Precyzyjne pozycjonowanie w technologii UWB

Przed SARS-CoV-2, koronawirusem stojącym za panującą na świecie pandemią COVID-19, usługi lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) były zaledwie rodzącą się technologią. Inżynierowie opracowywali technologie bezprzewodowe umożliwiające urządzeniom określanie i raportowanie swojej pozycji w trzech wymiarach, takie jak na przykład Bluetooth LE Direction Finding. Z jednej strony rynek RTLS wydaje się mieć ogromny potencjał - wystarczy wyobrazić sobie wzrost produktywności firm logistycznych, jeśli przedmioty przechowywane w gigantycznym magazynie będą w stanie natychmiast zgłaszać swoją pozycję z centymetrową dokładnością – jednak wcześniej usługi lokalizacyjne rozwijały się powoli.

Teraz pandemia, podobnie jak poprzednie kryzysy, pobudziła innowacje. Na przykład śledzenie kontaktów - kluczowa broń w walce z wirusem, polegająca na wiedzy, czy dana osoba była blisko innej osoby, która później okazała się być zaraźliwa - jest teraz obsługiwana przez mnóstwo urządzeń noszonych dysponujących technologią Bluetooth LE. (Patrz WQ wydanie 2, 2020, str. 8).

Większość z tych rozwiązań opiera się obecnie na wskaźniku siły odbieranego sygnału Bluetooth LE (Received Signal Strength Indication, RSSI) do pomiaru odległości jednej osoby od drugiej. RSSI szacuje odległość między dwoma transceiverami, mierząc jak bardzo zmniejszyła się moc sygnału, odkąd opuścił on nadajnik. W idealnych warunkach technologia ta działa całkiem dobrze, ale kiedy tylko na drodze sygnału pojawi się kilka ścian, sufitów i mebli czy wystąpią efekty związane z propagacją wielodrogową i zmiennym tłumieniem, wówczas pomiar siły sygnału staje się dużo mniej precyzyjnym wskaźnikiem odległości.

Potrzebna jest zatem inna technologia, która z jednej strony byłaby w stanie wykorzystać wiele zalet Bluetooth LE - takich jak niski pobór mocy, dojrzałość technologii, jej rozpowszechnienie dzięki ofercie SoC z potężnymi wbudowanymi procesorami i dużą pamięcią, a także interoperacyjność smartfonów - ale która z drugiej strony nie byłaby podatna na zanikanie i inne formy tłumienia sygnału. Jednym z obiecujących kandydatów jest Ultra Wideband (UWB), technologia radiowa, która ma tradycyjne zastosowania w obrazowaniu radarowym, ale ostatnio pojawiła się również w peryferiach komputerowych oraz 

noszonych akcesoriach do lokalizacji osób.

Pod koniec roku 2019, Apple dał ważny impuls rozwoju technologii UWB, wprowadzając ją do swojego iPhone'a 11. Według magazynu Computerworld, pomysł polegał na wprowadzeniu do smartfonów ‘świadomości przestrzennej’, co miało stymulować rozwój nowych zastosowań konsumenckich na bazie UWB, wykraczających poza peryferia komputerowe czy śledzenie kontaktów. 

Czym jest i jak działa UWB

Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony Stanów Zjednoczonych (DARPA) ukuła w latach 90. termin ‘ultraszerokopasmowy’ i zdefiniowała go jako system o ‘ułamkowej szerokości’ większej niż 25 procent, gdzie ułamkowa szerokość pasma to stosunek szerokości pasma sygnału do jego częstotliwości środkowej. Amerykańska Federalna Komisja ds. Komunikacji (FCC) definiuje UWB jako ‘celowy nadajnik, który ma ułamkową szerokość pasma równą lub większą niż [20 procent] lub ma […] szerokość pasma równą lub większą niż 500 MHz'.

Konwencjonalne technologie radiowe krótkiego zasięgu wykorzystują technologię wąskopasmową; na przykład Bluetooth LE nadaje na kanale o szerokości jednego megaherca i przenosi informacje za pomocą modulacji kluczowania częstotliwości (Gaussian Frequency Shift Keying - GFSK). W przeciwieństwie do tego UWB rozprowadza energię radiową w szerokim paśmie. Niska widmowa gęstość mocy zapewnia odporność na tłumienia związane z propagacją wielodrogową i ogranicza zakłócenia. Stosowanych jest kilka technik modulacji, ale standard IEEE802.15.4 wymaga modulacji Burst Position Modulation- Binary Phase Shift Keying (BPM-BPSK) schemat. (Zobacz ostatni akapit tekstu Alternatywne PHY: Radio pulsacyjne). 

Informacje są wysyłane przy użyciu precyzyjnie zsynchronizowanych impulsów i to właśnie ten stopień synchronizacji sprawia, że UWB jest dobrym rozwiązaniem dla aplikacji RTLS. Poprzez obliczenie czasu potrzebnego na dotarcie impulsu do odbiornika i powrót odpowiedzi (oraz odjęcie opóźnienia przetwarzania odbiornika), dzieląc przez dwa i mnożąc przez prędkość światła, można dokładnie zmierzyć odległość między dwoma urządzeniami UWB.

Ponieważ pomiar opiera się na pomiarze czasu zamiast na sile sygnału, tłumienie spowodowane propagacja wielodrogową i innymi formami degradacji sygnału nie wpływa na dokładność pomiaru odległości. Ponadto, w celu określenia kierunku nadajnika, przy użyciu wielu anten i techniki preferowanej przez Bluetooth Direction Finding, UWB uwzględnia też pomiar kąta nadejścia (Angle of Arrival, AoA) przychodzącego sygnału. Połączenie odległości i danych kierunkowych pozwala systemowi precyzyjnie określić, gdzie - w trzech wymiarach - znajduje się nadajnik.

Połączenie UWB z Bluetooth LE tworzy technologię o doskonałych możliwościach pomiaru pozycji, ale też o poborze mocy zbliżonym do samego Bluetooth LE. Dzięki wykorzystaniu sygnału Bluetooth LE, charakteryzującego się bardzo niskim poborem mocy, do wstępnego określenia pozycji obiektu (a więc procesu, który wymaga stosunkowo dużej aktywności RF), a następnie przełączeniu się z natywnego radia na sygnał UWB w celu uzyskania dokładniejszej lokalizacji, minimalizuje czas stosowania bardziej energochłonnego sygnału UWB. Przekłada się to na przedłużenie pracy baterii. Procesor Bluetooth LE SoC służy do sterowania przełączaniem radia BLE / UWB. Kolejna zaleta połączenie Bluetooth LE / UWB to umożliwienie wykorzystania RSSI jako rezerwowej techniki pomiaru pozycji w przypadku napotkania urządzenia docelowego innego niż UWB.

Pierwsze kroki na rynku

Decawave (obecnie część Qorvo) oferuje komercyjne rozwiązanie UWB – układ DW1000. Chip jest przeznaczony do zastosowań RTLS i jest zgodny ze standardem IEEE802.15.4-2011. DW1000 jest zaprojektowany do pomiaru odległości z dokładnością do 10 cm, obsługuje sześć kanałów w przedziale widma od 3,5 do 6,5 GHz i zapewnia przepustowość od 110 kb/s do 6,8 Mb/s.

W czerwcu 2020 firmy Nordic Semiconductor i Qorvo rozszerzyły współpracę o produkty łączące UWB i Bluetooth LE. Wcześniejsza współpraca skupiała się na SiP nRF9160 firmy Nordic, który wykorzystuje front-end RF, zaawansowaną obudowę i technologię MicroShield od Qorvo.

Klienci Nordic i Qorvo mogą też wykorzystywać moduły Bluetooth LE / UWB firmy Decawave. Przykładem jest niemiecki PHYTEC, który używa modułu Decawave DWM1001C - który łączy DW1000 z SoC nRF52832 – łącząc UWB i Bluetooth w urządzeniu Distancer do monitorowania dystansu w miejscu pracy, opracowanemu specjalnie do zwalczania COVID-19. Urządzenie jest noszone na szyi jak karta identyfikacyjna pracownika i zapewnia dokładne pomiary dystansu pomiędzy pracownikami, co według firmy zapewnia większą pewność i dokładność pomiarów niż inne urządzenia do noszenia na ciele zwalczające COVID-19. 

‘Fakt, że moduł Bluetooth LE / UWB wykorzystuje SoC od Nordic, był kluczowym czynnikiem decydującym przy opracowywaniu urządzenia Distancer' wyjaśnia Jonas Remmert, inżynier ds. Badań i Rozwoju w PHYTEC. ‘Chipy Nordic są zdecydowanie najlepiej obsługiwanymi układami SoC Bluetooth w środowisku Zephyr [open source RTOS], w wyniku czego Distancer został opracowany w zaledwie cztery tygodnie, od wstępnej koncepcji do działającego prototypu.’

Insight SiP, francuski producent wysoce zminiaturyzowanych podzespołów elektronicznych, również wprowadził przenośny tag Bluetooth LE / UWB do monitorowania dystansu społecznego. Produkt wykorzystuje firmowy moduł ISP3010, który jest również oparty na SoC nRF52832 od Nordic. Dodatkowo, poza tym iż urządzenie może funkcjonować samodzielnie, można je również zintegrować z innymi produktami, takimi jak sprzęt ochronny i kaski.

Następnym produktem Nordic i Qorvo jest moduł łączący nRF52833 SoC od Nordic (mogący pracować w temperaturze 105°C moduł SoC Bluetooth 5.2, obsługujący funkcję Direction Finding i Bluetooth Mesh) z transceiverem UWB firmy Qorvo. Moduł stworzono z myślą o aplikacjach działających w podwyższonej temperaturze, takich jak na przykład oświetlenie przemysłowe. 

Mimo że pandemia sieje spustoszenie w światowej gospodarce, jej pozytywnym efektem może być rozpowszechnienia się rozwiązań Bluetooth LE / UWB RTLS, które obecnie walczą z wirusem, ale po opanowaniu pandemii, mogą znaleźć zastosowanie w nowych, wartych miliardy dolarów sektorach przemysłu.

Alternatywny PHY: Pulse Radio

UWB przesyła informacje, generując impulsy radiowe w określonych, bardzo krótkich (mierzonych w nano lub nawet pikosekundach), precyzyjnych odstępach czasu w szerokim paśmie i przenosi informacje za pomocą modulacji położenia impulsu lub modulacji czasu tych impulsów. Inne techniki modulacji obejmują kodowanie polaryzacji impulsu, zmianę amplitudy impulsu i / lub użycie impulsów ortogonalnych. Każdy impuls zajmuje całą szerokość pasma UWB, a jego niska gęstość widmowa pozwala sygnałom na współdzielenie widma z innymi protokołami RF bez ryzyka zakłóceń. Wysoka przepustowość jest osiągana dzięki zastosowaniu wysokich częstotliwości powtarzania impulsów.

Na rynku dostępne są komercyjne chipy UWB do smartfonów, śledzenia kontaktów i innych aplikacji. Chipy są zaprojektowane tak, aby spełniać wymagania dotyczące alternatywnej warstwy fizycznej (PHY) w stosunku do konwencjonalnych radiowych PHY krótkiego zasięgu, które są opisane w standardzie IEEE802.15.4.

Wspomniany standard wciąż ewoluuje, ale w najnowszej wersji zgodne z definicją UWB warstwy fizyczne muszą obsługiwać trzy niezależne pasma pracy: pasmo poniżej gigaherca (kanał 0, 249,6 do 749,6 MHz) pasmo niskie (podzielone na kanały od 1 do 4, 3,1 do 4,8 GHz) i wysokie pasmo (podzielone na kanały od 5 do 15, od 5,8 do 10,6 GHz). Niektóre kanały obsługują pasmo powyżej jednego gigaherca (na przykład kanał 15 oferuje 1,35 GHz). Każdy kanał obsługuje cztery szybkości transmisji danych, 110 i 850 kilobitów na sekundę oraz 6,8 i 27,24 megabitów na sekundę.

Standard definiuje schemat modulacji Burst Position Modulation - Binary Phase Shift Keying (BPM-BPSK), w którym sygnał UWB może przenosić dwa bity informacji - jeden do określenia położenia impulsu, a drugi do modulacji fazy impulsu.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Nordic Semiconductor

Korekta polskiej wersji językowej: Maciek Michna

maciej.michna@nordicsemi.no