W jaki sposób sterowanie częstotliwością zapewnia niezawodność i bezpieczeństwo zastosowań w technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB), opracowana podczas II wojny światowej z myślą o bezpiecznej komunikacji i systemach radarowych, została zakazana do użytku komercyjnego, wskutek czego pozostawała przez wiele dziesięcioleci niewykorzystana. Przepisy federalne wydane w 2002 roku umożliwiły szersze zastosowanie technologii ultraszerokopasmowej (UWB). Od tego czasu zyskała znaczącą popularność w coraz większej liczbie zastosowań komercyjnych, w tym przemysłowych, konsumenckich, komunikacyjnych i motoryzacyjnych, które wykorzystują możliwości precyzyjnego pozycjonowania i śledzenia lokalizacji, a także wysoką prędkość transmisji danych i minimalny pobór mocy charakterystyczne dla tego protokołu bezprzewodowego.

Podobnie jak inne protokoły komunikacji bezprzewodowej bliskiego zasięgu, takie jak Bluetooth i Wi-Fi, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) umożliwia tworzenie sieci osobistych (PAN), które łączą urządzenia elektroniczne i ułatwiają transmisję danych w bezpośrednim sąsiedztwie danej osoby. Zamiast wysyłać dane przez sieć LAN lub WAN, sieć osobista (PAN) przesyła informacje pomiędzy urządzeniami znajdującymi się w pobliżu danej osoby.

Jednak technologia ultraszerokopasmowa (UWB) różni się od innych technologii transmisji w kilku kluczowych aspektach, które wpływają na jej wdrażanie w coraz większej liczbie popularnych zastosowań bezprzewodowych.

Ilustracja 1: bezpieczny, szeroki zakres częstotliwości i precyzyjny pomiar w technologii ultraszerokopasmowej (UWB) pozwala jej na użycie w wielu popularnych zastosowaniach bezprzewodowych. (Źródło ilustracji: Aker Technology)

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) działa z bardzo wysoką częstotliwością i nie koliduje z innymi protokołami bezprzewodowymi. Obsługuje takie atrybuty, jak przestrzenny dźwięk, integracja inteligentnych domów i systemy płatności zbliżeniowych, dzięki czemu jest szczególnie przydatna w pojazdach, urządzeniach mobilnych i konsumenckich, takich jak smartfony i tagowanie. Technologia ta umożliwia korzystanie z zaawansowanych funkcji, takich jak bezpieczny dostęp bezdotykowy, nawigacja w pomieszczeniach, płatności zbliżeniowe, udostępnianie danych uwierzytelniających i śledzenie przedmiotów.

Korzyści płynące z zastosowania technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Choć zarówno technologia Bluetooth, jak i Wi-Fi zapewniły sobie miejsce w świecie komunikacji bezprzewodowej, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) jest gotowa do zdominowania zastosowań o zasięgu 10-20 metrów, ponieważ jest szybsza, bezpieczniejsza i niezwykle dokładna. Jest to w dużej mierze spowodowane pomiarami czasu przelotu (ToF).

Tabela 1: pasmo widma technologii ultraszerokopasmowej (UWB) 3,1-10,6GHz znacznie przewyższa pasma Wi-Fi i Bluetooth o szczytowych wartościach 2,4-5GHz. Dzięki pracy w wyższym zakresie częstotliwości i większej szerokości pasma technologia ultraszerokopasmowa (UWB) może bezpieczniej przenosić więcej danych, dzięki czemu idealnie sprawdza się w szybkiej transmisji danych bliskiego zasięgu. (Źródło ilustracji: Aker Technology)

Dzięki dokładnemu pomiarowi czasu potrzebnego na przejście sygnału między urządzeniami, funkcja czasu przelotu (ToF) w technologii ultraszerokopasmowej (UWB) utrudnia osobie atakującej dostęp z zewnątrz do komunikacji w ramach tej technologii lub manipulowanie nią ze względu na jej charakter kryptograficzny, generowanie liczb losowych i inne techniki zabezpieczeń.

Oprócz wysokiego bezpieczeństwa, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) oferuje niską moc, dobrą odporność na zakłócenia, precyzyjne pozycjonowanie i śledzenie lokalizacji, a także sygnały, które mogą z łatwością przenikać przez różnorodne materiały. Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) pozwala na przesyłanie dużych ilości energii sygnału bez zakłócania konwencjonalnej transmisji wąskopasmowej i na falach nośnych w tym samym paśmie częstotliwości.

Prędkość bezprzewodowa (dane w czasie rzeczywistym, precyzyjne określanie czasu): chociaż szybkość transmisji danych w komunikacji Wi-Fi jest nieco wyższa niż technologii ultraszerokopasmowej (UWB) - wynoszą one odpowiednio 600Mbps i 460Mbps - możliwości w zakresie wykrywania, którymi charakteryzuje się technologia ultraszerokopasmowa (UWB) podobne do możliwości radarów, sprawiają, że technologia ta stanowi skuteczne rozwiązanie w zastosowaniach bezprzewodowych. (Dla porównania, szybkość transmisji danych Bluetooth wynosi 24Mbps). Ponadto, dzięki niższemu zasięgowi nominalnemu niż w przypadku Bluetooth lub Wi-Fi, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) najlepiej sprawdza się w zastosowaniach bliskiego zasięgu, które wymagają precyzyjnego określania czasu i transmisji danych w czasie rzeczywistym.

Dokładność (pozycjonowanie, śledzenie lokalizacji): dokładność technologii ultraszerokopasmowej (UWB) jest nieporównywalna z żadną inną technologią bezprzewodową na krótkich odległościach i zapewnia bardziej precyzyjną lokalizację urządzeń. Brak zakłóceń pomiędzy technologią ultraszerokopasmową (UWB) a innymi technologiami transmisji radiowej i impulsów radiowych oznacza, że technologia ultraszerokopasmowa (UWB) pozwala na skuteczny pomiar odległości z dokładnością zaledwie 10 do 30cm, co jest znacznie lepszym wynikiem niż w przypadku Wi-Fi (2 do 3m) i Bluetooth (1 do 5m).

Bezpieczeństwo (integralność danych, bezpieczna transmisja): transmisja impulsów w technologii ultraszerokopasmowej (UWB) jest odporna na zakłócenia i odbicia, dzięki czemu jest wysoce bezpieczna w wielu zastosowaniach. Bezpośrednie połączenie między dwoma urządzeniami i precyzyjne właściwości pomiarowe pozwalają przy wykorzystaniu technologii ultraszerokopasmowej (UWB) na nawiązanie połączenia z urządzeniem i uwierzytelnienie go w czasie rzeczywistym, bez rejestrowania lub przekazywania fal radiowych.

Sprawność energetyczna (niski upływ, optymalne zużycie): dzięki dużej prędkości transmisji i dobrze zdefiniowanej ramce czasowej, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) oszczędza energię lepiej niż większość protokołów bliskiego zasięgu. Może obsługiwać kilka trybów niskiej mocy, w tym hibernację, co zapewnia dalszą optymalizację mocy. W przypadku małych urządzeń zasilanych bateryjnie, takich jak te znajdujące się w środowiskach charakterystycznych dla technologii ultraszerokopasmowej, kluczowym czynnikiem jest pobór mocy.

Oscylatory krystaliczne umożliwiają wykorzystanie technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) zaspokaja wiele potrzeb zastosowań bezprzewodowych bliskiego zasięgu w szerokim zakresie częstotliwości, ale wiąże się to również z potrzebą dokładnej kontroli częstotliwości w celu zapewnienia precyzyjnego pozycjonowania, śledzenia lokalizacji i szybkiej transmisji danych, które decydują o tak wysokiej użyteczności technologii ultraszerokopasmowej (UWB).

Tabela 2: typowe kryształy o wysokich parametrach, które spełniają potrzeby sterowania częstotliwością w technologii ultraszerokopasmowej (UWB). Kryształy kwarcu są popularnymi urządzeniami kontrolującymi częstotliwość, służącymi do sterowania sygnałami i synchronizacją czasową niezbędną do przesyłania informacji we właściwym czasie i z odpowiednią prędkością. Stabilność, charakterystyka szumu fazowego i sprawność energetyczna kryształu mogą wpływać na jakość i niezawodność systemów komunikacji ultraszerokopasmowej i systemów pozycjonowania. (Źródło ilustracji: Aker Technology)

Stabilny oscylator dostarcza niezawodny i dokładny sygnał zegara, który zapewnia, że impulsy technologii ultraszerokopasmowej (UWB) zachowują pożądany kształt i widmo. Innymi słowy, na kształt impulsu generowanego przez nadajnik technologii ultraszerokopasmowej (UWB) wpływa synchronizacja zapewniana przez oscylator.

Dryft częstotliwości lub niestabilność oscylatora mogą prowadzić do zniekształceń sygnału i słabych parametrów działania, dlatego wybór kryształu o odpowiednim zakresie częstotliwości, tolerancji i stabilności ma kluczowe znaczenie. Inne kluczowe parametry to m.in. typ obudowy, temperatura robocza i pojemność obciążenia.

Główne rynki technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB), która pojawiła się po raz pierwszy w urządzeniach iPhone 11, szybko zyskała popularność w wielu aplikacjach opartych na sieci osobistej (PAN), na przykład w instalowanych w pojazdach tagach inteligentnych i punktach referencyjnych, zwanych też kotwicami. Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) pomaga w rozwijaniu innowacji w inteligentnych technologiach bezprzewodowych i lepszej automatyzacji świata. Oto kilka innych sposobów, w jakie technologia ultraszerokopasmowa (UWB) rewolucjonizuje różne rynki łączności bezprzewodowej bliskiego zasięgu (ilustracja 2):

Przemysł - technologia ultraszerokopasmowa (UWB) jest wykorzystywana w śledzeniu aktywów, lokalizowania obiektów wewnątrz budynków, systemach monitorowania, bezprzewodowych sieciach czujników i zastosowaniach inteligentnych sieci. Omawiana technologia może zapewnić dokładne informacje o lokalizacji personelu i sprzętu.

Komunikacja konsumencka - omawiana technologia jest wykorzystywana w smartfonach, urządzeniach ubieralnych, Internecie rzeczy (IoT), systemach domów inteligentnych i tagach inteligentnych, zapewniając szybką i niezawodną łączność bezprzewodową pomiędzy urządzeniami bliskiego zasięgu. Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) oferuje dokładniejsze śledzenie w przestrzeni, np. precyzyjne pozycjonowanie w pomieszczeniach.

Motoryzacja - w branży motoryzacyjnej technologia ultraszerokopasmowa (UWB) jest wykorzystywana przez bezkluczowe systemy otwierania pojazdu, systemy bezpiecznego dostępu do pojazdów, zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS) i systemy śledzenia do precyzyjnego pozycjonowania.

Ilustracja 2: zastosowania technologii ultraszerokopasmowej (UWB). (Źródło ilustracji: Aker Technology)

Sterowanie częstotliwością wspomaga innowacje bezprzewodowe

Rosnące zapotrzebowanie na łączność bezprzewodową, zwłaszcza w obliczu coraz powszechniejszego stosowania urządzeń Internetu rzeczy (IoT) i wdrażania sieci 5G, wyznacza nowe granice w obszarze przenoszenia danych przez pasma częstotliwości. Rozwijająca się infrastruktura bezprzewodowa opiera się na krytycznych parametrach działania oferowanych przez technologię ultraszerokopasmową (UWB).

Działając w szerokim zakresie częstotliwości, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) pozwala na przesyłanie dużych ilości energii sygnału bez zakłócania konwencjonalnej transmisji wąskopasmowej i fali nośnej w tym samym paśmie częstotliwości. Przydział tak szerokiego pasma wymaga dokładnej kontroli częstotliwości, aby uniknąć zakłóceń z innymi systemami bezprzewodowymi działającymi w tych samych pasmach częstotliwości, a także zsynchronizować przesyłanie danych i utrzymać niezawodność komunikacji.

Podsumowanie

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) umożliwia bezpieczny pomiar odległości i precyzyjne pomiary, tworząc nowy wymiar w kontekście przestrzennym dla urządzeń bezprzewodowych. Umożliwia przesyłanie dużych ilości energii sygnału bez zakłócania konwencjonalnej transmisji wąskopasmowej i transmisji na falach nośnych w tym samym paśmie częstotliwości. Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) stanowi przyszłość Internetu rzeczy (IoT), urządzeń ubieralnych, lokalizacji w czasie rzeczywistym, inteligentnego dostępu do samochodów, domowych paneli sterowania, komunikacji równorzędnej, automatycznego odblokowywania i zarządzania dostępem. Celem firmy Aker jest aktywny udział w tej przyszłości - cel ten realizuje, oferując szeroką gamę kryształów zegarowych.