UWB: возможности и перспективы применения

Введение

Всем привет. Меня зовут Павел, я технический писатель дизайн-хауса notAnotherOne. 
Хочу рассказать о технологии ultra wideband или UWB, которая в последнее время всё чаще оказывается в фокусе внимания информационных ресурсов и упоминается в связке с флагманскими продуктами крупных компаний.

Статья обзорная и должна дать общее представление о возможностях, сферах применения, вариантах использования и перспективах этой технологии.

О технологии

UWB (Ultra Wideband) — это беспроводная технология связи, использующая сверхширокую полосу для несущего сигнала и позволяющая передавать данные на небольшие расстояния при крайне низком энергопотреблении. 

Официальное определение сектора радиосвязи (ITU-R):

«Беспроводная технология передачи информации с помощью импульсных сигналов, излучаемых антеннами приемо-передающих устройств малого радиуса действия в полосе частот не менее 500 МГц (или 20% от центральной рабочей частоты)»

Одной из отличительных особенностей UWB является то, что кодирование данных выполняется через последовательность импульсов, а не через модуляцию мощности, частоты и/или фазы сигнала. Как следствие, надёжность сильно зависит от ширины частотного спектра. Отсюда — термин “сверхширокополосный”. 

Другой особенностью является крайне низкий уровень сигнала, близкий по силе к радиошуму. Благодаря этому UWB сосуществует с другими, более традиционными технологиями радиосвязи, не вызывая помех.   

Хорошо забытое старое

Способ импульсной передачи сигналов был известен ещё в конце 80-х годов XIX века. Тогда усовершенствованные варианты искрового передатчика, с помощью которого Генрих Герц собирался доказать существование электромагнитных волн, широко использовались в организации беспроводной связи между кораблями и береговыми станциями.

Позже, во время Второй Мировой Войны технология импульсного радио использовалась в многочисленных военных радарах. В 50-х годах XX века советские учёные, пытаясь усовершенствовать энергетические системы, начали широкое исследование в этой области. Они были первыми, кто понял, что сверхкороткие импульсы способны передавать больше информации об объекте, хотя и сфера применения по-прежнему была преимущественно военная.

В семидесятые годы ХХ века радарные системы на базе UWB стали использоваться в гражданских целях: для сканирования грунта, строений, определения местоположения, предупреждения об опасности столкновения, определения уровня жидкости, обнаружения нарушителя и в мобильных радиолокационных станциях.
Патент Росса от 17 апреля 1973 года считается одной из вех в развитии технологии и акцентирует внимание на одном из главных преимуществ UWB — сосуществование с распространенными стандартами без наведения помех. 

В 2002 году вследствие растущего интереса со стороны бизнеса Федеральная комиссия связи США (FCC) одобрила регламентированное коммерческое использование радиочастотного спектра от 3.1 до 10.6 ГГц.

В 2003 году Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (ETSI) опубликовал стандарт IEEE 802.15.4, определивший физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC) для персональных беспроводных сетей с низким уровнем мощности сигнала (LR-WPAN). Расширение стандарта, посвященное безопасности, было представлено в 2020 году в версии стандарта 802.15.4z, которая вводила физический уровень PHY CSS (линейно-частотная модуляция на частоте 2450 МГц), определяла метод двунаправленного измерения расстояния, добавляла шифр подстановки.

И только несколько лет назад, в 2019 году, UWB стала известна широкой аудитории конечных пользователей, когда всемирно известные компании, такие как Apple и Samsung, начали внедрение функциональности на базе этой технологии в свои устройства потребительского сегмента. 

Плюсы и минусы

Одно из основных преимуществ UWB — сопротивление эффекту многолучевого распространения волн благодаря высокому временному разрешению и короткой длине волны. Именно поэтому технология так хороша для измерения расстояния и слежения: UWB в 100 раз точнее конкурентов в таких задачах и обеспечивает точность в пределах нескольких сантиметров. 

Использование сверхширокого диапазона в свою очередь даёт высокую устойчивость к частотно-селективным замираниям, если сравнивать с Bluetooth и Wi-Fi. Это даёт возможность разворачивать несколько систем на базе UWB в одной среде, не вызывая конфликтов с другими стандартами.

Краткая справка о замираниях

Замирания (fading) — флуктуации уровня радиосигнала в процессе распространения радиоволн, обусловленные изменением параметров передающей среды. При одних и тех же условиях распространения радиоволн замирания могут быть гладкими, если передаваемые сигналы являются узкополосными, и селективными – при широкополосных сигналах.

Частотно-селективные замирания (frequency selective fading). Вид замираний, при котором каждая частотная составляющая сигнала передается со своей амплитудой и сдвигом начальной фазы, а разброс по задержке соизмерим со значением 1/F (F – полоса частот передаваемого сигнала) или превышает его. По сути, такие замирания эквивалентны фильтрации, при которой спектральные составляющие в пределах малого частотного интервала имеют практически одинаковые коэффициенты передачи, а с расширением полосы разброс уровней увеличивается. Очевидно, что чем шире спектр передаваемого сигнала, тем в большей степени он подвержен искажениям.

(источник: OSP – Гид по технологиям цифровой трансформации, статья “CDMA: борьба с замираниями”).

Крайне низкая задержка делает UWB идеальным кандидатом для автоматических систем определения местоположения быстро перемещающихся объектов в реальном времени, наример, дронов. 

Другое ключевое преимущество — высокая степень защиты данных как следствие низкой мощности генерируемых импульсов. Последнее изменение IEEE 802.15.04z-2020 повышало степень защиты данных, введя новый физический уровень линейно-частотной модуляции, добавило такие методы шифрования, как скремблированная временная метка и шифр подстановки (про скремблирование можно почитать, например, здесь).

Среди прочих преимуществ UWB:

• Отсутствие ограничений для доступа к радиодиапазону;

• Одновременная поддержка сотен каналов;

• Большой диапазон для скоростей передачи данных: от 4 Мбит/с до 675 Мбит/с и выше, в зависимости от частоты;

• Потенциальная поддержка десятка топологий;

• Гибкое использование спектра;

• Сверхнизкое энергопотребление: 2 мВт @ 1 Мбит/с, 6 мкВт @ 1 кбит/с;

• Низкая стоимость чипа: примерно $2-5 при массовом производстве.

Но, конечно, не всё так гладко…  

Из-за короткой длины импульса и сверхширокого спектра пропускная способность UWB гораздо сильнее (по сравнению с узкополосной передачей) падает с расстоянием. 

В теории, широкий диапазон и высокая мощность сигнала (в случае, конечно, если последняя не ограничена законодательно) может нарушать работу существующих систем и линий связи.

Помимо этого, доступность спектра частот в ряде стран (12 стран, большая часть которых находятся на постсоветском пространстве ) ограничена государственными органами и службами безопасности. Так в России, например, трекеры AirTags вынуждены использовать Bluetooth вместо задуманной изначально UWB. 

Способы определения местоположения

Разберёмся с тем, каким методами технология реализует одно из своих ключевых преимуществ — сверхточное определение расстояния.

Двунаправленное измерение расстояния (TWR)

Для измерения расстояния между устройствами UWB использует время распространения (ToF, Time-of-Flight) — время доставки пакетов “запрос-ответ”, — а не показатель уровня сигнала (RSSI, Received Signal Strength Indicator), который используется в других стандартах. 

Данный способ вычисляет расстояние между меткой (tag) и опорной точкой (anchor) путём определения ToF, а затем умножения его на скорость света.

Более сложное двустороннее двунаправленное определение дальности (Double-Sided Two-Way Ranging, DS-TWR) неявным образом корректирует ошибки, связанные со сдвигом тактовых импульсов, однако требует большего количества пакетов и как следствие — большего энергопотребления. 

Разностно-дальномерный метод (TDoA) 

Конечно, измерение ToF с использованием одной опорной точки не даст местоположения метки, а вот с помощью нескольких внешних опорных точек UWB уже в состоянии определить двумерное и трёхмерное положение метки в пространстве в пределах определённой зоны. При этом происходит обмен пакетами метки с опорными точками и вычисляется разница во времени приёма таких пакетов. 

В зависимости от того, что является принимающей стороной различают две топологии: 

• Разница во времени приема ответного сигнала на стороне метки (Tag Side-Time Difference of Arrival, TS-TDoA), используемая, например, в GPS;

• Разница во времени приема ответного сигнала на стороне опорной точки (Anchor Side-Time Difference of Arrival, AS-TDoA).

Метод разности фаз (PDoA)

Следует заметить, что вычисление ToF позволяет определить только  расстояние, но не направление. Метод разности фаз (Phase Difference of Arrival, PDoA) решает эту задачу, как и задачу с организацией дополнительной инфраструктуры. 

Выполняется это двумя антеннами на хотя бы одном из устройств. Разность фаз принимаемого сигнала на антеннах позволяет вычислить угол приёма сигнала (Angle of Arrival, AoA).

Области применения и варианты использования

Большинство вариантов использования UWB связано либо с её способностью крайне точно определять местоположение, либо с высокой степенью защиты данных, либо сочетают обе эти возможности. 

Будучи долгое время привлекательной только для военных или промышленных целей, в последнее время технология нашла новое применение благодаря эволюции устройств потребительского сегмента: носимых гаджетов, смартфонов и “умной” инфраструктуры.

Сверхточное измерение расстояния 

С UWB определение местоположения с точностью до нескольких сантиметров становится делом техники. 

В здравоохранении UWB помогает людям находить нужные службы в учреждениях, предоставляет медперсоналу данные о пациенте, а также помогает сотрудникам служб ухода найти потерявшегося человека. Отслеживание медицинского оборудования может также быть очень кстати, если нужно быстро найти небольшие предметы или дорогое и нужное оборудование, такое как установка для сердечной реанимации. 

Свойства радара UWB используются для дистанционного измерения жизненно важных показателей, таких как частота сердечных сокращений и частота дыхания. Последнее может также найти применение в умной инфраструктуре с системами обнаружения присутствия, детских мониторах, медицинскими приборах, системах выявления экстренных случаев.

Технология широко применяется для навигации в помещениях разного типа: торговых точках, больницах, местах для парковки, производственных территориях. UWB может использоваться для организации эвакуации в чрезвычайных случаях, позволяя определять местонахождение и направлять к выходу всех, кто находится на территории.  

В период пандемии стало актуальным ещё одно применение UWB, связанное с социальным дистанцированием. Бейджи и браслеты с UWB могут предупреждать владельцев при приближении друг к другу и включать аварийную нотификацию, когда безопасная зона нарушена. Точность определения при этом составляет менее 10 см.

UWB может использоваться при цифровизации и оптимизации производственных процессов. Отслеживание инструмента и оборудования повышает эффективность их использования и экономит время персонала, а система предотвращения столкновения повышает безопасность на территории производства.

И, конечно же, широко известные сейчас UWB-метки, пристёгнутые к связке ключей или рюкзаку и работающие в паре со смартфоном, сэкономят время и нервы при поиске важных личных вещей.

Контроль доступа

Рассчитывая время распространения (ToF), UWB обеспечивает высокую точность при измерении расстояния, а также безопасность передаваемых данных, а вычисление угла прихода сигнала (AoA) позволяет определить направление движения источника. Так устройства с UWB понимают, например, приближается ли пользователь к закрытой двери или отходит от неё, а также знают по какую сторону от двери всё это происходит.

В случае с контролем доступа UWB работает в паре с другими протоколами, чаще всего — с Bluetooth. Bluetooth используется для инициализации процедуры измерения расстояния и для передачи данных, а UWB отвечает непосредственно за вычисление расстояния.

Новый физический слой (PHY), добавленный в IEEE 802.15.4z и относящийся к защите шифрованием, сводит к минимуму успешность MITM-атак (“Man-in-the-middle”, букв. атака “человек посередине”). Это открывает огромное количество возможностей: умные замки на входных дверях и гаражных воротах, система контроля физического доступа на производственных площадках, сервисы проката, цифровые ключи для транспортных средств и многое другое.

В начале 2022 года Samsung в коллаборации с Zigbang аннонсировал выпуск “умного дверного замка”, для отпирания которого не понадобиться даже доставать из кармана смартфон. 

В январе 2021 года компания Apple анонсировала цифровой ключ с UWB для автомобиля и подтвердила, что расширяет поддержку подобного функционала, а также цифровой авторизации в iOS 15 и watchOS 8 для пользователей Apple Watch. Pixel 6 Pro и Pixel 7 Pro также поддерживают UWB для использования цифрового ключа, а также для функции Android-а “Nearby Share”, позволяющей передавать файлы на близком расстоянии с одного устройства на другое. 

Volkswagen и крупнейший мировой производитель чипов NXP не отстают и предлагают дополнительные функции отключения подушки безопасности при наличии детского кресла, управления жестами багажной дверью, автоматического управления сцепкой для прицепа.

Обновленные BMW X5 и X6 будут поддерживать функцию UWB-цифрового ключа, которым через нативное приложение можно поделиться ещё с пятью людьми.

UWB-устройства могут формировать вокруг определенной зоны так называемый “пузырь безопасности”, используемый в частности для автоматической разблокировки персональных устройств. Пара видео с демонстрацией работы таких “пузырей”:

UWB может использоваться при организации WBAN сетей (Wireless Body Area Network). Сеть UWB-датчиков, измеряющих жизненные показатели пациента (датчики ЭКГ и ЭМГ, датчик сатурации кислородом и другие), может использоваться в интеллектуальных системах мониторинга и предупреждения.

Мультимедиа, дополненная и виртуальная реальность

Низкое значение задержки (5-10 мс для потоковой трансляции аудио) делает UWB привлекательным для использования в потоковой передаче видео- и аудиоданных, в VR и AR, различных типах контроллеров.

UWB-устройства могут создавать контекстуальный пользовательский опыт в зависимости от своего положения и ориентации, это может использоваться в ритейле и системах “умного” дома. 

Колонки Apple HomePod, HomePod mini и Nest от Google могут мгновенно перехватывать играющую на смартфоне музыку, подкаст или текущий телефонный разговор при его приближении к колонке (функция “Handoff” у Apple).  

Пример UWB-устройства для умного дома — пульт Sevenhugs Smart Remote X. Вышедший на рынок в 2016 году, продукт, к несчастью, опередил своё время. Комплект включал пульт дистанционного управления и опорные точки для определения его пространственной ориентации. При наведении на устройство на пульте отображалось соответсвующее контекстное меню. Главным недостатком был заградительный ценник $399 на начало продаж.

Датчики присутствия с UWB могут использоваться в профессиональных системах освещения офисных зданий. Включение света при движении позволяет экономить электроэнергию, а высокая чувствительность UWB-датчиков позволяет фиксировать даже минимальные движения сидящего спокойно за компьютером или телефоном человека и поддерживать освещение в нужной зоне. 

В целевом маркетинге покупатели могут получать индивидуальные предложения в зависимости от того, в каком отделе магазина они находятся, и в зависимости от их личных предпочтений. Бизнес может получать важные данные, анализируя клиентопоток и поведение покупателей.

Транспорт 

Многочисленные варианты для транспортной сферы включают в себя:

• Система автоматической парковки автомобиля и подачи для посадки по запросу: водитель может покинуть автомобиль в нужном месте, и автомобиль найдёт место и припаркуется сам. Позже, через приложение на смартфоне водитель может вызвать автомобиль для подачи в нужную точку; 

• V2X (vehicle-to-everything, система обмена данными между автомобилем и другими объектами дорожной инфраструктуры) и беспилотное управление;

• Цифровые ключи и различные функции, облегчающие жизнь, о которых писалось выше;

• C2X (communication-to-everything, “социальная” сеть транспортных средств) может существенно снизить количество ДТП посредством коммуникации транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры.

Интересный пример реализации функции следования и предупреждения столкновения с использованием технологии UWB — “умный” дипломат Airwheel SR5, который следует за владельцем самостоятельно, избегая препятствий по дороге.

UWB также главный кандидат для использования в миниатюрных летательных аппаратах (MAV).

Заключение

Не будет преувеличением сказать, что стандарт UWB ждёт светлое будущее — помимо многочисленных вариантов использования в b2b сегменте высока вероятность того, что он может стать одним из стандартных интерфейсов для смартфонов, как это уже случилось с Bluetooth и NFC.

Оценка среднегодового темпа роста рынка UWB к 2026 г., сделанная в 2021 году “Research and Markets”, составляет 16,06% или $3,129 млрд, и может удвоиться, если не утроиться, в том случае, если UWB станет стандартным интерфейсом, что уже происходит с флагманскими моделями смартфонов и в перспективе может случиться с устройствами средней ценовой категории.

В notAnotherOne следят за развитием UWB и участвуют в ряде проектов, включая типичные варианты использования, такие как RTLS (“Real-time locating system”, системы позиционирования в реальном времени), а также более редкие реализации технологии, в том числе потоковую передачу звука.

 

Источник