UWB – potencjał i aplikacje

Popularność tytułowa technika zawdzięcza przede wszystkim wyjątkowym właściwościom sygnału. Po pierwsze, zajmuje on szerokie pasmo częstotliwości, rzędu kilkuset MHz–GHz, w porównaniu z sygnałami wąskopasmowymi. Poza tym w przeciwieństwie do innych technologii radiowych, w transmisji UWB do kodowania informacji nie stosuje się modulacji amplitudy ani częstotliwości. Zamiast tego wykorzystuje się krótkie sekwencje bardzo wąskich impulsów (o czasie trwania 2 nanosekundy) i modulację BPSK (Binary Phase-Shift Keying) i/albo BPM (Burst Position Modulation). Oprócz tego moc sygnałów UWB została ograniczona, by nie zakłócała sygnałów wąskopasmowych nadawanych w tym samym nielicencjonowanym pasmie częstotliwości. Dopuszczalna widmowa gęstość mocy sygnałów ultraszerokopasmowych jest na poziomie porównywalnym z poziomem szumów.

Jakie są zalety transmisji UWB?

Dzięki tym właściwościom technologia transmisji ultraszerokopasmowej ma liczne zalety, które wyróżniają ją na tle innych technik komunikacji bezprzewodowej. Są to przede wszystkim: duża szybkość przesyłu danych, małe opóźnienia, odporność na interferencje i wpływ zjawiska wielodrogowości na jakość transmisji, mały pobór mocy, małe wymagania sprzętowe oraz koszt. Jeśli chodzi o te ostatnie, to wynikają stąd, że w nadajniku nie jest potrzebny wzmacniacz mocy, który zwykle jest też jego najbardziej energochłonnym komponentem, podobnie jak nie ma także potrzeby korzystania z bloku mieszacza częstotliwości. Używa się poza tym małych anten.

Ograniczona moc sygnałów UWB przynosi dodatkowe korzyści poza oszczędnością energii. Przede wszystkim mało prawdopodobny jest podsłuch transmisji ultraszerokopasmowej, ze względu na małą moc emitowanego sygnału, bowiem przechwycenie danych jest trudne i wymaga bliskości z nadajnikiem. Ważne jest również bezpieczeństwie użytkowników – moc impulsów UWB jest znacznie mniejsza, nawet kilkanaście tysięcy razy niż moc nadajnika w typowym telefonie komórkowym.

Warto ponadto wspomnieć o dużej przenikalności sygnału UWB przez przeszkody bez tłumienia. Efektywnie wykorzystuje on też dostępne pasmo częstotliwości.

 

Rys. 1. Widmowa gęstość mocy sygnałów UWB i wąskopasmowych

Krótko o historii...

Nad techniką transmisji UWB pracowano w zasadzie od początku historii komunikacji radiowej, przez dziesięciolecia badając możliwości oraz perspektywy jej rozwoju. Początkowo znalazła zastosowanie w wojsku, w związku z czym przez dłuższy czas nie była w ogóle wykorzystywana komercyjnie. Zaczęło się to zmieniać w latach 90. zeszłego wieku, a odkąd zostało udzielone zezwolenie na jej nielicencjonowane użytkowanie, pozawojskowych aplikacji UWB przybywało.

Jako pierwsza, około 2000 roku, parametry sygnału UWB zdefiniowała amerykańska agencja regulacyjna FCC (Federal Communication Commission). Zgodnie z jej wytycznymi, by móc sklasyfikować dany sygnał jako ultraszerokopasmowy, musi on spełniać następujący warunek: szerokość jego pasma powinna być większa niż 500 MHz lub jego ułamkowa szerokość pasma powinna być większa niż jedna czwarta częstotliwości środkowej. Poza tym gęstość widmowa mocy do użytku w pomieszczeniach jest ograniczona do –41,3 dBm/MHz. Dla transmisji typu UWB FCC przydzieliło przedział częstotliwości w nielicencjonowanym pasmie między 3,1 GHz a 10,6 GHz.

…i standardach

Wkrótce w ślady amerykańskiego regulatora poszło ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Wytyczne europejskiej organizacji są bardziej rygorystyczne. Zamiast jednego pasma, ETSI przydzieliło sygnałom UWB dwa zakresy: od 3,1 do 4,8 GHz oraz 6–8,5 GHz. W przypadku pierwszego przedziału częstotliwości wymagane jest dodatkowo wdrożenie mechanizmu DAA (Detect And Avoid). Wymusza on, by sygnał UWB mógł być nadawany wyłącznie wówczas, gdy w danym kanale transmisji w tym samym czasie nie są transmitowane sygnały wąskopasmowe. W drugim przedziale wyznaczonym przez ETSI z kolei można z tego zabezpieczenia zrezygnować, jeżeli gęstość mocy nie przekracza –41,3 dBm/MHz. Równolegle postępowała normalizacja.

Po raz pierwszy technologia UWB została zestandaryzowana w 2007 roku jako alternatywa dla LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network), w standardzie IEEE 802.15.4a-2007.1. Był on przez lata rozwijany, dzięki czemu ostatecznie opracowano jego najnowszą wersję z poprawką IEEE 802.15.4z.

W międzyczasie powołano też organizacje, które zajmują się wspieraniem i promocją technologii ultraszerokopasmowej – UWB Alliance i konsorcjum FiRa (od Fine Ranging). To drugie skupia się na zastosowaniu technologii UWB w precyzyjnym pomiarze odległości i określaniu pozycji, jednych ze sztandarowych aplikacji technologii ultraszerokopasmowej.

UWB w pomiarach odległości

Na rysunku 2 przedstawiamy przykładową sekwencję impulsów UWB zmodulowanych techniką BPSK. W tym przypadku dwa kolejne sygnały reprezentują jeden symbol. Każdy impuls może zajmować jeden przedział Tc w ramce Tf. Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo zakłóceń między sygnałami UWB, do określania pozycji sygnału w ramce wykorzystywana jest dodatkowo metoda kodowania przeskokami w czasie. W przykładzie kody dla poszczególnych symboli to zatem odpowiednio {2, 1}, {2, 3} i {1, 0}, więc pierwszy i drugi sygnał są przesunięte odpowiednio o dwa i jeden odstęp i tak dalej. Jeżeli natomiast chodzi o przesyłaną informację, której interpretacja zależy od polaryzacji sygnałów, przedstawiona na rysunku 2 sekwencja impulsów reprezentuje dane binarne 101.

Ta technika, w połączeniu z metodą pomiaru ToF (Time of Flight), pozwala wyznaczać odległości z bardzo dużą dokładnością nawet w otoczeniu, w którym wielodrogowość jest problemem. W tym celu wykorzystywane są sygnały ze znacznikami czasu. To pozwala obliczyć czas, który zajmuje impulsom przemieszczanie się. Na tej podstawie wyznaczana jest odległość dzieląca nadajnik od odbiornika.

Dzięki temu, że czas przelotu jest obliczany dla pierwszego odebranego sygnału, jest wyznaczany dla impulsu, który dotarł do odbiornika bezpośrednio, na przykład przenikając przez ścianę. Pozostałe sygnały, docierające z opóźnieniem, które jest skutkiem odbijania się sygnału od przeszkód, są ze względu na dłuższą drogę, jaką przez to pokonują, ignorowane. Bez znaczenia za to jest moc odebranego sygnału. Nawet jeśli impuls został stłumiony, przechodząc przez przeszkodę i tak, jeżeli dotrze do celu bezpośrednią drogą jako pierwszy, zostanie wykorzystany do obliczenia czasu przelotu. Decyduje to o przewadze tej metody nad tymi, które opierają się na pomiarach RSSI (Received Signal Strength Indication). Zjawisko wielodrogowości w ich przypadku może wpływać na dokładność pomiarów, słaba moc sygnału sugeruje bowiem, że odległość jest większa, podczas gdy w rzeczywistości sygnał osłabiło przejście przez przeszkodę.

 

Rys. 2. Przykładowa sekwencja impulsów UWB

Pomiary dystansu i położenia w praktyce

Pomiary odległości, w których wykorzystuje się impulsy ultraszerokopasmowe, są realizowane na kilka sposobów, które odpowiadają na potrzeby różnych aplikacji. Przykładem jest technika TWR (Two-Way Ranging). Dystans między urządzeniem o znanej lokalizacji a tym, które znajduje się w nieokreślonej odległości, jest wyznaczany na podstawie pomiaru czasu, jaki zajmuje impulsom UWB przejście tam i z powrotem pomiędzy nimi. W tej podstawowej wersji technika TWR jest wykorzystywana m.in. w bezkluczykowych systemach otwierania samochodów.

 

Rys. 3. Zasada pomiaru ToF w technice TWR

Przebieg pomiaru w tej metodzie jest następujący: urządzenie A inicjuje komunikację, wysyłając wiadomość adresowaną do urządzenia odniesienia B. B zapisuje czas jej otrzymania i wysyła odpowiedź. Gdy dociera ona do odbiorcy A, oblicza on czas przelotu sygnału na podstawie różnicy między czasem nadania a czasem dotarcia odpowiedzi. Od tej wartości odejmuje czas, jaki zajęło w urządzeniu B przetworzenie komunikatu inicjującego oraz odpowiedzenie na niego. Informacja o tym jest przekazywana do A w wiadomości zwrotnej od B. Wyjaśnia to rysunek 3.

Technika TWR może być też wykorzystywana do określania bezwzględnej pozycji. W tym celu trzeba wyznaczyć dystans do trzech albo większej liczby urządzeń odniesienia. Lokalizowanie w ten sposób jednak znacząco obciąża urządzenie inicjujące komunikację, zwiększając jego zużycie energii. Nie jest to korzystne, jeżeli jest ono zasilane bateryjnie.

Techniki TDoA i PDoA

Alternatywą jest technika TDoA (Time Diff erence of Arrival). W jej przypadku urządzenie o nieznanym położeniu tylko raz wysyła komunikat inicjujący. Dzięki temu uzyskuje się dużą, w porównaniu do metody TWR, oszczędność energii, a tym samym wydłużenie czasu pracy na baterii. W technice TDoA wykorzystuje się wiele urządzeń odniesienia, rozmieszczonych w stałych i znanych lokalizacjach i ze sobą zsynchronizowanych. Kiedy urządzenie, którego położenie trzeba ustalić, nadaje sygnał zgłoszenia, jest on odbierany przez węzły odniesienia, które rejestrują czas dotarcia tej wiadomości. Informacja o tym jest przez nie przesyłana do centrali, gdzie poszukiwane położenie jest obliczane na podstawie różnic w czasach odbioru sygnału zgłoszenia.

Technika PDoA (Phase Diff erence of Arrival) z kolei pozwala na obliczenie względnej pozycji na podstawie informacji o odległości i kierunku. W tym celu wymagane są co najmniej dwie anteny. Wówczas urządzenie może zmierzyć różnicę faz sygnałów przez nie odbieranych. To pozwala wyznaczyć kierunek, z którego nadano sygnał.

Gdzie UWB ma przyszłość?

Wspominany bezkluczykowy dostęp do samochodów, jak również domów czy pokoi hotelowych to jedna z bardziej perspektywicznych aplikacji technologii UWB, ale oczywiście nie jedyna. Poza tym ważnym jej zastosowaniem będą systemy lokalizacji w czasie rzeczywistym RLTS (Real-Time Location Systems), które są popularne na przykład w przemyśle, w zarządzaniu zasobami zakładów przemysłowych i magazynów. W tym przypadku kluczowe znaczenie ma centymetrowa dokładność określania położenia zapewniana w systemach wykorzystujących transmisję ultraszerokopasmową.

Nawigacja w pomieszczeniach to kolejna aplikacja – możliwość ustalenia z centymetrową precyzją położenia na przykład klienta w supermarkecie jest atrakcyjną możliwością dla właścicieli sklepów jak i dla konsumentów. Innym obiecującym zastosowaniem są płatności mobilne: pierwsze systemy płatności bezdotykowych oparte na UWB zostały już zademonstrowane. Tytułowa technologia może sprawdzić się też w strumieniowej transmisji dźwięku wysokiej jakości, na przykład do inteligentnych głośników.

Monika Jaworowska