Ontdek hoe Ultra-Wideband (UWB) Impulsradios Wi-Fi & Bluetooth overtreffen

Met impulsradios als voorbeeld onderzoeken we de voordelen van ultra-wideband (UWB) technologie vergeleken met andere kortafstand draadloze communicatietechnologieën.

Ultra-wideband (UWB) is een kortafstand draadloze communicatietechnologie – zoals Wi-Fi of Bluetooth – die een zeer groot relatieve en/of absolute frequentieband gebruikt om informatie te zenden en te ontvangen. Volgens de FCC-regulaties kan een UWB-apparaat op ongelicenseerde basis worden bediend in het 3,1–10,6 GHz band (PDF).

In dit artikel bekijken we enkele van de belangrijke kenmerken van UWB-technologie.

UWB deelt het radiospectrum

Delen van het frequentiebereik toegewezen aan UWB worden al gebruikt door bestaande communicatiesystemen. Zoals hieronder getoond, mogen zowel 802.11ac – een hoog-doorvoer WLAN communicatieprotocol – als UWB het frequentieband rond 5 GHz gebruiken.

Figuur 1. Diagram van UWB werkend onder de "ruisvloer." Afbeelding met toestemming van ITU

UWB probeert de schaarse spectrumbronnen efficiënter te benutten.

Hoe kan de UWB-technologie hetzelfde spectrum gebruiken als bestaande draadloze systemen zonder interferentie te veroorzaken? Dit wordt bereikt door de spectrale vermogensdichtheid van het elektromagnetische signaal dat door een UWB-zender wordt uitgezonden te beperken.

Volgens de FCC (de Amerikaanse frequentieregulator) moet de spectrale vermogensdichtheid van een indoor UWB-zender onder -41,3 dBm/MHz liggen tussen 3,1 en 10,6 GHz. Dit beperkt de interferentie veroorzaakt door een UWB-apparaat.

Figuur 2 toont het spectrale masker voorgeschreven door de FCC voor een indoor UWB-zender.

Figuur 2. Het spectrale masker voor een indoor UWB-zender. Afbeelding met toestemming van Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

UWB biedt voordelen ten aanzien van dataoverdrachtsnelheid, immuniteit voor het multipath-effect, hoge bereiknauwkeurigheid, laag stroomverbruik, en implementatie-eenvoud. Laten we een klasse van UWB-systemen genaamd impulsradios bekijken om beter inzicht te krijgen in de kernkenmerken van deze technologie.

Impulsradio

Terwijl conventionele smalband-communicatiesystemen een continu golfvorm uitzenden, zendt een impulsradio ultra-korte duur pulsen (minder dan 1 ns) uit om informatie te communiceren.

Na elke puls blijft de zender "stil" voor een relatief lange periode. Een impulsradio zou bijvoorbeeld slechts een enkele 1-ns puls elke 100-ns tijdsintervallen uitzenden. In dat geval zeggen we dat de duty cycle 1% is (de puls is slechts 1% van de transmissietijd aanwezig).

Figuur 3. Een typische pulsreeks uitgezonden door een impulsradio

Deze pulsen kunnen op verschillende manieren gemoduleerd worden om informatie over te dragen. Figuur 4 toont hoe pulspositiemodulatie en bifase-modulatie een ongemoduleerde reeks veranderen.

Figuur 4. Pulspositie en bifase modulatie veranderen een ongemoduleerde reeks. Afbeelding met toestemming van Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Let op dat een korte tijdduur correspondeert met een brede bandbreedte in het frequentiedomein. Daarmee, afhankelijk van de signaalduur, zal een breedbandsignaal worden uitgezonden door de UWB-zenderantenne.

Figuur 5. De signalen uitgezonden door een impulsradio bezetten een groot frequentieband. Afbeelding met toestemming van de Time Domain Corporation

Zowel de centrumfrequentie als de bandbreedte van de uitgezonden signalen hangen volledig af van de pulsbreedte.

Laag stroomverbruik

Omdat de pulsen slechts tijdens een klein percentage van de transmissietijd worden uitgezonden, is het gemiddelde vermogen dat door de zender wordt uitgezonden erg laag. Met een transmissievermogen in de orde van microwatts, kan een UWB-apparaat de batterijlevensduur verlengen.

Hoge datasnelheid

Hoewel het uitgezonden vermogen beperkt is, stelt UWB ongelicenseerd gebruik van een extreem breedbandspectrum in. Dit stelt ons in staat om hoge datasnelheden (>100 Mbit/s) te bereiken. Deze hoge datasnelheid kan echter alleen over een relatief korte transmissieafstand van 10 m worden bereikt. Dit is omdat slechts zeer laag vermogen per bit informatie wordt uitgezonden.

Bij lagere datasnelheden (<1 Mbit/s) kunnen we een grote spreidingsfactor gebruiken om langere afstanden te ondersteunen. De volgende tabel vergelijkt de datasnelheid en bereik van UWB met andere indoor draadloze communicatietechnologieën.

UWB vs. vergelijkbare indoor draadloze communicatietechnologieën. Data met toestemming van Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Ro-bustheid tegen het Multipath-effect

UWB-signalen vertonen meer robuustheid tegen het multipath-effect dan conventionele draadloze technologieën. Stel dat naast een direct pad voor elektromagnetische golfuitbreiding van zender naar ontvanger, er nog een pad is veroorzaakt door reflecties van een object.

Figuur 6. Afbeelding van een multipath effect

De tijd (t) die het duurt voor het uitgezonden signaal de totale afstand (d) van een gegeven pad af te leggen, kan verkregen worden met de volgende vergelijking:

d = c x t

waar c de snelheid van de elektromagnetische golf aanduidt die ongeveer 3×10⁸ m/s is. Daarom verschijnen voor elke uitgezonden puls twee pulsen aan de ontvangeringang. Dit geïllustreerd in Figuur 7 waarin de uitgezonden en ontvangen pulsen in één diagram getoond worden.

Figuur 7. Voor elke uitgezonden puls verschijnen twee pulsen aan de ontvangeringang.

In deze figuur zijn de twee ontvangen pulsen gemakkelijk herkenbaar omdat ze niet met elkaar overlappen. Dit is echter niet het geval in het algemeen. Het bestuderen van de bovenstaande figuur toont aan dat de pulsen niet interfereren – alleen als het vertragsverschil tussen de twee paden (t₁-t₀) groter is dan de pulsbreedte (PW).

Omdat UWB-pulsen een zeer korte duur hebben, is de kans groter dat pulsen uit verschillende paden niet interfereren met onze gewenste puls. Daarom kunnen we het gewenste signaal eenvoudig extraheren van die afkomstig van ongewenste reflecties. Dit geeft een UWB-systeem meer immuniteit tegen het multipath-effect. Alternatief kan de energie samen worden opgeteld door een rake-ontvanger.

Hoge bereiknauwkeurigheid

Zoals hierboven besproken, stelt de scherpe tijdafstelling van UWB-signalen ons in staat om een systeem te hebben dat multipath-componenten kan resolven zonder in te hoeven roepen op complexe algoritmes. Dit maakt UWB geschikt voor time-of-arrival (ToA)-gebaseerde bereiksschattingsapplicaties.

Het is de moeite waard om te vermelden dat hoewel deze tijdsgebaseerde bereiksschema's profiteren van de hoge tijdafstelling van UWB-signalen, ze hun eigen beperkingen hebben. Bijvoorbeeld, omdat UWB-pulsen een zeer korte duur hebben, wordt klokjitter een beperkende factor.

Conclusie

Zoals we gezien hebben met impulsradios, kan UWB een nuttige kortafstand communicatietechnologie zijn vanwege zijn dataoverdrachtsnelheid, immuniteit tegen het multipath-effect, hoge bereiknauwkeurigheid, laag stroomverbruik, en implementatie-eenvoud. Om deze redenen keren veel commerciële ontwikkelaars zich tot UWB in plaats van near-field communication (NFC) opties om ontwerpimplementatie en beveiliging te verbeteren.