Technologia de comunicație wireless UWB (ultra-wideband). (Sursă imagine: Murata)
Technologia de comunicație wireless UWB (ultra-wideband) a devenit extrem de importantă, acoperind o gamă largă de aplicații. Pe măsură ce dezvoltarea și distribuția avansează, tehnologia de comunicație în bandă ultralargă va fi esențială pentru următoarea generație de comunicații și de poziționare fără fir.
Tehnologia de comunicație wireless în bandă ultralargă (UWB) își continuă evoluția încă de la începutul anilor 2000, dar a înregistrat progrese semnificative în ultimii ani. Folosită inițial pentru aplicații militare și pentru dezvoltarea de echipamente radar, UWB a cucerit și piața comercială datorită abilității sale de localizare precisă și de transmisie de mare viteză, devenind o tehnologie importantă de comunicație fără fir, cu un spectru larg de aplicații.
Diverse standarde elaborate de IEEE, WiMedia Alliance sau ECMA definesc specificațiile de bază și protocoalele esențiale pentru exploatarea UWB în diverse aplicații. Acestea asigură interoperabilitatea între diferite dispozitive UWB și permit dezvoltarea și punerea în aplicare a unor sisteme de comunicații wireless fiabile și de înaltă performanță.
Diferențiere față de alte metode și tehnici de măsurare a poziției
Cu o lățime de bandă de cel puțin 500 MHz (sau 20% din frecvența purtătoare medie), UWB oferă o rată de transmisie a datelor care este cu cel puțin un ordin de mărime mai mare decât cea a altor tehnologii wireless, precum Wi-Fi (20, 40, 80, 160 și 320 MHz) și Bluetooth (1 sau 2 MHz). UWB utilizează o gamă foarte largă de frecvențe, acoperind de obicei mai mulți GHz (de la 3,1 la 10,6 GHz). La fel ca Wi-Fi, UWB utilizează mai multe canale suprapuse. O altă diferență esențială față de alte metode de transmisie wireless este că sistemele UWB pot să opereze cu un consum redus de putere. Acest lucru este definit de densitatea spectrală, adică puterea transmisă per MHz lățime de bandă. Spre deosebire de tehnologiile wireless în bandă îngustă, UWB transmite la niveluri apropiate de limita zgomotului. O altă diferență este că UWB poate utiliza diferite tipuri de codificare a datelor (figura 1).
Figura 1: Comparație calitativă a lățimii de bandă a densității spectrale de putere între metoda de comunicație wireless UWB și alte metode. (Sursă imagine: Murata)
Caracteristicile specificate mai sus permit UWB să furnizeze informații despre poziție extrem de exacte și precise. De obicei, ToF (Time of Flight – timpul necesar pentru ca un semnal să călătorească de la emițător la receptor) și AoA (Angle of Arrival – unghiul sub care ajunge un semnal la receptor) sunt utilizate împreună pentru a permite poziționarea precisă prin intermediul comunicațiilor wireless UWB între diverse dispozitive periferice, cum ar fi telefoanele inteligente compatibile UWB sau ancorele industriale (dispozitive fixate în poziții cunoscute în mediile industriale, utilizate pentru a comunica cu alte dispozitive mobile) și etichetele (tag-urile) UWB.
TWR (Two-way ranging) măsoară timpul necesar unui semnal pentru a călători de la un emițător (etichetă UWB) la un receptor (ancoră) și invers. Această metodă este deosebit de precisă, deoarece se bazează pe măsurători directe ale timpului și gestionează eficient efectele de propagare pe căi multiple (reflexii). Există două tehnici TWR: SS-TWR (single-sided two-way ranging) utilizează două măsurători ale distanței, în timp ce DS-TWR (double-sided two-way ranging) utilizează trei măsurători ale distanței. Metoda DS-TWR asigură o măsurare mai precisă.
TDoA (Time difference of arrival) determină poziția emițătorului prin măsurarea diferenței de timp la care un semnal ajunge la mai multe receptoare. TDoA este o metodă deosebit de eficientă în medii cu mai multe puncte de recepție și permite poziționarea în timp real a obiectelor în mișcare.
Opțiuni de integrare în rețelele existente
Integrarea UWB în rețelele existente, cum ar fi Wi-Fi sau alte rețele wireless, necesită o planificare meticuloasă și coordonare pentru a garanta interoperabilitatea perfectă între tehnologii. Conformitatea cu standarde precum IEEE 802.15.4z garantează că dispozitivele UWB de la diferiți furnizori sunt compatibile între ele și pot fi integrate fără probleme în rețelele existente. UWB poate coexista cu alte tehnologii fără fir, de exemplu Wi-Fi și Bluetooth, fără să interfereze cu acestea.
Având în vedere că UWB și Wi-Fi pot fi exploatate în aceeași gamă de frecvențe, este esențial să se asigure o gestionare eficientă a interferențelor. Trebuie dezvoltate protocoale de evitare și gestionare a coliziunilor pentru a garanta că ambele tehnologii funcționează eficient și fiabil. Acest lucru poate fi realizat prin multiplexare cu diviziune în timp, prin selectarea frecvenței sau prin alte mecanisme de coexistență. UWB poate fi utilizată ca o completare a tehnologiilor de localizare existente, cum ar fi Wi-Fi sau Bluetooth Low Energy. Prin integrarea UWB în cadrul acestor tehnologii, pot fi create sisteme hibride de poziționare, care îmbunătățesc atât precizia, cât și fiabilitatea. De exemplu, UWB poate oferi localizare precisă în interior, în timp ce Wi-Fi sau Bluetooth Low Energy pot fi utilizate pentru conectivitate mai largă și localizare în exterior. În medii în care cablarea este dificilă sau costisitoare, rețelele Wi-Fi pot fi extinse sau îmbunătățite cu ușurință. Pentru a realiza acest lucru, UWB poate servi ca o conexiune wireless backhaul, eliminând nevoia de cablare suplimentară. În rețelele mesh cu numeroase noduri interconectate, UWB poate fi utilizată pentru a îmbunătăți localizarea și conectivitatea nodurilor. Acest lucru poate spori fiabilitatea și performanța generală a rețelei mesh, în special în medii cu numeroase obstacole sau obiecte în mișcare.
Poziționare în interior, asistență medicală și case inteligente
UWB oferă o gamă largă de aplicații și cazuri de utilizare atât în sectorul comercial, cât și în cel industrial. UWB se detașează de alte tehnologii în special în ceea ce privește poziționarea în interior. Motivele includ acuratețea ridicată a poziționării la o distanță de câțiva centimetri, o sensibilitate redusă la interferențe și abilitatea UWB de a gestiona cu eficacitate efectele multipath cauzate de reflexii în interior. Printre exemplele de produse UWB se numără Apple iPhone 11 și versiuni ulterioare, precum și vehicule de la producători auto precum VW, Audi și Cupra, care utilizează UWB în vehiculele lor pentru a spori securitatea sistemelor de acces fără cheie.
În prezent, Murata oferă pe piață trei module de bandă ultra-largă (UWB), alte trei fiind planificate pentru 2025. Type 2AB (figura 2) este un modul compact UWB + Bluetooth Low Energy, potrivit pentru multe aplicații care necesită detecție precisă. Grație circuitului integrat QM33120W de la Qorvo, suprafața de montare poate fi redusă cu 75% comparativ cu modelele ‘chip-on-board’. În plus, modulul UWB dotat cu un nRF52840 de la Nordic Semiconductor oferă o flexibilitate îmbunătățită a proiectării și timpi mai scurți de dezvoltare a produselor, deoarece clienții pot apela la un set de coduri sursă de la Nordic și pot utiliza simultan modulul pentru alte sarcini wireless. Modulul este echipat, de asemenea, cu memorie RAM de 256 kB, memorie flash de 1 MB și un senzor cu 3 axe pentru detectarea mișcării. Pentru modulul SiP (System-in-Package) pot fi utilizate până la trei antene – două antene pentru UWB și una pentru Bluetooth Low Energy.
Figura 2: Type 2AB este un modul compact UWB + Bluetooth Low Energy potrivit pentru numeroase aplicații care necesită detecție precisă. (Sursă imagine: Murata)
Type 2DK, bazat pe dispozitivele Trimersion SR040 și QN9090 de la NXP, este o soluție completă gândită pentru aplicații alimentate de la baterii cu consum redus de putere. Mulțumită memoriilor integrate de 640 KB flash și 152 KB SRAM,
Type 2DK oferă resurse ample pentru găzduirea de funcții UWB, venind în ajutorul producătorilor OEM în procesul de dezvoltare a aplicațiilor lor. Combinația de UWB și Bluetooth Low Energy este ideală pentru etichete și dispozitive de urmărire UWB. Toate funcțiile și procesele PHY/MAC sunt gestionate în interiorul circuitului integrat UWB, în conformitate cu specificațiile consorțiului FiRa, pentru a scurta timpul de lansare pe piață.
Type 2BP este potrivit pentru activarea prin UWB a infrastructurilor mai mari, cum ar fi controlul accesului, ancorele de poziționare în interior și terminalele de plată, precum și a produselor de larg consum, cum ar fi televizoarele și consolele de jocuri. Tehnologia îmbunătățește măsurarea distanței și 3D-AoA (unghiul de sosire) cu diverse configurații de antene, oferind fiabilitate și precizie îmbunătățite. PHY-urile și MAC-urile integrate sunt conforme cu specificațiile FiRa și asigură interoperabilitatea cu un număr tot mai mare de dispozitive UWB.
ISP3080 de la Insight SiP (figua 3) este un modul LGA extrem de mic (12 × 12 × 1,5 mm) bazat pe transceiverul QM33110 UWB de la Qorvo și pe cipul nRF52833 Bluetooth Low Energy de la Nordic Semiconductor. Utilizând o interfață cu utilizatorul simplă prin intermediul conexiunii SPI și integrând un procesor Cortex™ M4, memorie flash și RAM, combinate cu antene optimizate, ISP3080 oferă o soluție autonomă pentru aplicații RTLS, control acces și poziționare în interior.
Figura 3: ISP3080 este o soluție de sine stătătoare pentru RTLS, control acces și aplicații de poziționare în interior. (Sursă imagine: Insight SiP)
Modulele includ, de asemenea, un accelerometru 3D pentru a permite moduri de economisire a energiei cu trezire dictată de mișcare. ISP3080 se distinge prin integrarea unei antene multibandă în capsulă, compatibilă atât cu banda de frecvență Bluetooth Low Energy la 2,4 GHz, cât și cu banda de frecvență UWB la 6,5/8,0 GHz.
Acesta este un concept nou dezvoltat de Insight SiP într-o capsulă SIP. Comunicația UWB este conformă cu IEEE 802.15.4. ISP3080 oferă localizare precisă printr-o interfață simplă, controlată prin Bluetooth. Pentru aplicații cu rază lungă de acțiune, care se extind de obicei la câteva sute de metri, ISP3080 poate fi asociat cu o antenă UWB externă. Conectivitatea Bluetooth Low Energy este compatibilă cu Bluetooth 5.1 și permite găsirea poziției pe distanțe lungi și funcții prin Bluetooth.
Figura 4: MS01SF1 poate fi utilizat într-o varietate de aplicații UWB, cum ar fi depozitare și logistică, precum și în sisteme de securitate și control acces. Acesta oferă TWR și TDoA pentru localizarea activelor cu o precizie de 10 cm, suportând, totodată, rate de date de până la 6,8 Mbps. (Sursă imagine: Minew)
Senzorii și tag-urile UWB pot fi integrate în rețele industriale pentru a permite urmărirea în timp real și automatizări industriale. MS01SF1 (figura 4) de la MinewSemi este un modul de bandă ultra-largă (UWB) și Bluetooth Low Energy 5.2 care integrează cel mai recent dispozitiv SoC DW3120 de la Qorvo pentru poziționare în interior și dispozitivul SoC nRF52833 de la Nordic Semiconductor, ca procesor central.
Acesta suportă conectivitate Bluetooth Low Energy și NFC, precum și alte protocoale, inclusiv Thread/Zigbee/IEEE 802.15.4. Modulul poate fi utilizat într-o varietate de aplicații UWB, cum ar fi depozitare și logistică, dar și în domeniul securității și controlului accesului. Acesta oferă sisteme bidirecționale de măsurare a distanței (TWR) și de poziționare (TDoA) pentru localizarea bunurilor cu o precizie de 10 cm, suportând, totodată, rate de date de până la 6,8 Mbps.
Rezumat
UWB este o tehnologie de viitor pe cale să revoluționeze numeroase aplicații datorită capabilităților sale de localizare precisă și vitezelor mari de transmisie a datelor. Integrarea în rețelele existente este facilitată de protocoale standardizate, hardware compatibil și software de suport. Pe măsură ce dezvoltarea și distribuția avansează, tehnologia UWB va fi esențială pentru următoarea generație de comunicații și poziționare wireless.
Autor: Torsten Killinger, Corporate Product Manager Wireless
Rutronik | https://www.rutronik.com
