Temukan Bagaimana Radio Impuls Ultra-Lebar (UWB) Unggul Dibandingkan Wi-Fi & Bluetooth

Menggunakan radio impuls sebagai contoh, kami akan menguji kelebihan teknologi ultra-lebar (UWB) dibandingkan teknologi komunikasi nirkabel jarak dekat lainnya.

Ultra-lebar (UWB) adalah teknologi komunikasi nirkabel jarak dekat—seperti Wi-Fi atau Bluetooth—yang menggunakan rentang frekuensi relatif dan/atau absolut yang sangat luas untuk mengirim dan menerima informasi. Menurut regulasi FCC, perangkat UWB dapat dioperasikan tanpa lisensi pada band 3,1–10,6 GHz (PDF).

Dalam artikel ini, kami akan melihat beberapa karakteristik penting dari teknologi UWB.

 

UWB Membagi Spektrum Radio

Bagian dari rentang frekuensi yang dialokasikan untuk UWB sudah digunakan oleh sistem komunikasi yang ada. Misalnya, seperti yang ditunjukkan di bawah ini, baik 802.11ac—protokol komunikasi WLAN dengan throughput tinggi—dan UWB diizinkan untuk menggunakan band frekuensi sekitar 5 GHz.

 

Gambar 1. Diagram UWB di bawah "lantai noise." Gambar dengan kredit ITU

 

UWB mencoba untuk memanfaatkan sumber daya spektrum yang langka dengan lebih efisien.

Bagaimana teknologi UWB dapat menggunakan spektrum yang sama dengan sistem nirkabel yang ada tanpa menyebabkan interferensi? Ini dicapai dengan membatasi kepadatan daya spektral dari sinyal elektromagnetik yang dipancarkan oleh transmiter UWB.

Menurut FCC (pengatur frekuensi AS), kepadatan daya spektral dari transmiter UWB indoor harus di bawah -41,3 dBm/MHz antara 3,1 dan 10,6 GHz. Ini membatasi interferensi yang disebabkan oleh perangkat UWB.

Gambar 2 menunjukkan masker spektral yang diwajibkan oleh FCC untuk transmiter UWB indoor.

 

Gambar 2. Masker spektral untuk transmiter UWB indoor. Gambar dengan kredit Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

 

UWB menawarkan keuntungan dengan respecto ke tingkat transfer data, kekebalan terhadap efek multipath, akurasi jarak tinggi, konsumsi daya rendah, dan kesederhanaan implementasi. Mari kita pertimbangkan kelas sistem UWB yang disebut radio impuls untuk mendapatkan wawasan yang lebih baik tentang fitur kunci teknologi ini.

 

Radio Impuls

Sedangkan sistem komunikasi narrow-band konvensional mentransmisikan gelombang berkelanjutan, radio impuls mentransmisikan pulsa durasi ultra-singkat (kurang dari 1 ns) untuk mengomunikasikan informasi.

Setiap pulsa, transmiter tetap “diam” untuk periode waktu yang relatif lama. Misalnya, radio impuls mungkin mentransmisikan hanya satu pulsa 1-ns selama setiap interval waktu 100-ns. Dalam hal ini, kita mengatakan bahwa siklus kerja adalah 1% (pulsa hanya hadir 1% dari waktu transmisi).

 

Gambar 3. Urutan pulsa tipikal yang ditransmisikan oleh radio impuls

 

Pulsa-pulsa ini dapat dimodulasi dengan cara yang berbeda untuk menyampaikan informasi. Gambar 4 di bawah ini menunjukkan bagaimana modulasi posisi pulsa dan modulasi bi-phase mengubah urutan tanpa modulasi.

 

Gambar 4. Modulasi posisi pulsa dan bi-phase mengubah urutan tanpa modulasi. Gambar dengan kredit Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

Perhatikan bahwa durasi waktu singkat sesuai dengan bandwidth yang luas di domain frekuensi. Oleh karena itu, tergantung pada durasi sinyal, sinyal wideband akan dipancarkan oleh antena transmiter UWB.

 

Gambar 5. Sinyal yang ditransmisikan oleh radio impuls menempati rentang frekuensi yang luas. Gambar dengan kredit Time Domain Corporation

 

Frekuensi pusat dan bandwidth dari sinyal yang ditransmisikan sepenuhnya bergantung pada lebar pulsa.

 

Konsumsi Daya Rendah

Karena pulsa hanya ditransmisikan selama persentase kecil dari waktu transmisi, daya rata-rata yang dipancarkan oleh transmiter sangat rendah. Dengan daya transmisi dalam urutan mikrowatt, perangkat UWB dapat memperpanjang umur baterai.

Tingkat Data Tinggi

Meskipun daya yang dipancarkan terbatas, UWB memungkinkan penggunaan lisensi bebandwidth yang sangat luas. Ini memungkinkan kita untuk memiliki tingkat data (>100Mbit/s). Namun, tingkat data tinggi ini hanya dapat dicapai pada jarak transmisi yang relatif pendek 10 m. Ini karena hanya daya sangat rendah yang dipancarkan untuk setiap bit informasi.

Pada tingkat data lebih rendah (<1 Mbit/s), kita dapat menggunakan faktor penyebaran yang besar untuk mendukung jarak yang lebih panjang. Tabel berikut membandingkan tingkat data dan jarak UWB dengan teknologi komunikasi nirkabel indoor lainnya.

 

Sistem	Tingkat Data Maksimum (Mbps)	Jarak Transmisi (m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB vs. teknologi komunikasi nirkabel indoor serupa. Data dengan kredit Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

Ketahanan terhadap Efek Multipath

Sinyal UWB menunjukkan lebih banyak ketahanan terhadap efek multipath dibandingkan teknologi nirkabel konvensional. Asumsikan bahwa selain jalur langsung untuk propagasi gelombang elektromagnetik dari transmiter ke penerima, ada jalur lain yang disebabkan oleh pantulan dari objek.

 

Gambar 6. Deskripsi efek multipath

 

Waktu (t) yang dibutuhkan untuk sinyal yang ditransmisikan untuk menempuh total jarak (d) dari jalur tertentu dapat diperoleh dengan persamaan berikut:

 

d = c x t

 

di mana c menyatakan kecepatan gelombang elektromagnetik yang sekitar 3×10⁸ m/s. Oleh karena itu, untuk setiap pulsa yang kita transmisi, dua pulsa muncul di input penerima. Ini diilustrasikan dalam Gambar 7 di mana pulsa yang ditransmisikan dan diterima ditampilkan dalam satu diagram.

 

Gambar 7. Untuk setiap pulsa yang ditransmisikan, dua pulsa muncul di input penerima.

 

Dalam gambar ini, dua pulsa yang diterima mudah dikenali karena mereka tidak tumpang tindih satu sama lain. Namun, ini bukan kasusnya secara umum. Memeriksa gambar di atas, kita dapat melihat bahwa pulsa tidak akan interferensi—hanya jika perbedaan penundaan antara dua jalur (t₁-t₀) lebih besar dari lebar pulsa (PW).

Karena pulsa UWB memiliki durasi yang sangat singkat, pulsa dari jalur yang berbeda lebih mungkin tidak interferensi dengan pulsa yang diinginkan kita. Oleh karena itu, kita dapat dengan mudah mengekstrak sinyal yang diinginkan dari yang berasal dari pantulan yang tidak diinginkan. Ini memberikan sistem UWB lebih banyak kekebalan terhadap efek multipath. Alternatifnya, energi dapat dijumlahkan bersama oleh penerima rake.

 

Akurasi Jarak Tinggi

Seperti yang dibahas di atas, resolusi waktu yang tajam dari sinyal UWB memungkinkan kita untuk memiliki sistem yang dapat menyelesaikan komponen multipath tanpa memerlukan algoritma kompleks. Ini membuat UWB cocok untuk aplikasi estimasi jarak berbasis time-of-arrival (ToA).

Penting untuk disebutkan bahwa meskipun skema estimasi jarak berbasis waktu ini mendapat manfaat dari resolusi waktu tinggi dari sinyal UWB, mereka memiliki keterbatasan mereka sendiri. Misalnya, karena pulsa UWB memiliki durasi yang sangat singkat, jitter jam menjadi faktor pembatas.

 

Kesimpulan

Seperti yang kita lihat dengan radio impuls, UWB dapat menjadi teknologi komunikasi nirkabel jarak dekat yang bermanfaat karena tingkat transfer datanya, kekebalan terhadap efek multipath, akurasi jarak tinggi, konsumsi daya rendah, dan kemudahan implementasi. Untuk alasan ini, banyak pengembang komersial beralih ke UWB daripada opsi komunikasi dekat medan (NFC) untuk meningkatkan implementasi desain dan keamanan.