Equiliber.org/ Ultra Wide Band revolutions

di Simone Tani - Offre una infinità di vantaggi, l'FCC americana l'ha già autorizzata, porta dritti verso la telefonia 4G e verso applicazioni nella Sanità , nella Sicurezza e in molto altro. UWB sotto la lente
di Simone Tani - Offre una infinità di vantaggi, l'FCC americana l'ha già autorizzata, porta dritti verso la telefonia 4G e verso applicazioni nella Sanità , nella Sicurezza e in molto altro. UWB sotto la lente


Roma – Nell’estate del 1895, Guglielmo Marconi dopo alcune prove in laboratorio a Pontecchio riuscì a trasmettere la lettera “S”, in alfabeto morse, ad una distanza di 1,5 Km. Da quel giorno, in poco più di cento anni, le tecnologie radio si sono evolute con una velocità sorprendente che ha cambiato la nostra vita. La radio, la televisione, la telefonia cellulare sono solo alcune delle applicazioni di cui ci serviamo giorno per giorno per informarci, per comunicare e per intrecciare relazioni.

Obiettivo di questo articolo è presentare una nuova e promettente tecnologia, Ultra Wide Band , che unitamente allo sviluppo delle tecnologie di calcolo promette di introdurre un nuovo e profondo cambiamento nel nostro stile di vita. Oltre ad una breve descrizione tecnica con il confronto con altre tecnologie radio diffuse nel mercato, saranno analizzate alcune possibili applicazioni e l’aspetto relativo alla regolamentazione delle trasmissioni Ultra Wide Band. Quest’ultimo è un aspetto rilevante, proprio per il numero di applicazioni radio che si sono sviluppate da Marconi ad oggi, con la possibilità di un esaurimento dello spettro delle frequenze. Ultra Wide Band è indicata da molti come una di quelle tecnologie che permetterà uno sfruttamento più razionale dello spettro scongiurando la sua scarsità.

Le tecnologie attuali
Sempre più persone vivono la propria giornata lavorativa e privata nel raggio di dieci metri di distanza da una connessione ad Internet a “banda larga”, ovvero capace di trasmettere e ricevere un flusso di dati sufficiente a contenere informazioni complesse come ad esempio il video digitale. Benché la tecnologia stia evolvendo facilitando l’accesso alla rete, il fatto di essere così vicini ad una connessione non comporta necessariamente un facile accesso alla rete perché significherebbe occupare una postazione già in rete o connettere il proprio personal computer con un cavo.

Questo scenario sta già cambiando con la diffusione di tecnologie wireless (letteralmente senza cavi) quali wi-fi e bluetooth che permettono di utilizzare frequenze radio non soggette a licenza governativa per trasmettere dati. In particolare queste due tecnologie sono promosse principalmente per due distinti scopi.
Bluetooth è indicato come il sostituto del cavo USB (Universal Serial Bus), ovvero il diffuso cavo che permette di connettere dispositivi digitali diversi (lettori mp3, macchine fotografiche digitali, computer, stampanti ecc.) e vicini, in maniera rapida, standard (il connettore ha sempre le stesse dimensioni e le stesse caratteristiche tecniche) e semplice. Infatti l’obiettivo degli ideatori di USB è quello di non richiedere competenze tecniche, ovvero plug and play, che significa connetti ed utilizza.

Bluetooth ha tutte le caratteristiche del cavo USB permettendo di connettere con basso consumo di energia dispositivi diversi nel raggio di dieci metri ad una velocità massima di 700 KB/s al secondo (kb/s). Dunque, tramite bluetooth posso trasmettere al televisore una foto memorizzata sulla mia macchina fotografica digitale in meno di un secondo e semplicemente avvicinando i due dispositivi e premendo un pulsante.

Wi-fi invece è indicato come la soluzione ideale per creare una rete di computer locale (LAN) senza l’utilizzo dei cavi. Il più diffuso standard di Wi-fi, IEEE 802.11b, permette una velocità di trasmissione pari a 5.5 Mb/s (quasi 10 volte la velocità di Bluetooth) in uno spazio aperto e privo di ostacoli a distanze di massimo cento metri, mentre il più nuovo standard, IEEE 802.11a consente di arrivare a sino a 35 Mb/s su distanze di cinquanta metri.


Se queste due tecnologie sono già abbastanza note ed utilizzate, una terza si affaccia sul mercato e se forse non è destinata soppiantarle è sicuramente adatta ad affiancarle nella costruzione di un mondo “senza fili”: Ultra Wide Band.

Allo stato attuale Ultra Wide Band infatti permette di trasmettere fino a 500 Mb/s nel raggio di dieci metri e fino a 1 Gb/s nel raggio di un metro (dunque è capace di trasmettere tutto il contenuto di un DVD in meno di 10 secondi), consumando una quantità nettamente inferiore di energia rispetto a Bluetooth e soprattutto a Wi-fi.

Essendo la tecnologia wireless legata spesso a dispositivi mobili alimentati da batterie, il consumo di energia non è un dettaglio trascurabile. Si pensi alla più evidente e diffusa applicazione wireless che conosciamo: i telefoni cellulari. A chiunque utilizzi un telefono cellulare risulta evidente l’importanza della durata della sua batteria e quanto questa sia influenzata dai minuti di trasmissione sulla rete (gsm o gprs).

Ultra Wide Band ha inoltre una buona capacità di attraversare gli ostacoli e pertanto la qualità e la velocità della trasmissione è intatta anche in luoghi molto affollati, con diversi oggetti e muri fra chi trasmette e chi riceve. Come molte delle tecnologie che sono comparse recentemente nella nostra vita di tutti i giorni anche Ultra Wide Band ha origini non recentissime, nasce negli anni 60 ed è stata generata da studi militari (statunitensi e sovietici in particolare).

La trasmissione dei dati non avviene come per le radio AM/FM o la televisione, che evitano di interferire fra di loro utilizzando determinati confini dello spettro delle frequenze e trasmettono i dati modulando l’ampiezza dell’onda all’interno di questi limiti. Le emissioni Ultra Wide Band sono composte da una serie di impulsi intermittenti inviati a bassa potenza su un raggio molto ampio dello spettro.

I dati trasmessi sono codificati tramite l’ampiezza, la durata e la polarità di questi impulsi.
Per poter leggere i dati inviati tramite questo metodo, il dispositivo che riceve deve conoscerne la codifica e soprattutto deve sincronizzarsi, con chi ha trasmesso il messaggio, conoscendo a quali intervalli di tempo i dati saranno trasmessi. Se il ricevente non conosce la codifica e non è sincronizzato con chi trasmette, non può distinguere una trasmissione Ultra Wide Band dal cosiddetto rumore di fondo, ossia le radiazioni a bassa potenza generate da un asciuga capelli, o da un computer acceso piuttosto che dal corpo umano.

Questa caratteristica rende Ultra Wide Band un metodo di trasmissione molto sicuro perchè difficile da intercettare e non è quindi un caso che esso sia nato in ambito militare. Per rafforzare la sicurezza delle trasmissioni, gli impulsi vengono generati ad intervalli di tempo apparentemente casuali, in modo da “mimetizzarsi” alla perfezione con il rumore di fondo.


Grazie alla banda larga a brevi distanze garantita da Ultra Wide Band non è difficile immaginare che il lettore di DVD che abbiamo in casa potrebbe essere collegato al televisore senza il bisogno di un cavo. Se poi il lettore DVD diventasse un oggetto simile agli attuali lettori di audio MP3 dalle dimensioni di un accendino, la nostra fruizione del “home video” diventerebbe totalmente diversa ed il noleggio di un film potrebbe avvenire in qualsiasi luogo con un operazione molto simile al passaggio in un casello autostradale dotato di Telepass.

Se oltre al televisore ed al nostro lettore video delle dimensioni di un accendino, avessimo nelle vicinanze un computer, una stampante ed uno scanner, avremmo una stazione multimediale completamente componibile come le costruzioni Lego. Anche il concetto di personal computer potrebbe diventare radicalmente diverso da quello che conosciamo adesso. Ovvero una serie di oggetti con proprietà diverse che se avvicinati possono “collaborare” per rispondere ai nostri bisogni.

Se consideriamo il punto di partenza di questo articolo, ovvero che “sempre più persone vivono la propria giornata lavorativa e privata nel raggio di 10 metri di distanza da una connessione ad Internet a “banda larga”, il nostro computer componibile sarà costantemente in rete con gli enormi vantaggi e rischi (per la privacy e per la sicurezza ad esempio) che questo comporta. Certamente poter avere in qualsiasi momento l’accesso istantaneo a Google, ad esempio, può cambiare radicalmente le nostre discussioni, avendo accesso ad una miniera di informazioni mentre parliamo.

Attualmente esistono due diversi standard Ultra Wide Band sponsorizzati da due distinti gruppi di aziende, e presumibilmente nel giro di qualche anno ne resterà soltanto uno, quello premiato dal mercato. In quella fase probabilmente una tecnologia che può sembrare solamente un’evoluzione di bluetooth o di wi-fi, avrà già dato avvio ad una trasformazione del nostro modo di comunicare e di usare la tecnologia. Sarà possibile accedere alla telefonia mobile 4G (oltre l’UMTS quindi), che prevede un cellulare in grado di utilizzare connessioni diverse, GSM, GPRS, UMTS, rete fissa, in base alla disponibilità di uno o più di questi servizi in zona. Per esempio, quando si è in casa il nostro cellulare può connettersi tramite Ultra Wide Band al telefono fisso, e funzionare come un normale cordless. Questo permetterebbe ad esempio di sfruttare una tariffa più bassa o una connessione più stabile. Esistono già sperimentazioni di telefonia 4G ed Ultra Wide Band potrebbe appunto portare un accelerazione anche in questo campo.

Per gli ospedali è stata studiata una soluzione che permette di localizzare le cartelle cliniche i pazienti ei farmaci in modo da evitare errori nelle somministrazioni dei farmaci e delle cure che ogni anno solo negli Stati Uniti causano circa 90.000 morti.

Dotando di una piccola etichetta ogni oggetto, ogni paziente e tutto il personale di un ospedale, tramite Ultra Wide Band è possibile in qualsiasi momento rilevarne la posizione e quindi evitare lo smarrimento o lo scambio delle cartelle cliniche, verificare quali pazienti sono in sala operatoria ed incrociando i dati con la cartella clinica stabilire se vi sia un errore, ovvero se il tipo di operazione sia quella prescritta o meno ecc.

Oltre alle applicazioni legate alla trasmissione di dati, Ultra Wide Band ha molte applicazioni come radar , per le sue forti capacità di penetrazione sia nel terreno che attraverso gli oggetti. Per questo esistono già applicazioni basate su Ultra Wide Band che permettono di ispezionare il terreno in profondità per la ricerca di oggetti, oppure per cercare le persone rimaste sotto le macerie in seguito a crolli o terremoti. Analogamente può essere utilizzata per sistemi di sorveglianza , rilevando l’intrusione di persone o oggetti in una determinata area, oppure potrebbe essere applicata nel campo delle automobili , in modo da prevedere la posizione di ostacoli o altri veicoli nella direzione della nostra auto.
In questo modo sarebbe possibile evitare incidenti o quantomeno attivare i sistemi di sicurezza (freni, airbag, pretensionatori delle cinture ecc.), con un buon margine di anticipo rispetto ad uno scontro.

Il professor Enrico M. Staderini del Medical Physics Lab dell’Università Tor Vergata di Roma, ci fornisce un piccolo assaggio delle possibili applicazioni di Ultra Wide Band nel campo della medicina:

“La capacità di rilevare in modo remoto la frequenza respiratoria e quella cardiaca usando delle tecniche radar nella regione delle microonde dello spettro delle radiofrequenze è stata ripetutamente dimostrata. Studi preliminari (cfr: 1, 2, 3 a fine articolo), pubblicati già negli anni 70, hanno descritto dei metodi convenzionali con radar a corta portata in grado di monitorare i movimenti del torace e conseguentemente dell’attività respiratoria. Negli ultimi anni, con l’introduzione dei radar Ultra Wide Band, il monitoraggio remoto e senza contatto dei parametri vitali è stato rilanciato. Interessanti applicazioni mediche dei radar Ultra Wide Band sono state inizialmente descritte nei campi cardiologico e polmonare (cfr: 4, 5, 6) e nella clinica otorinolaringoiatrica (cfr: 7).

In via di principio, l’impulso radio di un radar Ultra Wide Band è in grado di attraversare il torace umano (senza essere influenzato dai vestiti) così da essere riflesso delle strutture cardiache, essenzialmente dalla parete cardiaca. Il segnale ottenuto da un radar Ultra Wide Band puntato al torace di un soggetto è composto di due segnali periodici lentamente variabili: il primo trasporta i movimenti del cuore e l’altro segna l’informazione sullo spostamento del torace e quindi la frequenza respiratoria.

Questi dati, per quanto elementari, sono di grande significato patologico e fisiologico per il medico, e un nuovo sistema, basato su Ultra Wide Band radar, per il monitoraggio dei parametri vitali è stato già predisposto per una serie di applicazioni nel campo della medicina clinica, militare, delle emergenze ed in campo riabilitativo (cfr: 8).”


Al di la delle caratteristiche tecniche e delle possibili applicazioni, l’avvento di Ultra Wide Band è importante per un altro motivo. La recente approvazione di Ultra Wide Band da parte dell’FCC la commissione che regola le tecnologie della comunicazione negli Stati Uniti, segna una svolta importante nella regolamentazione e nel mercato wireless negli Stati Uniti e prevedibilmente con un effetto a cascata del mondo intero. Per capire l’entità del mercato Wireless è sufficiente richiamare alla mente le recenti aste per l’assegnazione delle licenze per l’UMTS, che in Italia sono state assegnate per un valore complessivo di 26.750 miliardi di lire e circa 200.000 nell’Intera Europa.

Le tradizionali tecniche di trasmissione radio si basano sul fatto che viene emessa un onda da un trasmettitore e questa viene intercettata da un ricevitore che traduce il segnale in dati (voce, video ecc.). Le onde vengono propagate nell’aria , dunque uno spazio apparentemente inesauribile. Sulla sua abbondanza o scarsità si gioca una partita molto importante per lo sviluppo della tecnologia e del mercato wireless.

L’elevato costo pagato dagli operatori telefonici per le licenze UMTS, ci porta a pensare che sia una risorsa abbastanza scarsa. In effetti due apparati che emettono onde a frequenze identiche o simili in una determinata zona generano un’interferenza che rende, per il ricevitore, illeggibili uno o entrambi i segnali. Di conseguenza, per evitare interferenze lo spettro, ossia l’insieme delle frequenze fisicamente utilizzabili per trasmettere, viene suddiviso in fasce di frequenze.
Queste fasce di frequenze sono state assegnate dagli stati inizialmente ai servizi di pubblica utilità. Questo vuol dire che solo la polizia (o la protezione civile, i vigili del fuoco ecc.) può trasmettere o ricevere segnali ad una determinata frequenza . Se un privato trasmette su una di queste frequenze commette un reato perchè potrebbe disturbare le trasmissioni di pubblica utilità. Analogamente è un reato intercettare le frequenze della polizia.

Dunque le autorità hanno riservato una prima “fetta” dello spettro. Alle radio prima ed alle televisioni poi, sono state assegnate in maniera esclusiva, delle altre fette dello spettro. Questo vuol dire che chi voglia avviare delle trasmissioni radiofoniche deve avere una particolare licenza per trasmettere in un determinato territorio ad una determinata frequenza. Una volta che si è in possesso della licenza si possono installare delle torri di diffusione che trasmettono il segnale su una determinata area. Le radio sintonizzandosi su quella determinata frequenza potranno ascoltare le trasmissioni. Se lo stato non regolamentasse l’assegnazione delle frequenze ai privati sarebbe sconveniente avviare una trasmissione radiofonica, investendo del capitale, perché non si avrebbe la garanzia che essa sia ricevibile e ascoltabile. Questo perchè potrebbero esserci altre radio, tv, ricetrasmittenti ecc. che utilizzano, anche saltuariamente queste frequenze creando interferenze.

Ultimamente altre porzioni dello spettro sono state assegnate, agli operatori di telefonia mobile . La novità introdotta dalla telefonia cellulare è che non si tratta più di una trasmissione “broadcast”, ovvero da un soggetto (dalla torre della stazione radio quindi) a tanti, che possono solo ricevere. I telefoni cellulari possono sia ricevere i segnali dal ripetitore che trasmetterli tramite il ripetitore ad altri telefoni cellulari.

Dunque abbiamo visto che per garantire il corretto funzionamento delle trasmissioni radio lo spettro è stato suddiviso come se fosse un terreno e le parti di questo ipotetico terreno sono state assegnato in licenza esclusiva. Quasi contemporaneamente all’avvio del mercato della telefonia di terza generazione e quindi dell’UMTS, sono comparse sul mercato due tecnologie che non hanno comportato un asta così spettacolare ma che sono almeno altrettanto promettenti: il Wi-fi e il Bluetooth, di cui abbiamo già introdotto le caratteristiche.
Ovvero gli Stati Uniti e in seguito tutto il mondo hanno destinato alcune frequenze già utilizzate da diversi dispositivi, quali forni a microonde, telefoni cordless ecc. ad un uso libero, da parte di chi costruisce dispositivi di trasmissione senza fili, purché rispetti determinati criteri, di sicurezza e di non interferenza.

In pratica si è lasciato che una frazione dello spettro, che era difficile da assegnare in licenza perchè già popolata da onde, fosse auto gestita da chiunque volesse costruire dei dispositivi wireless . Questo ha permesso il fiorire di tante reti senza fili, private e pubbliche (ad esempio negli aeroporti, negli alberghi ecc.) che stanno rendendo onnipresente internet.

Pertanto un’area non regolamentata con licenza esclusiva ha dimostrato almeno per ora di poter essere gestita in maniera efficiente e di poter sviluppare un nuovo e promettente mercato.
Se Wi-fi e Bluetooth costituiscono un primo gradino per una regolamentazione e per un modello di business che non si basi esclusivamente sulle licenze, Ultra Wide Band è un caso più particolare perché la tecnologia non utilizza una particolare porzione dello spettro. Infatti agisce su un ampio numero di frequenze ed il suo segnale viene irradiato anche su numerose frequenze già soggette a licenza. Nonostante questo, con un lungo periodo di sperimentazione è stato dimostrato che una trasmissione Ultra Wide Band ha una potenza talmente bassa che viene percepita come rumore di fondo dai dispositivi radio tradizionali e quindi non crea interferenze alle altre trasmissioni, anche a quelle che avvengono su frequenze soggette a licenza. Dunque l’FCC autorizzando l’utilizzo della tecnologia Ultra Wide Band ai privati ha introdotto una regolamentazione che per la prima volta non si basa sull’assegnazione esclusiva di una frazione di quel terreno ideale che è lo spettro.

Un grande passo dalle conseguenze imprevedibili, ma probabilmente nella direzione di uno sfruttamento più efficiente dello spettro, che forse a breve non sarà più una risorsa scarsa. Per avere un quadro più completo della regolamentazione attuale dello spettro e dei possibili scenari futuri, vi suggerisco di leggere il draft “Super Commons” di Kevin Werbach (cfr. 9), per anni consigliere per le nuove tecnologie all’FCC.



Quando ad Einstein fu chiesto di spiegare il funzionamento della radio disse “Vedete, il telegrafo a filo è un tipo di gatto molto, molto lungo. Voi tirate la sua coda a New York e la sua testa miagola a Los Angeles. Lo capite questo? E la radio opera esattamente allo stesso modo: voi mandate i segnali qui, e loro li ricevono là. L’unica differenza è che non c’è alcun gatto”.

Stiamo quindi forse per accogliere in casa un nuovo gatto che promette di semplificare la nostra vita e di darci un accesso ancora più facile ed economico ad un mare di informazioni, potenza di calcolo e di relazioni? A me piacciono i gatti e a voi?

Mi piacerebbe arricchire questo articolo anche grazie ai vostri commenti ed ai vostri spunti. Mi farà quindi molto piacere ricevere le vostre email all’indirizzo s.tani@equiliber.org .


Simone Tani
da Equiliber.org , scienza delle conseguenze

1 C. G. Caro, and J. A. Bloice, Contactless apnoea detector based on radar, Lancet 2(7731), 959-961 (1971).
2 C. I. Franks, B. H. Brown, and D. M. Johnston, Contactless respiration monitoring of infants, Med. Biol. Eng 14(3), 306-318 (1976).
3 C. I. Franks, J. B. Watson, B. H. Brown, and E. F. Foster, Respiratory patterns and risk of sudden unexpected death in infancy, Arch. Dis. Child 55(8), 595-604 (1980).
4 S. G. Azevedo, and T. E. McEwan, Micropower Impulse Radar, Energy and Technology Review, UCRL-52000-96-1, 1-2,16-13 (1996).
5 T. E. McEwan, Body monitoring and imaging apparatus and method, United States Patent 5,573,012, (1996).
6
T. E. McEwan, Body monitoring and imaging apparatus and method, United States Patent 5,766,208, (1998).

7

J. F. Holzrichter, G. C. Burnett, L. C. Ng, and W. A. Lea, Speech articulator measurements using low power EMwave sensors (letter), J. Acoust. Soc. Am. 103(1), 622-627 (1998).

8
E. M. Staderini, UWB Radars in Medicine, IEEE AESS Systems Magazine Jan 2002, 13-18 (2002).

9 Kevin Werbach Supercommons Toward a Unified Theory of Wireless Communication

Simone Tani, Equiliber, 2003. This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial License. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-nc/1.0/ or send a letter to Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA.

Link copiato negli appunti

Ti potrebbe interessare

06 11 2003
Link copiato negli appunti