Cómo el control de frecuencia garantiza aplicaciones UWB fiables y seguras

Desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial para comunicaciones seguras y sistemas de radar, la banda ultraancha (UWB) no se utilizó con fines comerciales, por lo que permaneció sin explotar durante muchas décadas. Las normativas federales publicadas en 2002 permitieron ampliar el uso de UWB. Desde entonces, ha ido ganando terreno en un número cada vez mayor de aplicaciones comerciales, como la industria, el consumo, las comunicaciones y el sector automotriz, que aprovechan la precisión de su posicionamiento y localización, así como la alta velocidad de transmisión de datos y el mínimo consumo de energía de este protocolo inalámbrico.

Al igual que otros protocolos de comunicaciones inalámbricas de corto alcance, como Bluetooth y Wi-Fi, UWB permite crear una red de área personal (PAN) que interconecta dispositivos electrónicos y facilita la transmisión de datos en las inmediaciones de una persona. En lugar de enviar datos a través de una LAN o una WAN, una PAN transmite información entre dispositivos situados cerca de una persona.

Sin embargo, UWB difiere de otras tecnologías de transmisión en varios aspectos clave, que están impulsando su implantación en un número cada vez mayor de aplicaciones inalámbricas convencionales.

Figura 1: La seguridad, el amplio rango de frecuencias y la precisión de detección de UWB permiten una serie de aplicaciones inalámbricas de uso generalizado. (Fuente de la imagen: Aker Technology)

UWB funciona a una frecuencia muy alta y no interfiere con otros protocolos inalámbricos. Facilita atributos como el audio espacial, la integración en hogares inteligentes y los sistemas de pago sin contacto, por lo que resulta especialmente útil en vehículos y dispositivos móviles y de consumo, como teléfonos inteligentes y etiquetado. Esta tecnología permite funciones avanzadas como el acceso manos libres seguro, la navegación en interiores, los pagos sin contacto, el uso compartido de credenciales y el seguimiento de objetos.

Ventajas de UWB

Aunque tanto Bluetooth como Wi-Fi se han asegurado un lugar en el mundo de las comunicaciones inalámbricas, UWB está llamada a dominar en las aplicaciones que operan en el rango de 10-20 metros porque es más rápida, segura y extremadamente precisa. Esto se debe en gran medida a las mediciones del tiempo de vuelo (ToF).

Tabla 1: La banda espectral de 3,1~10,6 GHz de UWB eclipsa a la de Wi-Fi y Bluetooth, cuyo máximo se sitúa en 2,4~5 GHz. Al funcionar en una gama de frecuencias más alta y con mayor ancho de banda, UWB puede transportar más datos de forma más segura, lo que la hace ideal para la transmisión de datos de alta velocidad y corto alcance. (Fuente de la imagen: Aker Technology)

Al medir con precisión el tiempo que tarda una señal en viajar entre dispositivos, la capacidad ToF de UWB hace más difícil que un atacante externo acceda a las comunicaciones UWB o las manipule, gracias a su naturaleza criptográfica, la generación de números aleatorios y otras técnicas de seguridad.

Además de alta seguridad, la tecnología UWB ofrece baja potencia, buena inmunidad al ruido, posicionamiento preciso y seguimiento de la ubicación, así como señales que pueden penetrar fácilmente diversos materiales. UWB permite transmitir una gran cantidad de energía de señal sin interferir con la transmisión convencional de banda estrecha y ondas portadoras en la misma Banda de frecuencia.

Velocidad inalámbrica (datos en tiempo real, sincronización de precisión): Aunque la velocidad de datos de Wi-Fi es algo superior a la de UWB, 600 Mbps y 460 Mbps respectivamente, la capacidad de detección tipo radar de UWB la convierte en una opción eficaz en aplicaciones inalámbricas. (Como referencia, la velocidad de datos de Bluetooth es de 24 Mbps). Además, con un alcance nominal inferior al de Bluetooth o Wi-Fi, UWB es más adecuada para aquellas aplicaciones de corto alcance que requieren una sincronización precisa y transmisiones de datos en tiempo real.

Precisión (posicionamiento, seguimiento de la ubicación): La precisión de UWB no tiene parangón con ninguna otra tecnología inalámbrica en distancias cortas para garantizar una localización más precisa de los dispositivos. La ausencia de interferencias con otras transmisiones de radio y la tecnología de ráfagas de radio hacen que UWB mida distancias con una precisión de hasta 10 a 30 cm, mucho mejor que los alcances de Wi-Fi (2 a 3 m) y Bluetooth (1 a 5 m).

Seguridad (integridad de datos, transmisión segura): La tecnología de transmisión por impulsos de UWB es resistente al ruido y la reflexión, lo que la hace muy segura para toda una serie de aplicaciones. La conexión directa entre dos dispositivos y unas propiedades de medición precisas permiten a UWB conectar con un dispositivo y autenticar su legitimidad en tiempo real, sin que las ondas de radio queden registradas o sean retransmitidas.

Eficiencia energética (baja fuga, consumo óptimo): Gracias a su rápida velocidad de transmisión y a un marco temporal bien definido, UWB conserva mejor la energía que la mayoría de los protocolos de corto alcance. Admite varios modos de bajo consumo, incluido el de hibernación, para optimizar aún más el consumo. Para los dispositivos pequeños alimentados por batería, como los que se encuentran en entornos UWB, el consumo de energía es un factor crucial.

Osciladores de cristal para aplicaciones UWB

UWB satisface muchas necesidades de las aplicaciones inalámbricas de corto alcance en una amplia gama de frecuencias, pero esto también pone en juego la necesidad de un control preciso de la frecuencia para garantizar el posicionamiento exacto, el seguimiento de la ubicación y las transmisiones de datos a alta velocidad que hacen que UWB sea tan útil.

Tabla 2: Cristales típicos de alto rendimiento que satisfacen las necesidades de control de frecuencia de UWB. Los cristales de cuarzo son populares dispositivos de control de frecuencia utilizados para garantizar el control de la señal y la temporización necesarios para transmitir información en el momento y a la velocidad adecuados. La estabilidad, las características de ruido de fase y la eficiencia energética del cristal pueden repercutir en la calidad y fiabilidad de las comunicaciones UWB y los sistemas de posicionamiento. (Fuente de la imagen: Aker Technology)

Un oscilador estable proporciona una señal de reloj fiable y precisa, que garantiza que los pulsos UWB mantengan la forma y el espectro deseados. En otras palabras, la forma del pulso generado por el transmisor UWB está influida por la temporización proporcionada por el oscilador.

La deriva o inestabilidad de frecuencia en el oscilador puede provocar distorsión de la señal y un rendimiento deficiente, por lo que es fundamental elegir un cristal con el rango de frecuencia, la tolerancia y la estabilidad correctos. Otros parámetros clave son el tipo de envase, la temperatura de funcionamiento y la capacitancia de carga.

Principales mercados de UWB

Aparecida por primera vez en el iPhone 11, UWB ha ganado terreno rápidamente en un gran número de aplicaciones basadas en PAN, incluidas las etiquetas inteligentes y los puntos de referencia o anclajes a bordo de vehículos. La tecnología UWB contribuye al avance de las innovaciones en tecnología inalámbrica inteligente y a una mejor automatización del mundo. He aquí otras formas en que UWB está revolucionando diversos mercados inalámbricos de corto alcance (Figura 2):

Usos industriales: UWB se utiliza en el seguimiento de activos, la localización en interiores, los sistemas de vigilancia, las redes de sensores inalámbricos y las aplicaciones de red inteligente. La tecnología puede proporcionar información precisa sobre la ubicación del personal y los equipos.

Comunicación con los consumidores: La tecnología se utiliza en teléfonos inteligentes, dispositivos de vestir, IoT, sistemas domésticos inteligentes y etiquetas inteligentes para conexiones inalámbricas rápidas y fiables entre dispositivos de corto alcance. UWB ofrece un seguimiento espacial más exacto, como el posicionamiento preciso en interiores.

Aplicaciones automotrices: los sistemas de entrada sin llave, el acceso seguro al vehículo, los sistemas avanzados de asistencia al controlador (ADAS) y el seguimiento utilizan UWB en la industria del automóvil para un posicionamiento preciso.

Figura 2: Aplicaciones UWB. (Fuente de la imagen: Aker Technology)

El control de frecuencia ayuda a las innovaciones inalámbricas

La creciente demanda de conectividad inalámbrica, especialmente con la proliferación de dispositivos del Internet de las cosas (IoT) y el despliegue de redes 5G, está llevando a nuevos límites los datos que se mueven a través de las bandas de frecuencia. La creciente infraestructura inalámbrica depende de los parámetros críticos de rendimiento que ofrece UWB.

Al operar en una amplia gama de frecuencias, UWB permite la transmisión de una gran cantidad de energía de señal sin interferir con la transmisión convencional de banda estrecha y onda portadora en la misma banda de frecuencia. Esta amplia asignación de ancho de banda exige un control preciso de las frecuencias para evitar interferencias con otros sistemas inalámbricos que operen en las mismas bandas de frecuencia, así como para sincronizar las transferencias de datos y mantener una comunicación fiable.

Conclusión:

La tecnología UWB permite un alcance seguro y una detección de precisión, creando una nueva dimensión de contexto espacial para los dispositivos inalámbricos. Permite la transmisión de una gran cantidad de energía de señal sin interferir con la transmisión convencional de banda estrecha y onda portadora en la misma banda de frecuencia. UWB es el camino del futuro para IoT, dispositivos de vestir, localización en tiempo real, acceso inteligente a vehículos, panel de control doméstico, comunicación entre pares, desbloqueo automático y gestión de acceso; y Aker está ahí para formar parte de ello con su amplia variedad de cristales de temporización.