Ultra wideband -tekniikasta (UWB) on tullut merkittävä langaton viestintätekniikka, jolla on laaja sovellusalue. Kehityksen ja käyttöönoton edetessä UWB:stä tulee keskeinen osa seuraavan sukupolven langatonta viestintää ja paikannusta.

Ultra wideband (UWB) on langaton viestintätekniikka, joka on kehittynyt 2000-luvun alusta lähtien ja edistynyt merkittävästi viime vuosina. Alun perin sitä käytettiin sotilassovelluksissa ja tutkalaitteiden kehityksessä, mutta sen tarkan paikannuksen ja suuren tiedonsiirtonopeuden ansiosta UWB on vakiinnuttanut asemansa myös kaupallisilla markkinoilla. Siitä on kehittynyt tärkeä langaton viestintätekniikka, jolla on laaja kirjo sovelluksia.

IEEE:n, WiMedia Alliancen ja ECMA:n kehittämät erilaiset standardit määrittävät UWB:n toiminnan kannalta keskeiset perusominaisuudet ja protokollat eri käyttökohteissa. Nämä takaavat eri valmistajien UWB-laitteiden yhteentoimivuuden ja mahdollistavat suorituskykyisten ja luotettavien langattomien viestintäjärjestelmien kehittämisen ja käyttöönoton.

Erot muihin langattomiin tekniikoihin

Vähintään 500 MHz:n (tai 20 % keskitaajuudesta) kaistanleveydellä UWB tarjoaa vähintään kertaluokkaa suuremman tiedonsiirtonopeuden kuin muut langattomat teknologiat, kuten Wi-Fi (20, 40, 80, 160 ja 320 MHz) tai Bluetooth (1–2 MHz). UWB käyttää hyvin laajaa taajuusaluetta, tyypillisesti 3,1–10,6 GHz:n välillä. Kuten Wi-Fi, myös UWB hyödyntää useita päällekkäisiä kanavia.

Toinen keskeinen ero muihin langattomiin menetelmiin on se, että UWB-järjestelmät voivat toimia hyvin alhaisilla tehotasoilla. Tämä määritellään spektritiheyden avulla, eli lähetystehona megahertsiä kohden. Kapeakaistaisiin teknologioihin verrattuna UWB lähettää lähes kohinarajan tasolla. Lisäksi UWB voi käyttää erilaisia tiedonkoodaustapoja (kuva 1).

Kuva 1. UWB:n ja muiden menetelmien spektritehotiheyden kaistanleveyksien vertailu

Edellä mainitut ominaisuudet mahdollistavat UWB:lle erittäin tarkan ja täsmällisen paikannuksen. Tyypillisesti käytetään ajan kulkua (ToF, Time of Flight) ja tulokulmaa (AoA, Angle of Arrival), joita sovelletaan esimerkiksi UWB:llä varustettujen älypuhelimien, teollisten ankkurien ja UWB-tunnisteiden välillä langattoman UWB-yhteyden avulla.

Kaksisuuntainen etäisyysmittaus (TWR) mittaa ajan, joka signaalilta kuluu lähetinlaitteesta (UWB-tagi) vastaanottimeen (ankkuri) ja takaisin. Menetelmä on erittäin tarkka, koska se perustuu suoriin aikamittauksiin ja käsittelee tehokkaasti monitieheijastuksia. TWR:stä on kaksi muotoa: single-sided two-way ranging (SS-TWR) käyttää kahta mittausta ja double-sided two-way ranging (DS-TWR) kolmea. Lisämittaus DS-TWR:ssä parantaa tarkkuutta edelleen.

Saapumisaikaeron mittaus (TDoA) määrittää lähettimen sijainnin mittaamalla ajan, jolla signaali saapuu useille vastaanottimille. TDoA on erityisen tehokas ympäristöissä, joissa on useita vastaanottimia, ja mahdollistaa liikkuvien kohteiden reaaliaikaisen paikannuksen.

Integrointi olemassa oleviin verkkoihin

UWB:n liittäminen olemassa oleviin verkkoihin, kuten Wi-Fi- tai muihin langattomiin verkkoihin, edellyttää huolellista suunnittelua ja koordinointia, jotta tekniikat toimivat saumattomasti yhdessä. Standardien, kuten IEEE 802.15.4z, noudattaminen varmistaa, että eri toimittajien UWB-laitteet ovat yhteensopivia ja integroitavissa olemassa oleviin järjestelmiin. UWB voi toimia rinnakkain muiden langattomien teknologioiden, kuten Wi-Fi:n ja Bluetoothin, kanssa ilman häiriöitä.

Koska UWB ja Wi-Fi voivat toimia samoilla taajuusalueilla, tehokas häiriöiden hallinta on tärkeää. Törmäyksenesto- ja hallintaprotokollat on suunniteltava niin, että molemmat tekniikat toimivat tehokkaasti ja luotettavasti. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi aikajakomenetelmillä, taajuusvalinnalla tai muilla yhteistoimintamekanismeilla.

UWB voi toimia lisänä olemassa oleville paikannustekniikoille, kuten Wi-Fi tai Bluetooth Low Energy. Näiden yhdistäminen mahdollistaa hybridipaikannusjärjestelmät, jotka parantavat sekä tarkkuutta että luotettavuutta. UWB tarjoaa senttimetriluokan sisäpaikannuksen, kun taas Wi-Fi tai BLE mahdollistavat laajemman yhteydenpidon ja ulkopaikannuksen.

Ympäristöissä, joissa kaapelointi on vaikeaa tai kallista, UWB voi toimia langattomana runkoyhteytenä, mikä vähentää kaapeloinnin tarvetta. Solmuverkkojen (mesh-verkkojen) yhteydessä UWB voi parantaa solmujen paikannusta ja yhteyksiä, mikä lisää verkon luotettavuutta ja suorituskykyä erityisesti ympäristöissä, joissa on esteitä tai liikkuvia kohteita.

Sisäpaikannus, terveydenhuolto ja älykoti

UWB tarjoaa laajan valikoiman sovelluksia niin teollisuudessa kuin kuluttajamarkkinoillakin. Erityisesti sisäpaikannuksessa UWB erottuu muista teknologioista senttimetriluokan tarkkuuden, alhaisen häiriöherkkyyden ja kyvyn käsitellä monitieheijastuksia ansiosta.

UWB:ta hyödyntäviä tuotteita ovat esimerkiksi Apple iPhone 11 ja uudemmat mallit sekä autovalmistajien VW:n, Audin ja Cupran ajoneuvot, joissa UWB parantaa avaimettoman kulun (keyless go) turvallisuutta.

Murata tarjoaa markkinoilla kolme UWB-moduulia ja suunnittelee kolmea uutta vuosille 2024/2025:

• Type 2AB (kuva 2) on kompakti UWB + Bluetooth Low Energy -moduuli, joka soveltuu moniin tarkkaa tunnistusta vaativiin sovelluksiin. Qorvon QM33120W-piirin ansiosta asennuspinta-alaa voidaan pienentää jopa 75 % verrattuna piirilevyintegraatioon. Moduuliin sisältyy Nordic Semiconductorin nRF52840, joka tarjoaa joustavuutta ja nopeuttaa tuotekehitystä hyödyntämällä Nordic-ekosysteemin lähdekoodeja. Lisäksi moduulissa on 256 kB RAM, 1 MB flash-muistia ja kolmiakselinen liiketunnistin. Järjestelmäpakettiin voidaan liittää kolme antennia – kaksi UWB:lle ja yksi BLE:lle. (Kuva 2. Type 2AB – kompakti UWB + Bluetooth Low Energy -moduuli. Lähde: Murata.)
• Type 2DK, joka perustuu NXP Trimersion SR040- ja NXP QN9090 -piireihin, on kokonaisratkaisu vähävirtaisille, akulla toimiville sovelluksille. Se sisältää 640 kB flashia ja 152 kB SRAM:ia, ja soveltuu erityisesti UWB-tageihin ja -seurantalaitteisiin. UWB- ja BLE-yhdistelmä tekee siitä ihanteellisen esimerkiksi paikannustageihin. PHY/MAC-toiminnot on toteutettu UWB-piirissä FiRa Consortiumin määritysten mukaisesti, mikä lyhentää markkinoille pääsyä.
• Type 2BP soveltuu laajempien infrastruktuurien, kuten kulunvalvonnan, sisäpaikannusankkureiden ja maksupäätteiden, UWB-aktivointiin sekä kuluttajatuotteisiin kuten televisioihin ja pelikonsolihin. Tekniikka parantaa etäisyysmittausta ja 3D-AoA-paikannusta useilla antennikonfiguraatioilla.

Insight SiP:n ISP3080 (kuva 3) on erittäin pienikokoinen LGA-moduuli (12 × 12 × 1,5 mm), joka perustuu Qorvon QM33110 UWB -lähetinvastaanottimeen ja Nordic Semiconductorin nRF52833 BLE -piiriin. SPI-liitännän kautta hallittava moduuli sisältää Cortex-M4-prosessorin, flash-muistin ja RAMin sekä optimoidut antennit. Se tarjoaa itsenäisen ratkaisun RTLS-, kulunvalvonta- ja sisäpaikannussovelluksiin. 3D-kiihtyvyysanturi mahdollistaa energiansäästötilat liikeherätteisellä herätyksellä. ISP3080 erottuu integroidulla monikaista-antennilla, joka tukee sekä 2,4 GHz:n BLE-taajuutta että 6,5/8,0 GHz:n UWB-taajuuksia. (Kuva 3. ISP3080 – itsenäinen ratkaisu RTLS-, kulunvalvonta- ja sisäpaikannussovelluksiin. Lähde: Insight SiP.)

MinewSemin MS01SF1 (kuva 4) on UWB- ja BLE 5.2 -moduuli, joka perustuu Qorvon DW3120 SoC:hen ja Nordic nRF52833 -prosessoriin. Se tukee BLE- ja NFC-yhteyksiä sekä muita protokollia, kuten Thread, Zigbee ja IEEE 802.15.4. Moduuli soveltuu muun muassa varastointi-, logistiikka-, turvallisuus- ja kulunvalvontasovelluksiin. Se tukee kaksisuuntaista etäisyysmittausta (TWR) ja TDoA-paikannusta jopa 10 cm tarkkuudella ja tiedonsiirtonopeuksia 6,8 Mbit/s saakka. (Kuva 4. MS01SF1 – soveltuu moniin UWB-sovelluksiin, kuten logistiikkaan ja turvallisuuteen, tukien 10 cm tarkkuutta ja 6,8 Mbit/s tiedonsiirtonopeutta. Lähde: Minew.)

Yhteenveto

UWB on tulevaisuuden teknologia, joka mullistaa lukuisia sovelluksia tarkan paikannuksen ja korkean tiedonsiirtonopeuden ansiosta. Sen integrointi olemassa oleviin verkkoihin on helppoa standardoitujen protokollien, yhteensopivan laitteiston ja tukiohjelmistojen ansiosta. Kehityksen ja käyttöönoton edetessä UWB:stä tulee keskeinen osa seuraavan sukupolven langatonta viestintää ja paikannusta.