Integración de la tecnología UWB y redes en malla: descripción de la red en malla del módulo UWB650

La tecnología de comunicación inalámbrica está en constante evolución, impulsando la innovación continua en diversas industrias. Entre las tecnologías que han atraído gran atención en los últimos años se encuentran la banda ultraancha (UWB) y las redes en malla.

Considerando las crecientes demandas en aplicaciones del mundo real para una cobertura más amplia, mayor confiabilidad de las comunicaciones y posicionamiento flexible, NiceRF ha integrado aún más la funcionalidad de red Mesh en el módulo UWB650 . Tomando el UWB650 como ejemplo, este módulo de comunicación de banda ultraancha, basado en el estándar IEEE 802.15.4-2020, ofrece una alta precisión de alcance (±10 cm) y transmisión de datos de alta velocidad (hasta 6.8 Mbps). Con la nueva capacidad de red Mesh añadida, su aplicabilidad en entornos complejos se amplía aún más, desde el posicionamiento industrial hasta el almacenamiento inteligente, y desde la navegación en interiores hasta la coordinación de dispositivos. La combinación de UWB y Mesh proporciona una solución más flexible y confiable para la comunicación inalámbrica.

I. Módulo UWB650: Tecnología UWB + Redes en malla

El módulo UWB650 actúa como plataforma de hardware central que integra funciones de redes UWB y Mesh, proporcionando una base sólida a través de su arquitectura de hardware y soporte a nivel de protocolo.

1. Funciones de comunicación del UWB650

El módulo UWB650 está basado en el chipset UWB Qorvo DW3000, totalmente compatible con el estándar IEEE 802.15.4-2020. Integra un amplificador de RF de alto rendimiento, un microcontrolador (MCU) e interfaces de E/S de propósito general, además de cifrado AES128 y protección ESD, lo que garantiza un funcionamiento estable incluso en entornos electromagnéticos complejos.

Características principales:

• Comunicación de datos:
  permite la transmisión remota de datos a través de una interfaz en serie, lo que favorece el desarrollo flexible de aplicaciones.

• Medición de distancia de alta precisión:
  emplea esquemas SS-TWR y DS-TWR para medición de distancia bidireccional, logrando una precisión mejor que 10 cm y cumpliendo con los requisitos de posicionamiento a nivel industrial.

• Transmisión de alta velocidad:
  admite velocidades de datos aéreos de hasta 6,8 Mbps, adecuado para transferencia de datos de gran volumen

• Función de posicionamiento:
  Calcula distancias entre nodos y anclajes utilizando un rango bidireccional, combinado con resolución de coordenadas para posicionamiento 2D/3D (precisión ＜30 cm).

• Modo de suspensión de bajo consumo:
  Admite el modo de suspensión de hardware: al bajar el pin CS, el módulo entra en suspensión (<25 ms) y al subirlo, lo reactiva (<30 ms). Durante la suspensión, el chipset UWB también se apaga para reducir el consumo, mientras que el puerto serie emite notificaciones de "Entrar en suspensión" y "Salir de suspensión".

• Configuración flexible:
  admite múltiples niveles de potencia de transmisión (hasta 0,5 W) para adaptarse a diferentes rangos y entornos; permite longitudes de trama variables (0–1023 bytes, paquete único máximo de 1004 bytes) para adaptarse a diversas cargas de datos.

• Cobertura de largo alcance:
  alcanza una distancia de transmisión teórica de más de 1 km, ideal para plantas grandes, almacenes o implementaciones en campo abierto.

2. Descripción general de la red en malla UWB650

El módulo UWB650 incorpora una función de transmisión en red en malla (desactivada por defecto), que puede activarse mediante comandos de configuración. Una vez activado, el módulo puede funcionar como nodo o relé, formando una red en malla con otros módulos. Esta función soluciona eficazmente las limitaciones de la comunicación UWB tradicional de un solo salto en cuanto a distancia e interferencias. 

II. Habilitación y configuración de redes en malla

La función Mesh del módulo UWB650 no está habilitada por defecto. Debe activarse y configurarse mediante comandos específicos, como la configuración de identidad, la activación de modo y la asignación de roles de nodo.

1. Configuración preliminar: configuración de la identidad del dispositivo

Al utilizar el UWB650 por primera vez, los usuarios deben configurar el ID PAN del módulo (predeterminado: 0000) y la dirección del dispositivo (predeterminado: 0000) para garantizar la unicidad dentro de la red.

Comando de configuración:  UWBRFAT+DEVICEID=xxxx,yyyy

Descripción del parámetro:

• xxxx: ID de PAN (ID de grupo, rango 0x0000–0xFFFE). Todos los módulos dentro de la misma red de malla deben compartir el mismo ID de PAN para diferenciar entre redes.

• yyyy: Dirección del dispositivo (rango 0x0000–0xFFFE). Debe ser única dentro del mismo ID de PAN para un enrutamiento preciso de los datos.

Propósito: Esta configuración establece las bases para la comunicación entre módulos (tanto en modo UWB convencional como en modo Mesh). Sin embargo, no habilita automáticamente la red Mesh.

Nota: Si la dirección o el ID PAN no están configurados correctamente, el módulo no podrá comunicarse con otros nodos, incluso para la transmisión de datos básicos.

2. Habilitación de la función de malla

La funcionalidad de malla debe activarse explícitamente mediante comando.

Lógica de comando típica: UWBRFAT+MeshENABLE=1 (o similar, consulte la hoja de especificaciones del módulo para obtener más detalles).

Una vez habilitado, el módulo admite retransmisión de múltiples saltos, límites de conteo de saltos y otras funciones relacionadas con Mesh.

3. Roles de nodo y reglas de transmisión de datos

Después de habilitar Mesh, los módulos pueden operar en una de las siguientes funciones:

• Nodo: Establezca la dirección de destino mediante UWBRFAT+TXTARGET=xxxx (p. ej., UWBRFAT+TXTARGET=1234). El módulo se comunica únicamente con la dirección especificada (punto a punto, salto único). Al establecer el destino en FFFF, se transmiten datos a todos los módulos con el mismo ID de PAN, y los receptores emiten información adicional, como la intensidad de la señal.

• Relé (enrutador):
  No inicia la transmisión de datos, sino que reenvía automáticamente los paquetes de malla que no están dirigidos a él. Por ejemplo, si el nodo A no puede comunicarse directamente con el nodo C y el nodo B está configurado como relé, los datos fluyen como A → B → C.

• Nodo híbrido:
  combina los comportamientos de nodo y relé: recibe y emite paquetes dirigidos a sí mismo y reenvía otros automáticamente, equilibrando flexibilidad y confiabilidad.

Nota:
Todos los nodos en la misma malla deben tener direcciones únicas y los módulos habilitados para malla no pueden comunicarse con módulos que tengan la malla deshabilitada (excepto para funciones de alcance/posicionamiento). 

III. Características funcionales de la red en malla UWB650

La malla UWB650 no solo admite retransmisión de múltiples saltos, sino que también incluye múltiples mecanismos para mejorar la estabilidad y confiabilidad de la red.

1. Comunicación de datos flexible y controlada

• Configuración dinámica de destino: la dirección de destino se puede modificar en cualquier momento a través de UWBRFAT+TXTARGET, lo que permite cambiar a pedido entre los modos de unidifusión y difusión.

• Modo de transmisión: Al configurar la dirección de destino en FFFF, se transmiten datos a todos los módulos con el mismo ID de PAN. El receptor emite la dirección de origen, el RSSI y datos sin procesar (p. ej., SrcAddr:0001; Rssi:-51.23dBm; Data:1234567890).

• Procesamiento de datos hexadecimales: al transmitir datos hexadecimales, los usuarios deben analizar la carga útil válida (FramePayload) del contenido del marco recibido.

2. Funciones de mejora de la confiabilidad

• Mecanismo de autoconfirmación de ACK:
  Al habilitar UWBRFAT+ACKENABLE=1, se agrega una solicitud de ACK a los paquetes transmitidos. El receptor responde con un ACK si la transmisión es correcta ("ACK DETECTED"); de lo contrario, se muestra "ACK WAIT TIMEOUT". El modo de difusión (FFFF) no admite ACK.

• CCA (Evaluación de Canal Libre):
  Al habilitar UWBRFAT+CCANENABLE=1, el módulo detecta la disponibilidad del canal antes de la transmisión, lo que evita interferencias con otros dispositivos UWB. Si está ocupado, la transmisión se cancela y se indica "FALLO DE CCA".

• Función de filtrado de cuadros:

• El módulo UWB650 solo recibe paquetes de datos que cumplen las siguientes condiciones: el ID PAN de destino coincide con el suyo, la dirección de destino es 0xFFFF (broadcast) o idéntica a su propia dirección, la FCS (Secuencia de Comprobación de Trama) es correcta y el formato del paquete es una Trama de Datos estándar conforme al estándar IEEE 802.15.4-2020. Los paquetes que no cumplen estas condiciones se rechazan directamente.

• SNIFF (Modo de escucha):
  El módulo alterna entre los estados de recepción e inactividad (aproximadamente 16 μs cada uno, ciclo de trabajo del 50 %) para ahorrar energía. Durante la medición de distancia/posicionamiento, el módulo cambia al modo de recepción continua para un rendimiento en tiempo real. 

3. Estabilidad y control de la red

• Límite de saltos: Cada paquete de datos puede retransmitirse hasta 10 saltos. Más allá de ese límite, los nodos de retransmisión descartan el paquete para evitar la saturación de datos redundantes.

• Reenvío orientado a objetivos: los nodos de retransmisión solo procesan paquetes que no están dirigidos a ellos mismos, lo que optimiza el cálculo y el uso del ancho de banda.

 Todas estas funciones también se pueden configurar a través de nuestro software de configuración de PC propietario para facilitar su uso.

IV. Ventajas de la integración UWB + Mesh

1. Superando las limitaciones de distancia: posicionamiento de alta precisión en entornos complejos

Los sistemas de posicionamiento UWB tradicionales requieren estaciones base desplegadas densamente. La malla del UWB650 permite la comunicación indirecta entre etiquetas y anclajes mediante nodos de retransmisión. Por ejemplo, en una fábrica con obstrucciones en las columnas, las etiquetas pueden enviar datos de medición de distancia a la estación base mediante relés cercanos, logrando una precisión de ±10 cm sin necesidad de añadir más anclajes.

2. Autoorganización y autorreparación: cómo garantizar la robustez de la red

Las redes en malla permiten la conexión y salida dinámica de nodos (como dispositivos móviles o anclajes temporales) sin necesidad de reconfiguración manual. Si falla un relé, los paquetes se redirigen automáticamente (p. ej., A→B→C→D se convierte en A→E→D), lo que garantiza un posicionamiento y una comunicación ininterrumpidos, ideal para minas, rescates de emergencia o entornos de alto riesgo.

3. Expansión flexible e implementación rentable

Los usuarios pueden asignar roles de nodo (Terminal/Relé/Híbrido) según las necesidades de la aplicación. En almacenes grandes, solo se requieren unos pocos anclajes fijos (para referencias de coordenadas), mientras que las etiquetas y relés móviles forman una red en malla para cubrir áreas extensas, lo que reduce significativamente los costos de hardware y la complejidad de la configuración.

El módulo UWB650, al integrar a fondo la tecnología UWB con las redes de malla, logra un doble avance: alta precisión + amplia cobertura y flexibilidad + fiabilidad.
La combinación de UWB y malla proporciona una solución más flexible y fiable para la comunicación inalámbrica. NiceRF seguirá invirtiendo y centrándose en la exploración de tecnologías de posicionamiento de alta precisión e IoT inteligente.