Slik gir frekvensstyring pålitelige og sikre UWB-utrustninger

Ultra-bredbånd (UWB – Ultra Wideband), som ble utviklet under andre verdenskrig for å gi sikker kommunikasjon og sikre radarsystemer, ble forbudt for kommersiell bruk, og gikk dermed i stor grad uutnyttet i mange tiår. Føderale forskrifter utgitt i 2002 muliggjorde bredere bruk av UWB. Siden da har teknologien sett betydelig akselerasjon i bruk i et økende antall kommersielle bruksområder, blant annet for industri, forbrukere, kommunikasjon og bilindustrien, som drar nytte av nøyaktige funksjoner for posisjonsbestemmelse og -sporing, samt høyhastighets dataoverføring og minimalt strømforbruk som følger med denne trådløse protokollen.

I likhet med andre trådløse kommunikasjonsprotokoller med kort rekkevidde, for eksempel Bluetooth og Wi-Fi, gjør UWB det mulig å opprette et personlig nettverk (PAN – Personal Area Network) som kobler sammen elektroniske enheter og forenkler dataoverføring i den umiddelbare nærheten til en person. I stedet for å sende data via LAN eller WAN, overfører PAN informasjon mellom enheter i nærheten av en person.

UWB skiller seg imidlertid fra andre overføringsteknologier i flere viktige aspekter, som driver UWB-implementeringen på tvers av et økende antall trådløse utrustninger i forbrukermarkedet.

Figur 1: UWBs sikre, brede frekvensområde og presisjonsdeteksjon muliggjør utvikling av en rekke trådløse utrustninger i forbrukermarkedet. (Bildekilde: Aker Technology)

UWB er virksom med svært høy frekvens, og forstyrrer ikke andre trådløse protokoller. Den legger til rette for egenskaper som romlig lyd, integrering i smarthjem og kontaktløse betalingssystemer, noe som gjør den spesielt nyttig i kjøretøy, mobile enheter og forbrukerenheter, for eksempel smarttelefoner og elektronisk overvåking (tagging). Denne teknologien bidrar til å aktivere avanserte funksjoner som sikker håndfri tilgang, innendørs navigasjon, kontaktløs betaling, deling av berettigelsebevis (credentials) og varesporing.

Fordelene som UWB bringer til markedet

Selv om både Bluetooth og Wi-Fi har etablert seg i markedet for trådløs kommunikasjon, er UWB klar til å dominere i utrustninger som er virksomme i rekkevidder på 10-20 meter, siden denne teknologien er raskere, sikrere og ekstremt nøyaktig. Dette skyldes i stor grad ToF-målinger (ToF – Time-of-Flight).

Tabell 1: Spektrumbåndet på 3,1 ~ 10,6 GHz for UWB er mye større enn det til Wi-Fi og Bluetooth, som går opp til 2,4 ~ 5 GHz. Ved å være virksom i et høyere frekvensområde med mer båndbredde, kan UWB overføre mer data på en sikrere måte, noe som gjør den ideell for høyhastighets dataoverføring over kort distanser. (Bildekilde: Aker Technology)

Ved å nøyaktig måle tiden det tar for et signal å bevege seg mellom enheter, gjør UWBs ToF-funksjonalitet det vanskeligere for en ekstern angriper å få tilgang til eller manipulere UWB-kommunikasjon på grunn av den kryptografiske arten til signalene, genereringen av tilfeldige tall og andre sikkerhetsteknikker.

I tillegg til høy sikkerhet, tilbyr UWB-teknologien lavt strømforbruk, god støyimmunitet, presis posisjonsbestemmelse og -sporing, samt signaler som lett kan trenge gjennom en rekke materialer. UWB muliggjør overføring av en stor mengde signalenergi uten å forstyrre konvensjonell smalbånds- og bærebølgeoverføring i samme frekvensbånd.

Trådløs hastighet (sanntidsdata, presisjonstiming): Selv om datahastigheten til Wi-Fi er litt høyere enn UWB, henholdsvis 600 Mb/s og 460 Mb/s, gjør de radarlignende deteksjonsegenskapene til UWB det til et effektivt valg i trådløse utrustninger. (Som referanse er Bluetooths datahastighet 24 Mb/s.) Med lavere nominell rekkevidde enn Bluetooth eller Wi-Fi, er UWB også best egnet for kortdistanse-utrustninger som krever nøyaktig timing og dataoverføringer i sanntid.

Nøyaktighet (posisjonsbestemmelse og -sporing): Nøyaktigheten til UWB er uovertruffen sammenlignet med andre trådløse teknologier over korte distanser, noe som gjør den egnet for mer presis plassering av enheten. Mangelen på interferens med andre radiosendinger og radioburst-teknologi betyr at UWB effektivt måler avstander med en nøyaktighet på ned til 10 til 30 cm, langt bedre enn distansene til Wi-Fi (2 til 3 m) og Bluetooth (1 til 5 m).

Sikkerhet (dataintegritet, sikker overføring): Pulsoverføringsteknologien til UWB er motstandsdyktig mot støy og refleksjon, noe som gjør den svært sikker i en rekke bruksområder. Den direkte forbindelsen mellom to enheter og nøyaktige måleegenskaper gjør det mulig for UWB å koble til og autentisere legitimiteten til enheten i sanntid uten at radiobølger registreres eller videresendes.

Energieffektivitet (lav lekkasje, optimalt forbruk): Takket være den raske overføringshastigheten og den veldefinerte tidsrammen, bidrar UWB til å spare strøm bedre enn de fleste kortdistanseprotokoller. Den kan støtte flere strømsparingsmoduser, deriblant dvalemodus, noe som kan gi ytterligere strømoptimalisering. For små batteridrevne enheter, for eksempel de som finnes i UWB-miljøer, er strømforbruket en viktig faktor.

Krystalloscillatorer muliggjør utvikling av UWB-utrustninger

UWB oppfyller mange behov for trådløse kortdistanseutrustninger over et bredt frekvensområde, men dette skaper også et behov for nøyaktig frekvensstyring for å sikre nøyaktig posisjonsbestemmelse og -sporing og høyhastighets dataoverføringer – funksjonene som gjør UWB så nyttig.

Tabell 2: Typiske krystaller med høy ytelse som oppfyller frekvensstyringsbehovene til UWB. Kvartskrystaller er populære frekvensstyringsanordninger som brukes til å sikre signal- og tidsstyringen som trengs for å overføre informasjon til rett tid og med rett hastighet. Stabiliteten, fasestøyegenskapene og energieffektiviteten til krystallen kan påvirke kvaliteten og påliteligheten til systemer for UWB-kommunikasjon og posisjonsbestemmelse. (Bildekilde: Aker Technology)

En stabil oscillator gir et pålitelig og nøyaktig klokkesignal, noe som sikrer at UWB-pulsene opprettholder ønsket form og spektrum. Med andre ord påvirkes pulsformen som genereres av UWB-senderen av timingen som leveres av oscillatoren.

Frekvensvandring eller ustabilitet i oscillatoren kan føre til signalforvrengning og dårlig ytelse, så det er svært viktig å velge en krystall med riktig frekvensområde, toleranse og stabilitet. Andre viktige parametere inkluderer pakketype, driftstemperatur og lastkapasitans.

Viktigste UWB-markeder

UWB, som først dukket opp i iPhone 11, har raskt fått innpass i et stort antall PAN-baserte utrustninger, inkludert smartmerker (smart tags) og referansepunkter i kjøretøy, eller ankere. UWB-teknologien bidrar til å fremme smarte trådløse teknologinyskapninger og automatisere verden på en bedre måte. Her er noen andre måter UWB revolusjonerer ulike markeder for trådløs kortdistanse (figur 2):

Industriell – UWB brukes i sporing av ressurser, innendørs lokalisering, overvåkingssystemer, trådløse sensornettverk og smarte nettutrustninger. Teknologien kan gi nøyaktig posisjonsinformasjon for personell og utstyr.

Forbrukerkommunikasjon – Teknologien brukes i smarttelefoner, kroppsbårne enheter, IoT, systemer for smarte hjem og smarte merker for raske og pålitelige trådløse tilkoblinger mellom kortdistanseenheter. UWB tilbyr mer nøyaktig romlig sporing, for eksempel nøyaktig innendørs posisjonering.

Bilindustrien – Nøkkelfrie systemer, sikker kjøretøytilgang, avanserte førerassistentsystemer (ADAS – advanced driver-assistance system) og sporing bruker UWB i bilindustrien til å gi nøyaktig posisjonering.

Figur 2: UWB-utrustninger. (Bildekilde: Aker Technology)

Frekvensstyring bidrar til trådløse nyskapninger

Den økende etterspørselen etter trådløs konnektivitet, spesielt med spredningen av tingenes Internett (IoT)-enheter og distribusjonen av 5G-nettverk, presser grensene for hvor mye data som kan strømme på tvers av frekvensbånd. Den voksende trådløse infrastrukturen er avhengig av de svært viktige ytelsesparametrene som UWB tilbyr.

UWB, som fungerer på tvers av et bredt frekvensområde, muliggjør overføring av store mengder signalenergi, uten å forstyrre konvensjonell smalbånds- og bærebølgeoverføring i samme frekvensbånd. Denne brede båndbreddeallokeringen krever nøyaktig frekvensstyring for å unngå interferens med andre trådløse systemer som er virksomme i de samme frekvensbåndene, samt for å synkronisere dataoverføringer og opprettholde pålitelig kommunikasjon.

Konklusjon

UWB-teknologien muliggjør sikker avstandsmåling og presisjonsdeteksjon, noe som skaper en ny dimensjon av romlig kontekst for trådløse enheter. Den muliggjør overføring av store mengder signalenergi, uten å forstyrre konvensjonell smalbånds- og bærebølgeoverføring i samme frekvensbånd. UWB er fremtiden for IoT, kroppsbårne enheter, lokalisering i sanntid (in-time locating), smart kjøretøytilgang, hjemmestyringspaneler, peer-to-peer-kommunikasjon, automatisk opplåsing og tilgangsstyring, og Aker er der for å være en del av denne utviklingen med sitt brede utvalg av krystalloscillatorer (timing crystals).