Banda ultralarga (UWB)

Implementazione degli standard più recenti in materia di localizzazione e ranging ad alta risoluzione e a corto raggio

La banda ultralarga (UWB) è lo standard wireless più utilizzato per la localizzazione e il ranging ad alta risoluzione e a corto raggio insieme alla comunicazione dati. L’UWB è una tecnologia a impulsi radio con una larghezza di banda minima pari a 500 MHz, che opera sia nel range inferiore al GHz che nel range compreso tra 3,1 e 10,6 GHz.

L’UWB ha inoltre una densità spettrale di potenza massima pari a -41,3 dBm/MHz su tutte le frequenze, molto inferiore a quella del WiFi, del Bluetooth®, di Zigbee® e del GPS e impedisce l’interferenza con questi segnali wireless per supportare le comunicazioni a corto raggio. La banda ultralarga si serve di impulsi corti (< 2 ns) per la trasmissione, il che la rende immune al fading per multipath e supporta le applicazioni di localizzazione e ranging.

Le altre applicazioni supportate dall’UWB sono:

  • Controllo degli accessi protetto
  • Pagamenti wireless protetti
  • Sensori dei parametri vitali wireless
  • Comunicazione tra dispositivi (D2D)

Alcune caratteristiche dell’UWB che consentono tali funzionalità sono:

  • Range della larghezza di banda: da 500 MHz a 1,3 GHz; durata impulsi: < 2 ns
  • Sequenza STS (scrambled timestamp sequence) per le comunicazioni sicure
  • Frequenza di ripetizione degli impulsi (PRF) media compresa tra 3,9 MHz e 249,6 MHz in base alle diverse condizioni dei canali e PRF di picco pari a 499,2 MHz
  • Schemi di modulazione personalizzati e intervalli di guardia per evitare le interferenze e gli effetti multipath
  • Codifica SECDED (correzione errore singolo e rilevamento doppio errore) per il preambolo e codifica di Reed-Solomon per il payload, con un codice convoluzionale con velocità di ½ e lunghezza del vincolo pari a 3 o 7

UWB con MATLAB

È possibile utilizzare la libreria di MATLAB® Communications Toolbox™ per Zigbee® e UWB per implementare e testare le caratteristiche dell’UWB con gli esempi di riferimento forniti come codice MATLAB aperto. È possibile utilizzare MATLAB per implementare l’ultimo emendamento relativo alla banda ultralarga (15.4z) oppure il precedente 15.4a. Inoltre, è possibile utilizzare MATLAB per simulare vari algoritmi di localizzazione e ranging con la generazione di forme d’onda UWB, la simulazione di ricetrasmettitori UWB end-to-end ed esempi di localizzazione e ranging.

Specifiche dell’UWB

Le specifiche relative alla banda ultralarga sono state introdotte per la prima volta con l’emendamento 15.4a dello standard IEEE 802.15.4a. Tale emendamento specifica il layer fisico (PHY) con impulsi ad alta frequenza di ripetizione (HRP), mentre il PHY con impulsi a bassa frequenza di ripetizione (LRP) è stato introdotto con l’emendamento 15.4f. L’ultima miglioria è stata proposta con l’emendamento 15.4z, che aggiunge modalità per dispositivi che supportano il ranging ottimizzato e funzionalità di sicurezza ai PHY HRP esistenti e LRP.

MATLAB offre esempi che implementano le seguenti modalità:

  • Frequenza base di ripetizione degli impulsi (BPRF), dove la PRF media corrisponde a 62,4 MHz
  • Frequenza elevata di ripetizione degli impulsi (HPRF), dove la PRF media corrisponde a 124,8 MHz o a 249,6 MHz

Il campo STS (scrambled timestamp sequence) è una funzionalità di sicurezza introdotta con lo standard IEEE 802.15.4z per aumentare l’integrità dei dati. La trasmissione del campo STS è opzionale per le modalità BRPF e HPRF.

La Figura 1 mostra il simbolo e lo schema di modulazione per 802.15.4a. Il bit sistematico del codificatore convoluzionale viene utilizzato per individuare uno dei due possibili intervalli di modulazione di tipo Burst Position Modulation (TBPM). La trasmissione può avvenire solo nel primo o nel terzo quarto. Dopo aver effettuato lo spreading per NCPB (chip per burst), il bit di parità viene utilizzato per modulare gli impulsi a banda ultralarga con la modulazione binaria a spostamento di fase (BPSK). La posizione di burst viene individuata utilizzando un valore intero costruito a partire dalla sequenza detta spreading sequence. Tra una trasmissione e l’altra vi è un intervallo di guardia. L’esempio MATLAB Generazione di forme d’onda HRP UWB conformi allo standard IEEE 802.15.4a/z modella tali aspetti del segnale.

Figura 1 - Burst Position Modulation e BPSK nello standard IEEE 802.15.4a.

Figura 1. Individuazione della Burst Position Modulation e di BPSK nello standard IEEE 802.15.4a.

Nella Tabella 1 sono messi a confronto gli emendamenti in materia di UWB dello standard IEEE 802.15.4.

Emendamenti relativi alla UWB Velocità dei dati Banda (GHz) Modulazione Casi d’uso
15.4a <27 Mbps <1 e da 3,1 a 10,6 Modulazione BPM (Burst Position Modulation) e BPSK Automazione domestica e industriale, ranging
15.4f <1 Mbps <1 e da 6,3 a 9,2 Modulazione PPM (Pulse Position Modulation), On Off Keying (OOK) Ranging, identificazione a radiofrequenza attiva (RFID) e applicazioni di Internet of Things (IoT) a efficienza energetica
15.4z <27 Mbps <1 e da 3,1 a 10,6 Combinazione di spreading, BPSK e intervalli di guardia Controllo degli accessi hands-free, servizi basati sulla posizione e comunicazione peer-to-peer

Tabella 1. Standard UWB.

Ricetrasmettitore UWB

La Figura 2 mostra un ricetrasmettitore UWB. La catena del trasmettitore è costituita da un header del PHY che contiene informazioni quali la velocità dei dati, la lunghezza del frame e la durata del preambolo. L’header del PHY è codificato tramite SECDED. Il payload ricevuto dal layer superiore è codificato con la codifica di Reed-Solomon. Lo standard 802.15.4z aggiunge un campo STS opzionale per l’integrità dei dati. Un altro blocco dell’encoder convoluzionale con velocità di ½ e lunghezza del vincolo pari a 3 o 7 codifica il bitstream concatenato prima della conversione in simboli complessi da parte di un mapper di simboli, il quale effettua altresì lo spreading dei bit con una spreading sequence e lunghezza di chip. Dopo la sagomatura degli impulsi, il segnale a banda ultralarga viene trasmesso nell’aria. È possibile trovare un’implementazione di questi passaggi in Generazione di forme d’onda HRP UWB secondo lo standard IEEE 802.15.4a/z.

Il ricevitore UWB è un semplice rilevatore di energia, implementato come un’immagine speculare del trasmettitore con il primo blocco che funge da filtro di tipo “integrate-and-dump”. È possibile trovare l’implementazione completa del ricetrasmettitore in Simulazione end-to-end di un PHY HRP UWB secondo lo standard IEEE 802.15.4a/z.

Figura 2 - Ricetrasmettitore UWB

Figura 2. Uso del ricetrasmettitore UWB.

Localizzazione e ranging UWB

MATLAB supporta le tecniche di localizzazione e ranging con frame PHY e MAC (Media Access Control) compatibili con lo standard IEEE 802.15.4 e l’emendamento IEEE 802.15.4z. Tre tecniche di ranging molto utilizzate sono:

  • SS-TWR (single-sided two-way ranging): un dispositivo stima la distanza tra due dispostivi utilizzando la trasmissione di frame in entrambe le direzioni di un collegamento wireless 802.15.4z
  • DS-TWR (double-sided two-way ranging): entrambi i dispositivi stimano la distanza tra i due dispostivi utilizzando la trasmissione di frame in entrambe le direzioni di un collegamento wireless 802.15.4z
  • OWR/TDOA (one-way ranging/time difference of arrival): localizzazione network-assisted in cui un dispositivo comunica con una serie di nodi sincronizzati per stimare la posizione del dispositivo

È possibile trovare esempi MATLAB della tecnica SS-TWR in Ranging UWB con IEEE 802.15.4z e della tecnica OWR/TDOA in Localizzazione UWB con IEEE 802.15.4z.

Nella tecnica OWR/TDOA, il dispositivo da localizzare trasmette periodicamente brevi messaggi denominati “blink”. La differenza del tempo di arrivo (TDOA) tra i messaggi periodici pone il dispositivo in una superficie iperbolica per ogni coppia di nodi sincronizzati. L’intersezione di tutte le superfici iperboliche (su ogni coppia di nodi sincronizzati) determina la stima della posizione per ciascun dispositivo.

La Figura 3 mostra i risultati di una simulazione OWR/TDOA in MATLAB.

Figura 3 - Risultati della simulazione della localizzazione OWR/TDOA in MATLAB

Figura 3. Visualizzazione dei risultati della simulazione della localizzazione OWR/TDOA in MATLAB.

Perché la UWB è importante?

  • L’UWB offre un layer fisico alternativo per reti quali le Personal Area Network (PAN) e le Body Area Network (BAN) che operano principalmente nel range compreso tra 3,1 e 10,6 GHz, meno congestionato della banda ISM (per uso industriale, scientifico e medico)
  • L’UWB ha una bassa suscettibilità al fading per multipath, è in grado di lavorare con rapporti di segnale/rumore bassi e offre un supporto aggiuntivo alle comunicazioni sicure
  • Rispetto a un’architettura di ricetrasmettitori superetorodina, l’UWB offre semplicità del sistema e la piccola antenna abilitata dall’alta frequenza può essere fabbricata all’interno dei chip
  • La durata degli impulsi UWB è molto più breve rispetto ai tempi dei simboli delle altre tecnologie, il che garantisce una precisione elevata e una bassa latenza nelle operazioni di ranging e localizzazione, come mostrato nella Tabella 2
Tecnologia UWB Bluetooth WiFi RFID GPS 5G
Precisione 1 cm 1–5 m 5–15 m 1 m 5–20 m 10 m
Latenza < 1 ms > 3 s > 3 s 1 s 100 ms < 1 s

Tabella 2. Confronto tra le tecnologie utilizzate per il ranging e la localizzazione.



Riferimenti software

Vedere anche: comunicazioni wireless, modello di canale, ricetrasmettitore wireless, sistema RF, Communications Toolbox, Che cos’è Bluetooth LE?

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