Erfahren Sie mehr über Chirp Spread Spectrum (CSS) und darüber, wie diese flexible Radiofrequenz Technologie einen einzigartigen Leistungsmix aus Genauigkeit, Reichweite und Zuverlässigkeit bietet, um eine unvergleichliche Ortung und Verfolgung von Objekten in Innenräumen zu ermöglichen, insbesondere in industriellen Umgebungen.
Chirp, oder Chirp Spread Spectrum (CSS) ist eine Radiofrequenz Technologie für die drahtlose Kommunikation mit großer Reichweite, die zur Erkennung und Verfolgung des Standorts von Personen, Objekten und Geräten sowohl im Innen- als auch im Außenbereich von Großanlagen eingesetzt werden kann. Durch die Leistungsfähigkeit über große Reichweiten mit hoher Zuverlässigkeit, die hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Funkstörungen und den geringen Stromverbrauch eignet sich Chirp in einzigartiger Weise für Anwendungen in weiträumigen, lauten Umgebungen wie Industrieanlagen. Genau wie andere Kommunikationsprotokolle, einschließlich UWB und Bluetooth, kann Chirp zur Übertragung von Daten zwischen Geräten über Funkwellen verwendet werden. Dazu verwendet es eine Breitbandmodulationstechnik, die lineare frequenzmodulierte Signale erzeugt, die auch als Chirps bezeichnet werden.
Chirp wurde für den Betrieb im 2,45-GHz-ISM-Band entwickelt und gehört zur gleichen Kategorie wie andere Spread-Spectrum-Technologien. Ursprünglich für militärische Anwendungen gedacht, um eine sichere und zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten, die resistenter gegen Detektion, Störung und Interferenz ist, werden mit Spread Spectrum-Methoden Funksignale über einen größeren Frequenzbereich verteilt, wodurch Signale mit größerer Bandbreite erzeugt werden, während die ursprüngliche Signalleistung erhalten bleibt. Die Chirp-Technologie erhöht die Bandbreite von Signalen auf ein Vielfaches des im Shannon-Hartley-Theorem genannten Wertes und hilft so die Kommunikation robuster gegen Interferenzen zu machen. Es werden zwei Arten von Chirp-Impulsen eingesetzt - Upchirps und Downchirps. Bei der drahtlosen Kommunikation werden Chirp-Impulse von einem Sende-/Empfangsgerät an einen Empfänger oder zwischen Sende-/Empfangsgeräten gesendet, die Kommunikation zwischen einem oder mehreren Geräten gleichzeitig senden und empfangen können. Die Empfangsgeräte analysieren die Muster der eingehenden Impulse und wandeln sie in Daten um. Auf diese Weise können Geräte nicht nur zuverlässig Daten über weite Entfernungen senden, sondern Chirps können auch dazu verwendet werden, um den genauen Standort von Geräten zu ermitteln. Dies ermöglicht es Chirp-fähigen Geräten wie RTLS-Ankern, ein sendendes Gerät, z. B. einen Objetverfolgungs-Tag, zu lokalisieren, seinen genauen Standort zu ermitteln und in speziellen Anwendungen eine standortbasierte Kommunikation sowie standortbezogene Dienste zu ermöglichen.
Die Chirp-Technologie wird nicht nur von RTLS für die Echtzeit-Ortung von Geräten, wie z. B. Tracking-Tags, verwendet, sondern ermöglicht auch die Zwei-Wege-Abstandsmessung und Abstandsüberwachung sowie drahtlose Kommunikationsanwendungen. Mithilfe dieser Arten von Anwendungen unterstützt die Chirp-Technologie standortbezogene Lösungen, die in verschiedenen Arten von Anlagen und industriellen Umgebungen wie Fabriken, Untertageminen, Lagerhallen und mehr verschiedenste Anwendungsfälle ermöglichen, z. B. die Objektverfolgung, die Kollisionsvermeidung, die Fahrzeugverfolgung, die industrielle Automatisierung, die Suche und Rettung von Arbeitern und vieles mehr.
Chirp-Impulse sind in der gesamten Natur zu finden und werden von Tieren wie Delfinen und Fledermäusen zur Kommunikation und Erfassung genutzt. Eben diese Impulse wurden erstmals in den 1940er Jahren von einem Professor Hüttmann für technische Anwendungen angepasst und patentiert, der Chirp für Radaranwendungen nutzte. Das Konzept der Verwendung des Chirp-Spread-Spectrum für Radaranlagen wurde 1947 von Sidney Darlington, einem IEEE-Fellow auf Lebenszeit, weiterentwickelt, dessen Forschung das Pulskompressionsradar hervorbrachte. Im Jahr 1996 setzte Canon die Entwicklung der Chirp-Technologie fort und patentierte Chirp-Impulse für die Datenübertragung in Glasfasersystemen. Seit den 1990er Jahren wurden die Chirp-Technologien kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Ein Großteil dieser Entwicklung wurde durch weitere Nachforschungen und Patente von Nanotron Technologies vorangetrieben, einem Unternehmen, das jetzt zur Inpixon-Familie gehört. Heute ist Inpixon führend auf dem Gebiet der Chirp-Technologie und bietet Chirp-fähige Lösungen an, die Standortverfolgung in Echtzeit, Zwei-Wege-Abstandsmessung und bidirektionale Kommunikationsanwendungen ermöglichen, die Unternehmen dabei unterstützen, mithilfe der Standorterkennung die Sicherheit und Effizienz zu verbessern und die Geschäftsergebnisse zu beschleunigen. Inpixon bietet chirp-fähige RTLS-Lösungen an, darunter flexible, Ortungs-Tags mit großer Reichweite, Anker und den firmeneigenen Inpixon nanoLOC-Ortungschip, der als Grundlage für viele Ortungslösungen mit Chirp-Technologie weltweit dient.
Chirp hat viele einzigartige Vorteile, die es zu einer flexiblen Option machen, die sich für Einsätze eignet, bei denen die Ortung über große Entfernungen, eine hohe Zuverlässigkeit und ein geringer Stromverbrauch von besonderer Bedeutung sind.
Aufgrund der hohen Systemverstärkung sowie der Widerstandsfähigkeit gegenüber Interferenzen und Mehrwegeschwund bietet CSS eine außergewöhnliche Reichweite für die Ortung (bis zu 500 m), selbst in lauten Industrieanlagen. Diese Reichweite erstreckt sich sowohl über den Innen- als auch Außenbereich und bietet Lösungen, die in beiden Umgebungen funktionieren, ohne dass eine kostspielige Frequenzlizenzierung benötigt wird. Die große Kommunikationsreichweite und die hohe Kanalkapazität, gepaart mit der akkuraten Bestimmung des Standorts mit einer Genauigkeit von 1-2 m und einer sehr geringen Latenz, ermöglichen die Echtzeit-Ortung und Zwei-Wege-Abstandsmessung/ Kommunikationsanwendungen mit einem speziellen Leistungsmix, den viele andere gängige RF-Technologien nicht erreichen können.
Die Chirp-fähige Technologie verbraucht außerdem sehr wenig Strom und wurde insbesondere für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch entwickelt. So können Sie RTLS-Lösungen mit kostengünstigen und effizienten Hardware-Optionen zusammenstellen, wie z. B. Tracking-Tags mit integrierten Batterien, die mehrere Jahre lang betrieben werden können, ohne dass sie aufgeladen oder ersetzt werden müssen.
Aufgrund von Chirp-Impulsen mit höherer Bandbreite und CSMA-Unterstützung sind Chirp-basierte Systeme sehr widerstandsfähig gegenüber RF-Interferenzen, sowohl Schmalband- als auch Breitbandstörungen. Durch die Frequenzspreizung der Chirps sind Chirp-Systeme auch sehr widerstandsfähig gegen Mehrwegeschwund. Bei den meisten Schmalband-RF-Technologien erreicht das ursprüngliche Signal eines Senders einen Empfänger in der Regel mit mehreren Reflektionen von Gebäuden oder anderen Umgebungseinflüssen. Dies führt häufig zu einer Verstärkung oder Abschwächung der Frequenzen sowie zu destruktiven Interferenzen, die eine Unterbrechung der Kommunikationsverbindung eines Schmalbandsystems verursachen können. CSS ist anders, da die in den übertragenen Symbolen enthaltene Energie gleichmäßig über die Bandbreite verteilt ist, wodurch die Kommunikationsverbindung nicht unterbrochen wird, wenn die störende Entität nicht die gesamte Bandbreite des Kanals blockiert. Im Gegensatz zu anderen RF-Technologien ist Chirp auch resistent gegen den Dopplereffekt, der eine Frequenzverschiebung der übertragenen Signale verursacht. Seine große Bandbreite trägt außerdem dazu bei, die Empfangsqualität bei fast jeder Antennenposition zu verbessern. Dank dieser einzigartigen Eigenschaften ermöglicht Chirp für Hochleistungsanwendungen in lauten Umgebungen wie Industrieanlagen, wo Zuverlässigkeit und Robustheit gegenüber Störungen erforderlich sind.
CSS-Signale können auch für die Schätzung der Ankunftszeit (Time of Arrival, ToA) und die Berechnung der Zeitdifferenz der Ankunft (Time difference of arrival, TDoA) verwendet werden und liefern eine akkurate Systemleistung für skalierbare Lösungen, die Tausende von zeitgleich georteten Einheiten unterstützen können. Chirp-Lösungen bieten außerdem kostengünstige Hardware und benötigen weniger Infrastruktur als andere Technologien, was zu einem hohen ROI führt und die besondere Fähigkeit, hoch skalierbare Unternehmensimplementierungen zu ermöglichen, weiter erhöht.
Chirp ermöglicht die Bestimmung des Standorts mithilfe von entfernungsbasierten Methoden anstelle anderer gängiger Verfahren, die auf weniger genauen Berechnungen auf der Grundlage der empfangenen Signalstärke beruhen. So kann die Entfernung zwischen Sendeempfängern genau gemessen werden, indem die Zeit berechnet wird, die die Signale benötigen um den Weg zwischen den beiden Geräten zurückzulegen. In bestimmten Szenarien können die X-, Y- und Z-Koordinaten des Standorts eines Geräts ermittelt werden, was der Ortung mit Chirp eine zusätzliche Dimension verleiht. Je nach Anwendungsfall oder Applikation kann die genaue abstandsbasierte Technik zur Berechnung der Entfernung unterschiedlich sein.
Für die Chirp-Ortung gibt es hauptsächlich zwei Techniken, die verwendet werden können: die Zeitdifferenz der Ankunft (TDoA) und die Zwei-Wege-Abstandsmessung (TWR).
In einem RTLS nutzt TDoA die Standortdaten, die die Chirp-RTLS-Anker (CSS) von den RTLS-Tag-Sendern eingesammelt haben, um die Positionen der markierten Objekte in Echtzeit zu berechnen. Ein RTLS-Tag sendet kontinuierlich in regelmäßigen Intervallen RF-Signale aus, die auch als Standortblinks bezeichnet werden. Mehrere RTLS-Anker innerhalb der Kommunikationsreichweite des Tag-Senders empfangen diese Standortblinks und versehen sie mit einem exakten Ankunftszeitstempel (Time of Arrival, ToA). Die Anker leiten diese mit einem Zeitstempel versehenen Standortdaten dann an die zentrale Lokalisierungsserver-Software weiter. Damit sie ordnungsgemäß funktionieren, müssen die festen Anker genau synchronisiert werden, damit sie zeitlich exakt abgestimmt sind.
Der Lokalisierungsserver analysiert die Daten von jedem einzelnen Anker und die Unterschiede in den Ankunftszeiten bei den Ankern und berechnet mithilfe der Multilateration die Koordinaten des Tags. Diese Koordinaten können dann verwendet werden, um den Standort des Geräts auf einem Raumplan sichtbar zu machen oder je nach Anwendung auch für andere Zwecke genutzt werden.
Während bei TDoA mehrere fest positionierte Anker zusammenarbeiten, um den Standort eines mobilen Objekts zu bestimmen, nutzt TWR in erster Linie die Zwei-Wege-Kommunikation zwischen zwei Geräten, wie z. B. Ortungs-Tags die an Personen, Objekten oder Fahrzeugen angebracht sind, zur Echtzeitüberwachung der Entfernung zwischen ihnen.
Bei TWR beginnen zwei Geräte mit der gegenseitigen Abstandsmessung, sobald sich ein Gerät in der Nähe des anderen befindet, um noch während sie kommunizieren ihre Entfernung zu bestimmen. Die Zeit, die die Signale benötigen, um die Distanz zwischen ihnen zurückzulegen, wird dann mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und zur kontinuierlichen Bestimmung ihrer relativen Positionen verwendet.
Die von einem Gerät zum anderen ermittelte Position wird dann je nach spezifischer Anwendung nutzbar gemacht. TWR kann auch von fest installierten Ankern und Tracking-Tags genutzt werden, allerdings kann das TWR-Verfahren jeweils nur einen Partner für die Abstandsmessung zur Ortung des Geräts verwenden.
