Bandă ultra-largă - Ultra-wideband

Ultra-wideband ( UWB , ultra wideband , ultra-wide band și ultraband ) este o tehnologie radio care poate utiliza un nivel de energie foarte scăzut pentru comunicații cu rază scurtă de acțiune, cu lățime de bandă mare, pe o mare parte a spectrului radio. UWB are aplicații tradiționale în imagistica radar necooperantă . Cele mai recente aplicații vizează aplicațiile de colectare a datelor senzorilor, localizarea de precizie și aplicațiile de urmărire. Suportul UWB a început să apară pe smartphone - urile high-end c. 2019.

Caracteristici

Ultra-wideband este o tehnologie pentru transmiterea informațiilor pe o lățime de bandă largă (> 500  MHz ). Acest lucru permite transmiterea unei cantități mari de energie a semnalului fără a interfera cu transmisia convențională de bandă îngustă și de purtător în aceeași bandă de frecvență. Limitele de reglementare din multe țări permit această utilizare eficientă a lățimii de bandă radio și permit conectivitate fără fir a rețelei de suprafață personală (PAN) cu rată ridicată de date, aplicații cu rată de date cu rază mai mare de acțiune și sisteme de radar și imagistică, care coexistă în mod transparent cu cele existente sisteme de comunicații.

Banda ultra-largă a fost cunoscută anterior sub numele de radio cu impulsuri , dar FCC și Sectorul de Radiocomunicații al Uniunii Internaționale a Telecomunicațiilor ( UIT-R ) definesc în prezent UWB ca o transmisie de antenă pentru care lățimea de bandă a semnalului emis depășește cea mai mică de 500 MHz sau 20% din centrul aritmetic frecvență. Astfel, sistemele bazate pe impulsuri - unde fiecare impuls transmis ocupă lățimea de bandă UWB (sau un agregat de cel puțin 500 MHz de purtător de bandă îngustă; de exemplu, multiplexarea ortogonală cu diviziune de frecvență (OFDM)) - poate accesa spectrul UWB sub reguli.

Teorie

O diferență semnificativă între transmisiile radio convenționale și UWB este că sistemele convenționale transmit informații variind nivelul de putere, frecvența și / sau faza unei unde sinusoidale. Transmisiile UWB transmit informații generând energie radio la intervale de timp specifice și ocupând o lățime de bandă mare, permițând astfel modularea poziției pulsului sau a timpului. Informația poate fi, de asemenea, modulată pe semnalele UWB (impulsuri) prin codificarea polarității impulsului, amplitudinea acestuia și / sau prin utilizarea impulsurilor ortogonale. Impulsurile UWB pot fi trimise sporadic la rate de impuls relativ scăzute pentru a sprijini modularea timpului sau a poziției, dar pot fi trimise și la rate până la inversul lățimii de bandă a impulsului UWB. Sistemele Pulse-UWB au fost demonstrate la viteze de impuls ale canalului de peste 1,3 gigapulsuri pe secundă folosind un flux continuu de impulsuri UWB (Continuous Pulse UWB sau C-UWB ), în timp ce suportă rate de date codificate de corecție a erorilor înainte de peste 675 Mbit / s.

Un sistem radio UWB poate fi utilizat pentru a determina „timpul de zbor” al transmisiei la diferite frecvențe. Acest lucru ajută la depășirea propagării multipath , deoarece unele dintre frecvențe au o traiectorie de linie de vedere , în timp ce alte căi indirecte au întârzieri mai lungi. Cu o tehnică de măsurare în două direcții simetrică cooperativă, distanțele pot fi măsurate la rezoluție și precizie ridicate.

Aplicații

Locație în timp real

UWB este util pentru sistemele de localizare în timp real, iar capacitățile sale de precizie și puterea redusă îl fac să fie potrivit pentru medii sensibile la frecvența radio, cum ar fi spitalele. UWB este, de asemenea, util pentru distanța fină de la egal la egal, ceea ce permite multe aplicații bazate pe distanța relativă dintre două entități.

Telefonie mobilă

Apple a lansat primele trei telefoane cu capabilități de bandă ultra-largă în septembrie 2019, și anume iPhone 11, iPhone 11 Pro și iPhone 11 Pro Max. Apple a lansat, de asemenea, seria 6 a Apple Watch în septembrie 2020, care prezintă UWB, iar AirTag - urile lor cu această tehnologie au fost dezvăluite la un eveniment de presă din 20 aprilie 2021. Samsung Galaxy Note 20 Ultra și Galaxy S21 Ultra și S21 + acceptă și UWB, împreună cu Samsung Galaxy SmartTag +.

Consorțiul FiRa a fost fondat în august 2019 pentru a dezvolta ecosisteme UWB interoperabile, inclusiv telefoane mobile. Samsung, Xiaomi, Oppo sunt în prezent membri ai consorțiului FiRa. În noiembrie 2020, Android Open Source Project a primit primele patch-uri legate de o viitoare API UWB; Suportul UWB complet cu caracteristici este de așteptat în versiunile ulterioare ale Android.

Taste digitale

O cheie digitală pentru mașină UWB funcționează pe baza distanței dintre o mașină și un smartphone.

Produse

Un număr mic de circuite integrate UWB axate pe sistemele de localizare sunt în producție sau planificate pentru producție începând cu 2020.

Furnizor numele produsului Standard Grup Anunțat Produse comerciale
NXP NCJ29D5 HRP 6–8,5 GHz 12 noiembrie 2019
NXP SR100T HRP 6-9 GHz 17 septembrie 2019 Samsung Galaxy Note20 Ultra
măr U1 HRP 6–8,5 GHz 11 septembrie 2019 iPhone 11, Apple Watch Series 6, iPhone 12, HomePod Mini, AirTag
Qorvo DW1000 HRP 3,5–6,5 GHz 7 noiembrie 2013
Qorvo DW3000 HRP 6–8,5 GHz Ianuarie 2019
3 dB 3DB6830 LRP 6-8 GHz
CEVA RivieraWaves UWB HRP 3,1-10,6 GHz în funcție de radio 24 iunie 2021

Aplicații industriale

UWB a fost evaluat pentru utilizare în semnalizarea metroului New York City .

Radar

Banda ultra-largă a câștigat o atenție largă pentru implementarea sa în tehnologia radar cu deschidere sintetică (SAR) . Datorită rezoluției sale ridicate, în ciuda utilizării frecvențelor mai scăzute, SAR UWB a fost puternic cercetat pentru capacitatea sa de penetrare a obiectelor. Începând cu începutul anilor 1990, Laboratorul de Cercetare al Armatei SUA (ARL) a dezvoltat diverse platforme radar staționare și mobile, care pătrund la sol, frunziș și perete, care au servit la detectarea și identificarea IED îngropate și a adversarilor ascunși la o distanță sigură. Exemplele includ railSAR , boomSAR , radarul SIRE și radarul SAFIRE . ARL a investigat, de asemenea, fezabilitatea dacă tehnologia radar UWB poate încorpora procesarea Doppler pentru a estima viteza unei ținte în mișcare atunci când platforma este staționară. În timp ce un raport din 2013 a evidențiat problema utilizării formelor de undă UWB datorită migrației intervalului țintă în timpul intervalului de integrare, studii mai recente au sugerat că formele de undă UWB pot demonstra o performanță mai bună în comparație cu procesarea convențională Doppler, atâta timp cât este utilizat un filtru potrivit .

Radarele Doppler cu impulsuri de bandă largă au fost, de asemenea, utilizate pentru a monitoriza semnele vitale ale corpului uman, cum ar fi frecvența cardiacă și semnalele de respirație, precum și analiza mersului uman și detectarea căderilor. Acesta servește ca o alternativă potențială la sistemele radar cu unde continue, deoarece implică un consum mai mic de energie și un profil de gamă cu rezoluție ridicată. Cu toate acestea, raportul său redus semnal-zgomot a făcut-o vulnerabilă la erori. Un exemplu comercial al acestei aplicații este RayBaby, care este un monitor pentru bebeluși care detectează respirația și ritmul cardiac pentru a determina dacă un bebeluș este adormit sau treaz. Raybaby are o rază de detectare de cinci metri și poate detecta mișcări fine de mai puțin de un milimetru.

Banda ultra-largă este, de asemenea, utilizată în tehnologia de imagistică radar de precizie „vedere-prin-perete”, localizarea și urmărirea de precizie (folosind măsurători de distanță între aparate de radio) și abordările de localizare de timp de sosire de precizie. Este eficient, cu o capacitate spațială de aproximativ 10 13 biți / s / m 2 . Radarul UWB a fost propus ca componentă a senzorului activ într-o aplicație de recunoaștere automată a țintei , concepută pentru a detecta oameni sau obiecte care au căzut pe șinele de metrou.

Transfer de date

Caracteristicile de bandă ultra-largă sunt potrivite pentru aplicații cu rază scurtă de acțiune, cum ar fi periferice pentru PC , monitoare fără fir , camere video , imprimare fără fir și transferuri de fișiere către playere media portabile . UWB a fost propus pentru utilizare în rețelele personale și a apărut în standardul PAN IEEE 802.15.3a. Cu toate acestea, după câțiva ani de blocaj, grupul de activități IEEE 802.15.3a a fost dizolvat în 2006. Lucrarea a fost finalizată de WiMedia Alliance și USB Implementer Forum. Progresul lent în dezvoltarea standardelor UWB, costul implementării inițiale și performanța semnificativ mai scăzută decât se aștepta inițial sunt câteva motive pentru utilizarea limitată a UWB în produsele de larg consum (ceea ce a determinat încetarea operațiunilor mai multor vânzători UWB în 2008 și 2009).

Regulament

În SUA, banda ultra-largă se referă la tehnologia radio cu o lățime de bandă care depășește cea mai mică de 500 MHz sau 20% din frecvența centrală aritmetică , potrivit Comisiei federale pentru comunicații (FCC) din SUA . Un raport și o comandă FCC din 14 februarie 2002 au autorizat utilizarea fără licență a UWB în intervalul de frecvență de la 3,1 la 10,6  GHz . Limita de emisie a densității spectrale a puterii FCC pentru emițătoarele UWB este de -41,3 dBm / MHz. Această limită se aplică și emițătorilor neintenționați din banda UWB (limita „partea 15” ). Cu toate acestea, limita de emisie pentru emițătorii UWB poate fi semnificativ mai mică (până la -75 dBm / MHz) în alte segmente ale spectrului.

Deliberările din sectorul radiocomunicațiilor al Uniunii Internaționale a Telecomunicațiilor ( UIT-R ) au avut ca rezultat un raport și o recomandare privind UWB în noiembrie 2005. Regulatorul britanic Ofcom a anunțat o decizie similară la 9 august 2007.

A existat îngrijorare cu privire la interferențele dintre semnalele de bandă îngustă și UWB care au același spectru. Mai devreme, singura tehnologie radio care folosea impulsuri a fost emițătoarele de scânteie , pe care tratatele internaționale le-au interzis deoarece interferează cu receptoarele cu undă medie. Cu toate acestea, UWB folosește niveluri mult mai mici de putere. Subiectul a fost acoperit pe larg în cadrul procedurilor care au condus la adoptarea regulilor FCC în SUA și la reuniunile ITU-R care au condus la Raportul și Recomandările sale privind tehnologia UWB. Aparatele electrice utilizate în mod obișnuit emit zgomot impulsiv (de exemplu, uscătoare de păr), iar susținătorii au susținut cu succes că podeaua de zgomot nu ar fi ridicată excesiv prin instalarea mai largă a transmițătorilor de bandă largă de mică putere.

Coexistența cu alte standarde

În februarie 2002, Comisia Federală de Comunicare (FCC) a lansat un amendament (partea 15) care specifică regulile de transmitere și recepție UWB. Conform acestei versiuni, orice semnal cu lățime de bandă fracțională mai mare de 20% sau având o lățime de bandă mai mare de 500 MHz este considerat un semnal UWB. Decizia FCC definește, de asemenea, accesul la 7,5 GHz de spectru fără licență între 3,1 și 10,6 GHz, care este pus la dispoziție pentru sistemele de comunicații și măsurare.

Semnalele de bandă îngustă care există în gama UWB, cum ar fi transmisiile IEEE 802.11a , pot prezenta un nivel ridicat de densitate spectrală de putere (PSD) comparativ cu PSD-ul semnalelor UWB, așa cum este văzut de un receptor UWB. Ca rezultat, ne-am aștepta la o degradare a performanței ratei de eroare UWB bit. Antena și filtrele UWB crestate sunt proiectate pentru coexistența dispozitivelor UWB cu dispozitivele cu bandă îngustă.

Grupuri de tehnologie

Vezi si

Referințe

linkuri externe