Ultra-Wideband (UWB)

HISTÓRICO

 

As ondas eletromagnéticas usadas na radiocomunicação passam por um processo chamado de modulação – grosso modo, uma variação de características de uma portadora em função do sinal sendo portado por ela.

Como exemplos mais comuns, a modulação em amplitude do rádio AM, na qual, em função do sinal sendo transportado, a amplitude da onda portadora dos dados varia, ou o FM, onde é a frequência do sinal da portadora que varia, ou ainda o PSK, onde a fase da portadora varia em função da variação do sinal sendo transmitido.

Já a Ultra-wideband, ou UWB, difere das outras tecnologias por ser possível a transmissão sem frequência portadora.

O Ultra-wideband utiliza pulsos eletromagnéticos estreitos (da ordem de nanosegundos) e de baixa energia ao longo de uma ampla faixa do espectro de RF, e também é conhecida por transmissão por banda básica.

Começou com Marconi, no começo do século XX, mas era mais utilizada para uso militar de meados ao fim do século XX, essencialmente para se obter radares mais eficazes.

Em 2002, com a liberação pela FCC (Federal Communications Commission, o órgão regulador da área de telecomunicações e radiodifusão dos EUA) para uso não licenciado para radares, segurança pública, comunicação e dados, ela passou a ganhar mercado para uso como tecnologia de comunicação para curtas distâncias. Dado que não houvesse consenso entre os players deste mercado, ainda foi necessário um longo tempo para que o IEEE (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos dos EUA) chegasse a uma imposição de padrões para o uso da tecnologia.

Qualquer sistema que trabalhe com radiofrequências com largura de banda 25% maior do que sua frequência central (ou seja, com “largura de banda fracionária” superior a 25%) ou com largura de banda total superior a 1,5 GHz pode receber a denominação de Ultra-wideband. Como trabalham em faixas de frequência que não requerem licença para uso do equipamento eletrônico, há imposição de limite da potência do sinal, com o fim evitar interferências.

Para que vários usuários possam acessar simultaneamente a comunicação é feita a modulação, PPM (pulse position modulation), por meio da qual o intervalo entre dois pulsos é controlado de acordo com o sinal de entrada (o qual carrega os dados).

Fonte da imagem: https://ingenuity.siemens.com/2020/07/simatic-rtls-how-to-create-a-safe-working-environment/

 

COMPARANDO COM OUTRAS TECNOLOGIAS

Ao passo que o GPS trabalha na banda de 1,6 GHz, e tecnologias de WPAN (Wireless Personal Area Network) como o Bluetooth e Wi-Fi trabalham na banda de 2,4 GHZ (ou também 5 GHz, no caso do Wi-Fi) e ocupam algumas centenas de megahertz do espectro de frequências que lhes é alocado, o UWB ocupa cerca de 7,5 GHz, entre 3,1 e 10,6 GHz, daí o nome Ultra-wideband.

 

VANTAGENS

Entre as vantagens da UWB para comunicação wireless figuram:

  • grande largura de banda;
  • altas taxas de transmissão;
  • baixa potência exigida (pela própria limitação de design);
  • baixo custo de implementação, pela baixa potência do sinal, e que é quase inteiramente digital, facilitando sua implementação em um único chip;
  • menor interferência sobre outras transmissões de radiofrequência (justamente por sua baixa densidade espectral, ela aparece no máximo como um ruído para outras transmissões);
  • baixa possibilidade de spoofing (captura de dados por terceiros fazendo se passar pelo usuário), devido à transmissão de pulsos de curta duração espalhados em uma ampla largura de banda e com baixa densidade espectral de energia;
  • grande precisão na geolocalização;
  • capacidade de integrar várias aplicações;
  • não sofre o efeito das reflexões por múltiplos caminhos (multipath), típicas das tecnologias de radiocomunicação. Tais reflexões são provocadas por obstáculos no ambiente, que podem provocar múltiplas reflexões do sinal, as quais vão atingir o receptor em tempos diferentes, com diferenças de módulo e fase. O que o receptor UWB faz nesses casos é ignorar os pulsos que seguem o pulso inicialmente recebido.

 

Precisão, segurança e robustez são as palavras-chave para esta tecnologia.

As altas taxas de transmissão permitem o uso com grande precisão da técnica Time-of-Flight (ToF), que, de modo similar ao radar, mede o tempo de retorno de um feixe enviado pelo transceptor e refletido pelo alvo, assim calculando sua distância ao alvo – com precisão maior que a do GPS (cujo sinal está a 20 mil quilômetros da superfície da Terra), do radar ou do BLE (Bluetooth Low Energy ou Bluetooth Smart) e Wi-Fi, outras tecnologia de WPAN.

Em relação ao GPS, há ainda a vantagem de se permitir o uso em ambientes bem fechados, como subsolos, onde um sinal do GPS, que vem de satélites orbitando a Terra, não consegue muitas vezes adentrar.

 

DESVANTAGENS

  • O UWB não é páreo para a fibra ótica ou outros sistemas óticos wireless quando há necessidade de transmissão a altas taxas (a partir de 10 Gb/s);
  • O sinal transmitido é limitado a uma baixa potência, o que limita seu alcance. Potência maior geraria interferência em outros sistemas alocados à mesma banda;
  • A relação sinal-ruído (SNR, em inglês) fica prejudicada na UWB, dado que a potência do sinal deve ser baixa, o que faz com que qualquer ruído prejudique a transmissão. A própria relação entre a SNR e a banda passante é outro problema nesta tecnologia.

 

APLICAÇÕES

Existem vários usos para a tecnologia UWB. Por exemplo, um transceptor UWB portátil entra na área de supervisão de transceptores UWB fixos (pelo menos três) e envia pulsos UWB para eles; e cada dispositivo fixo calcula o tempo de ida e volta destes sinais, resultando no cálculo preciso da localização da unidade móvel.

A localização do portão de embarque dentro de um aeroporto, de uma loja específica dentro de um shopping, de um produto em uma prateleira do supermercado ou loja, de um objeto dentro de um museu, de pessoas nas proximidades, bem como radares, inclusive os capazes de penetrar no solo (GPR), tudo é possível com o uso da tecnologia UWB.

Há ainda as aplicações para segurança física e patrimonial:

  • alerta sobre rompimento de barreiras;
  • checagem do distanciamento social;
  • localização de crianças perdidas;
  • localização de objetos perdidos, tais como chaves de carro;
  • presença de vigas de ferro, cabos e canos em paredes;
  •  medida de posicionamento correto dos airbags veiculares;
  • monitoração de sinais vitais em tempo real.

Combinando a localização precisa com realidade aumentada, a UWB pode transformar a busca com a câmera num instrumento de localização aperfeiçoado – o objeto que está sendo procurado é localizado e aparece na tela da câmera.

 

Fonte da imagem: https://locatify.com/blog/in-practice-precise-indoor-location-detection-with-uwb-ultra-wideband/

TENDÊNCIAS

A UWB ainda não está tão disseminada como a Wi-Fi ou Bluetooth – falta desenvolver aplicativos, falta implantar em dispositivos.

Nesta caminho, a Apple deve lançar as AirTags, etiquetas eletrônicas acopláveis a objetos, que, aliadas aos chips U1 desenvolvidos pela empresa, permitirão a fácil localização de objetos dotados de AirTags em caso de extravio.

As fabricantes de fechaduras de edificações e carros já começam a adotar a abertura por aproximação da chave à fechadura. A certeza de que o usuário está realmente a uma distância curta do objeto a ser acessado é um obstáculo contra tentativas de spoofing.

A IoT (Internet das Coisas) de uso doméstico também será beneficiada pelo uso da UWB. Enfim, um caminho sem volta.

 

REFERÊNCIAS BIBILIOGRÁFICAS

GARY EXPLAINS. Understanding Ultra-Wideband (UWB) in the iPhone and Android. [s.l.: s.n.], 2020. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=UWJZZ9cHuyM&feature=youtu.be>. Acesso em: 15 out. 2020.

MATTOS, Luiza Curi de. Ultra Wideband. Disponível em: <https://www.gta.ufrj.br/grad/04_2/uwb/index.html>. Acesso em: 24 out. 2020.

PARV, Liisa; MAY 2017, Manager of Location Intelligence Technologies on 2nd. The UWB Technology Story and How it Makes Sense for Indoor Positioning. Disponível em: <https://www.eliko.ee/uwb-technology-indoor-positioning/>. Acesso em: 23 out. 2020.

Ultra-Wideband (UWB) Ranging and Sensing Technology Explained. [s.l.: s.n.], 2020. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=6Y8rgUD7DL4>. Acesso em: 18 out. 2020.

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