UWB hoy y en el futuro
Autor: Torsten Killinger, director corporativo de productos inalámbricos de Rutronik.
La tecnología de banda ultraancha se ha convertido en una tecnología de comunicación inalámbrica muy importante con una amplia gama de aplicaciones. A medida que avance su desarrollo y distribución, la tecnología de banda ultraancha será fundamental en la próxima generación de comunicaciones y posicionamiento inalámbricos.
La banda ultraancha (UWB) es una tecnología de comunicación inalámbrica que lleva evolucionando desde principios de la década de 2000 y que ha experimentado importantes avances en los últimos años. Utilizada originalmente para aplicaciones militares y el desarrollo de equipos de radar, la UWB también ha conquistado el mercado comercial gracias a su capacidad de localización precisa y transmisión a alta velocidad, y se ha convertido en una importante tecnología de comunicación inalámbrica con una amplia gama de aplicaciones.
Diversas normas desarrolladas por el IEEE, la Alianza WiMedia o la ECMA definen las especificaciones básicas y los protocolos esenciales para el funcionamiento de la UWB en diferentes aplicaciones. Garantizan la interoperabilidad entre distintos dispositivos UWB y permiten el desarrollo y la implantación de sistemas de comunicación inalámbricos fiables y de alto rendimiento.
Diferenciación de otros métodos y medición de la posición
Con un ancho de banda de al menos 500 MHz (o el 20 % de la frecuencia portadora media), la UWB ofrece una velocidad de transmisión de datos un orden de magnitud superior a la de otras tecnologías inalámbricas, como Wi-Fi (20, 40, 80, 160 y 320 MHz) y Bluetooth (1 o 2 MHz). La UWB utiliza una gama de frecuencias muy amplia, que suele abarcar varios GHz (entre 3,1 y 10,6 GHz). Al igual que Wi-Fi, UWB también utiliza múltiples canales superpuestos. Otra diferencia clave con respecto a otros métodos de transmisión inalámbrica es que los sistemas UWB pueden funcionar con niveles de potencia más bajos. Esto se define por la densidad espectral, es decir, la potencia transmitida por megahercios (MHz) de ancho de banda. A diferencia de las tecnologías inalámbricas de banda estrecha, la UWB transmite a niveles cercanos al límite del ruido. Otra diferencia es que la UWB puede utilizar distintos tipos de codificación de datos (véase la fig. 1).
Las características mencionadas anteriormente permiten a la UWB proporcionar información de posición muy precisa y exacta. Normalmente, el tiempo de vuelo (ToF) y el ángulo de llegada (AoA) se combinan en dispositivos finales como los teléfonos inteligentes habilitados para UWB o los anclajes UWB industriales, y las etiquetas UWB como métodos de posicionamiento que utilizan la comunicación inalámbrica UWB.
El alcance bidireccional (TWR) mide el tiempo que tarda una señal en viajar de un transmisor (etiqueta UWB) a un receptor (ancla) y viceversa. Este método es especialmente preciso, ya que se basa en mediciones directas del tiempo y maneja eficazmente los efectos multitrayecto (reflexiones). Existen dos métodos TWR: el single-sided two-way ranging (SS-TWR), que utiliza dos mediciones de distancia, y el double-sided two-way ranging (DS-TWR), que utiliza tres mediciones de distancia. La medición adicional con DS-TWR hace que la medición sea más precisa.
La diferencia de tiempo de llegada (TDoA) determina la posición del transmisor midiendo la diferencia de tiempo con la que una señal llega a varios receptores. La TDoA es especialmente eficaz en entornos con múltiples puntos de recepción y permite el posicionamiento en tiempo real de objetos en movimiento.
Figura 1. Comparación cualitativa del ancho de banda de densidad espectral de potencia entre el método de comunicación inalámbrica UWB y otros métodos
Opciones de integración en redes existentes:
La integración de la UWB en redes existentes, como Wi-Fi u otras redes inalámbricas, requiere una planificación y coordinación meticulosas para garantizar una interoperabilidad sin fisuras entre las tecnologías. El cumplimiento de normas como la IEEE 802.15.4z garantiza que los dispositivos UWB de distintos proveedores sean compatibles entre sí y puedan integrarse sin problemas en las redes existentes. La UWB puede coexistir con otras tecnologías inalámbricas, como Wi-Fi y Bluetooth, sin interferir con ellas.
Dado que la UWB y la Wi-Fi pueden funcionar en la misma gama de frecuencias, es crucial gestionar eficazmente las interferencias. Por tanto, es necesario desarrollar protocolos de evitación y gestión de colisiones para que ambas tecnologías funcionen de forma eficaz y fiable. Esto puede lograrse mediante la multiplexación por división en el tiempo, la selección de frecuencias u otros mecanismos de coexistencia. La UWB puede utilizarse como complemento de las tecnologías de localización existentes, como Wi-Fi o Bluetooth Low Energy. Al integrar la UWB con estas tecnologías, se pueden crear sistemas de posicionamiento híbridos que mejoran la precisión y la fiabilidad. Por ejemplo, la UWB puede proporcionar una localización precisa en interiores, mientras que Wi-Fi o Bluetooth Low Energy pueden aprovecharse para ofrecer una mayor conectividad y localización en exteriores. En entornos en los que el cableado es difícil o costoso, las redes Wi-Fi pueden ampliarse o mejorarse fácilmente. Para ello, la UWB puede servir como conexión de retroceso inalámbrica, eliminando la necesidad de cableado adicional. En las redes de malla con múltiples nodos interconectados, la UWB puede utilizarse para mejorar la localización y la conectividad de los nodos. Esto puede aumentar la fiabilidad y el rendimiento general de la red mallada, sobre todo en entornos con numerosos obstáculos u objetos en movimiento.
Posicionamiento en interiores, asistencia sanitaria y hogares inteligentes
La UWB ofrece una amplia gama de aplicaciones y casos de uso en los sectores comercial e industrial. Especialmente cuando se trata de posicionamiento en interiores, la UWB destaca sobre otras tecnologías. Las razones para ello incluyen la gran precisión de posicionamiento en el rango de los centímetros, la menor susceptibilidad a las interferencias y la capacidad de la UWB para manejar eficazmente los efectos multitrayectoria causados por los reflejos en interiores. Algunos ejemplos de productos UWB son el iPhone 11 y modelos superiores de Apple, así como vehículos de fabricantes como VW, Audi y Cupra, que utilizan la UWB para mejorar la seguridad de los sistemas de arranque sin llave.
Murata ofrece actualmente tres módulos de banda ultraancha (UWB) en el mercado, con tres más previstos para 2024/2025. El tipo 2AB (fig. 2) es un módulo compacto UWB + Bluetooth Low Energy adecuado para muchas aplicaciones que requieren una detección precisa. Gracias al CI QM33120W de Qorvo integrado, el área de montaje puede reducirse en un 75 % en comparación con los diseños chip-on-board. Además, el módulo UWB con un nRF52840 de Nordic Semiconductor ofrece una mayor flexibilidad de diseño y un menor tiempo de desarrollo del producto, ya que los clientes pueden recurrir a un conjunto de códigos fuente de Nordic y utilizar el módulo para otras tareas inalámbricas. El módulo también dispone de 256 kB de RAM, 1 MB de flash y un sensor de tres ejes para la detección de movimiento. Se pueden utilizar hasta tres antenas para el módulo del sistema en paquete: dos para UWB y una para Bluetooth Low Energy.
Figura 2: El tipo 2AB es un módulo compacto UWB + Bluetooth Low Energy adecuado para muchas aplicaciones que requieren una detección precisa (fuente: Murata).
El Tipo 2DK, basado en el NXP Trimersion SR040 y el NXP QN9090, es una solución completa diseñada para aplicaciones alimentadas por batería con bajo consumo de energía. Con su memoria flash integrada de 640 KB y su SRAM de 152 KB, el Tipo 2DK proporciona amplios recursos para albergar funciones UWB, lo que ayuda a los fabricantes de equipos originales a desarrollar sus aplicaciones. La combinación de UWB y Bluetooth Low Energy lo hace ideal para etiquetas y rastreadores UWB. Todo el funcionamiento PHY/MAC se gestiona dentro del CI UWB, de acuerdo con las especificaciones del Consorcio FiRa, para acortar el tiempo de comercialización.
El tipo 2BP es adecuado para la activación UWB de grandes infraestructuras como el control de accesos, anclajes de posicionamiento en interiores y terminales de pago, así como productos de consumo como televisores y consolas de juegos. La tecnología mejora la medición de la distancia y el 3D-AoA (ángulo de llegada) con varias configuraciones de antena, lo que ofrece una mayor fiabilidad y precisión. Los PHY y MAC integrados cumplen las especificaciones FiRa y garantizan la interoperabilidad con un número cada vez mayor de dispositivos UWB.
Figura 3: ISP3080 es una solución autónoma para aplicaciones RTLS, de control de accesos y de posicionamiento en interiores (fuente: Insight SiP)
El ISP3080 de Insight SiP (fig. 3) es un módulo LGA altamente miniaturizado (12 x 12 x 1,5 mm) basado en el transceptor UWB QM33110 de Qorvo y el chip Bluetooth Low Energy nRF52833 de Nordic Semiconductor. El ISP3080 utiliza una sencilla interfaz de usuario a través de la conexión SPI e integra una CPU Cortex™ M4, memoria flash y RAM combinadas con antenas optimizadas. De este modo, ofrece una solución autónoma para aplicaciones RTLS, de control de accesos y de posicionamiento en interiores. Los módulos también incluyen un acelerómetro 3D para permitir modos de ahorro de energía con activación dictada por el movimiento. El ISP3080 se distingue por integrar en el encapsulado una antena multibanda compatible con la banda de frecuencia Bluetooth Low Energy a 2,4 GHz y con la banda de frecuencia UWB a 6,5/8,0 GHz. Se trata de un novedoso concepto desarrollado por Insight SiP dentro de un encapsulado SIP. La comunicación UWB se ajusta a la norma IEEE 802.15.4.
Figura 4: El MS01SF1 puede utilizarse en diversas aplicaciones UWB como el almacenamiento y la logística, así como para la seguridad y el control de accesos. Ofrece TWR y TDoA para localizar activos con una precisión de 10 cm al tiempo que admite velocidades de datos de hasta 6,8 Mbps (fuente: Minew)
El ISP3080 ofrece una localización precisa con una interfaz de usuario sencilla que se puede controlar de forma inalámbrica a través de Bluetooth. Para aplicaciones de largo alcance, que suelen extenderse varios cientos de metros, el ISP3080 puede emparejarse con una antena UWB externa. La conectividad Bluetooth Low Energy es compatible con Bluetooth 5.1 y permite encontrar la posición a larga distancia y realizar funciones a través de Bluetooth.
Los sensores y etiquetas UWB pueden integrarse en redes industriales para permitir el seguimiento y la automatización en tiempo real. El MS01SF1 (fig. 4) de MinewSemi es un módulo de banda ultraancha (UWB) y Bluetooth Low Energy 5.2 integrado con el último SoC Qorvo DW3120 para posicionamiento en interiores y el SoC nRF52833 de Nordic Semiconductor como procesador central. Admite conectividad Bluetooth Low Energy y NFC, así como otros protocolos, como Thread/Zigbee/IEEE 802.15.4. Este módulo puede utilizarse en diversas aplicaciones UWB, como el almacenamiento y la logística, así como para la seguridad y el control de accesos. Ofrece sistemas bidireccionales de medición de distancias (TWR) y de posicionamiento (TDoA) para localizar activos con una precisión de 10 cm, al tiempo que admite velocidades de transmisión de datos de hasta 6,8 Mbps
Resumen
La UWB es una tecnología de futuro preparada para revolucionar numerosas aplicaciones gracias a su capacidad de localización precisa y sus altas velocidades de transmisión de datos. Su integración en las redes existentes se ve facilitada por protocolos estandarizados, hardware compatible y software de apoyo. A medida que avancen el desarrollo y la distribución, la UWB será fundamental en la próxima generación de comunicación y posicionamiento inalámbricos.
