La convergencia de la radiofrecuencia

28 julio, 2022
Foto: Stefano Ferrario en Pixabay.

(Més avall trobareu la versió en català d’aquest contingut: La convergència de la ràdio-freqüència.)

El concepto de redes inalámbricas multifuncionales o convergencia de radiofrecuencia está ganando impulso gracias a la miniaturización de la electrónica de microondas, el aumento de las capacidades para integrar sistemas de radio electrónicos en distintos sustratos físicos y mecánicos, el aumento de capacidad de procesamiento de señal en el nodo, los nuevos diseños de antena virtualizada, y la capacidad de computación en la nube que permite el post-procesamiento inteligente de la señal.

Con este concepto se busca el diseño de sistemas radio multifunción con el objetivo de lograr una mayor eficiencia espectral, fiabilidad y capacidades del sistema en comparación con los sistemas actuales, donde una funcionalidad concreta se vincula a una banda del espectro. Por ejemplo, un sistema multifunción puede combinar la funcionalidad del radar, las comunicaciones y sistemas de posicionamiento, navegación y distribución de tiempo ejecutando conjuntamente múltiples funciones de radio. Los enfoques de convergencia espectral de radiofrecuencia, que son contrarios al enfoque tradicional de coexistencia de obligar a diferentes sistemas a operar aislados espectralmente, ponen de manifiesto la necesidad de un enfoque más dinámico de la gestión del espectro. Además, las limitaciones del hardware heredado nos han llevado al diseño de muchos sistemas de una sola función que funcionan simultáneamente, una solución ineficiente, especialmente cuando el hardware moderno es capaz de realizar múltiples funciones en el mismo espectro.

En el ámbito de la investigación se está trabajando en sistemas de radio que operan en las bandas de ondas milimétricas y se desarrollan conceptos emergentes en las bandas de TeraHertz, donde se abren nuevas oportunidades de detección y comunicación sobre la base de conceptos derivados de los campos del radar y del procesamiento de imágenes [1]. La enorme capacidad de estas bandas y el conocimiento bien establecido en los campos de la tecnología de radar y del procesamiento de imagen están mostrando oportunidades interesantes para utilizar señales de radio como sensores, normalmente para la presencia, seguimiento o la detección [2].

En las bandas UHF (de 300 MHz a 3 GHz), donde la tecnología ya está consolidada, también existen oportunidades para la convergencia de los sistemas radio actuales. Las tecnologías más habituales que utilizan las bandas UHF incluyen redes celulares (3G/4G/5G), sistemas de posicionamiento (GPS), sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID), redes inalámbricas de área local (WLAN) como WiFi (IEEE802.11), redes inalámbricas de área personal (WPAN) como Bluetooth (IEEE802.15.1), y redes inalámbricas de bajo consumo y largo alcance (LPWAN) como LoRa/LoRaWAN, entre otras muchas. La habilitación del doble uso de estas tecnologías puede apoyar aplicaciones nuevas que reutilicen la infraestructura y los dispositivos existentes. Sin embargo, debido a la naturaleza de estas señales, con longitudes de onda a escala decimétrica, ancho de banda disponible limitado y el uso masificado de algunas bandas UHF, es necesario afrontar retos de precisión, integración y rendimiento para una aplicabilidad realista del concepto.

Ya se han explorado múltiples funcionalidades en radios individuales para algunas de estas tecnologías. Por ejemplo, ha habido reciente actividad en la definición de modelos de propagación Wi-Fi precisos para revelar las propiedades de propagación de la radio y utilizar estas propiedades para el reconocimiento del comportamiento humano [3]. Los enfoques alternativos se basan en el reconocimiento de patrones, con el objetivo de inferir relaciones entre la actividad humana y la señal, basándose en la observación de diversas características de la señal (por ejemplo, es sabido que el movimiento provoca fluctuaciones de la fuerza de la señal). Sin embargo, los modelos de reconocimiento de patrones dan lugar a resultados inconsistentes si las condiciones varían de una configuración a otra [3].

Figura 1. Sistema de posicionamiento por ángulo de llegada. Explota un tono constante que permite determinar la variación de la fase percibida por la matriz de antenas y determinar el ángulo de llegada de la señal. El paquete de radio podría al mismo tiempo transmitir información de aplicación.

En el campo de la localización en interiores, estas ideas de convergencia de la radiofrecuencia ya se han normalizado. En particular, como parte de la especificación Bluetooth Low Energy 5.1 se integran técnicas de búsqueda de dirección (Direction Finding en inglés). Estas integraciones se basan en modelos de señal y la capacidad de observarlos desde diferentes perspectivas (por ejemplo, matrices de antenas) combinados con patrones de símbolos específicos en el paquete utilizado durante la transmisión (extensión de tono constante) [4].

Como otra posibilidad, el uso de sistemas de radiofrecuencia como sensores físicos es todavía un tema emergente, con diversos enfoques en el ámbito de los sistemas pasivos. La RFID es una de las tecnologías más adecuadas para capturar las variaciones del entorno físico mediante la observación de radiofrecuencia. Recientemente, se ha demostrado un sensor pasivo de humedad implementado con etiquetas RFID [5].

Figura 2. Tag RFID incrustado en sustrato hydrofil. La respuesta al estímulo electromagnético varía en función del nivel de humedad del sustrato. La respuesta es el identificador único del tag. Observando la variación de la potencia y fase de la señal se puede determinar la humedad en el sustrato [5].

En este artículo hemos dado una pincelada sobre el concepto de convergencia de radiofrecuencia, un concepto que seguro se extenderá durante los próximos años. El uso dual o incluso múltiple de infraestructuras, habilitado por los conceptos de convergencia de radiofrecuencia, puede tener un impacto importante en la digitalización de las industrias, infraestructuras y edificios, especialmente con aquellas tecnologías en las que existe una base de infraestructuras existentes. Por otra parte, dar un doble uso a una infraestructura de comunicación puede comportar un ahorro energético y de costes y posiblemente retrasar la obsolescencia de las infraestructuras digitales, contribuyendo de alguna forma a una digitalización más sostenible.


Referencias

[1] B. Paul, A. R. Chiriyath, and D. W. Bliss, “Survey of rf communications and sensing convergence research,” IEEE Access, vol. 5, pp. 252–270, 2017.

[2] T. Wild, V. Braun, and H. Viswanathan, “Joint design of communication and sensing for beyond 5g and 6g systems,” IEEE Access, vol. 9, pp. 30 845–30 857, 2021.

[3] D. Wu, D. Zhang, C. Xu, H. Wang, and X. Li, “Device-free wifi human sensing: From pattern-based to model-based approaches,” IEEE Communications Magazine, vol. 55, no. 10, pp. 91–97, 2017.

[4] M. Woolley, “Bluetooth core specification v5.1 feature overview,” 2019. [Online]. Available: https://www.bluetooth.com/bluetooth-resources/bluetooth-core-specification-v5-1-feature-overview/

[5] Lejarreta-Andres, Jon, Joan Melia-Segui, and Xavier Vilajosana. «WiLD: Wireless Passive Moisture Sensing Under Moving Conditions for Smart Manufacturing.» IEEE Sensors Journal 21.17 (2021): 19541-19549.

La convergència de la ràdio-freqüència

El concepte de xarxes sense fils multifuncionals o convergència de ràdio-freqüència està guanyant impuls gràcies a la miniaturització de l’electrònica de microones, l’augment de les capacitats per integrar sistemes de ràdio electrònics en diferents substrats físics i mecànics, l’augment de capacitat de processament de senyal al node, els nous dissenys d’antena virtualitzada, i la capacitat de computació en el núvol que permet el postprocessament intel·ligent del senyal. 

Amb aquest concepte es busca el disseny de sistemes ràdio multifunció amb l’objectiu d’assolir més eficiència espectral, fiabilitat i capacitats del sistema en comparació amb els sistemes actuals, on una funcionalitat concreta es vincula a una banda de l’espectre.  Per exemple, un sistema multifunció pot combinar la funcionalitat del radar, les comunicacions i els sistemes de posicionament, navegació i distribució de temps executant conjuntament múltiples funcions de ràdio.  Els enfocaments de convergència espectral de ràdio-freqüència, que són contraris a l’enfocament tradicional de coexistència d’obligar diferents sistemes a operar aïllats espectralment, posa de manifest la necessitat d’un enfocament més dinàmic de la gestió de l’espectre. A més, les limitacions del maquinari heretat ens han portat al disseny de molts sistemes d’una sola funció que funcionen simultàniament, una solució ineficient, especialment quan el maquinari modern és capaç de realitzar múltiples funcions en el mateix espectre.

En l’àmbit d’investigació s’està treballant en sistemes de ràdio que operen a les bandes d’ones mil·limètriques i es desenvolupen conceptes emergents en les bandes de TeraHertz, on s’obren noves oportunitats de detecció i comunicació basant-se en conceptes derivats dels camps del radar i del processament d’imatges [1]. L’enorme capacitat d’aquestes bandes i el coneixement ben establert en els camps de la tecnologia de radar i del processament d’imatge estan mostrant oportunitats interessants per utilitzar senyals de ràdio com a sensors, normalment per a la presència, el seguiment o la detecció [2].

A les bandes UHF (de 300 MHz a 3 GHz), on la tecnologia ja és consolidada, també hi ha oportunitats per a la convergència dels sistemes ràdio actuals. Les tecnologies més habituals que fan servir les bandes UHF inclouen xarxes cel·lulars (3G/4G/5G), sistemes de posicionament (GPS), sistemes d’identificació per radiofreqüència (RFID), xarxes sense fils d’àrea local (WLAN) com WiFi (IEEE802.11), xarxes sense fils d’àrea personal (WPAN) com Bluetooth (IEEE802.15.1), i xarxes sense fils de baix consum i llarg abast (LPWAN) com LoRa/LoRaWAN, entre molts altres. L’habilitació del doble ús d’aquestes tecnologies pot donar suport a aplicacions noves que reutilitzin la infraestructura i els dispositius existents. No obstant això, a causa de la naturalesa d’aquests senyals, amb longituds d’ona a escala decimètrica, ample de banda disponible limitada i l’ús massificat d’algunes bandes UHF, cal afrontar reptes de precisió, integració i rendiment per a una aplicabilitat realista del concepte.

Ja s’han explorat múltiples funcionalitats en ràdios individuals per a algunes d’aquestes tecnologies. Per exemple, hi ha hagut activitat recent en la definició de models de propagació Wi-Fi precisos per revelar les propietats de propagació de la ràdio i utilitzar aquestes propietats per al reconeixement del comportament humà [3]. Els enfocaments alternatius es basen en el reconeixement de patrons, amb l’objectiu d’inferir relacions entre l’activitat humana i el senyal basant-se en l’observació de diverses característiques del senyal (per exemple, és ben sabut que el moviment provoca fluctuacions de la força del senyal). Els models de reconeixement de patrons, però, donen lloc a resultats inconsistents si les condicions varien d’una configuració a una altra [3].

Figura 1. Sistema de posicionament per angle d’arribada. Explota un to constant que permet determinar la variacio de la fase percebuda per la matriu d’antennes i determinar l’angle d’arribada de la senyal. El paquet de radio podria alhora transmetre informacio d’aplicació.

En el camp de la localització en interiors, aquestes idees de convergència de la ràdio-freqüència ja s’han normalitzat. En particular, com a part de l’especificació Bluetooth Low Energy 5.1 s’integren tècniques de cerca de direcció (Direction Finding en anglès). Aquestes integracions es basen en models de senyal i la capacitat d’observar-los des de diferents perspectives (per exemple, matrius d’antenes) combinats amb patrons de símbols específics en el paquet utilitzat durant la transmissió (extensió de to constant) [4].

Com a altra possibilitat, l’ús de sistemes de ràdio-freqüència com a sensors físics encara és un tema emergent, amb diversos enfocaments en l’àmbit dels sistemes passius. La RFID és una de les tecnologies més adequades per capturar les variacions de l’entorn físic mitjançant l’observació de radiofreqüència. Recentment, s’ha demostrat un sensor passiu d’humitat implementat amb etiquetes RFID [5].

Figura 2. Tag RFID incrustat en substracte hydrofil. La resposta a l’estimul electromagnetic varia en funció del nivell d’humitat del substracte. La resposta es l’identificador unic del tag. Observant la variació de la potencia i fase del senyal es pot determinar la humitat en el substracte [5].

En aquest article hem donat una pinzellada sobre el concepte de convergència de ràdio-freqüència, un concepte que ben segur s’estendrà durant els pròxims anys. L’ús dual o inclús múltiple d’infraestructures, habilitat pels conceptes de convergència de ràdio-freqüència, pot tenir un impacte important en la digitalització de les indústries, infraestructures i edificis, especialment amb aquelles tecnologies en què hi ha una base d’infraestructures existents. Per altra banda, donar un doble ús a una infraestructura de comunicació pot comportar un estalvi energètic i de costos i possiblement retardar l’obsolescència de les infraestructures digitals, contribuint d’alguna manera a una digitalització més sostenible.


Referències

[1] B. Paul, A. R. Chiriyath, and D. W. Bliss, “Survey of rf communications and sensing convergence research,” IEEE Access, vol. 5, pp. 252–270, 2017.

[2] T. Wild, V. Braun, and H. Viswanathan, “Joint design of communication and sensing for beyond 5g and 6g systems,” IEEE Access, vol. 9, pp. 30 845–30 857, 2021.

[3] D. Wu, D. Zhang, C. Xu, H. Wang, and X. Li, “Device-free wifi human sensing: From pattern-based to model-based approaches,” IEEE Communications Magazine, vol. 55, no. 10, pp. 91–97, 2017.

[4] M. Woolley, “Bluetooth core specification v5.1 feature overview,” 2019. [Online]. Available: https://www.bluetooth.com/bluetooth-resources/bluetooth-core-specification-v5-1-feature-overview/

[5] Lejarreta-Andres, Jon, Joan Melia-Segui, and Xavier Vilajosana. «WiLD: Wireless Passive Moisture Sensing Under Moving Conditions for Smart Manufacturing.» IEEE Sensors Journal 21.17 (2021): 19541-19549

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Autores / Autoras
Catedrático, Doctor e investigador principal del grupo de investigación Wireless Networks del Internet Interdisciplinary Institute (IN3) de la UOC. Profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación de la UOC.
Director académico del Máster en Industria 4.0 de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación de la UOC e investigador del grupo de investigación Wireless Networks del Internet Interdisciplinary Institute (IN3) de la UOC.
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