Erfahren Sie mehr über UWB und darüber, wie diese präzise, schnelle und zuverlässige Hochfrequenz (RF)-Technologie für fortschrittliche Echtzeit-Ortungssysteme und Asset-Tracking-Einsätze genutzt werden kann.
Ultrabreitband (UWB) ist eine Kurzstrecken-HF-Technologie für die drahtlose Kommunikation, die genutzt werden kann, um den Standort von Personen, Geräten und Anlagen mit unübertroffener Präzision zu ermitteln. Wie andere Kommunikationsprotokolle, z. B. Bluetooth und Wi-Fi, kann UWB verwendet werden, um Daten zwischen Geräten über Funkwellen zu übertragen. Dies geschieht mit kurzen Impulsen im Nanosekundenbereich über einen "ultrabreiten" Bereich von Frequenzen.
Die UWB-Technologie verwendet Milliarden von Funkimpulsen, die alle paar Nanosekunden als Muster über ein breites Frequenzspektrum (mindestens 500 MHz oder 20 % der Mittenfrequenz) gesendet werden. Diese Signale werden von einem Sender zu einem Empfänger oder zwischen Sendeempfängern übermittelt. Das empfangende Gerät analysiert das eingehende Muster und wandelt es in Daten um. So können Geräte nicht nur schnell Daten über kurze Entfernungen senden, sondern diese UWB-Signale können auch dazu verwendet werden, den Standort von Geräten genau zu bestimmen. Dies ermöglicht es UWB-fähigen Geräten (wie Smartphones oder Sensoren und Ankern), ein sendendes Gerät, wie z. B. ein anderes Smartphone oder einen Asset-Tracking-Tag, zu lokalisieren, seinen genauen Standort zu ermitteln und in speziellen Anwendungen Standortbezogene Kommunikation und Dienste zu ermöglichen.
Obwohl die kürzliche Einführung von Smartphones der neuesten Generation und anderen Technologien den Eindruck erweckt, es handele sich um eine neue, hochmoderne Technologie, wird UWB bereits seit Jahrzehnten eingesetzt. Über viele Jahre war die Verwendung begrenzt oder eingeschränkt und wurde üblicherweise in militärischen Radar- und Kommunikationsanwendungen unter dem Namen "Pulsfunk" eingesetzt. Im Jahr 2002 genehmigte die FCC die unlizenzierte Nutzung. Seit dieser Entscheidung hat die UWB-Technologie große Innovations- und Entwicklungsschübe erlebt, die neue Möglichkeiten für neuartige ortsbezogene Anwendungen eröffnet.
Einige der größten Unternehmen haben die vielseitigen Möglichkeiten von UWB erkannt und mit der Entwicklung oder Veröffentlichung von UWB-fähigen Lösungen begonnen. Eines der bekanntesten Unternehmen, Apple, begann erstmals mit der Veröffentlichung des iPhone 11, das mit dem neuen U1-Ultra-Wideband-Chip ausgestattet ist, mit der Integration von UWB in seine Technologie. Andere Unternehmen, wie z. B. Samsung, sind diesem Beispiel gefolgt und haben UWB in einige ihrer neu veröffentlichten Smartphones und andere Geräte integriert. Auch Google arbeitet an der Entwicklung einer API, die UWB-gestützte Anwendungen in Android-Geräten ermöglichen soll.
Es ist mittlerweile eine kostengünstige Option mit Hardwarekomponenten, die ausreichend klein sind, um sie in viele verschiedene Arten von Geräten einzubauen. Die NFL nutzt Ultra-Wideband sogar, um den Standort und die Bewegungen von Spielern in Echtzeit zu verfolgen, indem sie UWB-Chips an ihren Schulterpolstern befestigt, die es der Liga ermöglichen, zu analysieren, wie sich die Sportler während der Spiele über das Feld bewegen. NXP und Volkswagen erkunden ebenfalls die Möglichkeiten der Nutzung von UWB in Autos, um das Fahrerlebnis sicherer, komfortabler und gefahrloser zu gestalten. Neben diesen Unternehmen, die Vorreiter bei der Entwicklung der UWB-Technologie sind, gibt es eine Vielzahl von UWB-Hardwarelieferanten, die verschiedene UWB-Chips, Anker und Tags mit unterschiedlichen Eigenschaften für spezifische Anwendungsfälle anbieten, sowie Vereinigungen wie die UWB Alliance und FIRA. Die UWB-Technologie wird bald so allgegenwärtig sein wie Bluetooth und Wi-Fi, und einige Experten gehen davon aus, dass sie BLE als führenden Standard für Kurzstreckenkommunikation und Lokalisierung verdrängen wird.
UWB hat viele einzigartige Vorteile, die dazu geführt haben, dass es schnell einen neuen Standard für die RF-Technologie gesetzt hat. Es kann sehr hohe Datenraten über kurze Entfernungen übertragen und einen Standort punktgenau in Echtzeit bestimmen. UWB arbeitet mit einer hohen Bandbreite über ein sehr breites Frequenzspektrum zwischen 3,1 und 10,6 GHz. Außerdem verbraucht es nur sehr wenig Strom, was erschwingliche und effiziente Hardware-Optionen ermöglicht, wie z. B. Ortungs-Tags mit Knopfzellenbatterien, die mehrere Jahre betrieben werden können, ohne aufgeladen oder ausgetauscht zu werden.
Der Grund, warum UWB den Standort so genau bestimmen kann, liegt in der entfernungsbasierten Messung über das Laufzeitverfahren (Time-of-Flight, ToF), das den Standort auf der Grundlage der Zeit berechnet, die die Funkimpulse für die Übertragung von einem Gerät zu einem anderen benötigen. Dies funktioniert zwar nur über kürzere Entfernungen, jedoch kann der Standort von UWB-Signalen mit einer Genauigkeit von weniger als 50 Zentimetern (unter optimalen Bedingungen, bei optimaler Verteilung) und einer extrem geringen Latenzzeit bestimmt werden. Andere Standards wie BLE und Wi-Fi können dies üblicherweise nicht leisten und bestimmen stattdessen in der Regel den Standort über recht unzuverlässige Empfangsstärkeindikatoren (RSSI), die nur grobe Kategorien von "schwachen" oder "starken" empfangenen Signalen anzeigen, was eine Standortgenauigkeit bis in den Meterbereich ermöglicht.
Die geringe Sendeleistung und das breite Frequenzspektrum, mit dem UWB-Signale gesendet werden, sorgen für geringe bis gar keine Interferenzen mit umliegenden Schmalbandtechnologien. UWB scheint auch ein "unsichtbares Grundrauschen" aufzuweisen, was es zu einer guten Wahl für die Koexistenz mit Schmalband-RF-Technologien macht. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften entwickelt sich UWB schnell zu einer führenden Technologien für die Ortung in Innenräumen für standortbezogene Anwendungen und Kurzstreckenkommunikation.
UWB ermöglicht die Standortbestimmung über ToF. Dadurch kann die Entfernung zwischen Sendeempfängern genau gemessen werden, indem die Zeit berechnet wird, die die Signale für die Übertragung zwischen den Geräten benötigen. In bestimmten Szenarien können die X-, Y- und Z-Koordinaten des Standorts eines Geräts ermittelt werden, was der durch UWB ermöglichten Lokalisierung eine zusätzliche Dimension verleiht. Je nach Einsatzbereich oder Anwendung kann die genaue Technik der ToF-Berechnung variieren.
Für die UWB-Ortung gibt es hauptsächlich zwei Verfahren, die verwendet werden können: Zeitdifferenz der Ankunft (TDoA) und Zwei-Wege- Abstandsmessung(TWR).
Zeitdifferenz der Ankunft (TDoA)TDoA verwendet UWB-Anker oder -Sensoren, die an einer festen Position in einem Innenraum angebracht werden. Diese Sensoren erkennen und lokalisieren dann ein sendendes UWB-Gerät, z. B. einen Ortungs-Tag. Um ordnungsgemäß zu funktionieren, müssen die festen Anker genau synchronisiert werden, damit sie zeitlich exakt abgestimmt sind. Der UWB-Tag oder ein anderes Gerät sendet in regelmäßigen Abständen Signale. Diese Signale werden von den Ankern innerhalb der Kommunikationsreichweite empfangen und von diesen mit einem Zeitstempel versehen. Alle mit einem Zeitstempel versehenen Daten werden dann an das zentrale IPS (Innenraumpositionierungs-System) oder RTLS gesendet.
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.
Zwei-Wege-Abstandsmessung (TWR)Während bei TDoA mehrere fest installierte Anker zusammenarbeiten, um den Standort eines mobilen Objekts zu bestimmen, wird beim TWR in erster Linie die Zwei-Wege-Kommunikation zwischen zwei Geräten, wie z. B. Smartphones genutzt, um die Entfernung zwischen ihnen zu ermitteln. Mit TWR beginnen zwei Geräte, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, mit der gegenseitigen Abstandsmessung und bestimmen die Entfernung zueinander, noch während sie miteinander kommunizieren. Die Zeit die ein Signal benötigt, um sich zwischen ihnen zu bewegen, wird dann mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und zur Bestimmung ihrer relativen Positionen verwendet, häufig um eine Standortbezogene Kommunikation zu ermöglichen.
Die von einem Gerät zum anderen ermittelte Position wird dann je nach spezifischer Anwendung nutzbar gemacht. TWR kann auch von fest installierten Ankern und UWB-Geräten genutzt werden, allerdings kann das TWR-Verfahren jeweils nur einen Partner für die Abstandsmessung zur Ortung des Geräts verwenden.
Wie jeder RF-Standard bietet auch Ultra-Wideband einzigartige Eigenschaften und Vorteile, die es je nach den individuellen Bedürfnissen, dem Budget, der Einrichtung und dem spezifischen Standortbezogenen Anwendungsfall zu einer geeigneten Option machen können. Die wichtigsten Unterschiede zwischen UWB und anderen Technologien sind das breite Frequenzspektrum und das Maß an Genauigkeit, das es bieten kann. Die Präzision von UWB macht es zu einer effektiven Option, insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen zur Ortung in Innenräumen, wie z. B. bei der Verfolgung von Objekten, bei denen die absolute Position und die Bewegung in Echtzeit entscheidend sind.
