Cum obțineți aplicații UWB fiabile și sigure prin controlul frecvenței

Dezvoltată în timpul celui de-al Doilea Război Mondial pentru comunicații securizate și sisteme radar, banda ultra-largă (UWB) a fost interzisă în utilizarea comercială, fiind în mare parte neexploatată timp de multe decenii. Reglementările federale publicate în 2002 au permis o utilizare mai amplă a UWB. De atunci, acest protocol a câștigat teren într-un număr tot mai mare de aplicații comerciale, inclusiv industriale, de consum, de comunicații și auto, care exploatează capacitățile sale de poziționare precisă și de urmărire a locației, precum și transmisia datelor de mare viteză și consumul minim de energie care însoțesc acest protocol wireless.

Ca și alte protocoale de comunicații wireless cu rază scurtă de acțiune, precum Bluetooth și Wi-Fi, UWB permite crearea unei rețele personale (PAN) care interconectează dispozitive electronice și facilitează transmiterea de date în imediata vecinătate a unei persoane. În loc să trimită date printr-un LAN sau WAN, un PAN transmite informații între dispozitive aflate în apropierea unei persoane.

Cu toate acestea, UWB se deosebește de alte tehnologii de transmisie prin mai multe aspecte cheie, care favorizează implementarea UWB într-un număr tot mai mare de aplicații wireless obișnuite.

Figura 1: Detectarea UWB sigură, gama largă de frecvențe și detecția de precizie permit o serie de aplicații wireless obișnuite. (Sursa imaginii: Aker Technology)

UWB funcționează la o frecvență foarte înaltă și nu interferează cu alte protocoale wireless. Acesta facilitează atribute precum sunet spațial, integrarea caselor inteligente și sistemele de plată fără contact, făcându-l deosebit de util în vehicule, dispozitive mobile și de consum, precum telefoanele inteligente și sistemele de etichetare. Această tehnologie ajută la activarea unor funcții avansate precum accesul securizat cu mâini libere, navigarea în interior, plățile fără contact, partajarea acreditărilor și urmărirea articolelor.

Beneficiile aduse de UWB

În timp ce Bluetooth și Wi-Fi și-au asigurat un loc în lumea comunicațiilor wireless, UWB este pe cale să domine în aplicațiile care funcționează în intervalul de 10-20 de metri, deoarece este mai rapid, mai sigur și extrem de precis. Acest lucru se datorează în mare parte măsurătorilor timpului de zbor (ToF).

Tabelul 1: Banda de spectru de 3,1 – 10,6 GHz a UWB o eclipsează pe cea a Wi-Fi și Bluetooth, care ajunge la 2,4 – 5 GHz. Funcționând într-o gamă de frecvențe mai mare, cu o lățime de bandă mai mare, UWB poate transporta mai multe date în mod mai sigur, ceea ce o face ideală pentru transmisia de date de mare viteză și pe distanțe scurte. (Sursa imaginii: Aker Technology)

Prin măsurarea precisă a timpului necesar unui semnal pentru a se deplasa între dispozitive, capacitatea ToF a UWB face mai dificilă accesarea sau manipularea comunicațiilor UWB de către un atacator extern, datorită naturii sale criptografice, generării de numere aleatorii și altor tehnici de securitate.

Pe lângă nivelul ridicat de securitate, tehnologia UWB oferă putere redusă, imunitate bună la zgomot, poziționare precisă și urmărirea locației, precum și semnale care pot penetra cu ușurință o varietate de materiale. UWB permite transmiterea unei cantități mari de energie a semnalului, fără a interfera cu transmisia convențională în bandă îngustă și a undelor purtătoare în aceeași bandă de frecvență.

Viteza wireless (date în timp real, sincronizare precisă): Deși rata de transfer al datelor prin Wi-Fi este puțin mai mare decât cea a UWB, de 600 Mbps și, respectiv, 460 Mbps, capacitățile de detectare de tip radar ale UWB fac ca aceasta să fie o alegere eficientă în aplicațiile wireless. (Pentru referință, viteza de transfer al datelor Bluetooth este de 24 Mbps.) În plus, cu o rază de acțiune nominală mai mică decât Bluetooth sau Wi-Fi, UWB este cea mai potrivită pentru aplicațiile cu rază scurtă de acțiune care necesită sincronizare precisă și transmisii de date în timp real.

Precizie (poziționare, urmărirea locației): Precizia UWB nu este egalată de nicio altă tehnologie wireless pe distanțe scurte, asigurând o localizare mai precisă a dispozitivului. Lipsa interferențelor cu alte transmisii radio și tehnologia de rafale radio înseamnă că UWB măsoară eficient distanțele cu o precizie de la 10 până la 30 cm, mult mai bine decât distanțele Wi-Fi (de la 2 până la 3 m) și Bluetooth (de la 1 până la 5 m).

Securitate (integritatea datelor, transmisie securizată): Tehnologia de transmisie prin impulsuri UWB este rezistentă la zgomot și reflexie, ceea ce o face extrem de sigură pentru o gamă largă de aplicații. Conexiunea directă între două dispozitive și proprietățile precise de măsurare permit UWB să se conecteze și să autentifice legitimitatea dispozitivului în timp real, fără ca undele radio să fie înregistrate sau transmise.

Eficiență energetică (pierderi reduse, consum optim): Datorită vitezei sale rapide de transmisie și a cadrului de temporizare bine definit, UWB conservă energia mai bine decât majoritatea protocoalelor cu rază scurtă de acțiune. Aceasta poate suporta mai multe moduri de consum redus de energie, inclusiv hibernare, pentru o optimizare și mai mare a consumului de energie. Pentru dispozitivele mici alimentate cu baterii, precum cele din mediile UWB, consumul de energie este un factor crucial.

Oscilatoarele cu cristal permit aplicații UWB

UWB îndeplinește multe cerințe ale aplicațiilor wireless cu rază scurtă de acțiune într-o gamă largă de frecvențe, dar acest lucru implică și necesitatea unui control precis al frecvenței pentru a asigura poziționarea precisă, urmărirea locației și transmisiile de date de mare viteză care fac UWB atât de utilă.

Tabelul 2: Cristale tipice de înaltă performanță care îndeplinesc cerințele de control al frecvenței UWB. Cristalele de cuarț sunt dispozitive populare de control al frecvenței utilizate pentru a asigura semnalul și controlul sincronizării necesare pentru transmiterea informațiilor la momentul și viteza potrivite. Stabilitatea, caracteristicile zgomotului de fază și eficiența energetică a cristalului pot influența calitatea și fiabilitatea sistemelor de comunicații și poziționare UWB. (Sursa imaginii: Aker Technology)

Un oscilator stabil furnizează un semnal de ceas fiabil și precis, care garantează că impulsurile UWB își mențin forma și spectrul dorite. Cu alte cuvinte, forma impulsului generat de transmițătorul UWB este influențată de sincronizarea furnizată de oscilator.

Deriva sau instabilitatea frecvenței în oscilator poate duce la distorsionarea semnalului și la performanțe slabe, astfel că alegerea unui cristal cu domeniul de frecvență, toleranța și stabilitatea corecte este esențială. Alți parametri cheie includ tipul de capsulă, temperatura de funcționare și capacitatea de încărcare.

Principalele piețe UWB

Apărută pentru prima dată în iPhone 11, UWB a câștigat rapid teren într-un număr mare de aplicații bazate pe PAN, inclusiv etichete inteligente și puncte de referință sau ancore la bordul vehiculelor. Tehnologia UWB contribuie la avansarea inovațiilor tehnologiei wireless inteligente și la o mai bună automatizare a lumii. Iată alte câteva moduri în care UWB revoluționează diverse piețe wireless cu rază scurtă de acțiune (Figura 2):

Industrial – UWB este utilizată în aplicații de urmărire a activelor, localizare în interior, sisteme de monitorizare, rețele de senzori wireless și rețele inteligente. Tehnologia poate furniza informații precise privind localizarea personalului și a echipamentelor.

Comunicații de consum – Tehnologia este utilizată în smartphone-uri, dispozitive purtabile, IoT, sisteme de casă inteligente și etichete inteligente pentru conexiuni wireless rapide și fiabile între dispozitive cu rază scurtă de acțiune. UWB oferă o urmărire spațială mai precisă, cum ar fi poziționarea precisă în interior.

Industria auto – Sistemele de acces fără cheie, accesul securizat la vehicule, sistemele avansate de asistență a șoferului (ADAS) și urmărirea utilizează UWB în industria auto pentru poziționare precisă.

Figura 2: Aplicații UWB. (Sursa imaginii: Aker Technology)

Controlul frecvenței susține inovațiile wireless

Cererea tot mai mare de conectivitate wireless, în special odată cu proliferarea dispozitivelor din Internetul lucrurilor (IoT) și odată cu implementarea rețelelor 5G, duce transmiterea datelor prin benzile de frecvență dincolo de limite. Infrastructura wireless în creștere se bazează pe parametrii critici de performanță pe care îi oferă UWB.

Funcționând pe o gamă largă de frecvențe, UWB permite transmiterea unei cantități mari de energie de semnal fără a interfera cu transmisia convențională în bandă îngustă și a undelor purtătoare în aceeași bandă de frecvență. Această alocare largă a lățimii de bandă necesită un control precis al frecvenței pentru a evita interferențele cu alte sisteme wireless care funcționează în aceleași benzi de frecvență, precum și pentru a sincroniza transferurile de date și a menține o comunicare fiabilă.

Concluzie

Tehnologia UWB permite măsurarea sigură și detectarea de precizie, creând o nouă dimensiune a contextului spațial pentru dispozitivele wireless. Aceasta permite transmiterea unei cantități mari de energie de semnal fără a interfera cu transmisia convențională în bandă îngustă și a undelor purtătoare în aceeași bandă de frecvență. UWB este calea viitorului pentru IoT, dispozitive purtabile, localizare în timp real, accesul inteligent la mașină, panou de control pentru locuință, comunicare peer-to-peer, deblocare automată și gestionarea accesului; iar Aker participă la această evoluție, cu varietatea sa amplă de cristale de sincronizare.