Jan 01, 1970
2,958 leituras
UWB: recursos e perspectivas de aplicativos
Muito longo; Para ler
A tecnologia de banda ultralarga (UWB) é uma tecnologia de comunicação sem fio que usa um espectro ultra amplo do sinal da operadora. Ele permite que os dados sejam transmitidos em distâncias curtas com consumo de energia extremamente baixo. Por isso, o UWB coexiste com outras tecnologias de radiocomunicação mais tradicionais sem causar interferência.
A tecnologia de banda ultralarga, ou UWB , está cada vez mais no foco da mídia digital ou sendo mencionada em relação aos produtos carro-chefe das principais empresas. No entanto, ainda permanece um azarão entre as tecnologias sem fio convencionais e sofre com a falta de exposição na mídia.
Assim, este artigo pretende resolver essa injustiça. É uma revisão que contém uma breve perspectiva histórica, uma descrição dos princípios gerais, métodos, campos de aplicação e casos de uso e analisa as capacidades e perspectivas.
Visão geral do conteúdo
- Sobre a tecnologia UWB
- História do desenvolvimento
- Prós e contras da tecnologia UWB
- Métodos de localização UWB
- Aplicações e casos de uso
- Conclusão
Sobre a tecnologia UWB
UWB é uma tecnologia de comunicação sem fio que usa um espectro ultra amplo do sinal da operadora e permite que os dados sejam transmitidos em distâncias curtas com consumo de energia extremamente baixo.
De acordo com
“A tecnologia de banda ultralarga (UWB) é uma tecnologia de radiocomunicação de curto alcance, que envolve a geração e transmissão intencional de energia de radiofrequência que se espalha por uma faixa de frequência muito grande, podendo sobrepor várias faixas de frequência atribuídas aos serviços de radiocomunicação. Os dispositivos que usam a tecnologia UWB geralmente têm radiação intencional da antena com uma largura de banda de –10 dB de pelo menos 500 MHz ou uma largura de banda fracional de –10 dB maior que 0,2”. |
|---|
O principal método de comunicação UWB é a transmissão de uma série de pulsos curtos, cada um com duração de cerca de 1 nanossegundo. E como quanto mais curto o pulso, mais amplo seu espectro, esses pulsos requerem uma largura de banda muito maior (em comparação com as comunicações de banda estreita). Daí o termo “banda ultralarga”.
Outra característica é um nível de sinal muito baixo, próximo à intensidade do ruído do rádio. Por isso, o UWB coexiste com outras tecnologias de radiocomunicação mais tradicionais sem causar interferência.
História do desenvolvimento
O método de transmissão de sinais por pulsos era conhecido no final dos anos 80 do século XIX . Naquela época, versões aprimoradas do transmissor de faísca, com o qual Heinrich Hertz iria provar a existência de ondas eletromagnéticas, eram amplamente utilizadas em
Mais tarde, durante a Segunda Guerra Mundial, a tecnologia de rádio de pulso foi usada em vários radares militares. Na década de 1950 , cientistas soviéticos, tentando melhorar os sistemas de energia, iniciaram extensas pesquisas nessa área. Eles eram
Na década de 1970 , os sistemas de radar baseados em UWB começaram a ser usados para aplicações civis: varredura de solo, edifícios, posicionamento, alerta de colisão, detecção de nível de líquido, detecção de intrusos e em estações de radar móveis.
Em 2002 , devido ao crescente interesse comercial, a Federal Communications Commission (FCC) dos EUA aprovou o uso comercial regulamentado do espectro de rádio de 3,1 a 10,6 GHz.
Em 2003 , o Instituto Europeu de Padrões de Telecomunicações (ETSI) publicou o padrão IEEE 802.15.4, que define a camada física (PHY) e a camada de controle de acesso à mídia (MAC) para redes de área pessoal sem fio de baixa taxa (LR-WPAN). Uma extensão do padrão com foco na segurança foi introduzida em 2020 em 802.15.4z, que introduziu a camada física PHY CSS (modulação de frequência linear em 2450 MHz), definiu um método de alcance bidirecional e adicionou uma cifra de substituição.
Não foi até alguns anos atrás, em 2019 , que o UWB se tornou conhecido por um público mais amplo de usuários finais, quando empresas de renome mundial, como Apple e Samsung, começaram a introduzir funcionalidades baseadas nessa tecnologia em seus dispositivos de segmento de consumo.
Prós e contras da tecnologia UWB
Uma das principais vantagens do UWB é sua resistência a
O uso de UWB, por sua vez, dá alta resiliência a frequência seletiva
A latência extremamente baixa torna o UWB um candidato ideal para sistemas de posicionamento automático de objetos em movimento rápido em tempo real, por exemplo, drones.
Outra vantagem importante é o alto grau de proteção de dados como consequência da baixa potência dos pulsos gerados. O mais recente
Outras vantagens do UWB incluem:
- Sem restrições na disponibilidade do espectro de rádio;
- Suporte simultâneo de centenas de canais;
- Ampla gama de taxas de dados: de 4 Mbit/s a 675 Mbit/s e superior, dependendo da frequência;
- Suporte inerente às dezenas de topologias;
- Uso flexível do espectro;
- Consumo de energia ultrabaixo: 2 mW a 1 Mbps, 6 μW a 1 kbps;
- Baixo custo de chip: ~2 – 5 USD para produção em massa.
Mas, claro, nem tudo é tão tranquilo...
Devido ao comprimento de pulso curto e ao espectro ultra amplo, a taxa de transferência de UWB cai muito mais (em comparação com a transmissão de banda estreita) com a distância .
Em teoria, largura de banda larga e alta potência do sinal (quando esta última não é limitada por regulamentos) podem interferir nos sistemas e linhas de comunicação existentes .
Além disso, a disponibilidade de espectro em vários países (
Métodos de localização UWB
Vejamos como a tecnologia implementa uma de suas principais vantagens - determinação de distância ultraprecisa.
Variação bidirecional (TWR)
UWB usa ToF (Time-of-Flight) — o tempo para entregar pacotes de “solicitação-resposta” — para medir a distância entre dispositivos, em vez de RSSI (Received Signal Strength Indicator) , que é usado em outros padrões.
Este método calcula a distância entre a etiqueta e a âncora determinando o ToF e multiplicando-o pela velocidade da luz.
O mais complexo Double-Sided Two-Way Ranging (DS-TWR) corrige implicitamente os erros de deslocamento do relógio, mas requer mais pacotes de dados e, como resultado, consome mais energia:
ToF =1/2*(T1'T2'-T1T2)/(T1'+T2'+T1+T2)
Diferença de Tempo de Chegada (TDoA)
Obviamente, a medição ToF usando uma única âncora não fornecerá a localização da tag, mas com a ajuda de várias âncoras externas, o UWB é capaz de determinar a posição bi e tridimensional da tag no espaço dentro de uma determinada área. Ao mesmo tempo, os pacotes de tags são trocados com as âncoras, e a diferença no tempo de recebimento desses pacotes é calculada.
Dependendo de qual é o lado receptor, duas topologias são reconhecidas:
- Tag-Side Time-Difference of Arrival (TS-TDoA) , como por exemplo no GPS;
- Diferença de Tempo de Chegada do Lado Âncora (AS-TDoA) .
Diferença de fase de chegada (PDoA)
Observe que o cálculo ToF determina apenas a distância, mas não a direção. O método de diferença de fase de chegada (PDoA) resolve esse problema, bem como o problema com a organização de infraestrutura adicional. É feito com duas antenas em pelo menos um dos dispositivos. A diferença de fase do sinal recebido nas antenas permite calcular o ângulo de chegada do sinal (Angle of Arrival, AoA).
Aplicações e casos de uso
A maioria dos aplicativos da tecnologia UWB utiliza seus recursos de segurança de alcance fino ou uma combinação de ambos. Sendo, por muito tempo, atraente principalmente para fins militares e industriais, a tecnologia recentemente encontrou novas implementações devido ao atual estado da arte em eletrônicos de consumo: wearables, smartphones e infraestrutura inteligente.
Capacidades de alcance fino
Com o UWB, a localização exata a poucos centímetros de todos os tipos de objetos torna-se real.
Na área da saúde , o UWB ajuda as pessoas a encontrar os serviços necessários em hospitais, fornece dados baseados em proximidade, como registros médicos de pacientes, para a equipe e localiza pacientes para cuidadores. O rastreamento de ativos médicos também é útil quando se trata de uma busca rápida de itens pequenos ou equipamentos caros e importantes, como desfibriladores.
As propriedades do radar UWB são usadas na medição remota de parâmetros vitais, como frequência cardíaca e respiratória, que também encontra sua aplicação em edifícios inteligentes com detecção de presença, babás eletrônicas, aplicações médicas e detecção de queda.
A tecnologia tem uma aplicação extremamente ampla em navegação interna quando é necessária a orientação por diferentes tipos de instalações - shoppings, hospitais, estacionamentos, locais de produção.
O UWB pode ser usado durante uma evacuação de emergência , rastreando e rastreando qualquer pessoa que permaneça no local.
O distanciamento social é uma das questões mais relevantes no período de pandemia. Os crachás e pulseiras habilitados para UWB podem avisar ao se aproximar e alertar ao violar a zona segura com precisão inferior a 10 cm.
Com o UWB, os processos de produção podem ser digitalizados e otimizados por meio de rastreamento de ferramentas e equipamentos , o que melhora as taxas de utilização de itens e economiza tempo. O local de produção torna-se mais seguro com sistemas de detecção anticolisão utilizando o método TWR de UWB.
E, claro, as tags UWB já amplamente conhecidas anexadas aos chaveiros ou mochila e emparelhadas com seu smartphone economizam tempo para encontrar itens pessoais importantes.
Controle de acesso e entrada sem chave passiva
Com o cálculo do Time-of-Flight, o UWB garante alta precisão no alcance, bem como a segurança dos dados transmitidos, enquanto o cálculo do ângulo de chegada (AoA) permite definir a direção do movimento. Portanto, os dispositivos habilitados para UWB podem entender se um usuário está se aproximando de uma porta trancada ou saindo e determinar de que lado da porta isso está acontecendo.
No caso de controle de acesso, o UWB é usado em par com outros protocolos , mais comumente — Bluetooth. O Bluetooth é usado para iniciar o alcance e transferir dados, enquanto o UWB é diretamente responsável pelo alcance.
A nova camada física (PHY) adicionada no IEEE 802.15.4z e relacionada à proteção criptográfica minimiza o sucesso de
No início de 2022, a Samsung, em colaboração com a Zigbang, anunciou o lançamento de um
Em janeiro de 2021, a Apple
Volkswagen e
O BMW X5 e X6 atualizados suportarão a função de chave digital UWB, que pode ser compartilhada com até mais cinco pessoas por meio de um aplicativo nativo.
Os dispositivos UWB podem formar uma chamada "bolha de segurança" em torno de uma determinada área, usada principalmente para desbloquear automaticamente dispositivos pessoais. Alguns vídeos com uma demonstração de como essas "bolhas" funcionam:
A tecnologia pode ser usada em uma variedade de aplicativos WBAN . No monitoramento de saúde, uma rede de sensores UWB, como eletrocardiograma (ECG), sensor de saturação de oxigênio (SpO2) e eletromiografia (EMG), pode ser usada para desenvolver um sistema de saúde proativo e inteligente.
Multimídia, realidade aumentada e virtual
O baixo valor de latência (5-10 ms para streaming de áudio ao usar codecs e até 2 ms para áudio não compactado) torna o UWB atraente para uso em streaming de dados de vídeo e áudio, em VR e AR e vários tipos de controladores .
Os dispositivos UWB podem criar experiências contextuais com base na proximidade e orientação que são usadas em sistemas de varejo e residências inteligentes .
Os alto-falantes Apple HomePod, HomePod mini e Nest do Google podem captar instantaneamente músicas em um smartphone, um podcast ou uma conversa telefônica em andamento quando se aproxima do alto-falante (recurso "Handoff" da Apple).
Um bom exemplo de um dispositivo doméstico inteligente é
Os detectores de presença com UWB podem ser usados em sistemas de iluminação profissional de edifícios de escritórios . Acender a luz quando o movimento é detectado economiza eletricidade, e a alta sensibilidade dos sensores UWB pode detectar até o menor movimento de uma pessoa sentada silenciosamente em um computador ou telefone e manter a iluminação na área desejada.
O marketing direcionado oferece aos clientes ofertas individuais com base em sua rota de viagem e preferências. As empresas podem se beneficiar do tráfego de pedestres e da análise do comportamento de compra .
Automotivo
Múltiplos casos para automóveis incluem:
- Estacionamento com manobrista sem motorista e pick-up : o motorista pode deixar o carro no lugar certo, e o carro encontrará um lugar e estacionará sozinho. Posteriormente, por meio de um aplicativo no smartphone, o motorista pode chamar o carro para ser atendido no local desejado;
- V2X* (comunicação veículo-para-tudo) e condução autónoma ;
- Chave digital do carro e várias funções de conveniência, mencionadas anteriormente;
- A comunicação C2X (uma rede social para Automóveis) pode diminuir significativamente os acidentes através da comunicação entre veículos e elementos da infraestrutura de tráfego.
“Siga-me” e recursos anti-colisão usando a tecnologia UWB de alguma forma surpreendentemente encontraram aplicação na mala inteligente Airwheel SR5 que libera as mãos do proprietário e se comporta como um “bom menino” seguindo “o papai” e evitando obstáculos.
Além disso, a UWB é uma candidata líder em tecnologia para aplicações de micro veículos aéreos (MAV).
Conclusão
É justo dizer que o padrão UWB está pronto para um futuro brilhante - além de vários casos de uso b2b, as chances são altas de que em breve ele se torne uma das interfaces padrão de smartphone, como aconteceu com Bluetooth e NFC .
Previsão de CAGR do mercado UWB de 16,06% para US$ 3,129 bilhões até 2026,
No
L O A D I N G
. . . comments & more!
. . . comments & more!
