para un futuro brillante: además de numerosos casos de uso b2b, hay muchas posibilidades de que pronto se convierta en una de las interfaces estándar de teléfonos inteligentes, como sucedió con Bluetooth y NFC. .


Predicción del mercado UWB CAGR de 16.06% a USD 3.129 mil millones para 2026 hecha, según lo informado por “Research and Markets” en 2021 podría duplicarse, si no triplicarse, en caso de que UWB se convierta en una de las interfaces estándar; ya está apareciendo en los teléfonos inteligentes insignia y podría llegar pronto a la gama media.


En No otro , hemos estado observando de cerca los desarrollos de UWB y hemos participado en una serie de proyectos impulsados por UWB, incluidos casos de uso típicos, como RTLS, así como implementaciones más raras del medio, incluida la transmisión de audio. ¡Estaría feliz de discutir sus necesidades de productos!