Sådan sikrer frekvenskontrol pålidelige og sikre UWB-applikationer

Ultrabredbånd (UWB) blev udviklet under anden verdenskrig til sikker kommunikation og radarsystemer, men blev forbudt til kommerciel brug, så det var stort set uudnyttet i mange årtier. Føderale regler, der blev offentliggjort i 2002, gjorde det muligt at bruge UWB i større omfang. Siden da har den vundet betydeligt indpas i et voksende antal kommercielle applikationer, herunder industri-, forbruger-, kommunikations- og bilindustrien, som udnytter dens præcise positionerings- og lokaliseringssporingsegenskaber samt den hurtige datatransmission og det minimale strømforbrug, der følger med denne trådløse protokol.

Ligesom andre trådløse kommunikationsprotokoller med kort rækkevidde, såsom Bluetooth og Wi-Fi, gør UWB det muligt at oprette et personligt netværk (PAN), der forbinder elektroniske enheder og letter datatransmission inden for en persons umiddelbare nærhed. I stedet for at sende data gennem et LAN eller WAN, sender et PAN information mellem enheder i en persons nærhed.

UWB adskiller sig dog fra andre transmissionsteknologier på flere vigtige punkter, som fremmer implementeringen af UWB i et stigende antal almindelige trådløse applikationer.

Figur 1: UWB's sikkerhed, brede frekvensområde og præcisionsmåling muliggør en række almindelige trådløse anvendelser. (Billedkilde: Aker Technology)

UWB fungerer ved en meget høj frekvens og forstyrrer ikke andre trådløse protokoller. Det letter egenskaber som rumlig audio, smart home-integration og kontaktløse betalingssystemer, hvilket gør det særligt nyttigt i køretøjer, mobil- og forbrugerenheder, som f.eks. smartphones og tagging. Denne teknologi er med til at muliggøre avancerede funktioner som sikker håndfri adgang, indendørs navigation, kontaktløse betalinger, deling af legitimation og sporing af genstande.

De fordele, UWB bringer til bordet

Mens både Bluetooth og Wi-Fi har sikret sig en plads i den trådløse kommunikationsverden, er UWB klar til at dominere i applikationer, der opererer i området 10-20 meter, fordi det er hurtigere, mere sikkert og ekstremt præcist. Det skyldes i høj grad ToF (time-of-flight)-målinger.

Tabel 1: UWB's frekvensbånd på 3,1~10,6 GHz er stor i forhold til Wi-Fi og Bluetooth, som topper ved 2,4~5 GHz. Ved at operere i et højere frekvensområde med større båndbredde kan UWB overføre flere data mere sikkert, hvilket gør det ideelt til højhastighedsdatatransmission over korte afstande. (Billedkilde: Aker Technology)

Ved nøjagtigt at måle den tid, det tager for et signal at bevæge sig mellem enheder, gør UWB's ToF-kapacitet det sværere for en ekstern angriber at få adgang til eller manipulere UWB-kommunikation på grund af dens kryptografiske natur, generering af tilfældige tal og andre sikkerhedsteknikker.

Ud over høj sikkerhed giver UWB-teknologien lav effekt, god støjimmunitet, præcis positionering og lokaliseringssporing samt signaler, der nemt kan trænge igennem en række forskellige materialer. UWB gør det muligt at overføre en stor mængde signalenergi uden at forstyrre konventionel smalbånds- og bærebølgetransmission i samme frekvensbånd.

Trådløs hastighed (realtidsdata, præcis timing): Selvom datahastigheden for Wi-Fi er lidt højere end for UWB, henholdsvis 600 Mbps og 460 Mbps, gør UWB's radarlignende detektionsevne den til et effektivt valg i trådløse applikationer. (Til sammenligning er Bluetooths datahastighed 24 Mbps). Med en lavere nominel rækkevidde end Bluetooth eller Wi-Fi er UWB desuden bedst egnet til applikationer med kort rækkevidde, der kræver præcis timing og datatransmissioner i realtid.

Nøjagtighed (positionering, lokaliseringssporing): UWB's nøjagtighed overgås ikke af nogen anden trådløs teknologi på korte afstande for at sikre en mere præcis placering af enheden. Manglen på interferens med andre radiotransmissioner og radio burst-teknologi betyder, at UWB effektivt måler afstande med en nøjagtighed på ned til 10 til 30 cm, hvilket er langt bedre end rækkevidden for Wi-Fi (2 til 3 m) og Bluetooth (1 til 5 m).

Sikkerhed (dataintegritet, sikker transmission): UWB's pulstransmissionsteknologi er modstandsdygtig over for støj og refleksion, hvilket gør den meget sikker til en række anvendelser. Den direkte forbindelse mellem to enheder og de præcise måleegenskaber gør det muligt for UWB at oprette forbindelse til og godkende enhedens legitimitet i realtid, uden at radiobølger optages eller videresendes.

Energieffektivitet (lav lækage, optimalt forbrug): Takket være den hurtige transmissionshastighed og den veldefinerede tidsramme sparer UWB strøm bedre end de fleste kortdistanceprotokoller. Den kan understøtte flere strømbesparende tilstande, herunder dvaletilstand for yderligere strømoptimering. For små batteridrevne enheder, som dem man finder i UWB-miljøer, er strømforbruget en afgørende faktor.

Krystaloscillatorer muliggør UWB-applikationer

UWB opfylder mange behov for trådløse applikationer med kort rækkevidde over et bredt frekvensområde, men det medfører også et behov for nøjagtig frekvenskontrol for at sikre den præcise positionering, lokaliseringssporing og højhastighedsdatatransmission, der gør UWB så nyttig.

Tabel 2: Typiske højtydende krystaller, der opfylder UWB's behov for frekvensstyring. Kvartskrystaller er populære frekvensstyringsenheder, der bruges til at sikre den signal- og timingstyring, der er nødvendig for at overføre information på det rigtige tidspunkt og med den rigtige hastighed. Krystallens stabilitet, fasestøjsegenskaber og energieffektivitet kan påvirke kvaliteten og pålideligheden af UWB-kommunikations- og positioneringssystemer. (Billedkilde: Aker Technology)

En stabil oscillator giver et pålideligt og præcist clocksignal, som sikrer, at UWB-pulserne bevarer deres ønskede form og spektrum. Med andre ord påvirkes den pulsform, der genereres af UWB-senderen, af den timing, der leveres af oscillatoren.

Frekvensdrift eller ustabilitet i oscillatoren kan føre til signalforvrængning og dårlig ydeevne, så det er afgørende at vælge et krystal med det rigtige frekvensområde, tolerance og stabilitet. Andre vigtige parametre er pakningstype, driftstemperatur og belastningskapacitans.

De vigtigste UWB-markeder

UWB dukkede først op i iPhone 11 og har hurtigt vundet indpas i et stort antal PAN-baserede applikationer, herunder smart tags og referencepunkter eller ankre i køretøjer. UWB-teknologi hjælper med at fremme innovationer inden for smart trådløs teknologi og med at automatisere verden bedre. Her er et par andre måder, hvorpå UWB revolutionerer forskellige trådløse markeder med kort rækkevidde (figur 2):

Industri – UWB bruges til sporing af aktiver, indendørs lokalisering, overvågningssystemer, trådløse sensornetværk og smart grid-applikationer. Teknologien kan give præcise oplysninger om, hvor personale og udstyr befinder sig.

Forbrugerkommunikation – Teknologien bruges i smartphones, wearables, IoT, smart home-systemer og smart tags til hurtige og pålidelige trådløse forbindelser mellem enheder med kort rækkevidde. UWB giver mere nøjagtig rumlig sporing, som f.eks. præcis indendørs positionering.

Automotive – Nøglefri adgangssystemer, sikker adgang til køretøjer, avancerede førerassistentsystemer (ADAS) og sporing bruger alle UWB i den automotive industri til præcis positionering.

Figur 2: UWB-applikationer. (Billedkilde: Aker Technology)

Frekvensstyring hjælper trådløse innovationer

Den stigende efterspørgsel efter trådløse forbindelser, især med udbredelsen af Internet of Things (IoT)-enheder og udrulningen af 5G-netværk, presser data, der bevæger sig på tværs af frekvensbånd, til nye grænser. Den voksende trådløse infrastruktur er afhængig af de kritiske ydelsesparametre, som UWB tilbyder.

UWB opererer over et bredt frekvensområde og gør det muligt at overføre en stor mængde signalenergi uden at forstyrre konventionel smalbånds- og bærebølgetransmission i samme frekvensbånd. Denne brede båndbredde kræver præcis frekvensstyring for at undgå interferens med andre trådløse systemer, der opererer i samme frekvensbånd, samt for at synkronisere dataoverførsler og opretholde pålidelig kommunikation.

Konklusion

UWB-teknologien muliggør sikker afstandsmåling og præcisionsmåling, hvilket skaber en ny dimension af rumlig kontekst for trådløse enheder. Det gør det muligt at overføre en stor mængde signalenergi uden at forstyrre konventionel smalbånds- og bærebølgetransmission i samme frekvensbånd. UWB er fremtidens vej til IoT, wearables, lokalisering i tide, smart biladgang, hjemmekontrolpanel, peer-to-peer-kommunikation, automatisk oplåsning og adgangsstyring; og Aker er der for at være en del af det med deres brede udvalg af timing-krystaller.