Banda ultraancha

Una diferencia significativa entre las transmisiones de radio convencionales y la UWB radica en que los sistemas convencionales transmiten información variando el nivel de potencia, la frecuencia o la fase (o una combinación de estas) de una onda sinusoidal. Las transmisiones UWB transmiten información generando energía de radio en intervalos de tiempo específicos y ocupando un gran ancho de banda, lo que permite la modulación de posición de pulso o de tiempo. La información también puede modularse en señales UWB (pulsos) codificando la polaridad del pulso, su amplitud o mediante el uso de pulsos ortogonales. Los pulsos UWB pueden enviarse esporádicamente a frecuencias de pulso relativamente bajas para admitir la modulación de tiempo o de posición, pero también pueden enviarse a frecuencias de hasta el inverso del ancho de banda del pulso UWB. Se han demostrado sistemas Pulse-UWB con frecuencias de pulso de canal superiores a 1300 millones de pulsos por segundo utilizando un flujo continuo de pulsos UWB (UWB de pulso continuo o C-UWB ), al tiempo que admiten tasas de datos codificadas con corrección de errores directa superiores a 675  Mbit/s. ^{[ 6 ]}

Un sistema de radio UWB puede utilizarse para determinar el "tiempo de vuelo" de la transmisión en diversas frecuencias. Esto ayuda a superar la propagación multitrayecto , ya que algunas frecuencias tienen una trayectoria de línea de visión , mientras que otras trayectorias indirectas presentan mayores retrasos. Mediante una técnica de medición bidireccional simétrica cooperativa, las distancias pueden medirse con alta resolución y precisión. ^{[ 7 ]}

La tecnología UWB es útil para sistemas de localización en tiempo real , y su precisión y bajo consumo de energía la hacen idónea para entornos sensibles a las radiofrecuencias, como los hospitales. Además, la UWB es útil para la medición precisa de distancias entre pares, lo que permite numerosas aplicaciones basadas en la distancia relativa entre dos entidades.

UWB utiliza múltiples técnicas para la detección de ubicación: ^{[ 8 ]}

• Tiempo de vuelo (ToF)
• Diferencia de tiempo de llegada (TDoA)
• Medición de alcance bidireccional (TWR)
• Diferencia de fase de llegada (PDoA)

Mientras que ToF y TWR se centran en la medición de distancia, PDoA permite al sistema estimar el ángulo de llegada (AoA) calculando el desfase de la portadora a través de múltiples antenas. Al combinarse con datos de alcance, esto posibilita un posicionamiento preciso en 2D o 3D utilizando un único punto de referencia, lo que proporciona una base técnica fundamental para aplicaciones móviles de seguimiento y soluciones de seguimiento con infraestructura mínima.

Apple lanzó los tres primeros teléfonos con capacidades de banda ultraancha en septiembre de 2019, a saber, el iPhone 11 , el iPhone 11 Pro y el iPhone 11 Pro Max. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Apple también lanzó la Serie 6 del Apple Watch en septiembre de 2020, que cuenta con UWB, ^{[ 12 ]} y sus AirTags con esta tecnología fueron revelados en un evento de prensa el 20 de abril de 2021. ^{[ 13 ] [ 4 ]} El Samsung Galaxy Note 20 Ultra, Galaxy S21+ y Galaxy S21 Ultra también comenzaron a ser compatibles con UWB, ^{[ 14 ]} junto con el Samsung Galaxy SmartTag+ . ^{[ 15 ]} El Xiaomi MIX 4 lanzado en agosto de 2021 es compatible con UWB y ofrece la capacidad de conectarse a determinados dispositivos AIoT . ^{[ 16 ]}

El Consorcio FiRa se fundó en agosto de 2019 para desarrollar ecosistemas UWB interoperables que incluyan teléfonos móviles. Samsung, Xiaomi y Oppo son actualmente miembros del Consorcio FiRa. ^{[ 17 ]} En noviembre de 2020, el Proyecto de Código Abierto de Android recibió los primeros parches relacionados con una próxima API UWB; la compatibilidad con UWB "completa" (exclusivamente para el único caso de uso de alcance entre dispositivos compatibles) se lanzó en la versión 13 de Android. ^{[ 18 ]}

La tecnología UWB se utiliza cada vez más en sistemas de seguimiento automático para robots móviles autónomos (AMR) y vehículos inteligentes. Al integrar la medición de distancia de alta precisión con la estimación de AoA/PDoA, una plataforma móvil puede rastrear y seguir de forma autónoma una etiqueta objetivo en tiempo real. Esta metodología ofrece una fiabilidad superior en entornos interiores complejos donde el seguimiento visual puede verse afectado por variaciones de iluminación, oclusiones o características idénticas del objetivo. ^{[ 19 ]}

Se han implementado etiquetas con tecnología UWB para la detección de proximidad de montacargas en entornos de almacén, donde la precisión de la tecnología permite evitar colisiones en tiempo real sin depender de la línea de visión. ^{[ 20 ]}

La banda ultraancha ganó una atención generalizada por su implementación en la tecnología de radar de apertura sintética (SAR) . Debido a sus capacidades de alta resolución utilizando frecuencias más bajas, el UWB SAR fue investigado intensamente por su capacidad de penetración de objetos. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} A partir de principios de la década de 1990, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) desarrolló varias plataformas de radar estacionarias y móviles de penetración de tierra, follaje y paredes que servían para detectar e identificar IED enterrados y adversarios ocultos a una distancia segura. Ejemplos incluyen el railSAR , el boomSAR , el radar SIRE y el radar SAFIRE . ^{[ 24 ] [ 25 ]} El ARL también ha investigado la viabilidad de si la tecnología de radar UWB puede incorporar procesamiento Doppler para estimar la velocidad de un objetivo en movimiento cuando la plataforma está estacionaria. ^{[ 26 ]} Si bien un informe de 2013 destacó el problema con el uso de formas de onda UWB debido a la migración del rango objetivo durante el intervalo de integración, estudios más recientes han sugerido que las formas de onda UWB pueden demostrar un mejor rendimiento en comparación con el procesamiento Doppler convencional siempre que se utilice un filtro adaptado correcto . ^{[ 27 ]}

Los radares Doppler de pulsos de banda ultraancha también se han utilizado para monitorizar signos vitales del cuerpo humano, como la frecuencia cardíaca y las señales respiratorias, así como para el análisis de la marcha y la detección de caídas. Constituyen una alternativa potencial a los sistemas de radar de onda continua, ya que consumen menos energía y ofrecen un perfil de alcance de alta resolución. Sin embargo, su baja relación señal-ruido los hace vulnerables a errores. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

La banda ultraancha también se utiliza en la tecnología de imágenes de radar de precisión "a través de la pared", ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} localización y seguimiento de precisión (utilizando mediciones de distancia entre radios) y enfoques de localización de precisión basados ​​en el tiempo de llegada. ^{[ 33 ]} El radar UWB se ha propuesto como el componente sensor activo en una aplicación de reconocimiento automático de objetivos , diseñada para detectar personas u objetos que han caído en las vías del metro. ^{[ 34 ]}

Las características de banda ultraancha son muy adecuadas para aplicaciones de corto alcance, como periféricos de PC , monitores inalámbricos , videocámaras , impresión inalámbrica y transferencias de archivos a reproductores multimedia portátiles . ^{[ 35 ]} Se propuso el uso de UWB en redes de área personal y apareció en el borrador del estándar PAN IEEE 802.15.3a. Sin embargo, después de varios años de estancamiento, el grupo de trabajo IEEE 802.15.3a ^{[ 36 ]} se disolvió ^{[ 37 ]} en 2006. El trabajo fue completado por WiMedia Alliance y USB Implementer Forum. El lento progreso en el desarrollo de estándares UWB, el costo de la implementación inicial y el rendimiento significativamente menor de lo esperado inicialmente son varias razones para el uso limitado de UWB en productos de consumo (lo que provocó que varios proveedores de UWB cesaran sus operaciones en 2008 y 2009). ^{[ 38 ]}

Las capacidades de posicionamiento y medición de distancia de UWB permiten evitar colisiones y lograr una precisión de localización a nivel centimétrico, superando a los sistemas GPS tradicionales. Además, su alta velocidad de datos y baja latencia facilitan la comunicación fluida entre vehículos, promoviendo el intercambio de información en tiempo real y acciones coordinadas. UWB también permite una comunicación eficaz entre vehículos e infraestructura, integrándose con los elementos de la infraestructura para un comportamiento optimizado basado en una sincronización precisa y datos sincronizados. Adicionalmente, la versatilidad de UWB admite aplicaciones innovadoras como imágenes de radar de alta resolución para sistemas avanzados de asistencia al conductor, acceso seguro sin llave mediante biometría o emparejamiento de dispositivos, y sistemas de monitoreo de ocupantes, lo que potencialmente mejora la comodidad, la seguridad y la protección de los pasajeros. ^{[ 39 ]}

En febrero de 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) publicó una enmienda (Parte 15) que especifica las reglas de transmisión y recepción UWB. Según esta publicación, cualquier señal con un ancho de banda fraccional superior al 20 % o con un ancho de banda superior a 500  MHz se considera una señal UWB. La normativa de la FCC también define el acceso a 7,5  GHz de espectro no licenciado entre 3,1 y 10,6  GHz, disponible para sistemas de comunicación y medición. ^{[ 59 ]}

Las señales de banda estrecha que existen en el rango UWB, como las transmisiones IEEE 802.11a , pueden presentar altos niveles de PSD en comparación con las señales UWB vistas por un receptor UWB. Como resultado, cabría esperar una degradación del rendimiento de la tasa de error de bits UWB. ^{[ 60 ]}