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UWB: la revolución de las redes personales

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Publicado en Comunicaciones World nº 200, IDG Communications S.A, 2005

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IntroducciÓn

El mercado de las tecnologías inalámbricas para la interconexión de dispositivos en entornos de cortas distancias es uno de los que más atención está suscitando una vez alcanzada una cierta madurez en los mercados de Internet de banda ancha y de telefonía móvil. Desde sus comienzos muchas son las tecnologías que han ido surgiendo para cubrir el mercado de comunicaciones inalámbricas en entornos personales (WPAN – Wireless Personal Area Network) y de área local (WLAN – Wireless Local Area Network): Bluetooth, IrDA, HyperLAN, HomeRF, RFID, Wi-Fi (802.11a, 802.11b, 802.11g, etc.), ZigBee, etc. Si bien es cierto que muchas de estas tecnologías no son competencia entre sí, puesto que tienen un ámbito de actuación reducido que requiere de otras tecnologías que las complementen, sí es cierto que en determinados casos algunas de ellas pueden entrar en conflicto.

Las tecnologías inalámbricas WPAN-WLAN más utilizadas en nuestros días, como Wi-Fi y Bluetooth, fueron desarrolladas con el objetivo de interconectar sin hilos distintos dispositivos en un entorno de cortas distancias a unas velocidades moderadas. Sin embargo, estas tecnologías presentan aún serias limitaciones, entre las que destacan: incrementar la velocidad de transmisión, aumentar la autonomía de funcionamiento y aumentar la seguridad. Por otro lado, la proliferación de tecnologías haciendo uso del mismo espectro radio, ha supuesto un serio problema para las administraciones públicas, que se encuentran con serias dificultades para repartir este recurso cada vez más saturado.

Con el fin de solventar estas limitaciones, aparece una tecnología usada tradicionalmente de forma exclusiva en el campo militar, conocida por ultra banda-ancha o UWB (Ultra Wide-Band). La transmisión de pulsos muy cortos hace que esta tecnología sea adecuada para aplicaciones tipo radar para zonas muy localizadas obteniéndose rastreos de gran resolución, y una precisión muy alta en aplicaciones de localización y detección; pero es su enorme ancho de banda y, sobre todo, el menor coste y nivel de complejidad de los sistemas que se basan en ella, lo que hace que la tecnología UWB, se haya perfilado recientemente como una de las tecnologías emergentes sobre las que se podría apoyar la próxima generación de sistemas inalámbricos. Durante este año empezarán a aparecer los primeros productos comerciales basados en UWB. Según estimaciones de mercado de ETSI en el año 2010 habrá más de medio billón de dispositivos UWB operativos y al menos 150 millones de ellos en Europa.

Principios tecnolÓgicos

El principal rasgo distintivo de las señales UWB es que constan de impulsos de energía en banda base sin portadora con una duración extremadamente corta, mucho menor que el intervalo de un bit. Debido precisamente a que la duración de sus impulsos es de tan sólo ps, el ancho de banda espectral de las señales UWB es de varios GHz. Para la modulación o codificación de la información de los distintos impulsos se realiza variando su amplitud (PAM – Pulse Amplitude Modulation), polarización o fase (BPSK – Binary Phase Shift Keying), o temporización o posicionamiento de los impulsos (PPM – Pulse Position Modulation).

Por otro lado, los niveles de potencia radiada en los chip UWB son muy bajos, del orden de medio mW frente a las varias centenas de mW de Bluetooth y decenas de mW de Wi-Fi. Esto permite que la autonomía de los dispositivos donde es integrado el chip UWB no se vea prácticamente afectada. Puesto que además esta energía se debe distribuir sobre un ancho de banda muy grande, la densidad espectral de dicha energía es muy pequeña inferior a los 100 nW/MHz, lo que evita interferencias con otras señales que estén utilizando dicha porción del espectro.

Las comunicaciones UWB son muy seguras, puesto que es necesario conocer la secuencia de transmisión de los bits de información para poder escuchar las transmisiones. Además la relación señal a ruido es tan baja que las transmisiones son fácilmente confundidas con ruido ambiente o ruido de fondo. Asimismo las transmisiones pueden cifrarse sin ningún tipo de limitación y se pueden excluir de la escucha aquellos terminales que se hallen más alejados de una cierta distancia específica. Tampoco se tiene que sintonizar la transmisión, ya que no existe portadora.

Las nuevas tecnologías en circuitos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) permiten obtener impulsos muy estrechos y velocidades de transmisión muy elevadas a costes muy bajos, dado que la potencia transmitida es también muy baja. El precio de este circuito integrado será así mismo más competitivo cuando se fabrique en serie. Otra ventaja de emplear circuitos CMOS es que los dispositivos en los que se integran no sufren alteraciones significativas en su tamaño, forma y peso.

Un aspecto negativo de UWB es el alcance, ya que si se aumenta éste ha de ser a costa de disminuir la velocidad de transmisión, debido a las limitaciones de potencia. El alcance se ve además afectado por la presencia de obstáculos que tiendan a reflejar las señales, aunque también es cierto que la capacidad de UWB para atravesar estructuras u objetos es mucho mayor que la de otras tecnologías inalámbricas.

Las compañías con más experiencia en comunicaciones UWB son: Aether Wire & Location, ANRO Engineering, Fantasma Networks, Lawrence Livermore Labs, Multispectral Solutions, Time Domain Corporation y XtremeSpectrum.

Espectro de frecuencias UWB

Figura 1: Espectro de frecuencias UWB.

EstandarizaciÓn

Hasta hace muy poco, no existían estándares de UWB para su utilización en las redes inalámbricas de área local en la banda de 3,1 GHz a 10,6 GHz, que ha sido el espectro establecido en 2002 por la FCC (Federal Communications Commission) para las aplicaciones comerciales UWB, con un límite de potencia de –41 dBm/MHz. Los trabajos de estandarización han sido liderados por dos grupos de trabajo, uno norteamericano, IEEE 802.15, y otro europeo, ETSI ERM TG31. El objetivo es generar un estándar sencillo, barato, de bajo consumo y de elevada velocidad de transmisión para WLAN, que no compita con el resto de estándares IEEE 802.11. En junio de 2003 el IEEE aprobó el draft P802.15.3a, que constituirá salvo ligeras modificaciones el estándar definitivo de UWB. La velocidad es del orden de 110-200 Mbps y se proporciona la QoS necesaria para las transmisiones multimedia. El alcance es de unos 10 metros, con unas potencias radiadas de 100-250 mW.

Junto a estos organismos de estandarización internacionales, comunes a muchas otras tecnologías de telecomunicaciones inalámbricas o cableadas, cabe destacar el gran número de asociaciones que tratan de acelerar la implantación comercial masiva de UWB: UWB Working Group, WiMedia Alliance, MultiBand OFDM Alliance, Wireless USB Industry Group, etc. Estas asociaciones, que aúnan esfuerzos de las principales empresas de la electrónica y telecomunicaciones, demuestran el altísimo potencial de UWB, así como aseguran, en cierto modo, su éxito comercial a medio plazo.

El UWB Working Group es una asociación abierta de compañías, individuos y entidades de normalización y regulación, formada en 1998, cuyo objetivo común es el desarrollo y aceptación de la tecnología UWB. Este grupo de trabajo fue formado para proporcionar un foro coherente para la diseminación y discusión de temas relacionados con UWB.

La WiMedia Alliance es una asociación abierta sin ánimo de lucro formada en 2002 para promover la conectividad e interoperabilidad WPAN para múltiples protocolos. La alianza desarrolla y adopta estándares para conectar de forma inalámbrica dispositivos multimedia, incluyendo las capas de aplicación, transporte y control; juegos de pruebas; y un programa de certificación para acelerar la adopción comercial masiva de soluciones multimedia inalámbricas. El medio físico seleccionado por la alianza para desarrollar estos protocolos de comunicaciones de alto nivel es precisamente UWB, siguiendo el estándar IEEE P802.15.3a.

La Multiband OFDM Alliance (MBOA) es una alianza formada en 2003 que cuenta actualmente como miembros con más de 170 compañías, cuyo objetivo es el desarrollo de una solución global para el mercado emergente de productos basados en UWB en consonancia con los requerimientos establecidos por las distintas entidades de regulación. La especificación de UWB soportada se basa en una aproximación de MB-OFDM (MultiBand – Orthogonal Frecuency Division Multiplexing), introducida originariamente por Texas Instruments en marzo de 2003. La propuesta establecida por la MBOA ha constituido la base principal de la IEEE P802.15.3a.

El Wireless USB Industry Group, formado en febrero de 2004 por Agere Systems, Intel Corporation, HP, Microsoft Corporation, Philips Semiconductors y Samsung Electronics; ha seleccionado la tecnología UWB para el desarrollo del denominado USB (Universal Serial Bus) inalámbrico. La idea es crear una interfaz similar en cuanto a arquitectura y uso a la USB cableada, pero que mejore la comodidad y movilidad de las comunicaciones entre dispositivos multimedia, periféricos de PC y dispositivos móviles. El grupo promotor ha empezado a definir la especificación USB inalámbrica con un ancho de banda de 480 Mbps, lo que facilitará la ruta de migración para las soluciones USB cableadas existentes hoy en día.

Aplicaciones

La tecnología UWB no es para nada nueva, es conocida desde los años 1960s, aunque el término de ultra banda ancha es bastante nuevo, pues tradicionalmente era conocida por modulación en banda base, sin portadora o impulsos radio. Desde los años 1980s ha sido además ampliamente utilizada, aunque casi exclusivamente en el entorno militar. Dentro de este campo, sus dos grandes aplicaciones han sido el radar y la localización, ya que los dispositivos UWB pueden ser utilizados para medir con gran precisión distancias y para capturar imágenes de alta resolución de objetos enterrados bajo tierra o detrás de superficies.

Entre las principales aplicaciones de UWB en el sector gubernamental y militar cabe destacar: dispositivos radio con baja probabilidad de intercepción y detección para equipos tácticos de combate, comunicaciones a bordo de aeronaves, comunicaciones con baja probabilidad de intercepción y detección sin visión directa por ondas de superficie, altímetros y radares anticolisión, etiquetas activas para control de presencia y logística, radares de detección de intrusiones, sistemas precisos de geolocalización, enlaces para comunicaciones en vehículos autónomos y robotizados, e intercomunicadores con baja probabilidad de intercepción y detección.

Evidentemente, estas aplicaciones también podrían ser fácilmente extendidas al mercado corporativo, principalmente en servicios de emergencia, vigilancia, sanidad, seguridad o construcción. El principal impedimento que se tenía para ello en los inicios de su desarrollo, es que los equipos UWB eran muy caros, debido a la utilización de componentes discretos en los circuitos electrónicos antes de la aparición de los circuitos integrados. Sin embargo la situación ha cambiado drásticamente, y los dispositivos UWB son muy competitivos, no sólo para aplicaciones corporativas sino también domésticas, gracias a: bajo coste, bajo consumo, gran ancho de banda, alta seguridad, y la inexistencia de interferencias con otras tecnologías. En aplicaciones comerciales la forma de trabajar de los dispositivos UWB será muy similar a la de los dispositivos Bluetooth, es decir, cada dispositivo es capaz de detectar y comunicarse de forma segura con cualquier otro dispositivo de su entorno.

Entre las principales aplicaciones comerciales civiles de UWB cabe destacar: redes inalámbricas WPAN y WLAN de alta velocidad, redes en el hogar, aplicaciones GPR (Ground Penetrating Radar), radares y sistemas anticolisión para aviación civil, sensores anticolisión para vehículos móviles, etiquetas activas para sistemas inteligentes de transporte e identificación sin contacto, sistemas de monitorización industrial en planta, y sistemas de posicionamiento de alta precisión.

De entre las aplicaciones tradicionales que pueden ser cubiertas por UWB, cabe destacar la interconexión de dispositivos electrónicos e informáticos en el hogar y en las oficinas. Mediante UWB se alcanzarán inicialmente velocidades de hasta 200 Mbps, permitiendo en un futuro velocidades de varios Gbps, superando ampliamente los actuales 54 Mbps de Wi-Fi. Es por lo tanto una tecnología ideal para ser empleada en los decodificadores de TV por cable y satélite y los módems ADSL, posibilitando el acceso a Internet de banda ancha desde cualquier PC o dispositivo del hogar y la distribución de la señal de vídeo y audio codificada a todos los aparatos de televisión del hogar. También resulta muy útil para la comunicación entre distintos PC o entre éstos y sus periféricos remotos. El alto ancho de banda ofrecido por UWB lo convierte también en una alternativa muy atractiva para la integración de las tecnologías inalámbricas de área personal como medio de acceso a los sistemas móviles celulares 3G, pues además no se verían sensiblemente afectados ni el precio ni la autonomía de los terminales móviles.

Como ocurre con cualquier otra tecnología, siempre hay aplicaciones de UWB que podrían ser mejor satisfechas mediante otras alternativas. Como principal desventaja en el sector residencial y empresarial de UWB está su lenta estandarización y su escasa implantación en el mercado. Por otro lado, las distancias máximas soportadas estarán en torno a los 20 metros, siendo por lo tanto una tecnología prácticamente WPAN. Por ello, para aplicaciones WLAN que no tengan que ver con el radar o la localización, Wi-Fi será una alternativa generalmente más rentable, con un ancho de banda  de hasta 54 Mbps y unas distancias cubiertas de más de 100 metros. Del mismo modo, para comunicaciones inalámbricas de área metropolitana (WMAN - Wireless Metropololitan Area Network), WiMax (IEEE 802.16) es la mejor alternativa, soportando anchos de banda de hasta 75 Mbps y cubriendo distancias de hasta 50 Km. En el entorno WPAN, existen otros competidores, como Bluetooth, HomeRF o ZigBee; aunque la alternativa más atractiva en precio y prestaciones es sin lugar a dudas UWB. No obstante, Bluetooth está muy extendido en el hogar, sobre todo en teléfonos móviles y PDA, donde es utilizado para la sincronización de la agenda de contactos de estos dispositivos con la del correo electrónico del PC o como sistema de manos libres inalámbrico dentro de vehículos.

UWB frente a otras tecnologias inalambricas

Figura 2: UWB frente a otras tecnologías inalámbricas.


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