Ultra-wideband - Un futuro líder

¿Qué tecnologías inalámbricas principales existen? 

La comunicación inalámbrica ha sido uno de los desarrollos más importantes en el campo de la electricidad, que se remonta a 1887, cuando Heinrich Hertz demostró cómo las señales de radio pueden generarse a partir de electricidad y recibirse usando una chispa y un cable de cobre grande. Los sistemas modernos de comunicación inalámbrica son extremadamente avanzados, con circuitos sofisticados que permiten transferencias de datos a alta velocidad mientras utilizan pequeñas cantidades de energía para hacerlo.   El método de comunicación inalámbrica más famoso hasta la fecha es Wireless Fidelity (Wi-Fi). Se encuentra en hogares, oficinas y sitios industriales. Wi-Fi permite altas velocidades de datos mientras proporciona una buena cobertura y soporte para múltiples dispositivos.   La comunicación celular es el siguiente sistema de comunicación inalámbrica más importante. Permite que dispositivos móviles de mano realicen llamadas telefónicas, así como accedan a internet. Las redes celulares pueden soportar muchos más dispositivos que Wi-Fi, además de tener un mayor alcance.   Bluetooth es una tecnología inalámbrica que se centra en la energía y la conveniencia. A diferencia de Wi-Fi y las redes celulares, Bluetooth tiene tasas de transferencia de datos bajas y un rango muy pequeño (unos pocos metros); sin embargo, utiliza una cantidad extremadamente pequeña de energía. Esto es ideal para dispositivos portátiles con baterías, ya que pueden permanecer conectados durante períodos prolongados sin necesidad de carga.   La comunicación de campo cercano es el método de comunicación de rango más corto que se utiliza ampliamente. Su reducido rango de unos pocos centímetros es beneficioso para los sistemas de seguridad que requieren entrada sin contacto, así como para métodos de pago que no requieren el uso de un código de acceso.

¿Qué desafíos enfrentan los sistemas de comunicación inalámbrica en aplicaciones modernas?

Las últimas dos décadas han visto a los dispositivos electrónicos pasar de estar cableados a ser inalámbricos debido a la conveniencia de no tener cables. El deseo de eliminar los cables se ha vuelto tan grande que algunos dispositivos electrónicos en el mercado ahora ofrecen carga inalámbrica.   Sin embargo, la falta de cables significa que los dispositivos necesitan almacenar energía para poder funcionar, y esta energía casi siempre proviene de una batería. Es la dependencia de una batería lo que crea problemas para los ingenieros al intentar implementar sistemas inalámbricos, ya que la comunicación inalámbrica puede consumir mucha energía.   Los dispositivos que necesitan comunicarse a solo unos pocos metros pueden usar Bluetooth, que es muy conservador en cuanto a energía. Sin embargo, un dispositivo que necesita enviar grandes cantidades de información o poder comunicarse a mayores distancias tendrá que usar tecnologías como Wi-Fi, que puede agotar rápidamente una batería. Esto también es problemático, ya que la batería también es necesaria para alimentar pantallas, procesadores y I/O de usuario.   Características como el seguimiento de activos también están aumentando en popularidad; sin embargo, no se pueden implementar de manera confiable con la tecnología inalámbrica actual. GPS no está disponible en todos los dispositivos, pero incluso si lo está, la precisión del GPS es generalmente de unos 5 metros a 30 cm, lo que lo hace totalmente inutilizable para el seguimiento en interiores. Wi-Fi puede proporcionar solo alrededor de 5 metros de precisión, mientras que Bluetooth puede ofrecer 3 metros. Las aplicaciones futuras que requieren la capacidad de rastrear dispositivos en tiempo real en interiores necesitarán una precisión mucho mayor (menos de 10 cm).

¿Qué es ultra-wideband?

El ultrabanda ancha es una tecnología de comunicación inalámbrica que utiliza una banda ancha de frecuencias (en comparación con otras tecnologías de comunicación inalámbrica) para transmitir información.   La mayoría de las tecnologías inalámbricas típicas modulan una señal portadora para transmitir información, y esta modulación puede ser la amplitud de la onda portadora, la frecuencia de la onda portadora o la fase de la onda portadora. Estos métodos para transmitir información generalmente tienen rangos de frecuencia estrechos (es decir, ancho de banda), lo que significa que la mayor parte de su potencia de radio está en una frecuencia específica. En el caso de Wi-Fi, los anchos de banda de radio están entre 20 MHz y 40 MHz, centrados ya sea en 2.4 GHz o 5 GHz.   Sin embargo, UWB utiliza un ancho de banda muy grande que puede estar en el rango de gigahercios, y este rango de frecuencia puede fácilmente incluir múltiples tecnologías de radio (como Wi-Fi) sin interferir con ellas.   Sin entrar en las complejidades de UWB, puede lograr esto, ya que la señal enviada por UWB es más baja que el nivel de ruido en todo el espectro. Esto no significa que UWB transmita ondas de radio por debajo del nivel de ruido de fondo, sino que la cantidad de energía enviada por UWB por unidad de tiempo es inferior a un límite de nivel de ruido definido por estándares internacionales. Esto se puede pensar como hacer un aplauso fuerte por minuto en un estadio. Aunque los aplausos individuales son muy fuertes, el ruido promedio por minuto es casi silencioso.   UWB dispara destellos individuales de energía de radio a través de una amplia gama de frecuencias cuya onda es típicamente un ciclo único. Lo que hace fascinante al UWB es que la generación de un solo destello de energía hace que el transmisor emita sobre un espectro amplio (como una onda cuadrada genera armónicos).   Se envían millones, si no miles de millones, de estos destellos cada segundo a través de UWB, y estos destellos están uniformemente espaciados para que un receptor UWB pueda aislar la señal UWB. Además, otras tecnologías de recepción (no UWB) naturalmente ignorarán las señales UWB ya sea porque no hay modulación de frecuencia, la energía de radio es muy baja, o el cambio de fase es demasiado estrecho.   En resumen, UWB envía pequeños destellos de energía de radio a través de un espectro amplio que individualmente parecen ruido para los receptores normales. Estos destellos de energía están uniformemente espaciados para que puedan ser recuperados por un receptor UWB, y la energía promedio de las señales UWB cae por debajo del nivel de ruido para la comunicación estándar.

¿Cuáles son las ventajas de UWB?

UWB tiene muchas ventajas en comparación con las tecnologías existentes, y el desarrollo de una antena de arreglo de fase de bajo costo ha ayudado aún más a aumentar su implementación. Sin embargo, se debe indicar que UWB como tecnología es ideal para ayudar a tecnologías preexistentes y no está diseñada para reemplazar completamente ninguna otra tecnología.   La primera gran ventaja de UWB es el uso de energía extremadamente pequeño. Otras tecnologías como Wi-Fi y celular requieren el uso de señales portadoras a largas distancias, lo cual demanda mucha energía. Reducir la energía utilizada por la onda portadora es esencialmente lo que hace Bluetooth, pero esto tiene un costo en el rango y la tasa de transferencia de datos. El uso de pequeños destellos de energía de radio ayuda a reducir el uso de energía instantánea, mientras que el uso de un espectro amplio permite que la energía se utilice de manera más eficiente (ten en cuenta que las señales de banda estrecha desperdician energía que cae fuera del ancho de banda).   La segunda gran ventaja de UWB es el alcance. Dependiendo de la frecuencia, la comunicación por radio puede ser bloqueada a menudo por obstáculos como paredes, puertas y árboles. El uso de una onda portadora de frecuencia única significa que cualquier obstáculo capaz de bloquear señales en esa frecuencia resultará en una degradación severa de la señal (una analogía sería poner todos tus huevos en una sola cesta).   Sin embargo, UWB utiliza un espectro amplio de frecuencias, todas las cuales se comportan de manera diferente y toman diferentes caminos. El resultado es que cualquier obstáculo que pueda bloquear una frecuencia específica no podrá bloquear todas las demás frecuencias utilizadas en UWB. Por lo tanto, las señales UWB son excepcionalmente buenas para navegar alrededor de obstáculos y pueden atravesar paredes.   La tercera gran ventaja de UWB es que el uso de un amplio rango de frecuencias junto con destellos de radio permite una capacidad avanzada similar al radar, en la cual los dispositivos UWB pueden ser posicionados con precisión. Mientras que las tecnologías de radio como Wi-Fi y Bluetooth pueden proporcionar precisión de ubicación de unos pocos metros, UWB puede hacerlo con una precisión de 10 cm. Esto permite que UWB se utilice en aplicaciones que requieren seguimiento de activos mientras se proporciona comunicación entre dispositivos simultáneamente.

Tecnología de banda ultra ancha y sus aplicaciones

Al considerar las ventajas de UWB, es evidente que UWB es ideal para aplicaciones que requieren bajo consumo de energía, largo alcance y capacidades de seguimiento. Aunque UWB puede usarse para altas tasas de transferencia de datos, es poco probable que compita con tecnologías como la celular y el Wi-Fi, que están específicamente diseñadas para grandes transferencias de datos.   Una aplicación para la cual UWB sería altamente adecuada son los dispositivos IoT. A medida que la tecnología continúa mejorando, los dispositivos IoT sin duda se reducirán en tamaño. Cuando se combina el tamaño pequeño con la necesidad de operación remota, UWB se convierte en el candidato perfecto. Las bajas exigencias de energía de UWB permiten que los dispositivos IoT operen por períodos prolongados sin necesidad de recarga, mientras que las capacidades de largo alcance de UWB permiten que los dispositivos IoT se distribuyan en grandes áreas.   UWB también es ideal para aplicaciones que requieren seguimiento de activos. UWB ya se utiliza en algunos productos de seguimiento de activos como el Apple Airtag, lo que demuestra las capacidades de UWB. El seguimiento de activos también será de importancia clave en sitios industriales futuros que contengan cientos, si no miles, de dispositivos conectados a internet cuyas posiciones deben conocerse. Por ejemplo, los vehículos automatizados de bienes que trasladan artículos de un almacén a otro pueden utilizar UWB para posicionamiento en tiempo real en relación con otros dispositivos.   UWB también tiene un verdadero potencial en el campo automotriz al utilizar las capacidades de seguimiento de UWB para hacer que un vehículo sea más consciente de su entorno. Múltiples vehículos equipados con sistemas UWB podrían comunicarse entre sí sobre su velocidad, posición y aceleración, y esto podría dar lugar a funciones de seguridad avanzadas como la detección de colisiones de manera anticipada.   El uso de UWB en vehículos también podría beneficiar a los peatones equipados con un dispositivo UWB; los coches que circulan a alta velocidad por una carretera podrían detectar si los peatones cruzan hacia el tráfico e informar al peatón para que retroceda o aplicar los frenos de manera controlada.

Futuro de la tecnología UWB

UWB es un método de comunicación fundamentalmente diferente en comparación con los métodos principales como Wi-Fi y Bluetooth. El uso de pulsos de radio en un amplio espectro permite que UWB funcione simultáneamente con otras tecnologías, mientras que el uso de un espectro amplio permite características avanzadas como el seguimiento preciso. Además, el uso de parpadeos de radio en intervalos definidos ayuda a reducir el consumo de energía mientras se mantienen altas tasas de transferencia de datos, y el uso de parpadeos grandes (aunque cortos en el tiempo) permite la comunicación hasta 50 metros (equiparándolo con Wi-Fi).   UWB no reemplazará ni competirá con otras tecnologías, ya que cada tecnología en uso tiene sus propias ventajas. Sin embargo, sin duda será un actor importante en aplicaciones futuras de IoT e IIoT e incluso podría resultar útil en entornos automotrices.