Jste zde

Bliží se konec Bluetooth a Wifi?

Libor Michalec, 14. Prosinec 2020 - 8:14

V mobilních telefonech a tabletech se začíná objevovat informace, že dané zařízení podporuje UWB. Jedná se o technologii, která dokáže vzájemně propojit různá zařízení a spolehlivě přenášet informace mezi nimi. Oproti Wi-Fi a Bluetooth má řadu výhod, například velmi přesnou lokalizaci daného zařízení.

Historie UWB začala již ve čtyřicátých letech dvacátého století, kde začal mohutný vývoj radarové techniky. V sedmdesátých letech se tato technologie začala prosazovat i v komunikační technice. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) tuto technologii definovala až v roce 1990.

Pod zkratkou UWB (ultra wideband) se skrývá ultraširoké pásmo. Na rozdíl od Wi-Fi a mobilních sítí, kde jsou kanály o šířkách 20–80 MHz, u UWB je minimální šířka pásma 500MHz. Širší šířka pásma znamená přenesení většího množství dat. Rozdíl není jen v šířce pásma, ale také v modulaci daného signálu. Klasické rádiové sítě využívají frekvenční modulaci sinusové nosné vlny, kdežto UWB využívá krátkodobé nízkovýkonové pulsy (okolo 2 ns). Datová informace je zakódována přímo v signálu základního pásma, takže modulace nosné není potřebná. UWB rozloží signál v rámci velmi širokého spektra tak, aby výkon v každém jednotlivém pásmu byl pod úrovní šumu. Zjednodušeně můžeme říct, že sinusové signály jsou dlouhé, ale zaberou úzké pásmo. Pulsy jsou krátké, ale využívají široké pásmo.

UWB pracuje na frekvencích od 1 GHz až po 10 GHz. U nás ČTÚ povoluje kmitočty 3,1–4,8 GHz a 6–9 GHz. To znamená, že zasahuje do spektra, která jsou určena pro mobilní sítě nebo Wi-Fi. Vzájemné ovlivnění je nemožné, jelikož z hlediska Wi-Fi nebo mobilních sítí je UWB doslova šum. UWB se vysílá na velmi nízkém výkonu, a to o -41,3 dBm/MHz. Čili UWB se nenechá rušit ostatními a zároveň neruší jiné. Jeho obrovskou výhodou je schopnost procházet stěnami, netrpí na přeslechy a dosah může mít v desítkách metrů.

Výhodou pulsní modulace je nemožnost zkreslení odrazem, resp. příjmem signálů z více cest (multipath distortion). Odražené signály byly problémem v analogovém televizním vysílání, kde se projevovali tzv. „duchové“ na obrazovce (ještě před DVBT).

UWB je velmi obtížné odposlechnout a není snadné zjistit přítomnost bezdrátových zařízení (signály totiž vypadají jako slabý šum). UWB technologie umožňuje miniaturizaci transceiverů, a díky tomu je lze použít i na drobné zboží, čímž se otevírá obrovské aplikační možnosti, které před několika lety nebyly možné.

Srovnání jednotlivých sítí

Využití UWB technologie

  • Přesná lokalizace – určení přesné polohy osob i předmětů, pohotovostní a bezpečnostní systémy pro vojenské i civilní účely, podzemní lokalizace
  • Detekce pohybu a sledování (skrze zdi) – domácí bezpečnostní systémy, sledování dětí v domácnostech, monitorování pohybu zboží - logistika
  • Bezpečnost pohybu – senzory pro zamezení kolizím (automobily), zabránění krádežím automobilů, motocyklů, bezpečnost pohybu vozidel a průmyslových zařízení (systémy pracují s přesností na méně než centimetry)
  • Komunikační sítě – rychlé lokální a domácí sítě (malé náklady a vysoká rychlost)
  • Zdravotnictví – sledování dechu (ochrana proti syndromu náhlého úmrtí novorozence) a monitorování srdeční činnosti
  • Továrny - zlepšení provozní efektivity nebo zvýšení bezpečnosti personálu
  • Budovy - poskytování podrobných navigačních služeb
  • Sport - analýza výkonu v reálném čase
  • Drony - řízení letu
  • Propojené domácnosti - ovládání chytrých zařízení na základě polohy lidí

Detekce odrazů krátkých pulsů UWB se využívá pro velmi přesné radarové systémy (Ground Penetrating Radar, GPR). Jak bylo řečeno, UWB signály pronikají zdmi. Část rozprostřeného signálu se odráží, část proniká skrz. Toho lze využít pro vyhledávání osob pod sutinami při zemětřeseních nebo jiných katastrofách. Přesné měření vzdáleností se využívá v tzv. RLMS systémech (Radar Level Measurement Systems).

Apple představil iPhony 11 s čipem U1 a technologií UWB. V létě 2020 Samsung uvedl Galaxy Note 20 Ultra s UWB. Teď na podzim 2020 Xiaomi ukázal upravený telefon Mi 10 s UWB. Nová technologie pomalu prostupuje mobily, notebooky či tablety a v budoucnu bude běžná jako Bluetooth nebo tuto technologii plně nahradí.

Více informací o technologii UWB naleznete na stránce UWB aliance https://uwballiance.org

Konsorcium FIRA

Toto konsorcium vzniklo kvůli tomu, aby se sjednotila metodika pro lokalizaci předmětů s využitím technologie UWB. Díky tomu všechny výrobky, které získají certifikaci dle této metodiky, si navzájem rozumění a je možné je kombinovat v jedné síti či aplikaci.

Koncept je jednoduchý. Jakmile zařízení, které je vybaveno UWB technologií (smartphone, náramek nebo tablet) a dostane se do dosahu jiného zařízení UWB, začne okamžitě vypočítávat vzdálenost mezi zařízeními. To se provádí pomocí dobře známé funkce ToF (Time of Fly). TOF počítá dobu zpáteční cesty paketů příkaz / odpověď. V případě sledování aktiv či lokalizace zařízení vypočítá mobilní nebo pevné UWB zařízení přesnou polohu zařízení.

UWB používá velmi velkou šířku pásma kanálu (500 MHz) s krátkými pulsy okolo 2 ns. Díky tomu lze dosáhnout centimetrové přesnosti. Určování polohy probíhá okamžitě, takže pohyby mobilního zařízení lze velmi přesně sledovat v reálném čase. Konsorcium FiRa podporuje pásmo 500 MHz v rozsahu 5 až 14 kanálů. Protože kanál 9 je celosvětově nejrozšířenější, je podpora tohoto kanálu povinná, aby zařízení získalo FiRa certifikaci. Že se nejedná jen o malé společenství, je nutno podotknout, že mezi členy patří NXP, Samsung, Bosch, HID, Cisco, ST, Sony, Decawave a mnoho dalších.

Více informací na https://www.firaconsortium.org

NXP s technologií UWB

NXP nabízí technologii UWB v podobě řady Trimension. Trimension SR040 je určený pro bateriově napájené zařízení jako jsou miniaturní tagy. Dalším čipem je Trimension SR150, který navíc disponuje funkci AoA (Angle of Arival), která ještě více zpřesňuje lokalizaci. Oba tyto čipy jsou připraveny pro certifikaci FiRa Consotium. Modul ASMOP1BO0N1 je osazen čipem SR040, ale není v ní integrována anténa, která musí být řešena externě. Čip Trimension NCJ29D5 je určen do automobilového průmyslu. Poslední novinkou je čip Trimension OL23D0, který je plně přizpůsobitelný pro aplikace IoT.

 

Všechny zmíněné produkty lze využít v zabezpečeném přístupu bez použití rukou jako je automatické odemčení domu či automobilu. Každý z nás zná situaci, kdy hledal nějakou věc uvnitř domu. Kdyby příslušný předmět byl osazen tagem s UWB technologií, tak pomocí vnitřní lokalizace lze tento předmět jednoduše nalézt. Vnitřní lokalizace lze využít i obráceně a to tak, že bude sledován pohyb daného předmětu v budově, skladu či nemocnice. Tato technologie nalezne své uplatnění v bezkontaktním placení, a to doslova. Nemusí se přikládat platební karta či telefon, stačí aby byl zákazník v dosahu platební brány.

Více informací o produktech NXP s technologí UWB naleznete zde: https://www.nxp.com/UWB-TRIMENSION

Moduly a vývojové kity Decawave

Další kdo poskytuje moduly s technologií UWB je společnost Decawave. Tuto společnost právě kupuje Quorvo, která dokončuje akvizici. Všechny modulu jsou založeny na čipu DW1000. Decawave DW1000 byl prvním bezdrátovým transceiver na světě založený na ultra širokopásmové technologii. Tento čip umožňuje vyvinout nákladově efektivní lokalizaci RTLS s přesností 10 cm. Čip poskytuje všechny informace k určování polohy v reálném čase a určování polohy ve vnitřních prostorách a službám založeným na poloze předmětu či osob. Na základě IEEE802.15.4-2011 se DW1000 zaměřuje také na aplikace internetu věcí (IoT), a to díky komunikační rychlosti až 6,8 Mbps. K dispozici jsou také vývojové sady EVK1000, MDEK1001 a DWS3000 ARDUINO SHIELD.

DWM1000 MODULE – obsahuje integrovaný obvod DW1000 IC, anténu, správu napájení a hodiny. Podporuje datové rychlosti 110kbps, 850kbps a 6,8Mbps na frekvencích 3,5 GHz - 6,5 GHz - kanál 1, 2, 3, 4, 5, 7 Rozměry jsou 23mm x 13mm x 2,9mm. Podporuje ToF a TDoA

DWM1001C MODULE – kombinuje DW1000, nRF52832 MCU od Nordic Semiconductor a 3osý akcelerometr. Je určen pro škálovatelné systémy TWR RTLS až s tisíci značek. Integrovaný firmware DRTLS usnadňuje vývoj software a navíc podporuje technologii Bluetooth. Přenosová rychlost UWB dosahuje na kanálu 5 (6,5 GHz) / 6,8 Mb / s. Rozměry jsou 19mm x 26mm x 2,6mm. K tomuto modulu je k dispozici vývojová deska DWM1001 DEVELOPMENT BOARD.

DWM1004C MODULE –  tento modul se primárně zaměřuje na aplikace TDoA vyžadující výdrž baterie po několik let. DWM1004C je založen na čipové sadě DW1000 a nabízí vysokou přesnost a schopnost lokalizace v reálném čase s přenosovou rychlostí 6,8 Mb / s. Je certifikován dle FCC a ETSI. Cílové aplikace je továrna 4.0, logistika ve skladě, sledování objektů jako jsou palety, nářadí, krabice, ale i sledování hospodářských zvířat či sledování zdravotnického vybavení v nemocnicích.

DWM3000 MODULE – Modul je založen na bezdrátovém vysílači a přijímači Qorvo IEEE802.15.4z-2020 UWB, DW3110 IC. Je pinově a velikostně kompatibilní s DWM1000. Ve srovnání s modulem předchozí generace nabízí DWM3000 vylepšení spotřeby energie a přidání podpory CH9. Snadno propojitelný s širokou škálou mikrokontrolerů pomocí rozhraní SPI. Podpora IEEE 802.15.4-2015 a IEEE 802.15.4z-2020 (režim BPRF). Datová rychlost dosahuje 850 kb / s a ​​6,8 Mb / s.  Celosvětová podpora UWB kanálů CH5 (6,5 GHz) a CH9 (8 GHz). Rozměry jsou 23mm x 13mm x 2,9mm. Podpora ToF, TWR a TDoA.

Více informací na https://www.decawave.com

Společnost Sewio dodává kompletní řešení

Sewio Networks je výrobcem lokalizačního systému v reálném čase (RTLS) pro sledování uvnitř budov v maloobchodním, sportovním, zábavním a živočišném průmyslu. Systém Sewio je postaven na ultraširokopásmové technologii UWB a dodává se software RTLS Studio pro vzdálenou správu a vizualizaci. Poskytuje partnerům a zákazníkům přesné, snadno integrovatelné, spolehlivé a plně škálovatelné řešení, které umožňuje společnostem dosáhnout vyšší efektivity, ziskovosti a bezpečnosti.

Společnost Sewio byla založena v roce 2014, má ústředí v České republice a kancelář v Německu. Má více než 70 partnerů pro systémovou integraci a poskytuje zákazníkům služby ve 45 zemích. Mezi jejich zákazníky patří: Volkswagen , Toyota, Budweiser Budvar , TPCA, Škoda , ENEL.

Sewio v číslech:

  • Technologie Sewio je používána 170 klienty ve 45 zemích po celém světě
  • Sewio je dodáváno prostřednictvím sítě 80 partnerů ve 45 zemích
  • Sewio má tým 30 zaměstnanců ve třech zemích - USA, Německu a České republice
  • Průměrná doba návratnosti (PBP) pro technologii Sewio je 11 měsíců

Více informací na https://www.sewio.net

 

Hodnocení článku: 

Související články