Evolução Wireless: Um Estudo Comparativo entre Ultra-Wideband e Bluetooth

Frederico Augusto Oliveira Rocha, Luís Augusto Mattos Mendes

Departamento de Ciência da Computação - DCC Universidade Presidente Antônio Carlos (UNIPAC) – Campus Magnus

Faculdade Regional de Ciências Exatas e Sociais de Barbacena (FACEC)

fredrocha@oi.com.br, luisaugustomendes@yahoo.com.br

Resumo: O objetivo desse artigo é apresentar a evolução das redes pessoais sem fio no âmbito da comparação entre as duas principais tecnologias atualmente: Bluetooth e Ultra-Wideband. A comparação é feita entre as topologias, estruturas, características do sinal, vantagens e desvantagens, aplicações e outras propriedades específicas de cada tecnologia.

Palavras-chave: Ultra-Wideband, UWB, Bluetooth, Wireless, Redes Sem Fio.

1. Introdução

Nos últimos anos, uma grande revolução na comunicação, vem acontecendo. Em empresas, assim como em locais públicos como aeroportos, restaurantes, hospitais e escolas, as tecnologias de redes sem fio já são amplamente utilizadas, possibilitando o amplo acesso a dados armazenados e à Internet, sem necessidade de custosas infra-estruturas de cabos de cobre ou fibra óptica. Um grande impulso no processo de inclusão digital pode ser gerado pelas redes wireless (redes sem fio), uma vez que tornam possível o acesso a baixo custo em banda larga, não só em grandes centros, como também em cidades do interior, bairros menos favorecidos, ambientes rurais, etc. Além disso, o mundo wireless continua a crescer à medida que os engenheiros desenvolvem tecnologias mais rápidas e robustas para nos livrar dos fios aumentando a simplicidade, conveniência e eficiência. De curto alcance a longo alcance, o cenário wireless tem tomado forma na vida de todos.

Uma das tecnologias de redes sem fio, conhecida como WPAN (wireless personal area network), é destinada ao uso em pequenas redes pessoais. Foi padronizada pelo grupo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) como padrão 802.15. Trata-se de um sistema de comunicação de envio de dados através do uso de rádio frequência com alcance limitado, sem fios, interligando equipamentos e acessórios wireless. Ainda neste artigo, entre todos os sistemas de comunicações WPAN existentes, serão analisados o Bluetooth que é a principal tecnologia utilizada atualmente e a promissora tecnologia Ultra-wideband (UWB).

Para melhor entendimento, este artigo será apresentado em seções da seguinte forma: a seção 2 mostra as caracteristicas do Bluetooth dando ênfase a topologia, estrutura, frequência e taxa de dados, vantagens e desvantagnes e as aplicações. Já o UWB será discutido na seção 3, apresentando também sua topologia, estrutura, frequência e taxa de dados, vantagens e desvantagens e as aplicações. A seção 4 apresenta as comparações entre as duas tecnologias. Finalizado na seção 5 com as considerações finais do trabalho.

2. Bluetooth

Bluetooth foi o nome escolhido pelos engenheiros da empresa Ericsson para essa tecnologia wireless em homenagem ao rei da Dinamarca, no final dos anos 900, Harald Blatand que era conhecido como Harald Bluetooth devido à coloração azulada que ele tinha em seus dentes. Harald Bluetooth ficou conhecido como unificador da Dinamarca, logo o significado de Bluetooth é unificação [1].

Foi idealizado para não se precisar mais conectar aparelhos por cabos. Essa idéia foi sendo aprimorada, a partir de 1994, quando a Ericsson começou a analisar uma interface de rádio com baixo custo e consumo chegando à conclusão que o potencial para aparelhos que utilizam ligações de rádio de curto alcance era praticamente ilimitado, sendo uma ótima forma de comunicação e custo benefício. Em 1998, as cinco grandes empresas Ericsson, IBM, Intel, Nokia e Toshiba formaram o consórcio “Bluetooth Special Interest Group” (SIG) com o objetivo de intensificar as pesquisas para conduzir e desenvolver a tecnologia sem fio. E por solicitação do SIG o IEEE 802 adotou as especificações do Bluetooth como um padrão IEEE 802.15.1 para “Wireless Personal Area Network” (WPAN). Em poucos anos esse consórcio cresceu incrivelmente e já conta com mais de 3000 companhias envolvidas o que permitiu uma ampla disseminação da tecnologia pelo mundo [1].

A tecnologia Bluetooth é, basicamente, um padrão para comunicação sem-fio de baixo custo e de curto alcance. Através dele, é possível conectar facilmente vários tipos de dispositivos de comunicação, tais como PCs, notebooks, palmtops, handhelds, impressoras, scanners, telefones celulares enfim, qualquer aparelho que possua um chip Bluetooth. De certa forma, é possível deixar até os eletrodomésticos de uma casa interligados. E toda essa conexão pode ser feita de forma simples e fácil, praticamente de maneira automática, sendo que não é preciso ligar os equipamentos por cabo. Isso deixa claro que o Bluetooth tem por objetivo permitir comunicação (tanto de dados como de voz) em tempo real, bastando apenas que os equipamentos suportem a tecnologia [1]. Ela é um padrão wireless globalmente disponível e já se encontra muito disseminada no mercado tecnológico.

2.1. Topologia

Bluetooth é um padrão IEEE 802.15.1 que foi gerado para permitir que dispositivos se associem formando redes de área pessoal (PAN) mais complexas, e expandindo assim a sua área de cobertura. Essa rede que é formada quando os dispositvos Bluetooth se comunicam também é conhecida como “piconet”, na qual podem existir até 8 dispositivos conectados enter si, sendo um mestre (master) e os demais escravos (escravo). Esses dispositivos são sincronizados de acordo com o relógio e com a sequência de salto de frequência (hopping) do mestre, que é o responsável pela conexão, mas como é um papel definido dinamicamente, pode haver trocas de mestre com escravo. Além disso, só pode haver comunicação entre o mestre e os demais escravos, nunca ocorrendo comunicação entre escravos. Uma vez estabelecida à rede, os dispositivos determinam um padrão de transmissão, usando os canais possíveis. Isto significa que os pacotes de dados serão transmitidos cada um em um canal diferente, numa ordem que apenas os dispositivos da rede conhecem [1].

A Figura 1[2] representa a estrutura básica de uma piconet, onde todos os dispositivos são conectados a um dispositivo mestre, não podendo haver conexão entre escravos.

Figura 1 - Estrutura básica de uma Piconet e de uma Scatternet [2]

Em uma determinada área podem existir várias redes Bluetooth Piconets independentes, pois cada piconet tem um dispositivo mestre, um relógio e uma sequência de salto de frequência independentes, ou seja, um canal físico diferente. Entretanto, um dispositivo Bluetooth pode participar simultâneamente em duas ou mais piconets aumentando assim os pontos de comunicação, apenas não podendo ser mestre de mais de uma piconet. Esse relacionamento entre as piconets permitem uma topologia dinâmica que é conhecida como Scatternet, conforme representado também na Figura 1 [2].

2.2. Estrutura

As informações que navegam pela rede são geralmente conhecidas como dados ou um pacote, que é uma unidade de informação logicamente agrupada que se deslocam entre sistemas. Esse deslocamento ocorre entre camadas que são compostas por protocolos, que são regras e convenções que governam a maneira de comunicação entre os dispositivos de uma rede, sendo cada protocolo definido em uma camada e com sua respectiva funcionalidade. Os protocolos controlam todos os aspectos de comunicação de dados, ou seja, como é construída a rede física, como os equipamentos são conectados a rede, como são formatados os dados para serem transmitidos, como são enviados os dados e como lidar com erros [3]. A estrutura do Bluetooth como de qualquer outra tecnologia de redes é composta por camadas e essas camadas por protocolos. A Figura 2 [4] apresenta as camadas de protocolo definidas pela especificação core (principal) do Bluetooth.

Figura 2 – Estrutura básica do Bluetooth [4]

O Bluetooth core pode ser divido nas seguintes camadas [5]:

• Logical Link Control Adaptation Protocol (L2CAP): Fornece serviços de conexão de dados com e sem conexão para as camadas superiores de protocolo. Executa funções de multiplexação, segmentação, controle de fluxo e de erro e gerenciamento de grupo. O L2CAP é utilizado para multiplexar canais lógicos em um único enlace físico.

• Gerência de Enlace (LMP): É a camada responsável pela codificação e decodificação dos pacotes Bluetooth do pacote de dados e parâmetros relacionados com o canal físico, transporte lógico e enlace lógico. Ela é responsável pelo estabelecimento de enlaces entre os vários dispositivos Bluetooth, controlando a negociação dos tamanhos de pacotes, chaves de segurança, modos de potência e estado de uma unidade na piconet.

• Banda Básica (Baseband): Fornece o suporte para o link de Rádio Frequência em funções como sincronização e salto de frequências e controle de acesso ao meio.

• Rádio (RF): É á parte de Rádio Frequência propriamente dita.

2.3. Frequência e taxa de dados

Por meio de ondas eletromagnéticas, conhecidas como ondas de rádio, é que escuta-se rádio, fala-se ao celular, assiste-se televisão, etc. O que varia nesses vários sistemas de comunicação é a frequência eletromagnética utilizada por cada um, as quais faixas dessa frequência são comumente chamadas de bandas.

No caso do Bluetooth, a rádio frequência opera em uma faixa ISM (faixa reservada por acordo internacional para o uso de dispositivos industriais, científicos e médicos) de 2.4 a 2.483 GHz. E devido a várias outras tecnologias operarem também nessa frequência, o Bluetooth usa uma técnica chamada salto de frequência de espalhamento espectral (FHSS) para resolver os problemas de interferência, ou seja, essa técnica praticamente impossibilita que mais de um dispositivo transmita na mesma frequência ao mesmo tempo. Com essa técnica FHSS os transmissores utilizam 79 diferentes canais de rádio espaçados de 1 MHz mudando a frequência aproximadamente

1600 vezes por segundo e com o uso automático de transmissão de espelhamento espectral, é muito improvável que dois transmissores compartilhem a mesma frequência simultaneamente [1].

A faixa de frequência ISM tornou-se popular para comunicações wireless, pois ela é mundialmente disponível e não requer licença (livre de pagamento de royalties, o que vem levando muitos fabricantes a se interessar pela tecnologia). Na faixa ISM, a tecnologia Bluetooth na versão 1.2 permite transmissões com velocidades aproximadas a 1Mbps e alcança um rendimento de aproximadamente 720 Kbps, já à versão 2.0 conhecida como Bluetooth EDR (Enhanced Data Rate) suporta taxa de transferência de até 2,1 Mbps, com o alcance de até 10 metros e a potência nominal de transmissão é 0 dBm/MHz [6].

2.4. Vantagens e desvantagens

Algumas vantagens são [2]:

• Com Bluetooth não é necessário usar conexões por cabo.

• Baixo custo para redes de curto alcance (chips baratos);

• Grande quantidade de dispositivos com chips Bluetooth, por exemplo celulares, notebooks, palmtops, impressoras, etc...;

• O Bluetooth suporta comunicação tanto por voz quanto por dados, sendo útil nas mais diversas aplicações;

• A tecnologia pode ser facilmente integrada aos protocolos de comunicação, como o TCP/IP, por exemplo.

Entretanto, apesar das vantagens expostas, o Bluetooth também apresenta desvantagens, são elas [2]:

• O número máximo de dispositivos que podem se conectar ao mesmo tempo é limitado, principalmente se compararmos com a rede cabeada;

• O alcance é bastante curto, por isso uma rede pode ser apenas local;

• A baixa taxa de transferência de dados inviabiliza muitas aplicações multimídias atuais.

2.5. Aplicações

Atualmente existem inúmeras aplicações para esta tecnologia. Na prática pode ser utilizada para todas as situações onde é exijido uma baixa taxa de transferência de dados e um curto alcance (geralmente menor que 10 metros). Algumas aplicações que podemos citar [1]:

• Substituição de cabos: a tecnologia Bluetooth substitui os cabos em uma grande variedade de interconexões. Por exemplo, os periféricos de um computador, tais como, mouse, teclado, impressoras, modems, fones e microfones sem fio.

• Saúde e esporte: relógios esportivos podem ser facilmente conectados à sensores situados no corpo, sapatilhas e outros utensílios de educação física, para colher informações sobre o batimento cardíaco, distância percorrida, velocidade e aceleração.

As informações serão enviadas a um celular, a um PC ou a um equipamento de monitoração, armazenadas e processadas.

• Sistema de saúde: equipamentos e sensores podem emitir informações vitais a saúde de um paciente, tais como pressão sanguínea e o nível de glicose para um celular ou para um PC. As informações podem ser armazenadas, processadas e as alertas podem ser enviadas para o celular do paciente ou até mesmo de quem cuida dele.

• Conectividade com a Internet: Bluetooth é suportado por uma grande variedade de equipamentos e aplicações, tais como, PDAs, notebooks, desktops, celulares e telefones fixos. A conexão com a internet é possível quando esses equipamentos se juntam para usar os recursos uns do outros. Por exemplo, um notebook usando uma conexão Bluetooth pode solicitar a um telefone celular para estabelecer uma conexão discada, daí o notebook pode acessar a internet através dessa conexão.

3. UWB

Embora, considerado às vezes como uma descoberta recente em comunicações wireless, a tecnologia UWB já possui na verdade uns 106 anos de desenvolvimento. Em 12 de dezembro de 1901, Marconi e Hertz descobriram a comunicação por rádio utilizando pulsos eletromagnéticos, ou seja, o primeiro sistema de comunicação wireless foi baseado em UWB. Alguns anos depois o estudo na área foi retomado devido ao interesse militar dos EUA na criação de radares mais eficazes e seguros. Já em 1962, Geral Ross descobriu a transmissão em banda básica (transmissão sem impulso), e lançou a tese do eletromagnetismo no domínio do tempo. Depois de 10 anos de estudos, Gerald Ross patenteou, então, a comunicação por UWB. Em 1978, ocorreu a primeira demonstração ao ar livre feita também por Ross. Em 1994, foram efetuados os primeiros programas de comunicação por UWB e, em 2002, a FCC (Federal Communications Commission) divulgou o relatório de aceitação da UWB. Atualmente a esta tecnologia de impulsos, tem despertado grande interesse da indústria de eletrônica e da comunidade científica internacional, por possibilitar significativos avanços tecnológicos a diversos campos do conhecimento humano, inclusive telecomunicações [9].

A UWB é uma tecnologia de transmissão de dados sem fio que representa uma nova frequência, capaz de transmitir dados numa velocidade de até 1 Gbps(gigabit por segundo), consumindo pouquíssima energia e podendo funcionar simultaneamente com as bandas dos sistemas de comunicação atuais, sem provocar interferência significativa [9].

3.1. Topologia

Ultra-Wideband é um padrão IEEE 802.15.3 que foi gerado para permitir que dispositivos se associem formando redes wireless de área pessoal (WPAN). Quando os dispositivos UWB se associam e formam uma WPAN recebe o nome de piconet, ou seja, piconet é um sistema de comunicações de dados sem fio que permite que uma série de dispositivos independentes de dados, conhecidos como DEVs (devices), se comuniquem uns com os outros. Esses DEVs são os componentes básicos de uma piconet, sendo que um dos DEVs deve assumir o papel de coordenador, chamado como PNC (piconet coordinator ou piconet controler). O PNC possui várias funções, tais como, administrar requisitos de qualidade de serviço (QoS), modos de economia de

energia, controle de acesso e temporização da piconet através de beacons, que possui como uma das funções providenciar a sincronização do tempo. Uma piconet possui apenas um PNC e até 243 DEVs, podendo ter ao mesmo tempo somente 7 DEVs ativos [7]. A Figura 3 [7] representa a estrutura de um piconet.

Figura 3 - Estrutura básica de uma Piconet UWB [7]

O padrão 802.15.3 define três tipos de piconets [7]:

• Piconet Dependente: requer tempo de alocação e sincronismo na piconet pai (mesmo canal de frequência).

o Piconet filha tem o PNC como elemento da piconet pai, ou seja, pode trocar dados com o PNC da piconet pai, sendo útil tanto para estender a área de cobertura como para transferir alguns requisitos computacionais ou memória para outro DEV capaz de ser PNC.

o Piconet vizinha, o PNC não deve ser elemento da piconet pai, apenas compartilha o canal entre diferentes piconets.

• Piconet Independente: não possui piconets dependentes.

• Piconet Pai: há uma ou mais piconets dependentes.

Uma piconet inicia quando um DEV tem a capacidade de ser um PNC, verificando canais disponíveis. Quando este encontra um canal livre, envia um beacon que tem como outra função transmitir mensagem de sinalização para assegurar que o canal está vazio. Sempre que um DEV se associa a uma piconet, o PNC verifica a sua eficiência. Quando a eficiência do novo DEV for maior que a do PNC ou quando o PNC é desligado ou quer deixar a piconet, são realizados processos de handshaking e de associação, ou seja, o PNC transfere suas responsabilidades (políticas de segurança, coordenação, etc...) a este novo DEV. No entanto, quando a eficiência do novo DEV for menor que a do PNC, o DEV poderá trocar informações com os outros DEVs da piconet, somente após o PNC enviar informações em broadcast ao outros DEVs sobre a existência do novo DEV. O conjunto de piconets UWB é chamado Peer-to-peer.

3.2. Estrutura

A tecnologia Ultra-Wideband também é composta por camadas e essas camadas por protocolos, para que haja um controle de todos os aspectos na comunicação entre os dispositivos UWB de uma rede. A Figura 4 [8] apresenta camadas de protocolo definidas pela especificação core (principal) do UWB. As camadas definidas pela Core

correspondem às camadas de convergência, MAC (Medium Access Control) e PHY (Physical) [9].

Figura 4 - Estrutura básica da UWB [8]

As principais camadas da estrutura da Ultra-Wideband são[9]:

• Convergence Layer (camada de convergência): essa camada serve como uma interface entre a camada MAC e as aplicações baseadas na tecnologia UWB.

• MAC (Media Access Control): Dentro da camada de enlace, muito citada apenas como MAC na literatura, de redes sem fio, o ponto principal é realizar o controle de acesso ao canal, e garantir qualidade de Serviço (QoS) e segurança [10]. As principais questões a serem abordadas pela camada de controle de acesso ao meio incluem coexistência, interoperabilidade e suporte para posicionamento / monitoramento.

o Coexistência: A proliferação de dispositivos UWB e de largas variações de taxas de dados e complexidades exigirá o desenvolvimento de estratégias de coexistência, para ignorar ou operar na proximidade de outros dispositivos do mesmo tipo ou não.

o Interoperabilidade: capacidade de inter operar com outros dispositivos, garantindo a troca e a cooperação de dados entre dispositivos de taxa de dados diferentes e classes de QoS (qualidade de serviço) ou complexidade.

o Posicionamento e localização: consiste no aperfeiçoamento da precisão do tempo de posicionamento, trocando informações de posicionamento entre os dispositivos.

• PHY (camada física): nessa camada as transmissões de rádio são formatadas em uma faixa de frequência e através de um canal as informações básicas são transmitidas e recebidas, não fazendo distinção dos bits e disponibilizando somente um stream de bits para a camada superior (MAC).

3.3. Frequência e taxa de dados

A tecnologia UWB foi padronizada primeiramente como IEE 802.15.3, que possui taxa de transmissão de 10 a 55 Mbps, com o alcance de 30 a 50 metros e com a faixa de

frequência de 2,4 GHz ISM, mas com o avanço tecnológico houve uma nova padronização que é a IEEE 802.15.3a, que é exclusiva em usar o recém espectro de frequência legalizado de 3,1 GHz a 10,6 GHz ISM, possuindo uma banda de 7,5 Ghz de largura, com taxas de transmissão de 110 a 480 Mbps e com um alcance menor em torno de 10 metros, podendo atingir um máximo de potência de saída de -41.3 dBm/MHz devido os regulamentos da FCC [10].

De acordo com FUJIMURA [11] “O espectro de um sinal UWB é o maior ponto de discussão que confronta a indústria e o governo para a utilização comercial do UWB. Toda a comunicação de rádio está sujeita a diferentes leis e regulamentações sobre as potências de saída em certas bandas de frequência. Essa regulamentação previne a interferência em outros usuários ou sistemas que estejam na vizinhança ou estejam utilizando a mesma frequência. Sistemas UWB cobrem um espectro largo e podem então interferir em sistemas que estejam localizados nas proximidades. No intuito de reduzir ao mínimo este tipo de situação, o FCC especificou máscaras espectrais para diferentes aplicações. Estas máscaras espectrais mostram a potência de saída permitida para determinadas frequências”. Na Figura 5 [11] é mostrada uma máscara espectral para sistemas UWB indoor.

Figura 5 - Máscara espectral para sistemas UWB indoor [11]

Um transmissor UWB envia bilhões de pulsos através de um amplo espectro de frequência, de vários GHz na largura de banda. O receptor correspondente, então, converte os pulsos em dados ao ouvir uma seqüência conhecida de pulsos enviada pelo transmissor. Especificamente, o UWB é definido como qualquer tecnologia de rádio com um espectro que ocupa mais de 20% da frequência central ou uma largura de banda de pelo menos 500 MHz [11].

Para a tecnologia UWB proporcionar um ambiente multibanda, em cada faixa de frequência deve ser condicionado diferentes tipos de modulação. Entre os possíveis e mais coerentes métodos de modulação, o OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é o mais indicado. OFDM é uma das técnicas de modulação mais utilizadas nos modernos sistemas de banda ultra larga. Além do mais, a utilização de várias bandas conciliadas com a modulação OFDM pode trazer muitas vantagens para

esses sistemas, permitindo uma boa coexistência com os sistemas de banda estreita, como o Bluetooth [11].

Em 2003 foi formado o grupo MBOA (MultiBand OFDM Alliance) para aprimorar a tecnologia UWB. Depois de vários estudos eles abordaram que o espectro UWB de 7,5 GHz disponível é dividido em 14 bandas, cada uma de 528 MHz, permitindo selecionar bandas de determinadas faixas de frequência, deixando outras partes do espectro sem utilização. Esse dinamismo da rádio UWB de atuar em certas áreas do espectro é muito importante, pois pode-se adequar às regulamentações impostas pelos governos no mundo inteiro [11].

A Figura 6 [12] representa o modelo multibanda com cinco canais lógicos proposto pela MBOA. As primeiras 12 bandas são formadas por 4 canais compostos de 3 bandas, e as duas últimas bandas formam o 5º canal. O Canal 1 é obrigatório para todos os dispositivos UWB. Nesse esquema de múltiplo acesso, a largura de banda é dividida em várias sub-bandas (multiband), enquanto os dados são transmitidos, devido ao uso da modulação OFDM em sub-portadoras de frequência diferentes, que podem ser sobrepostas em até 50 %, sem haver interferência equivalente, resultando em aumento da eficiência espectral.

Figura 6 – UWB MultiBand OFDM [12]

3.4. Vantagens e desvantagens

Vantagens do uso desta tecnologia [13]: • Habilidade em compartilhar o espectro de rádio frequência: os sistemas UWB

transmitem trens de pulsos de curta duração e baixíssima energia ao longo de uma extensa faixa espectral, possibilitando que o sinal UWB seja detectado em ambientes com elevada intensidade de interferência eletromagnética (EMI), tipicamente em ambientes metropolitanos fechados, onde há ocorrência de elevada EMI ao longo de todo o espectro.

• Grande capacidade de canal: devido às características do sinal UWB, a taxa máxima de dados possível de ser transferida é superior em relação aos outros sistemas sem fio. Os sistemas UWB apresentam uma potência máxima irradiada ao longo do seu espectro de 7,5GHz extremamente baixa (veja máscara espectral, Figura 6), resultando em um sistema com características de transmissão de dados limitado a curtas distâncias (máxima em torno 10 a 20 metros). Isto faz dos sistemas UWB candidatos promissores para soluções de redes sem fio pessoais locais (WPAN) que devem conjugar alta taxa de transferência de dados com reduzida cobertura e intensidade de EMI.

• Habilidade de operar com relação sinal-ruído baixa: sistemas de comunicação UWB são capazes de operar satisfatoriamente em canais de comunicação com baixos valores de SNR (sinal ruído) e ainda oferecem uma grande capacidade de canal como resultado da grande largura de banda.

• Baixa probabilidade de interceptação e detecção: devido à sua baixa densidade espectral de potência de transmissão, sistemas UWB apresentam imunidade inerente à detecção e interceptação. Além disto, esquemas de modulação apropriados adicionam nível de imunidade à interceptação aos pulsos UWB ainda maior.

• Propriedades de penetração superior: sistemas UWB podem penetrar eficientemente através de diferentes materiais, pois o espectro do sinal UWB estende-se desde algumas dezenas de MHz até unidades de GHz. Assim, as componentes de baixas frequências (comprimentos de onda elevados) do espectro UWB, penetram em uma certa variedade de materiais, incluindo paredes.

• Arquitetura simples do transceptor: uma vez que o sistema UWB baseado em sinais impulsivos (I-UWB) não requer frequência de portadora específica para modular os dados, são necessários menos componentes de RF para transmissão: não há a necessidade de misturadores e osciladores locais; conseqüentemente, a recuperação da portadora na recepção não se faz necessária. Adicionalmente, a transmissão de pulsos de baixa potência elimina o requisito do amplificador de potência (PA - power amplifier) em transmissores UWB. Por essas razões, sua arquitetura é mais simples, com menor consumo de potência e de custo menor do que a dos transceptores de banda estreita ou larga que utilizam portadora.

É muito difícil encontrar uma tecnologia que só traga vantagens. Alguns desafios no desenvolvimento da tecnologia UWB incluem [13]:

• Variação da potência recebida ao longo do espectro UWB: a potência recebida deve se adaptar à máscara espectral definida nos padrões europeu ou norte-americano como exibido na Figura 6. Conseqüentemente, essas variações drásticas na potência recebida conforme a faixa de frequência causarão distorções na forma de onda do pulso recebido. Isto limitará o desempenho dos receptores UWB baseados na correlação dos pulsos recebidos com um modelo / réplica predefinido (filtros casados convencionais).

• Estimação de canal UWB: a estimação do canal em sistemas UWB é excessivamente complexa. A resposta impulsiva típica do canal UWB apresenta uma excessiva quantidade de percursos com perfil atraso-potência aproximadamente uniforme o que implica na necessidade de processar uma elevada quantidade de percursos de baixíssima potência no receptor, tendo em vista recuperar uma percentagem expressiva da energia total do sinal.

• Sincronismo: o sincronismo temporal entre o transmissor e o receptor é afetado pela curta duração dos pulsos, além da dificuldade natural de captura de pulsos de baixa potência.

• Detecção do sinal: Em ambientes de múltiplo acesso, a detecção de sinais UWB deve considerar algum esquema capaz de prover redução, ou mesmo eliminação da interferência de múltiplo acesso (MAI - multiple access interference), gerada pelos demais sinais interferentes sobre o sinal de interesse. A inclusão desses esquemas eleva a complexidade de implementação dos sistemas UWB.

3.5. Aplicações

Aplicações utilizando a tecnologia UWB já foram desenvolvidas nas áreas militar e governamental (utilização de radares, por exemplo) e mostraram ser viáveis, além de já serem usadas. O uso da tecnologia UWB em aplicações comerciais é recente. Equipamentos para o mercado consumidor sempre são desenvolvidos em uma segunda etapa (após a utilização militar e governamental). No entanto, muitas empresas voltadas ao mercado consumidor eletrônico estão desenvolvendo conjuntos de circuitos integrados (chipsets) e aplicações sem fio que utilizarão a camada física do UWB [11].

A seguir serão citadas algumas aplicações baseadas na tecnologia UWB.

• Rede sem fio de área pessoal com alta taxa de dados (HDR-WPAN, High-data-rate wireless personal area network): redes com uma densidade média de dispositivos ativos por sala (5-10) transmitindo em taxa de dados de 100-500 Mbps em uma distância entre 1 e 10 m, principalmente baseados em uma topologia ponto-a-ponto e utilizando repetição / ponte para comunicação com outros padrões (com ou sem fios) existentes. Há a necessidade de se definir cuidadosamente a interface e a adaptação entre os modos local e remoto, como, por exemplo, um padrão que é limitado a utilizar baixa taxa de dados (por exemplo, WAN). A Figura 7 [14] é um exemplo ilustrativo deste tipo de rede.

Figura 7: Cenário de uma HDR-WPAN em ambiente fechado [14].

• Conexão de interface ethernet sem fio (WEIL - Wireless Ethernet interface link): trata-se de uma extensão do conceito de transmissão HDR (alta taxa de dados) para taxas de dados extremamente altas (por exemplo, 1 Gbps, 2,5 Gbps), em distâncias muito curtas (isto é, no máximo alguns metros). O conceito WEIL pode atender uma demanda específica:

(a) Fabricantes de PC solicitam uma substituição dos cabos de Ethernet por sistemas sem fios.

(b) Firmas de eletrônicos de consumo requerem uma capacidade de transferência de vídeo sem fios de alta qualidade entre um PC e uma tela de LCD, tal como para interface vídeo digital sem fios (DVI - digital video interface).

Esta última aplicação representa a maior parte da demanda, e são necessárias pesquisas para determinar se é factível dentro dos limites de potência atuais.

• Rede sem fios inteligente (IWAN - Intelligent wireless area network): é caracterizada por uma alta densidade de dispositivos em um ambiente doméstico ou escritório, cobrindo distâncias da ordem de 30 m. As exigências principais dos dispositivos são: baixo custo (< 1 dólar / unidade) e baixo consumo de potência (1-10 mW) para fornecer acesso distribuído inteligente na casa ou escritório. Os dispositivos serão capazes de rastrear a posição exata de algo em questão, de acordo com a necessidade (por exemplo, o rastreamento de bens e / ou pessoas, zonas perigosas, etc), o que não é prontamente realizável com as gerações atuais de redes de curto alcance de banda estreita. A Figura 8 [14] é um exemplo ilustrativo deste tipo de rede.

Figura 8: Cenário de uma IWAN em ambiente fechado [14].

• Rede de identificação, posicionamento, e sensor (SPIN - Sensor, positioning, and identification network): sistema caracterizado por uma alta densidade (centenas) de dispositivos (sensores inteligentes) em fábricas, industriais ou depósitos, que transmitem dados de baixa taxa combinados à informação de posição (por exemplo, taxa de dados de Mbps e exatidão de posição dentro de 1 m). Os dispositivos de uma SPIN funcionam em distâncias médias a longas (tipicamente 100 m) entre dispositivos individuais e uma estação mestre com uma topologia escravo-mestre típica. Em aplicações industriais, as SPINs necessitam de um alto nível de confiança de conexão e características de sistema adaptáveis para fornecer robustez a modificações, interferências e perdas devido ao ambiente de propagação.

4. Comparações

De acordo com as informações registradas, foi construída uma tabela (Tabela 1), com as principais características de cada tecnologia. Observa-se também que o UWB segue o mesmo principio que o Bluetooth, sendo uma tecnologia para a comunicação sem fio entre dispositivos eletrônicos a curtas distâncias (WPAN).

UWB Bluetooth Padrão 802.15.3a 802.15.1 Uso WPAN WPAN Rede 244, mas só 8 dispositivos ativos 8 dispositivos Scatternet Peer-to-peer Espectro ISM 3.1 - 10.6GHz 2.4GHz Taxa de dados 110 – 480 Mbps Até 2.1 Mbps

Largura de banda do canal Mínimo 500 MHz e máximo 7,5 GHz 1 MHz N° de canais de RF 5 79

Modulação OFDM FHSS

Potência -41.3 dBm/MHz 0 dBm/MHz

Alcance médio 10 metros 10 metros

Tabela 1: Comparações entre UWB e Bluetooth.

O número máximo de dispositivos em uma rede UWB (piconet) é 244 podendo estar ativo ao mesmo instante somente 8 (1 PNC e 7 DEV) e os demais em standby (em espera), já uma piconet Bluetooth pode ter no máximo 8 dispositivos (1 mestre e 7 escravos). A grande largura de banda do UWB possibilita um maior número de equipamentos em uma piconet. Outro diferencial da rede UWB é a utilização de beacons que aumenta a eficiência de sincronização entre os dispositivos. A rede dinâmica do UWB é chamada Peer-to-peer e a do Bluetooth se chama Scarttenet.

O espectro de frequência do UWB é entre 3.1 à 10.6 GHz o que propicia uma ampla largura de banda de 500 MHz a 7,5 GHz (banda ultralarga). Enquanto o Bluetooth possui um espectro estreito de 2.4 GHz e uma largura de banda de 1 MHz. A comparação entre os dois espectros é demonstrada na Figura 9 [11]. Devido ao extenso espectro de frequência o UWB apresenta propriedades superiores de penetração (paredes, móveis, etc...) e de percursos resolvíveis.

Figura 9: Espectros – UWB e Bluetooth [11].

A tecnologia UWB utiliza o método de modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) com 5 canais de rádio frequência dividindo o

espectro de 7.5 GHz em 14 bandas de 528 MHz para aumentar o dinamismo do espectro e permitir selecionar determinadas faixas de frequência para comunicação, resultando em uma grande eficiência espectral e em baixa probabilidade de interceptação e detecção de sinal. No entanto, o Bluetooth usa a técnica de modulação FHSS (frequência de espalhamento espectral) em uma largura de banda de 1 MHz com 79 canais diferentes de rádio e mudando a frequência 1600 vezes por segundo para evitar que dois dispositivos compartilhem a mesma frequência ao mesmo tempo. Mesmo usando a técnica FHSS a probabilidade de problemas de interferência na comunicação de dispositivos Bluetooth é muito maior do que a UWB, pois a banda é muito estreita (1 MHz).

A taxa de transferência do UWB é de 110 a 480 Mbps com o alcance médio de 10 metros. Porém, a taxa do Bluetooth é muito inferior chegando ao máximo a 2.1 Mbps e com o alcance médio de 10 metros, como mostra a Figura 10 [11]. A baixa taxa de transferência do Bluetooth inviabiliza muitas das aplicações multimídias atuais. No entanto, a elevada taxa de transferência faz com que o UWB seja ideal para rede multimídia sem fio local, pois proporciona qualidade de serviço suficiente para distribuição em tempo real de voz e de dados.

Figura 10: Taxa x Alcance – UWB e Bluetooth [11].

De acordo com regulamentos da FCC (Federal Communications Commission) o UWB pode emitir um máximo de potência de -41.3 dBm/MHz, já o Bluetooth a potência de 0 dBm/MHz. Devido à baixa potência não é preciso ter amplificador de potência nos transmissores UWB, o que faz com que ele tenha uma arquitetura mais simples, com menor consumo e custo.

Em suma, a frequência de operação do UWB pode estar compreendido entre 3,1 e 10,6GHz, que é espectro muito mais amplo do que o Bluetooth (2,4 GHz). Além disso, a combinação da rápida transmissão de sinais, da ampla largura de banda (500 à 7,5 GHz), da baixa potência e da maior facilidade de penetração permite que o UWB consuma menos energia e consiga taxas de transmissão (110 à 480 Mbps) muito mais altas que o Bluetooth (2.1 Mbps) e que qualquer outro tipo de conexão wireless WPAN.

5. Considerações finais

Devido a esses fatos, concluí-se que a tecnologia UWB veio para complementar as redes sem fio já em utilização em ambientes de rede pessoal local ao somar às características destas uma alta taxa de bits, um baixo consumo de energia e uma conectividade com os sistemas de comunicação atuais sem provocar interferências significativas, principalmente no que diz respeito ao conteúdo multimídia, computadores pessoais e dispositivos celulares, etc... Esta combinação permitirá uma boa convergência entre computadores, comunicação móvel e produtos eletrônicos.

O passo inicial para a convergência entre essas tecnologias aconteceu em 28 de Março de 2006, quando o Bluetooth SIG anunciou parceria com a WinMedia Alliance (regulamentadora do padrão UWB), para adotar a tecnologia Ultra-wideband em seu padrão. A integração da tecnologia UWB ao Bluetooth está prevista para a versão 3.0 [1]. Entretanto, apesar de ser uma tecnologia ainda desconhecida pela maioria, acredita-se que daqui uns anos essa nova tecnologia comercial de comunicações representará um mercado promissor de bilhões de dólares.

6. Referências Bibliográficas

[1] BLUETOOTH SIG. Bluetooth. Disponível em: http://www.bluetooth.com/bluetooth/. Acessado em: 13/09/2009.

[2] ALECRIM, Emerson. Tecnologia Bluetooth. Disponível em: http://www.infowester.com . Acessado em: 03/09/2009.

[3] CISCO. CCNA 1: Networking Basics - 3.1. Disponível em: http://www.cisco.com/web/learning/netacad/index.html . Acessado em: 15/09/2009.

[4] LOUREIRO, A. A. F., NOGUEIRA, J. M. S., RUIZ, L. B., MINI, R. A. F., NAKAMURA, E. F. e FIGUEIREDO C. M. S. (2003). Redes de Sensores Sem Fio. Disponível em: http://www.dcc.ufmg.br/~loureiro/cm/docs/sbrc03.pdf . Acessado em: 05/09/2009.

[5] TUDE, Eduardo. Bluetooth. Disponível em: http://www.teleco.com.br . Acessado em: 20/09/2009.

[6] KARYGIANNIS, Tom e OWENS, Les. Wireless Network Security. Disponível em: http://www.governmentsecurity.org/articles/articles2/sp-800-48.pdf_fl/ . Acessado em: 10/09/2009.

[7] LARC - Laboratório de Arquitetura e Redes de Computadores da Escola Politécnica da USP. Tecnologias de Redes WPAN - Ultra Wide Band. Disponível em: http://www.redes.usp.br/conteudo/documentos/4-UWB.pdf . Acessado em: 17/06/2009.

[8] INTEL. Ultra-Wideband (UWB) Technology. Disponível em: http://www.usb.org/developers/wusb/docs/Ultra-Wideband.pdf . Acessado em: 05/06/2009.

[9] OPPERMANN, Ian, HAMALAINEN, Matti e LINATTI, Jarí. UWB Theory and Applications. England: John Wiley & Sons Ltd, 2004.

[10] MATTOS, Luiza Curi. Ultra Wideband . Disponível em: http://www.gta.ufrj.br/grad/04_2/uwb . Acessado em: 05/04/2009.

[11] FUJIMURA, Carlos Alexandre e GARCIA, Robson Velasco. UWB. Disponível em: www.teleco.com.br. Publicado em: 27/02/2006. Acesso em 15 de Maio de 2009.

[12] YOO, Sang-Jo. UWB-based Networking and Applications. Disponível em: http://mmlab.snu.ac.kr/links/hsn/workshop/hsn2005/document/session7/7_2.pdf. Acessado em: 03/09/2009.

[13] NEKOOGAR, F. Ultra-Wideband Communications: Fundamentals and Applications. United States: Prentice Hall, 2005.

[14] TSANG, T. K. K.; EL-GAMAL, M. N. Ultra-wideband (uwb) communications systems: an overview. Quebec, Canadá: IEEE, 2005.