Cómo funciona la banda ultraancha
Este artículo forma parte de Pozyx Academy y es el segundo de una serie de cinco artículos que explican cómo funciona la tecnología Pozyx y qué tener en cuenta al instalar el sistema Pozyx.
- Cómo funciona el posicionamiento
- Cómo funciona la banda ultraancha
- Protocolos de posicionamiento explicados
- Banda ultraancha y obstáculos
- Dónde colocar los anclajes
Viajando a la velocidad de la luz
El artículo anterior de Pozyx Academy, ‘Cómo funciona el posicionamiento’, explicaba cómo obtener una posición midiendo la distancia a puntos de referencia. La tecnología de banda ultraancha funciona de forma diferente y mide cuánto tarda una onda de radio en ir desde el activo hasta el anclaje o punto de referencia. A esto se le llama tiempo de vuelo (TOF).
Como las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz, el tiempo de vuelo se mide con esta velocidad para obtener la distancia. La velocidad de la luz es muy alta. En un solo nanosegundo, que es la milmillonésima parte de un segundo, una onda ha recorrido casi 30 cm. Esto significa que el tiempo debe medirse con mucha precisión para realizar mediciones de distancia con precisión centimétrica.
Todo depende del ancho de banda
El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que es imposible conocer a la vez la frecuencia y la temporización de una señal. Considera, por ejemplo, una sinusoide; una señal con una frecuencia bien conocida pero con una temporización muy mal determinada: la señal no tiene principio ni fin. Sin embargo, varias señales sinusoidales con una frecuencia ligeramente distinta, combinadas, crean un pulso con una temporización más definida, es decir, el pico del pulso. Esto se ve en la siguiente figura de Wikipedia, que añade sinusoides secuencialmente a una señal para obtener un pulso más nítido:
El rango de frecuencias que se utiliza para esta señal se llama ancho de banda Δf. Usando el principio de incertidumbre de Heisenberg, se puede determinar la anchura Δt del pulso, dado un cierto ancho de banda Δf*:
ΔfΔt ≥ 1/4π
Esta fórmula muestra que se necesita un gran ancho de banda para crear un pulso estrecho, lo cual es necesario para una temporización precisa. Por ejemplo, usando un ancho de banda de Δf = 20 MHz (disponible para sistemas wifi), se obtiene una anchura de pulso mayor de Δt ≥ 4 ns. A la velocidad de la luz, esto equivale a un pulso de 1,2 m de longitud, lo cual es demasiado para una medición de distancia precisa. Podemos concluir que los sistemas wifi no son precisos para un posicionamiento exacto, en primer lugar porque es difícil determinar con precisión el pico de un pulso tan ancho y, en segundo lugar, por las reflexiones.
Las reflexiones son señales que rebotan en objetos (paredes, techos, escritorios, etc.) del entorno. Estas reflexiones son captadas por el receptor y pueden solaparse con el pulso en línea de visión, lo que dificulta medir el verdadero pico del pulso. Con pulsos de 4 ns de ancho, cualquier objeto situado a menos de 1,2 m del receptor o del transmisor provocará un pulso solapado. Por ello, la medición de distancia mediante wifi usando tiempo de vuelo no es adecuada para aplicaciones en interiores.
Las señales de banda ultraancha que se utilizan en el sistema Pozyx tienen un ancho de banda de 500 MHz, lo que da lugar a pulsos de 0,16 ns de ancho. Esta resolución temporal es tan fina que, en el receptor, podemos distinguir varias reflexiones de la señal. Por tanto, sigue siendo posible realizar mediciones de distancia precisas incluso en lugares con muchos reflectores, como los entornos interiores.
Dónde encontrar el ancho de banda
En conclusión, el posicionamiento preciso mediante UWB requiere 500 MHz de ancho de banda, que es mucho. Por desgracia, todo el mundo quiere mucho ancho de banda, porque en los sistemas de comunicación inalámbrica, más ancho de banda significa descargas más rápidas. Sin embargo, si todo el mundo transmitiera señales en la misma frecuencia, todas las señales interferirían y nadie podría recibir nada útil. Por ello, el uso del espectro de frecuencias está muy regulado.
Entonces, ¿cómo es posible que UWB obtenga 500 MHz de ancho de banda y que la mayoría de los demás sistemas tengan que conformarse con mucho menos? Pues bien, los sistemas UWB solo pueden transmitir a muy baja potencia (la densidad espectral de potencia debe estar por debajo de -41,3 dBm/MHz). Esta restricción de potencia tan estricta significa que un solo pulso no llega muy lejos: en el receptor, es probable que el pulso esté por debajo del nivel de ruido. Para resolver este problema, el transmisor envía una serie de pulsos (normalmente 128 de 1024) para representar un solo bit de información. Los pulsos recibidos se acumulan entonces en el receptor y, con suficientes pulsos, la potencia del «pulso acumulado» superará el nivel de ruido y la recepción será posible.
La norma IEEE 802.15.4 para redes inalámbricas personales de baja velocidad de datos ha definido varios canales UWB de al menos 500 MHz de ancho. Dependiendo del país, se permiten determinados canales. Los canales de la banda baja (1 a 4) pueden utilizarse en la mayoría de los países con algunas limitaciones en la tasa de actualización (mediante técnicas de mitigación). El canal 5 se acepta en la mayor parte del mundo sin limitaciones, con la notable excepción de Japón. Desde el punto de vista puramente físico, cuanto menor es la frecuencia central del canal, mejor es el alcance.
| Canal | Frecuencia central (MHz) | Banda (MHz) | Ancho de banda (Mhz) | Observaciones |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3494.4 | 3244.8 – 3744 | 499.2 | |
| 2 | 3993.6 | 3774 – 4243.2 | 499.2 |
Compatible con Pozyx RTLS Canal preferido para largo alcance (EE. UU.) |
| 3 | 4492.8 | 4243.2 - 4742.4 | 499.2 | Compatible con Pozyx RTLS |
| 4 | 3993.6 | 3328 - 4659.2 | 1331.2 | |
| 5 | 6489.6 | 6240 - 6739.2 | 499.2 |
Compatible con Pozyx RTLS Aceptado sin restricciones en la mayor parte del mundo |
| 6 | 6988.8 | 6739.2 - 6739.2 | 499.2 | |
| 7 | 6489.6 | 5980.3 - 6998.9 | 1081.6 | |
| 8 | 7488 | 7238.4 - 7737.6 | 499.2 | |
| 9 | 7987.2 | 7737.6 - 8236.8 | 499.2 | Aceptado sin restricciones en la mayor parte del mundo |
Una nota sobre la intensidad de la señal recibida (RSS)
La intensidad de la señal recibida (RSS) es otra forma de medir la distancia entre dos puntos utilizando ondas de radio. Cuanto más alejados estén los dos puntos, menor será la intensidad de la señal recibida. Por tanto, a partir de este valor RSS deberíamos poder deducir la distancia. Sin embargo, no es tan sencillo. La intensidad de la señal recibida será una combinación de la potencia de todas las reflexiones y no solo de la línea de visión deseada. Por ello, resulta difícil relacionar el valor RSS con la distancia real, como queda claro en la imagen siguiente.
En esta figura, el valor RSS de una señal Bluetooth se mide a determinadas distancias. En cada distancia, las barras de error muestran cómo se comporta el valor RSS a la distancia dada. Está claro que la variación del valor RSS es muy grande, lo que hace que el RSS no sea adecuado para una medición de distancia o un posicionamiento precisos.
Lee el siguiente artículo sobre protocolos de posicionamiento para saber más sobre la tecnología de Pozyx.
