Menilai Keuntungan Sistem Pita Lebar Ultra Melalui Radio Impuls

Menggunakan radio impuls sebagai contoh, kita akan memeriksa keunggulan teknologi ultra-wideband (UWB) dibandingkan dengan teknologi komunikasi nirkabel jarak pendek lainnya.

Ultra-wideband (UWB) adalah teknologi komunikasi nirkabel jarak pendek—seperti Wi-Fi atau Bluetooth—yang menggunakan pita frekuensi relatif dan/atau absolut yang sangat besar untuk mengirim dan menerima informasi. Menurut peraturan FCC, perangkat UWB dapat dioperasikan tanpa izin di pita 3,1–10,6 GHz (PDF).

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

UWB Berbagi 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 menggunakan pita frekuensi sekitar 5 GHz.

Gambar 1. Diagram UWB yang bekerja di bawah "lantai kebisingan". Gambar digunakan atas izin ITU

UWB berupaya untuk lebih efisien memanfaatkan sumber daya spektrum yang langka.

Bagaimana teknologi UWB dapat menggunakan spektrum yang sama dengan sistem nirkabel yang ada tanpa menimbulkan interferensi? Hal ini dicapai dengan membatasi kepadatan spektral daya dari sinyal elektromagnetik yang dipancarkan oleh pemancar UWB.

Menurut FCC (pengatur frekuensi AS), kepadatan spektral daya pemancar UWB dalam ruangan 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 topeng spektral yang diamanatkan oleh FCC untuk pemancar UWB dalam ruangan.

Gambar 2. Masker spektral untuk pemancar UWB dalam ruangan. Gambar yang digunakan atas izin Jaringan dan Komunikasi Nirkabel Ultra-Wideband

UWB menawarkan keuntungan sehubungan dengan kecepatan transfer data, kekebalan terhadap efek multipath, akurasi jangkauan yang tinggi, konsumsi daya yang rendah, dan kesederhanaan implementasi. Mari pertimbangkan kelas sistem UWB yang disebut radio impuls untuk mendapatkan wawasan yang lebih baik tentang fitur utama teknologi ini.

Radio Impuls

Sementara sistem komunikasi pita sempit konvensional mentransmisikan bentuk gelombang kontinu, radio impuls mentransmisikan pulsa berdurasi sangat pendek (kurang dari 1 ns) untuk mengkomunikasikan informasi.

Setelah setiap pulsa, pemancar tetap "diam" untuk jangka waktu yang relatif lama. Misalnya, radio impuls mungkin hanya mentransmisikan satu pulsa 1-ns selama setiap interval waktu 100-ns. Dalam hal ini, kita katakan bahwa duty cycle adalah 1% (pulsa hanya ada 1% dari waktu transmisi).

Gambar 3. Urutan pulsa khas yang ditransmisikan oleh radio impuls

Pulsa ini dapat dimodulasi dengan cara yang berbeda untuk menyampaikan informasi. Gambar 4 di bawah menunjukkan bagaimana modulasi posisi pulsa dan modulasi dua fase mengubah urutan yang tidak termodulasi.

Gambar 4. Posisi pulsa dan modulasi bi-fase mengubah urutan yang tidak termodulasi. Gambar yang digunakan atas izin Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Perhatikan bahwa durasi waktu yang singkat sesuai dengan bandwidth yang lebar dalam domain frekuensi. Oleh karena itu, tergantung pada durasi sinyal, sinyal pita lebar akan dipancarkan oleh antena pemancar UWB.

Gambar 5. Sinyal yang ditransmisikan oleh radio impuls menempati pita frekuensi yang besar. Gambar yang digunakan atas izin Time Domain Corporation

Baik frekuensi tengah maupun lebar pita sinyal yang ditransmisikan sepenuhnya bergantung pada lebar pulsa.

Konsumsi Daya Rendah

Karena pulsa ditransmisikan hanya selama persentase kecil dari waktu transmisi, daya rata-rata yang dipancarkan oleh pemancar sangat rendah. Memiliki daya transmisi pada urutan mikrowatt, perangkat UWB dapat memperpanjang masa pakai baterai.

Kecepatan Data Tinggi

Meskipun daya yang dipancarkan dibatasi, UWB memungkinkan penggunaan spektrum pita sangat lebar tanpa izin. Ini memungkinkan kita untuk memiliki kecepatan data yang tinggi (>100Mbit/s). Namun, kecepatan data yang tinggi ini hanya dapat dicapai melalui jarak transmisi yang relatif pendek yaitu 10 m. Ini karena hanya daya yang sangat rendah yang dipancarkan untuk setiap bit informasi.

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

Sistem	Kecepatan 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 dalam ruangan yang sebanding. Data yang digunakan atas izin Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Kekuatan terhadap Efek Multipath

Sinyal UWB menunjukkan ketahanan yang lebih terhadap efek multipath daripada teknologi nirkabel konvensional. Asumsikan bahwa selain jalur langsung untuk perambatan gelombang elektromagnetik dari pemancar ke penerima, ada jalur lain yang disebabkan oleh pemantulan dari suatu objek.

Gambar 6. Penggambaran efek multipath

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

d =c x t

di mana c menunjukkan kecepatan gelombang elektromagnetik yang kira-kira 3✕10 ⁸ MS. Oleh karena itu, untuk setiap pulsa yang kita pancarkan, dua pulsa muncul di input penerima. Hal ini diilustrasikan pada Gambar 7 di mana pulsa yang ditransmisikan dan yang diterima ditunjukkan dalam satu diagram.

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

Pada gambar ini, kedua pulsa yang diterima mudah dikenali karena tidak saling tumpang tindih. Namun, ini tidak terjadi secara umum. Memeriksa gambar di atas, kita dapat melihat bahwa pulsa tidak akan mengganggu — hanya jika perbedaan penundaan antara dua jalur (t₁ -t₀ ) lebih besar dari lebar pulsa (PW).

Karena pulsa UWB memiliki durasi yang sangat pendek, pulsa yang datang dari jalur yang berbeda cenderung tidak mengganggu pulsa yang kita inginkan. Oleh karena itu, kita dapat dengan mudah mengekstrak sinyal yang diinginkan dari sinyal yang berasal dari pantulan yang tidak diinginkan. Ini memberi sistem UWB lebih banyak kekebalan terhadap efek multipath. Atau, energi dapat dijumlahkan oleh penerima rake.

Akurasi Jangkauan Tinggi

Seperti dibahas di atas, resolusi waktu yang tajam dari sinyal UWB memungkinkan kita untuk memiliki sistem yang dapat menyelesaikan komponen multipath tanpa menggunakan algoritma yang rumit. Hal ini membuat UWB cocok untuk aplikasi estimasi rentang berbasis waktu kedatangan.

Penting untuk disebutkan bahwa meskipun skema rentang waktu-basis ini mendapat manfaat dari resolusi waktu tinggi dari sinyal UWB, mereka memiliki keterbatasannya sendiri. Misalnya, karena pulsa UWB memiliki durasi yang sangat pendek, clock jitter menjadi faktor pembatas.

Kesimpulan

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