W jaki sposób sterowanie częstotliwością zapewnia niezawodność i bezpieczeństwo w technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB), opracowana podczas II wojny światowej z myślą o bezpiecznej komunikacji i systemach radarowych, została zakazana do użytku komercyjnego, wskutek czego pozostawała przez wiele dziesięcioleci niewykorzystana. Przepisy federalne wydane w 2002 roku umożliwiły szersze zastosowanie technologii ultraszerokopasmowej (UWB). Od tego czasu zyskała znaczącą popularność w coraz większej liczbie zastosowań komercyjnych, w tym przemysłowych, konsumenckich, komunikacyjnych i motoryzacyjnych, które wykorzystują możliwości precyzyjnego pozycjonowania i śledzenia lokalizacji, a także wysoką prędkość transmisji danych i minimalny pobór mocy charakterystyczne dla tego protokołu bezprzewodowego.

Podobnie jak inne protokoły komunikacji bezprzewodowej bliskiego zasięgu, takie jak Bluetooth i Wi-Fi, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) umożliwia tworzenie sieci osobistych (PAN), które łączą urządzenia elektroniczne i ułatwiają transmisję danych w bezpośrednim sąsiedztwie danej osoby. Zamiast wysyłać dane przez sieć LAN lub WAN, sieć osobista (PAN) przesyła informacje pomiędzy urządzeniami znajdującymi się w pobliżu danej osoby.

Jednak technologia ultraszerokopasmowa (UWB) różni się od innych technologii transmisji w kilku kluczowych aspektach, które wpływają na jej wdrażanie w coraz większej liczbie popularnych zastosowań bezprzewodowych.

Ilustracja 1: bezpieczny, szeroki zakres częstotliwości i precyzyjny pomiar w technologii ultraszerokopasmowej (UWB) pozwala jej na użycie w wielu popularnych zastosowaniach bezprzewodowych. (Źródło ilustracji: Aker Technology)

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) działa z bardzo wysoką częstotliwością i nie koliduje z innymi protokołami bezprzewodowymi. Obsługuje takie atrybuty, jak przestrzenny dźwięk, integracja inteligentnych domów i systemy płatności zbliżeniowych, dzięki czemu jest szczególnie przydatna w pojazdach, urządzeniach mobilnych i konsumenckich, takich jak smartfony i tagowanie. Technologia ta umożliwia korzystanie z zaawansowanych funkcji, takich jak bezpieczny dostęp bezdotykowy, nawigacja w pomieszczeniach, płatności zbliżeniowe, udostępnianie danych uwierzytelniających i śledzenie przedmiotów.

Korzyści płynące z zastosowania technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Choć zarówno technologia Bluetooth, jak i Wi-Fi zapewniły sobie miejsce w świecie komunikacji bezprzewodowej, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) jest gotowa do zdominowania zastosowań o zasięgu 10-20 metrów, ponieważ jest szybsza, bezpieczniejsza i niezwykle dokładna. Jest to w dużej mierze spowodowane pomiarami czasu przelotu (ToF).

Tabela 1: pasmo widma technologii ultraszerokopasmowej (UWB) 3,1-10,6GHz znacznie przewyższa pasma Wi-Fi i Bluetooth o szczytowych wartościach 2,4-5GHz. Dzięki pracy w wyższym zakresie częstotliwości i większej szerokości pasma technologia ultraszerokopasmowa (UWB) może bezpieczniej przenosić więcej danych, dzięki czemu idealnie sprawdza się w szybkiej transmisji danych bliskiego zasięgu. (Źródło ilustracji: Aker Technology)

Dzięki dokładnemu pomiarowi czasu potrzebnego na przejście sygnału między urządzeniami, funkcja czasu przelotu (ToF) w technologii ultraszerokopasmowej (UWB) utrudnia osobie atakującej dostęp z zewnątrz do komunikacji w ramach tej technologii lub manipulowanie nią ze względu na jej charakter kryptograficzny, generowanie liczb losowych i inne techniki zabezpieczeń.

Oprócz wysokiego bezpieczeństwa, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) oferuje niską moc, dobrą odporność na zakłócenia, precyzyjne pozycjonowanie i śledzenie lokalizacji, a także sygnały, które mogą z łatwością przenikać przez różnorodne materiały. Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) pozwala na przesyłanie dużych ilości energii sygnału bez zakłócania konwencjonalnej transmisji wąskopasmowej i na falach nośnych w tym samym paśmie częstotliwości.

Prędkość bezprzewodowa (dane w czasie rzeczywistym, precyzyjne określanie czasu): chociaż szybkość transmisji danych w komunikacji Wi-Fi jest nieco wyższa niż technologii ultraszerokopasmowej (UWB) - wynoszą one odpowiednio 600Mbps i 460Mbps - możliwości w zakresie wykrywania, którymi charakteryzuje się technologia ultraszerokopasmowa (UWB) podobne do możliwości radarów, sprawiają, że technologia ta stanowi skuteczne rozwiązanie w zastosowaniach bezprzewodowych. (Dla porównania, szybkość transmisji danych Bluetooth wynosi 24Mbps). Ponadto, dzięki niższemu zasięgowi nominalnemu niż w przypadku Bluetooth lub Wi-Fi, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) najlepiej sprawdza się w zastosowaniach bliskiego zasięgu, które wymagają precyzyjnego określania czasu i transmisji danych w czasie rzeczywistym.

Dokładność (pozycjonowanie, śledzenie lokalizacji): dokładność technologii ultraszerokopasmowej (UWB) jest nieporównywalna z żadną inną technologią bezprzewodową na krótkich odległościach i zapewnia bardziej precyzyjną lokalizację urządzeń. Brak zakłóceń pomiędzy technologią ultraszerokopasmową (UWB) a innymi technologiami transmisji radiowej i impulsów radiowych oznacza, że technologia ultraszerokopasmowa (UWB) pozwala na skuteczny pomiar odległości z dokładnością zaledwie 10 do 30cm, co jest znacznie lepszym wynikiem niż w przypadku Wi-Fi (2 do 3m) i Bluetooth (1 do 5m).

Bezpieczeństwo (integralność danych, bezpieczna transmisja): transmisja impulsów w technologii ultraszerokopasmowej (UWB) jest odporna na zakłócenia i odbicia, dzięki czemu jest wysoce bezpieczna w wielu zastosowaniach. Bezpośrednie połączenie między dwoma urządzeniami i precyzyjne właściwości pomiarowe pozwalają przy wykorzystaniu technologii ultraszerokopasmowej (UWB) na nawiązanie połączenia z urządzeniem i uwierzytelnienie go w czasie rzeczywistym, bez rejestrowania lub przekazywania fal radiowych.

Sprawność energetyczna (niski upływ, optymalne zużycie): dzięki dużej prędkości transmisji i dobrze zdefiniowanej ramce czasowej, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) oszczędza energię lepiej niż większość protokołów bliskiego zasięgu. Może obsługiwać kilka trybów niskiej mocy, w tym hibernację, co zapewnia dalszą optymalizację mocy. W przypadku małych urządzeń zasilanych bateryjnie, takich jak te znajdujące się w środowiskach charakterystycznych dla technologii ultraszerokopasmowej, kluczowym czynnikiem jest pobór mocy.

Oscylatory krystaliczne umożliwiają wykorzystanie technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) zaspokaja wiele potrzeb zastosowań bezprzewodowych bliskiego zasięgu w szerokim zakresie częstotliwości, ale wiąże się to również z potrzebą dokładnej kontroli częstotliwości w celu zapewnienia precyzyjnego pozycjonowania, śledzenia lokalizacji i szybkiej transmisji danych, które decydują o tak wysokiej użyteczności technologii ultraszerokopasmowej (UWB).

Tabela 2: typowe kryształy o wysokich parametrach, które spełniają potrzeby sterowania częstotliwością w technologii ultraszerokopasmowej (UWB). Kryształy kwarcu są popularnymi urządzeniami kontrolującymi częstotliwość, służącymi do sterowania sygnałami i synchronizacją czasową niezbędną do przesyłania informacji we właściwym czasie i z odpowiednią prędkością. Stabilność, charakterystyka szumu fazowego i sprawność energetyczna kryształu mogą wpływać na jakość i niezawodność systemów komunikacji ultraszerokopasmowej i systemów pozycjonowania. (Źródło ilustracji: Aker Technology)

Stabilny oscylator dostarcza niezawodny i dokładny sygnał zegara, który zapewnia, że impulsy technologii ultraszerokopasmowej (UWB) zachowują pożądany kształt i widmo. Innymi słowy, na kształt impulsu generowanego przez nadajnik technologii ultraszerokopasmowej (UWB) wpływa synchronizacja zapewniana przez oscylator.

Dryft częstotliwości lub niestabilność oscylatora mogą prowadzić do zniekształceń sygnału i słabych parametrów działania, dlatego wybór kryształu o odpowiednim zakresie częstotliwości, tolerancji i stabilności ma kluczowe znaczenie. Inne kluczowe parametry to m.in. typ obudowy, temperatura robocza i pojemność obciążenia.

Główne rynki technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB), która pojawiła się po raz pierwszy w urządzeniach iPhone 11, szybko zyskała popularność w wielu aplikacjach opartych na sieci osobistej (PAN), na przykład w instalowanych w pojazdach tagach inteligentnych i punktach referencyjnych, zwanych też kotwicami. Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) pomaga w rozwijaniu innowacji w inteligentnych technologiach bezprzewodowych i lepszej automatyzacji świata. Oto kilka innych sposobów, w jakie technologia ultraszerokopasmowa (UWB) rewolucjonizuje różne rynki łączności bezprzewodowej bliskiego zasięgu (ilustracja 2):

Przemysł - technologia ultraszerokopasmowa (UWB) jest wykorzystywana w śledzeniu aktywów, lokalizowania obiektów wewnątrz budynków, systemach monitorowania, bezprzewodowych sieciach czujników i zastosowaniach inteligentnych sieci. Omawiana technologia może zapewnić dokładne informacje o lokalizacji personelu i sprzętu.

Komunikacja konsumencka - omawiana technologia jest wykorzystywana w smartfonach, urządzeniach ubieralnych, Internecie rzeczy (IoT), systemach domów inteligentnych i tagach inteligentnych, zapewniając szybką i niezawodną łączność bezprzewodową pomiędzy urządzeniami bliskiego zasięgu. Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) oferuje dokładniejsze śledzenie w przestrzeni, np. precyzyjne pozycjonowanie w pomieszczeniach.

Motoryzacja - w branży motoryzacyjnej technologia ultraszerokopasmowa (UWB) jest wykorzystywana przez bezkluczowe systemy otwierania pojazdu, systemy bezpiecznego dostępu do pojazdów, zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS) i systemy śledzenia do precyzyjnego pozycjonowania.

Sterowanie częstotliwością wspomaga innowacje bezprzewodowe

Rosnące zapotrzebowanie na łączność bezprzewodową, zwłaszcza w obliczu coraz powszechniejszego stosowania urządzeń Internetu rzeczy (IoT) i wdrażania sieci 5G, wyznacza nowe granice w obszarze przenoszenia danych przez pasma częstotliwości. Rozwijająca się infrastruktura bezprzewodowa opiera się na krytycznych parametrach działania oferowanych przez technologię ultraszerokopasmową (UWB).

Działając w szerokim zakresie częstotliwości, technologia ultraszerokopasmowa (UWB) pozwala na przesyłanie dużych ilości energii sygnału bez zakłócania konwencjonalnej transmisji wąskopasmowej i fali nośnej w tym samym paśmie częstotliwości. Przydział tak szerokiego pasma wymaga dokładnej kontroli częstotliwości, aby uniknąć zakłóceń z innymi systemami bezprzewodowymi działającymi w tych samych pasmach częstotliwości, a także zsynchronizować przesyłanie danych i utrzymać niezawodność komunikacji.

Podsumowanie

Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) umożliwia bezpieczny pomiar odległości i precyzyjne pomiary, tworząc nowy wymiar w kontekście przestrzennym dla urządzeń bezprzewodowych. Umożliwia przesyłanie dużych ilości energii sygnału bez zakłócania konwencjonalnej transmisji wąskopasmowej i transmisji na falach nośnych w tym samym paśmie częstotliwości. Technologia ultraszerokopasmowa (UWB) stanowi przyszłość Internetu rzeczy (IoT), urządzeń ubieralnych, lokalizacji w czasie rzeczywistym, inteligentnego dostępu do samochodów, domowych paneli sterowania, komunikacji równorzędnej, automatycznego odblokowywania i zarządzania dostępem. Celem firmy Aker jest aktywny udział w tej przyszłości - cel ten realizuje, oferując szeroką gamę kryształów zegarowych.

Źródło: W jaki sposób sterowanie częstotliwością zapewnia niezawodność i bezpieczeństwo zastosowań w technologii ultraszerokopasmowej (UWB)

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!