Introducción a ultra-wideband

La banda ultra ancha (UWB) es el estándar inalámbrico más utilizado para localización y estimación de distancia de alta resolución y corto alcance, además de comunicación de datos. UWB es una tecnología de radio por pulso con un ancho de banda mínimo de 500 MHz que opera tanto por debajo del GHz como en el rango entre los 3,1 y los 10,6 GHz.

Además, tiene una densidad espectral de potencia máxima de -41,3 dBm/MHz en todas las frecuencias, muy inferior a la de Wi-Fi, Bluetooth^®, Zigbee^® y GPS, lo que evita interferencias con estas señales inalámbricas para admitir comunicaciones de corto alcance. Asimismo, utiliza un pulso corto (<2 ns) para la transmisión, que la hace inmune al desvanecimiento por trayectos múltiples y soporta aplicaciones de ubicación y estimación de distancia.

La banda UWB también soporta otras aplicaciones, tales como:

Control de acceso seguro
Pagos inalámbricos seguros
Sensores de salud inalámbricos
Comunicación de dispositivo a dispositivo

Algunas características de la banda UWB que permiten estas funcionalidades son:

Rango de ancho de banda: entre 500 MHz y 1,3 GHz; duración del pulso: <2 ns
Secuencia de marca de tiempo codificada (STS) para comunicación segura
Frecuencia de repetición de pulso (PRF) media entre 3,9 MHz y 249,6 MHz para diferentes condiciones de canal, con un pico de 499,2 MHz
Intervalos de protección y esquemas de modulación personalizados para evitar interferencias y efectos de trayectos múltiples
Código SECDED (corrector de error simple y doble) para el preámbulo, y código Reed-Solomon para la carga útil, con código convolucional de ½ velocidad y una longitud restringida a 3 o 7

UWB con MATLAB

Puede utilizar la librería de Communications Toolbox™ para Zigbee^® y UWB de MATLAB^® para implementar y probar funcionalidades de UWB con ejemplos de referencia proporcionados como código abierto de MATLAB. Puede utilizar MATLAB para implementar la última revisión (15.4z) o la revisión anterior (15.4a) de banda ultra ancha. También puede emplear MATLAB para simular diversos algoritmos de localización y estimación de distancia utilizando ejemplos de generación de formas de onda de UWB, simulación de transceptor de UWB de extremo a extremo, y localización y estimación de distancia.

Especificaciones UWB

Las especificaciones de banda ultra ancha se propusieron originalmente en la revisión 15.4a del estándar IEEE 802.15.4a. Esta revisión incorpora la capa física (PHY) de la frecuencia de repetición del pulso de alta velocidad (HRP). La capa física de la frecuencia de repetición de pulso de baja velocidad (LRP) se introdujo posteriormente en la revisión 15.4f. La última mejora se propuso en la revisión 15.4z, que incorpora modos para dispositivos mejorados con capacidad de alcance y prestaciones de seguridad para las capas físicas de HRP y LRP existentes.

MATLAB proporciona ejemplos que implementan los siguientes modos:

Frecuencia de repetición de pulso básica (BPRF), donde la frecuencia media es de 62,4 MHz
Frecuencia de repetición de pulso alta (HPRF), donde la frecuencia media es de 124,8 MHz o 249,6 MHz

El campo de secuencia de marca de tiempo codificada (STS) es una funcionalidad de seguridad introducida por el estándar IEEE 802.15.4z para mejorar la integridad de los datos. La transmisión del campo STS es opcional para los modos BPRF y HPRF.

La Figura 1 muestra el esquema de representación y modulación de 802.15.4a. Se utiliza el bit sistemático del codificador convolucional para identificar uno de los dos posibles intervalos de modulación de posición del tren de pulsos (T_BPM). La transmisión solo puede ocurrir en el primer o el tercer cuarto. Después de expandirse en N_CPB (chips por tren de pulsos), se utiliza el bit de paridad para modular los pulsos de banda ultra ancha con modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK). La posición del tren de pulsos se identifica utilizando un valor entero obtenido a partir de la secuencia de expansión. Todas las transmisiones están protegidas con un intervalo de protección. En el ejemplo de MATLAB de generación de formas de onda de HRP de UWB para IEEE 802.15.4a/z se modelan estos aspectos de la señal.

Figura 1. Modulación de posición del tren de pulsos y BPSK en el estándar IEEE 802.15.4a. — Figura 1. Identificación de la modulación de posición del tren de pulsos y BPSK en el estándar IEEE 802.15.4a.

En la Tabla 1 se comparan las revisiones del estándar IEEE 802.15.4 para la banda UWB.

Revisiones de UWB	Velocidad de datos	Banda (GHz)	Modulación	Casos prácticos
15.4a	<27 Mbps	<1, y entre 3,1 y 10,6	Modulación de posición del tren de pulsos (BPM) y BPSK	Automatización doméstica e industrial, alcance
15.4f	<1 Mbps	<1, y entre 6,3 y 9,2	Modulación por posición de pulso (PPM), modulación digital de amplitud (OOK)	Aplicaciones de estimación de distancia, identificación por radiofrecuencia (RFID) activa e Internet of Things (IoT) de bajo consumo
15.4z	<27 Mbps	<1, y entre 3,1 y 10,6	Combinación de expansión, BPSK e intervalos de protección	Control de acceso manos libres, servicios basados en ubicación, y comunicación entre pares

Tabla 1. Estándares de UWB.

Transceptor de UWB

La Figura 2 muestra un transceptor de UWB. La cadena del transmisor consta de un encabezado PHY que contiene información sobre velocidad de datos, longitud de trama y duración del preámbulo. En el encabezado PHY se utiliza codificación SECDED. En la carga útil recibida por la capa superior se utiliza codificación Reed-Solomon. El estándar 802.15.4z incorpora un campo STS opcional para la integridad de los datos. Otro bloque del codificador convolucional de ½ velocidad y con una longitud restringida a 3 o 7 codifica el flujo de bits concatenado antes de la conversión a símbolos complejos realizada por un asignador de símbolos, que también expande los bits utilizando una secuencia de expansión y una longitud de chip. Después de conformar el pulso, la señal de banda ultra ancha se transmite de forma inalámbrica. Para obtener un ejemplo de implementación de estos pasos, consulte Generación de formas de onda de HRP de UWB para IEEE 802.15.4a/z.

El receptor de UWB es un detector de energía simple que se implementa como una imagen especular del transmisor, con el primer bloque como filtro de integración y descarga. Para obtener un ejemplo de implementación completa de un transceptor, consulte Simulación de extremo a extremo de la PHY de HRP de UWB para IEEE 802.15.4a/z.

Figura 2. Transceptor de UWB — Figura 2. Uso de un transceptor de UWB.

Localización y estimación de distancia de UWB

MATLAB admite técnicas de localización y estimación de distancia utilizando tramas de capa física y control de acceso al medio (MAC) compatibles con el estándar IEEE 802.15.4 y la revisión IEEE 802.15.4z. Tres de las técnicas más utilizadas para estimar la distancia son:

Técnica SS-TWR (estimación de distancia bidireccional de un lado): un dispositivo estima la distancia entre dos dispositivos utilizando la transmisión de tramas en ambas direcciones de un enlace inalámbrico 802.15.4z
Técnica DS-TWR (estimación de distancia bidireccional de dos lados): ambos dispositivos estiman la distancia entre sí utilizando la transmisión de tramas en ambas direcciones de un enlace inalámbrico 802.15.4z
Estimación de OWR/TDOA (distancia unidireccional/diferencia en tiempo de llegada): localización asistida por red en la que un dispositivo se comunica con un conjunto de nodos sincronizados para estimar su posición

Para obtener ejemplos de MATLAB sobre SS-TWR, consulte Estimación de distancia con UWB utilizando IEEE 802.15.4z. Para obtener ejemplos de OWR/TDOA, consulte Localización con UWB utilizando IEEE 802.15.4z.

En OWR/TDOA, el dispositivo que se va a localizar emite periódicamente mensajes cortos denominados parpadeos. Por cada par de nodos sincronizados, la diferencia de tiempo de llegada entre los mensajes periódicos ubica al dispositivo en una superficie hiperbólica. La intersección de todas las superficies hiperbólicas (entre cada uno de los pares de nodos sincronizados) proporciona la estimación de la ubicación del dispositivo.

La Figura 3 muestra los resultados de una simulación de OWR/TDOA en MATLAB.

Figura 3. Resultados de una simulación de localización de OWR/TDOA en MATLAB — Figura 3. Visualización de los resultados de una simulación de localización de OWR/TDOA en MATLAB.

¿Por qué es importante la tecnología UWB?

UWB proporciona una capa física alternativa para redes personales y portátiles que opera principalmente en el rango comprendido entre los 3,1 y los 10,6 GHz, que está menos congestionado que la banda ISM (industrial, científica y médica)
UWB es poco propensa al desvanecimiento por trayectos múltiples, funciona con relación señal/ruido baja, y ofrece soporte adicional para comunicaciones seguras
En comparación con una arquitectura de transceptor superheterodino, UWB ofrece un sistema simple; la pequeña antena de alta frecuencia se puede integrar dentro de chips
La duración del pulso de UWB es mucho más corta que los tiempos de símbolo de otras tecnologías, lo que permite alta precisión y baja latencia en la localización y estimación de distancia, como se muestra en la Tabla 2