No início de 2004, o FCC (Federal Communications Commission) publicou o primeiro documento que permite a comercialização e operação de produtos que incorporam uma nova tecnologia: Banda Ultra Larga ou Ultra Wideband (UWB). O que essa tecnologia representa para as comunicações e para o futuro do lar digital, além de como ela poderá ser usada no desenvolvimento de novos produtos será o foco desse nosso artigo baseado em ampla documentação da Intel.
O futuro de todas as aplicações eletrônicas está no uso de sistemas de comunicação sem fio, a maioria usando o espectro eletromagnético de rádio. Em outras palavras, o futuro está nas comunicações via rádio.
E, o futuro é o lar digital, que está prestes a se tornar uma realidade, contará com uma grande quantidade de equipamentos eletrônicos e elétricos comunicando-se entre si sem o uso de fios.
Os eletrodomésticos de uma residência vão poder comunicar-se entre sí com as mais diversas finalidades. Você poderá chegar com sua câmera digital perto do televisor de tela grande e imediatamente ver as imagens que registrou. Poderá usar seu telefone celular para programar o forno de microondas. Sua geladeira poderá entrar em contacto com seu computador enviando um E-mail que lhe avise que o leite está acabando, e muito mais.
No entanto, para que isso seja possível deve existir um meio eficiente e rápido para atender a demanda de informações que tais equipamentos devem exigir. As tecnologias sem fio tradicionais não são suficiente para atender a essas futuras necessidades: tráfego intenso de informações num curto raio de ação. Uma solução para isso está no uso da tecnologia de Banda Ultralarga ou Ultra Wideband (UWB).
A tecnoloigia Ultra Wideband ou UWB promete velocidades de transmissão de dados a curta distância que chegam aos 500 Mbps, o que representa um valor que até mesmo os mais otimistas podem duvidar.
No entanto, os primeiros produtos que operam com essa nova tecnologia e que a têm implantada nos próprios microprocessadores já começam a ser utilizados.
O que a tecnologia UWB?
A ideia básica dessa tecnologia é ocupar uma faixa do espectro que seja mais larga do que 20% da frequência central do sinal. Isso significa que para um sinal na faixa de 7,5 GHz, temos uma largura de faixa de pelo menos 500 MHz.
Assim, foi reservada nos Estados Unidos, uma largura de faixa de 7,5 GHz entre 3,1 e 10,6 GHz a qual deve ser usada pelos dispositivos que usarão esta tecnologia. A potência será limitada de modo a proteger outros equipamentos que operem na mesma faixa. Assim, os sinais UWB devem ser transmitida com uma densidade espectral de potência de 41 dB/MHz.
No entanto, a baixa potência utilizada e o alcance até 10 metros, se pequenos para aplicações de longo alcance, são ideais para as aplicações que envolvem a comunicação entre dispositivos dentro de uma residência. Trata-se, portanto, de tecnologia muito apropriada para atender às necessidades do lar digital.
Na prática a tecnologia UWB atual está conseguindo uma velocidade máxima de 252 Mpbs, mas com o desenvolvimento de novos dispositivos, deve-se alcançar um máximo de 480 Mbps em breve.
Na figura 1 mostramos os gráficos da parte utilizável do espectro para esta tecnologia. Observe que existem diferenças quanto a atenuação que ocorre nos extremos da faixa, quando passamos de uma operação interna para externa. A finalidade dessa diferença é justamente proteger os receptores GPS que têm frequência centralizada em 1,6 GHz e outros dispositivos que compartilham da mesma faixa.
A tecnologia UWB difere das outras tecnologias de banda estreita, onde apenas uma frequência, ou diversas frequências discretas são usadas como portadoras para a informação que as modula. Nas transmissões UWB são usados impulsos para modular a informação num amplo espectro de frequências.
A duração dos impulsos, no domínio do tempo, determina a largura da faixa ocupada no domínio das frequências. Isso traz diversas vantagens em relação as tecnologias de banda estreita atualmente em uso.
Uma delas é aumentar a capacidade do canal. A equação de Shannon, que determina o limite de capacidade de um canal, mostra que para aumentar a capacidade de um canal é preciso aumentar na mesma proporção a largura da faixa. Por outro lado para se obter o mesmo efeito com o aumento da potência, ela deve ser aumentada exponencialmente.
Este é um dos motivos pelo qual é possível transmitir grande quantidade de dados com uma potência muito baixa. O gráfico da figura 2 compara a utilização da UWB com as tecnologias sem fio atualmente existentes.
Observe que esta tecnologia apenas oferece uma enorme capacidade de transmissão de dados em curtas distâncias. Isso se deve basicamente aos baixos níveis de potência fixados pelo FCC. Assim, essa nova tecnologia torna-se importante para as aplicações com menos de 10 metros de alcance. Para maiores alcances outras tecnologias como as WLAN, 802.11a, por exemplo, devem ser preferidas.
Compartilhamento de Espectro
Um dos problemas considerados ao se alocar a região do espectro entre 3,1 GHz e 10,6 GHz para a operação dos dispositivos com tecnologia UWB foi que, esta faixa também é utilizada para outros tipos de serviços que tanto devem compartilhar as mesmas frequências como também não devem interferir ou serem interferidos.
Apesar dos níveis de potência serem mantidos em valores suficientemente baixos para que isso não ocorra, é preciso ter cautela em certas aplicações. Se bem que nas aplicações de longo alcance tais como GPS, satélite e outras a interferência não ocorra com facilidade, o mesmo não pode ser dito para o caso de equipamentos de consumo, laptops e outros equipamentos que tenham a possibilidade de estar muito próximos de um aplicativo que use a UWB e empreguem outras tecnologias que compartilhem a mesma faixa de frequências.
Isso pode ocorrer, por exemplo, com um equipamento que use a UWB e outro que opere com a 802.11a no espectro de 5 GHz. A divisão do espectro em subfaixa, conforme veremos pode ajudar a contornar este problema.
O Processo de Modulação
Na figura 3 temos as formas de onda que correspondem à modulação bipolar de pulsos.
Variando as características do impulso, as características de energia no espectro de frequência podem ser definidas. São três os parâmetros que devem ser considerados quando se definem as características de energia que preenchem um determinado espectro de frequências.
A primeira consiste em se definir a largura do espectro em que a energia transmitida vai ser distribuída. A segunda está na limitação da energia neste espectro. Finalmente, deve-se definir onde a energia gerada deve ser centralizada no espectro de interesse, ou seja, qual é a frequência central. A duração do pulso, no domínio de tempo, determina a largura de faixa ocupada.
Assim, a frequência do impulso determina a frequência central enquanto que o formato do impulso determina o modo como a energia se distribui no domínio de frequências.
A tecnologia tradicional de impulsos é projetada para usar uma faixa de frequências que depende da aplicação. Quanto maior for a performance desejada, mais faixa é ocupada pelo sinal.
A modulação do impulso, como nas outras técnicas tradicionais, pode ser feita de diversas maneiras, tais como amplitude, fase, posição no tempo ou ainda uma combinação de todas. No caso da UWB mais avançada pode ser usada a OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que permite um ganho de performance considerável em relação aos outros tipos empregados na UWB tradicional.
No caso das arquiteturas que trabalham com impulsos, existe a possibilidade de se realizar projetos simples. Uma das vantagens importante é que elas são facilmente adaptáveis para atender aos padrões exigidos pelas diversas regiões do mundo. As faixas de operação podem ser estreitadas de modo a se evitar problemas de interferências ou ainda para se permitir o desenvolvimento de dispositivos mais baratos que não exijam uma banda tão larga numa determinada aplicação.
Modulação Multi-Banda
Na UWB moderna, o espectro é dividido em sub-bandas ou subfaixas, conforme mostra a figura 4.
O que se faz é dividir o espectro de 7,5 GHz em diversas faixas de frequências mais estreitas de largura constante. Essas faixas podem então ser distribuídas de acordo com as legislações locais, que determinam que frequências podem ser usadas. São 14 bandas que determinam 5 canais.
Cada uma dessas faixas tem uma largura de 528 MHz o que permite um melhor compartilhamento do espectro, principalmente em locais em que outras faixas desse mesmo espectro são usadas por outros sistemas de comunicações.
Uma vantagem importante nessa distribuição de canais, com diversas subfaixas ou bandas, está no fato de que pode-se adaptar melhor a operação com dispositivos OFDM Multibandas. Assim, as bandas 1 e 3 podem ser usadas para dispositivos de Modo 1 (modo de comando) enquanto que os outros canais (2 e 5) são opcionais. Como existem até 4 códigos código-frequência por canal, pode-se ter um total de 20 piconets com a proposta atual de padronização.
Levando em conta a técnica de modulação de impulsos que trabalha com sua intensidade e forma, para se preencher o espectro com diversas faixas ou bandas mais estreitas, os sinais devem ser gerados com diferentes frequências centrais, conforme mostra a figura 5.
A seleção da frequência central é feita usando uma oscilação de pseudo-portadora e modificando-se a forma dos pulsos desejados. A frequência dessa pseudo-portadora determina a frequência central de cada faixa, enquanto que o formato do impulso é determinado pela forma da oscilação que consequentemente também determina a faixa ocupada.
As vantagens em se usar este tipo de modulação são diversas. Uma delas está na possibilidade de se usar eficientemente toda a banda de 7,5 GHz. Escolhendo de forma apropriada as larguras das multifaixas, pode-se aproveitar toda a faixa. A figura 5 serviu para dar uma ideia como as diversas faixas múltiplas podem se distribuir de maneira eficiente pelo espectro . Observe as fortes atenuações que ocorrem nos extremos.
Existem alguns problemas de interferência que fazem com que a operação seja restrita a distância muito pequenas, da ordem de 3 metros ou menos. Isso ocorre quando existirem outras sistemas sem fio (WLAN) no mesmo local operando no espectro de 5 GHz. No entanto, com uma implementação multibanda pode-se identificar as interferências potenciais e com isso eliminar as faixas em que elas se concentram.
Outro ponto importante do uso da técnica de modulação multibanda está na possibilidade de adaptar os equipamentos a diferentes ambientes. Também é possível escalar a performance. O sistema de conexão pode ser escalado para conectar desde dispositivos de velocidade muito baixa que podem usar apenas uma ou duas bandas, reduzindo o custo de implementação, a dispositivos de muito alta velocidade, exigindo a largura total do espectro disponível.
Conclusão
A utilização da tecnologia de Banda Ultralarga (UWB) está regulamentada apenas nos Estados Unidos, mas já se nota uma ampla movimentação no sentido de se expandir seu uso em outros países.
Além dos problemas de ocupação do espectro há que se levar em conta os problemas das próprias tecnologias utilizadas na fabricação dos chips. As primeiras implementações se basearam na utilização de processos SiGe (silício-germânio).
Para que os leitores tenham uma ideia, apenas no circuito de processamento dos sinais OFDM são necessários pelo menos 50k gates, mas a velocidade de operação deve ser muito alta.
No entanto, a Intel está trabalhando no sentido de se utilizar tecnologias CMOS, possibilitando a obtenção de dispositivos com menores custos.
