Hur frekvensstyrning garanterar tillförlitliga och säkra tillämpningar med UWB

Ultrabredband (UWB), som utvecklades under andra världskriget för säkra kommunikations- och radarsystem, förbjöds för kommersiellt bruk och var i stort sett outnyttjat under många decennier. Federala bestämmelser som offentliggjordes 2002 möjliggjorde en bredare användning av UWB. Sedan dess har det fått ett betydande genomslag i ett växande antal kommersiella tillämpningar, inklusive industri-, konsument-, kommunikations- och fordonstillämpningar, som utnyttjar dess exakta positionerings- och platsspårningsfunktioner samt den snabba dataöverföring och minimala strömförbrukning som detta trådlösa protokoll medför.

I likhet med andra trådlösa kommunikationsprotokoll för korta avstånd, som Bluetooth och Wi-Fi, gör UWB det möjligt att skapa ett personligt nätverk (PAN) som kopplar samman elektroniska enheter och underlättar dataöverföring i en individs omedelbara närhet. I stället för att skicka data via ett LAN eller WAN överför ett PAN information mellan enheter som finns i en persons närhet.

UWB skiljer sig dock från andra överföringsteknologier i flera viktiga avseenden, vilket bidrar till att UWB implementeras i ett ökande antal vanliga trådlösa tillämpningar.

Figur 1: UWB:s säkra, breda frekvensområde och precisionsavkänning möjliggör ett antal vanliga trådlösa tillämpningar. (Bildkälla: Aker Technology)

UWB arbetar med en mycket hög frekvens och stör inte andra trådlösa protokoll. Den möjliggör egenskaper som spatialt ljud, integration i smarta hem och kontaktlösa betalningssystem, vilket gör den särskilt användbar i fordon, mobila enheter och konsumentenheter, som t.ex. smarta telefoner och taggar. Tekniken möjliggör avancerade funktioner som säker handsfree-åtkomst, inomhusnavigering, kontaktlösa betalningar, delning av inloggningsuppgifter och spårning av föremål.

Fördelar med UWB

Både Bluetooth och Wi-Fi har en given plats i den trådlösa kommunikationsvärlden, men UWB är redo att dominera i tillämpningar som arbetar i intervallet 10-20 meter eftersom det är snabbare, säkrare och extremt exakt. Det beror till stor del på mätningar av den totala transporttiden (ToF).

Tabell 1: Spektrumbandet 3,1-10,6 GHz för UWB är större än för Wi-Fi och Bluetooth, som ligger på 2,4-5 GHz. Genom att arbeta i ett högre frekvensområde med större bandbredd kan UWB överföra mer data på ett säkrare sätt, vilket gör den perfekt för höghastighetsöverföring av data på korta avstånd. (Bildkälla: Aker Technology)

Genom att noggrant mäta den tid det tar för en signal att färdas mellan enheter gör UWB:s kapacitet för transporttid det svårare för en extern angripare att komma åt eller manipulera UWB-kommunikation tack vare dess kryptografiska natur, generering av slumptal och andra säkerhetstekniker.

Förutom hög säkerhet erbjuder UWB-teknologin låg strömförbrukning, god störningsimmunitet, noggrann positionering och platsspårning samt signaler som lätt kan tränga igenom en mängd olika material. UWB gör det möjligt att överföra en stor mängd signalenergi utan att störa konventionella smalbands- och bärvågsöverföringar i samma frekvensband.

Trådlös hastighet (realtidsdata, noggrann timing): Även om datahastigheten för Wi-Fi är lite högre än för UWB, 600 Mbit/s respektive 460 Mbit/s, gör den radarliknande detekteringsförmågan hos UWB att den är ett effektivt val i trådlösa tillämpningar. (Som referens kan nämnas att datahastigheten för Bluetooth är 24 Mbit/s). Med en lägre nominell räckvidd än Bluetooth och Wi-Fi är UWB dessutom bäst lämpad för kortdistanstillämpningar som kräver noggrann timing och dataöverföringar i realtid.

Noggrannhet (positionering, spårning av plats): Noggrannheten hos UWB är oöverträffad av någon annan trådlös teknik på korta avstånd för att garantera en mer noggrann lokalisering av enheten. Avsaknaden av störningar från andra radiosändningar och tekniken med radioskurar innebär att UWB effektivt mäter avstånd med en noggrannhet ända ned till 10 till 30 cm, vilket är betydligt bättre än räckvidden för Wi-Fi (2 till 3 m) och Bluetooth (1 till 5 m).

Säkerhet (dataintegritet, säker överföring): UWB:s teknik för pulsöverföring är tålig mot störningar och reflektion, vilket gör den mycket säker för en rad olika tillämpningar. Den direkta anslutningen mellan två enheter och de noggranna mätegenskaperna gör att UWB kan ansluta till och verifiera enhetens legitimitet i realtid utan att radiovågor spelas in eller skickas vidare.

Energieffektivitet (lågt läckage, optimal förbrukning): Tack vare den snabba överföringshastigheten och den väldefinierade tidsramen sparar UWB ström bättre än de flesta kortdistansprotokoll. Den har stöd för flera lågeffektlägen, inklusive viloläge för ytterligare strömoptimering. För små batteridrivna enheter, som de som finns i UWB-miljöer, är strömförbrukning en avgörande faktor.

Kristalloscillatorer möjliggör UWB-tillämpningar

UWB uppfyller många behov inom trådlösa tillämpningar med en kort räckvidd i ett brett frekvensområde, men detta medför också ett behov av noggrann frekvensstyrning för att garantera noggrann positionering, platsspårning och dataöverföring med hög hastighet som gör UWB så användbart.

Tabell 2: Typiska högeffektiva kristaller som uppfyller UWB:s behov av frekvensstyrning. Kvartskristaller är populära enheter för frekvensstyrning som används för att säkerställa den signal- och timingkontroll som krävs för att överföra information vid rätt tidpunkt och hastighet. Kristallens stabilitet, fasstörningsegenskaper och energieffektivitet kan påverka kvaliteten och tillförlitligheten hos kommunikations- och positioneringssystem med UWB. (Bildkälla: Aker Technology)

En stabil oscillator ger en tillförlitlig och exakt klocksignal som garanterar att UWB-pulserna bibehåller önskad form och önskat spektrum. Med andra ord påverkas den pulsform som genereras av UWB-sändaren av den timing som oscillatorn ger.

Frekvensavvikelser eller instabilitet i oscillatorn kan leda till signalförvrängning och dålig prestanda, så det är viktigt att välja en kristall med rätt frekvensområde, tolerans och stabilitet. Andra viktiga parametrar är typ av kapsling, drifttemperatur och belastningskapacitans.

De viktigaste marknaderna för UWB

UWB, som först dök upp i iPhone 11, har snabbt vunnit mark i ett stort antal PAN-baserade tillämpningar, inklusive smarta taggar och referenspunkter, eller ankare, i fordon. UWB-teknologin bidrar till att främja innovationer inom smart trådlös teknik och till att automatisera världen på ett bättre sätt. Här är några andra sätt på vilka UWB revolutionerar olika marknader för trådlös kortdistansteknik (figur 2):

Industri - UWB används för spårning av tillgångar, inomhuslokalisering, övervakningssystem, trådlösa sensornätverk och smarta elnät. Tekniken kan ge noggrann positionsinformation för personal och utrustning.

Konsumentkommunikation - Tekniken används i smartphones, bärbara enheter, IoT, system för smarta hem, och smarta taggar för snabba och tillförlitliga trådlösa anslutningar mellan enheter med kort räckvidd. UWB erbjuder mer exakt rumslig spårning, till exempel exakt positionering inomhus.

Fordon - Nyckelfria låssystem, säker fordonsåtkomst, avancerade system för förarassistans (ADAS) och spårning använder UWB för noggrann positionering inom fordonsindustrin.

Figur 2: tillämpningar med UWB. (Bildkälla: Aker Technology)

Frekvensstyrning underlättar trådlösa innovationer

Den ökande efterfrågan på trådlös uppkoppling, i synnerhet med spridningen av IoT-enheter (Internet of Things) och utbyggnaden av 5G-nätverk, gör att data som flyttas över frekvensband når nya gränser. Den växande trådlösa infrastrukturen är beroende av de viktiga prestandaparametrar som UWB erbjuder.

UWB arbetar i ett stort frekvensområde och gör det möjligt att överföra en stor mängd signalenergi utan att störa konventionella smalbands- och bärvågsöverföringar i samma frekvensband. Denna stora bandbredd kräver noggrann frekvensstyrning för att undvika störningar från andra trådlösa system som arbetar i samma frekvensband samt för att synkronisera dataöverföringar och upprätthålla en tillförlitlig kommunikation.

Sammanfattning

UWB-teknologin möjliggör säker avståndsmätning och precisionsavkänning, vilket skapar en ny dimension av rumslig kontext för trådlösa enheter. Den gör det möjligt att överföra en stor mängd signalenergi utan att störa konventionella smalbands- och bärvågsöverföringar i samma frekvensband. UWB är framtidens melodi för IoT, bärbara enheter, lokalisering i realtid, smart bilåtkomst, kontrollpaneler i hemmet, peer-to-peer-kommunikation, automatisk upplåsning och tillträdeshantering; och Aker finns där för att vara en del av det med sitt stora utbud av timingkristaller.