UWB surge como desafiante para sinais de banda estreita em aplicativos 5G
“Conectividade” é uma palavra que você provavelmente ouviu muito ultimamente, e você vai ouvir ainda mais à medida que a indústria sem fio se atualizar para 5G em todo o mundo nos próximos anos. De smartphones a tablets e wearables médicos, os dispositivos que usamos todos os dias estarão conectados sem fio e trocando informações quase constantemente. Mesmo os mais desafiados tecnologicamente entre nós estão familiarizados com Wi-Fi e Bluetooth. Ainda assim, há outro protocolo de comunicação sem fio que ameaça ultrapassá-los na busca de ser o “rei da conectividade”.
A banda ultralarga (UWB), um protocolo de comunicação sem fio que existe há mais de um século, foi despertado para competir com Wi-Fi e Bluetooth pelo título de campeão de "conectividade". Embora a banda ultralarga se refira a qualquer sinal igual ou superior a 500 MHz (ou com largura de banda fracionada > 20%), a UWB normalmente opera entre aproximadamente 3,0 GHz a 10,5 Ghz, permitindo transferir quantidades mais significativas de dados e tornando-o menos suscetível a interferência de sinal do que sinais de banda estreita (como Wi-Fi). A UWB também é mais barato e mais eficiente em termos de energia do que o Bluetooth, e é uma alternativa atraente em cenários de transmissão de curto alcance, como dentro de um prédio de escritórios ou fábrica. Este artigo examinará o passado, presente e futuro do UWB e onde ele se encaixará no mundo da conectividade 5G.
As origens da banda ultralarga
A gênese da UWB pode ser rastreada até os primeiros dispositivos de sinal de rádio sem fio que utilizavam transmissores "spark gap" para se comunicar sem fio. Os dispositivos podiam transmitir som através de impulsos elétricos curtos em curtas distâncias, e isso acabou levando à transmissão de ondas de rádio. Em sua infância, o UWB enviava sinais de telégrafo antiquados por grandes distâncias, como mensagens para navios no mar. À medida que a tecnologia evoluiu, as faixas de frequência mais altas em que a UWB opera o tornaram um método ideal de transmissão de grandes quantidades de dados, como imagens ou arquivos de vídeo, em distâncias mais curtas. A UWB pode ter se tornado o padrão original de comunicação sem fio, mas foi proibido para uso comercial em 1920, tornando-se um protocolo proprietário para implementações militares e governamentais confidenciais. A UWB permaneceu fora dos limites para uso público até 2002, quando a Comissão Federal de Comunicações dos EUA o reabriu para aplicações comerciais. Desde então, a UWB se espalhou por várias tecnologias, incluindo radar e sistemas de localização/posicionamento, dispositivos médicos e vestíveis e eletrônicos de consumo. A Apple incluiu a tecnologia UWB no iPhone 11 (lançado em 2019), permitindo um posicionamento e recursos de alcance muito mais precisos do que as iterações anteriores.
Onde está a banda ultralarga agora
A transição em andamento para o 5G tem sido um ponto de inflexão na adoção da UWB na tecnologia de rede e comunicação. Os sinais UWB são transmitidos em pulsos curtos e rápidos (medidos em picossegundos) como os antigos transmissores de centelhador ou em ondas portadoras como a radiofrequência (RF). Os dados transferidos em pulsos são transmitidos ligando e desligando alternadamente o sinal - como os faróis costumavam se comunicar com navios ao largo da costa, piscando sinais em código Morse. Ele pode exigir mais de cem pulsos para transmitir um único bit de dados, mas a alta taxa de velocidade na qual os bits são transmitidos (cada pulso dura menos de 1,5 nanossegundos) permite taxas de dados de até 27 Mb/s. As ondas portadoras também podem ser criadas modulando o sinal para simular uma onda de RF. A UWB pode transmitir dados em várias frequências ao mesmo tempo e atingir taxas de dados muito mais altas do que outras tecnologias sem fio. A implementação de UWB com redes 5G pode fornecer aos clientes velocidades de upload/download mais rápidas e maior largura de banda.
A UWB também é a solução ideal para aplicativos de rastreamento e posicionamento em tempo real, sejam eles em eletrônicos de consumo (como o iPhone), usados para gerenciar estoques ou usados para determinar a localização de produtos ou equipamentos dentro de uma configuração de fábrica/fabricação (Figura 1). Dispositivos habilitados para UWB vêm equipados com antenas MIMO (multiple-input/multiple-output) em miniatura o suficiente para caber em dispositivos tão pequenos quanto smartphones ou relógios. Quando dois dispositivos habilitados para UWB estão próximos o suficiente para se conectarem, os dispositivos começam a "variar" ou determinam suas respectivas localizações e distâncias um do outro por meio de um método chamado "tempo de voo". Ao enviar um pulso de um dispositivo para outro e medir o tempo que o pulso leva para completar sua jornada, os dois dispositivos podem determinar suas localizações exatas em relação um ao outro. Isso é especialmente vantajoso em ambientes internos, onde o GPS nem sempre é tão funcional e o Wi-Fi pode se esforçar para romper objetos e superfícies sólidas. Se você é do tipo que está sempre perdendo o telefone ou que nunca consegue encontrar o controle remoto da TV, a UWB pode identificar seus respectivos locais em sua casa em poucos centímetros.
Devido ao seu curto período de transmissão e tamanho de pacote pequeno, a UWB também é encontrada em aplicativos que exigem menor latência e tempos de resposta do sistema mais rápidos, como simulações de jogos e treinamento. A baixa densidade espectral da UWB também ajuda a evitar interferência de sinal e torna os sinais UWB muito difíceis de detectar, proporcionando mais segurança para transmissão de dados. A segurança adicional que a UWB oferece já está sendo incorporada às chaves digitais do carro. Empresas como BMW e Tesla estão desenvolvendo chaves digitais de carro que implementam UWB para seus veículos para reduzir incidentes de roubo de retransmissão de sinal de chaveiros que transmitem sinais de rádio tradicionais.
O futuro da UWB – para onde ele pode ir a partir daqui?
Agora que sabemos de onde veio a UWB e onde está atualmente, podemos especular sobre para onde está indo. O potencial mais óbvio são os aplicativos que exigem altas velocidades de transferência de dados, como streaming de vídeo em tempo real. As redes de câmeras de segurança e câmeras de tráfego podem fornecer vídeo de qualidade muito mais alta usando UWB do que outros protocolos de comunicação sem fio. A latência mais baixa da UWB o torna um bom ajuste potencial para câmeras de sistemas de direção automatizada veicular. Para evitar colisões com outros veículos em movimento, os automóveis com sistemas de direção automatizados poderão compartilhar quase instantaneamente os locais e a velocidade e a direção em que estão dirigindo – outros protocolos sem fio podem estar sujeitos a interferência de sinal ou atrasos de latência. Esse tipo de compartilhamento de dados entre veículos também pode melhorar o fluxo geral de tráfego e a eficiência de combustível, sugerindo rotas alternativas para evitar atrasos, mantendo o tráfego em movimento constante e melhorando o consumo de combustível. O compartilhamento de dados entre veículos e infraestrutura geral é outro benefício potencial – já ficou parado dirigindo pela cidade grande no fim de semana e não consegue encontrar um lugar para estacionar? Um sistema pelo qual as estruturas de estacionamento comunicam aos motoristas onde e quando há vagas de estacionamento abertas poderia tornar a circulação do quarteirão dez ou quinze vezes coisa do passado.
Dispositivos médicos pessoais também podem ser melhorados com a implementação de UWB, criando uma rede de área sem fio pessoal em torno de um paciente. O monitor cardíaco pode se comunicar com o smartwatch para fornecer ao paciente (e potencialmente aos médicos) atualizações em tempo real sobre a saúde do coração. A previsão de ataques cardíacos e outros eventos cardíacos pode ser muito auxiliada pelo acesso a dados relacionados à saúde em tempo real.
O potencial mais significativo da UWB, no entanto, pode estar nas redes mesh: sistemas ultraconectados com vários dispositivos trocando dados constantemente (Figura 2). Essas redes mesh permitirão que os dispositivos se conectem e troquem e recebam dados automaticamente. Algoritmos alimentados por IA podem até ser implementados para otimizar a transmissão de dados, encontrando o caminho mais rápido, mais econômico e de menor latência disponível. Os dados fluirão através dessas redes da mesma forma que a corrente elétrica flui através de uma rede de resistência, encontrando automaticamente o caminho ideal à medida que a resistência aumenta ou diminui. Em implementações que exigem que os dispositivos conectados estejam constantemente em movimento – por exemplo, em um chão de fábrica ou em uma rodovia movimentada – esses tipos de sistemas interconectados podem melhorar drasticamente a eficiência e a capacidade de resposta, proporcionando maior segurança contra interferências ou hackers do que os sinais de banda estreita.
Conclusão
Embora a tecnologia UWB tenha mais de cem anos, seu potencial em aplicações modernas ainda está sendo desenvolvido. O mundo interconectado do 5G e da Internet das Coisas Industrial (IIoT) exigirá muita largura de banda, e a UWB fornece mais largura de banda e velocidades mais rápidas do que os protocolos de sinal de banda estreita. Em um futuro de casas inteligentes, complexos de escritórios e cidades, sinais concorrentes estarão voando por toda parte. Felizmente, a UWB pode coexistir com sinais de banda estreita sem causar interferência, sendo mais difícil de detectar e hackear do que Wi-Fi ou Bluetooth. As redes de área local são apenas um ponto de partida para o que a UWB pode se tornar – ele pode estar transmitindo dados de e para veículos, sistemas de tráfego e dispositivos vestíveis muito em breve. É fácil imaginar um futuro em que todos os dispositivos eletrônicos de consumo e veículos estejam conectados.
Por Alex Pluemer para Mouser Electronics – Artigo traduzido para o português com permissão da Mouser Electronics. Publicado em 18 de fevereiro de 2022
Sobre o autor - Alex Plummer
Alex é redator técnico sênior da Wavefront Marketing, especializado em eletrônica avançada, tecnologias emergentes e desenvolvimento de tecnologia responsável.
