Como o controle de frequência garante aplicações UWB confiáveis e seguras

Desenvolvida durante a Segunda Guerra Mundial para comunicações seguras e sistemas de radar, a banda ultralarga (UWB) foi proibida de ser usada comercialmente, deixando-a praticamente inexplorada por muitas décadas. As regulamentações federais lançadas em 2002 permitiram o uso mais amplo da UWB. Desde então, ela ganhou força significativa em um número cada vez maior de aplicações comerciais, incluindo industriais, de consumo, de comunicação e automotivas, que estão explorando seus recursos de posicionamento preciso e rastreamento de localização, bem como a transmissão de dados em alta velocidade e o consumo mínimo de energia que acompanham esse protocolo sem fio.

Assim como outros protocolos de comunicação sem fio de curto alcance, como Bluetooth e Wi-Fi, a UWB permite a criação de uma rede de área pessoal (PAN) que interconecta dispositivos eletrônicos e facilita a transmissão de dados nas imediações de um indivíduo. Em vez de enviar dados por meio de uma LAN ou WAN, uma PAN transmite informações entre dispositivos próximos a uma pessoa.

No entanto, a UWB difere de outras tecnologias de transmissão em vários aspectos importantes, que estão impulsionando a implementação da UWB em um número crescente de aplicações sem fio convencionais.

Figura 1: A segurança, a ampla faixa de frequência e o sensoriamento de precisão da UWB permitem várias aplicações sem fio convencionais. (Fonte da imagem: Aker Technology)

A UWB opera em uma frequência muito alta e não interfere em outros protocolos sem fio. Ela facilita atributos como áudio espacial, integração com casas inteligentes e sistemas de pagamento sem contato, tornando-a especialmente útil em veículos, dispositivos móveis e de consumo, como smartphones e etiquetas. Essa tecnologia ajuda a habilitar recursos avançados, como acesso seguro com as mãos livres, navegação interna, pagamentos sem contato, compartilhamento de credenciais e rastreamento de itens.

As vantagens que a UWB oferece

Embora tanto o Bluetooth quanto o Wi-Fi tenham garantido um lugar no mundo das comunicações sem fio, a UWB está pronta para dominar as aplicações que operam na faixa de 10 a 20 metros, pois é mais rápida, mais segura e extremamente precisa. Isso se deve, em grande parte, às medições do tempo de voo (ToF).

Tabela 1: A banda espectral de 3,1 a 10,6 GHz da UWB supera a do Wi-Fi e do Bluetooth, que atinge o máximo em 2,4 a 5 GHz. Ao operar em uma faixa de frequência mais alta com mais largura de banda, a UWB pode transportar mais dados com mais segurança, o que a torna ideal para a transmissão de dados em alta velocidade e de curto alcance. (Fonte da imagem: Aker Technology)

Ao medir com precisão o tempo que um sinal leva para viajar entre dispositivos, o recurso ToF da UWB torna mais difícil para um invasor externo acessar ou manipular as comunicações UWB devido à sua natureza criptográfica, geração de números aleatórios e outras técnicas de segurança.

Além da alta segurança, a tecnologia UWB oferece baixa potência, boa imunidade a ruídos, posicionamento preciso e rastreamento de localização, bem como sinais que podem penetrar facilmente em uma variedade de materiais. A UWB permite a transmissão de uma grande quantidade de energia de sinal sem interferir na transmissão convencional de banda estreita e de ondas portadoras na mesma banda de frequência.

Velocidade sem fio (dados em tempo real, temporização precisa): Embora a taxa de dados do Wi-Fi seja um pouco mais alta do que a da UWB, com 600 Mbps e 460 Mbps, respectivamente, os recursos de detecção semelhantes aos do radar da UWB a tornam uma opção eficaz em aplicações sem fio. (Para referência, a taxa de dados do Bluetooth é de 24 Mbps). Além disso, com um alcance nominal menor do que o do Bluetooth ou do Wi-Fi, a UWB é mais adequada para as aplicações de curto alcance que exigem sincronização precisa e transmissões de dados em tempo real.

Precisão (posicionamento, rastreamento de localização): A precisão da UWB é incomparável com qualquer outra tecnologia sem fio em distâncias curtas para garantir uma localização mais precisa do dispositivo. A ausência de interferência com outras transmissões de rádio e a tecnologia de rajadas de rádio significa que a UWB mede efetivamente distâncias com uma precisão de 10 a 30 cm, muito melhor do que os alcances do Wi-Fi (2 a 3 m) e do Bluetooth (1 a 5 m).

Segurança (integridade de dados, transmissão segura): A tecnologia de transmissão de pulsos da UWB é resistente a ruídos e reflexões, o que a torna altamente segura para uma série de aplicações. A conexão direta entre dois dispositivos e as propriedades precisas de medição permitem que a UWB se conecte e autentique a legitimidade do dispositivo em tempo real sem que as ondas de rádio sejam registradas ou retransmitidas.

Eficiência energética (baixa fuga, consumo ideal): Graças à sua rápida velocidade de transmissão e ao quadro de temporização bem definido, a UWB conserva melhor a energia do que a maioria dos protocolos de curto alcance. Ela pode suportar vários modos de baixa potência, incluindo hibernação para otimizar ainda mais a energia. Para dispositivos pequenos alimentados por bateria, como os encontrados em ambientes UWB, o consumo de energia é um fator crucial.

Osciladores de cristal permitem aplicações UWB

A UWB atende a muitas necessidades de aplicações sem fio de curto alcance em uma ampla faixa de frequência, mas isso também traz à tona a necessidade de um controle de frequência preciso para garantir o posicionamento preciso, o rastreamento de localização e as transmissões de dados em alta velocidade que tornam a UWB tão útil.

Tabela 2: Cristais típicos de alto desempenho que atendem às necessidades de controle de frequência da UWB. Os cristais de quartzo são dispositivos populares de controle de frequência usados para garantir o controle de sinal e temporização necessário para transmitir informações no momento e na velocidade certas. A estabilidade, as características de ruído de fase e a eficiência energética do cristal podem afetar a qualidade e a confiabilidade dos sistemas de comunicação e posicionamento UWB. (Fonte da imagem: Aker Technology)

Um oscilador estável fornece um sinal de clock confiável e preciso, o que garante que os pulsos UWB mantenham a forma e o espectro desejados. Em outras palavras, o formato do pulso gerado pelo transmissor UWB é influenciado pela temporização fornecida pelo oscilador.

O desvio de frequência ou a instabilidade no oscilador pode levar à distorção do sinal e a um desempenho ruim, portanto, é fundamental escolher um cristal com a faixa de frequência, a tolerância e a estabilidade corretas. Outros parâmetros importantes incluem o tipo de invólucro, a temperatura de operação e a capacitância de carga.

Principais mercados de UWB

Aparecendo pela primeira vez no iPhone 11, a UWB ganhou terreno rapidamente em muitas aplicações baseadas em PAN, incluindo etiquetas inteligentes e pontos de referência em veículos, ou âncoras. A tecnologia UWB ajuda a avançar as inovações da tecnologia sem fio inteligente e a automatizar melhor o mundo. Aqui estão algumas outras maneiras pelas quais a UWB está revolucionando vários mercados sem fio de curto alcance (Figura 2):

Industrial – a UWB é usada no rastreamento de ativos, localização interna, sistemas de monitoramento, redes de sensores sem fio e aplicações de rede inteligente. A tecnologia pode fornecer informações precisas sobre a localização de pessoal e equipamentos.

Comunicações com o consumidor – a tecnologia é usada em smartphones, vestíveis, IoT, sistemas de casas inteligentes e etiquetas inteligentes para conexões sem fio rápidas e confiáveis entre dispositivos de curto alcance. A UWB oferece rastreamento espacial mais preciso, como posicionamento preciso em ambientes internos.

Automotivo – os sistemas de entrada sem chave, o acesso seguro ao veículo, os sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) e o rastreamento usam a UWB no setor automotivo para posicionamento preciso.

Figura 2: Aplicações UWB. (Fonte da imagem: Aker Technology)

O controle de frequência ajuda as inovações sem fio

A crescente demanda por conectividade sem fio, especialmente com a proliferação de dispositivos da Internet das Coisas (IoT) e a implantação de redes 5G, está levando os dados que circulam pelas bandas de frequência a novos limites. A crescente infraestrutura sem fio depende dos parâmetros críticos de desempenho que a UWB oferece.

Operando em uma ampla faixa de frequência, a UWB permite a transmissão de uma grande quantidade de energia de sinal sem interferir na transmissão convencional de banda estreita e de ondas portadoras na mesma banda de frequência. Essa ampla alocação da largura de banda exige um controle preciso da frequência para evitar interferência com outros sistemas sem fio que operam nas mesmas bandas de frequência, bem como para sincronizar as transferências de dados e manter uma comunicação confiável.

Conclusão

A tecnologia UWB permite o alcance seguro e o sensoriamento de precisão, criando uma nova dimensão de contexto espacial para dispositivos sem fio. Ela permite a transmissão de uma grande quantidade de energia de sinal sem interferir na transmissão convencional de banda estreita e de ondas portadoras na mesma banda de frequência. A UWB é o caminho do futuro para IoT, vestíveis, localização em tempo real, acesso a carros inteligentes, painel de controle doméstico, comunicação ponto a ponto, desbloqueio automático e gerenciamento de acesso; e a Aker está lá para fazer parte disso com sua ampla variedade de cristais de temporização.