Ultrabreitband UWB: Wird Aschenputtel bald Prinzessin?

Von Dr. Nick Wood*

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Ultrabreitband ist eine Art „Aschenputtel“-Technologie – in vielerlei Hinsicht attraktiv, aber doch nicht zur Technikparty eingeladen. Was sind die Einsatzmöglichkeiten von UWB? Warum hat sich die Technologie noch nicht durchgesetzt. Und warum könnte sich das bald ändern?

Drahtlose Schlüssellösungen haben sich als äußerst unsicher erwiesen. UWB-Lösungen sind hier wesentlich widerstandsfähiger gegen die gängigsten Hacks (Relaisangriffe).
Drahtlose Schlüssellösungen haben sich als äußerst unsicher erwiesen. UWB-Lösungen sind hier wesentlich widerstandsfähiger gegen die gängigsten Hacks (Relaisangriffe).
(Bild: Insight SiP)

Wie der Name vermuten lässt, handelt es sich bei der Ultrabreitbandtechnik (Ultra Wideband = UWB) um ein Übertragungsverfahren, bei dem über eine relativ große Bandbreite gesendet wird. In quantitativer Hinsicht ist die derzeit von der FCC und der ITU akzeptierte Definition eine Bandbreite von 500 MHz oder mindestens 20 Prozent der mittleren Trägerfrequenz, je nachdem, welcher Wert kleiner ist. Vergleicht man UWB mit Bluetooth, wo die Anwendung der oben genannten 20 Prozent-Regel ohnehin rund 500 MHz ergeben würde, so ist jeder Kanal tatsächlich nur 1 oder 2 MHz breit. WiFi-Kanäle, die mit einer ähnlichen Frequenz arbeiten, sind 20 MHz oder 40 MHz breit. Es besteht also ein Unterschied von mindestens einer Größenordnung in der Kanalbreite.

Daraus ergeben sich wichtige Unterschiede zwischen UWB und herkömmlichen Funkübertragungsmethoden. Der erste besteht darin, dass UWB-Systeme mit einer geringeren Leistung (definiert durch die Spektraldichte, d. h. die in jedem MHz des Bandes übertragene Leistung) übertragen können als Schmalbandfunk. Sie senden nämlich mit Pegeln, die nahe an der Rauschgrenze liegen.

Zweitens ist es möglich, verschiedene Arten der Datenkodierung zu verwenden. Schmalbandsysteme verwenden in der Regel Frequenztastung, Frequenzvariation um einen zentralen Wert, Amplitudenmodifikation oder Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM). Die große Bandbreite von UWB ermöglicht sehr kurze Impulse (Nanosekunden), die eine Pulslage- oder Zeitmodulation ermöglichen - im Wesentlichen definiert das Vorhandensein (oder Nichtvorhandensein) eines Impulses ein Informationsbit. Auch komplexere Orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) sind möglich. Dies wiederum ermöglicht eine potenziell sehr hohe Datenübertragungsrate.

Ankunftszeit eines Impulses sehr genau messbar

Der letzte Punkt ist, dass die frequenzgenauen Impulse, wie oben definiert, die von UWB übertragen werden, es ermöglichen, die Ankunftszeit eines Impulses genau zu messen, genauer als die meisten konkurrierenden Technologien. Man kann sagen, dass die Impulsbreite (Dauer) eines Impulses ungefähr 1/Bandbreite beträgt, was 2000 ps entspricht. Wenn die Abfahrts- und Ankunftszeit feststehen, kann die zurückgelegte Strecke bestimmt werden.

Wenn man die Lichtgeschwindigkeit von 3 x 10**8 m/s zugrunde legt, kann man einfach berechnen, dass ein Impuls für eine Strecke von 1 m 3,3 ns benötigt, oder alternativ, um eine Genauigkeit von 1 cm zu erreichen, wäre eine Zeitgenauigkeit von 33 ps erforderlich. Die Genauigkeit einer solchen Entfernungsmessung hängt also davon ab, wie gut die Impulsflanke konsistent bestimmt werden kann.

In der Praxis werden Zeitmessungen mit spezifischen Impulsfolgen durchgeführt, und die erreichte Genauigkeit liegt typischerweise bei 200 ps oder 5 cm. Die begrenzenden Faktoren sind die Genauigkeit, mit der diese Impulsfolgen bestimmt werden können, und die Taktung im Gerät.

Um eine reale Entfernungs- oder Positionsmessung durchzuführen, gibt es zwei Hauptansätze - Zwei-Wege-Entfernungsmessung oder Time Difference of Arrival (TDoA). Bei der Zwei-Wege-Entfernungsmessung wird einfach die "Hin- und Rückreisezeit" zwischen zwei Geräten gemessen, um eine lineare Entfernung zu erhalten. TDoA misst die Differenz der Ankunftszeit eines Impulses vom Tag (dem zu ortenden Gerät) und mehreren Ankern (Empfängern an einem bekannten Standort) und leitet daraus eine 3-D-Position ab. Dies ist vergleichbar mit einem Indoor-GPS, nur dass das Signal in die entgegengesetzte Richtung geht.

Abgesehen von optischen Methoden bietet UWB die beste funkbasierte Ortungstechnologie.

Faktoren, die die Einführung von UWB behindern

Warum ist die UWB-Technologie angesichts all dieser Möglichkeiten nicht bereits allgegenwärtig? Die Antwort darauf liegt in den praktischen Problemen bei der Umsetzung von Lösungen.

Bei der Datenübertragung sind zwar recht hohe Datenraten möglich, das Problem ist jedoch, dass das Signal empfindlich auf Hindernisse reagiert. In der Praxis ist also eine Sichtverbindung erforderlich. Dies ist ein großer Nachteil gegenüber z. B. WiFi. Eine Zeit lang wurde UWB als Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungstechnologie vorgeschlagen, aber dieser Nachteil war ein großes Problem, und der Schwerpunkt der Investitionen verlagerte sich auf WiFi.

Auch der Stromverbrauch war ein Problem. Ein Breitband-Sender/Empfänger verbraucht in der Regel sehr viel Strom. Während dies bei netzbetriebenen Systemen kein Problem darstellt, wird es bei batteriebetriebenen Geräten problematisch. Wenn also batteriebetriebene Geräte als Teil des Ökosystems in Betracht gezogen werden, ist UWB möglicherweise nicht die beste Lösung.

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Bei den Ortungstechnologien hat UWB, wie bereits erwähnt, herausragende Eigenschaften, und es gibt nur wenige offensichtliche Wettbewerber. Das Haupthindernis für die Einführung ist hier die Praxis. Die Einrichtung eines Ortungssystems ist nicht einfach, da es eine spezielle Infrastruktur erfordert. Ein TDoA-System erfordert mehrere Anker mit hochsynchronisierten Uhren. Dann müssen die Daten von allen Ankern gesammelt, sortiert und in einem zentralen System kombiniert werden.

Diese Diagramme zeigen die überlegene Fähigkeit von UWB zur präzisen Zeitmessung bei Rauschen und Reflexionen.
Diese Diagramme zeigen die überlegene Fähigkeit von UWB zur präzisen Zeitmessung bei Rauschen und Reflexionen.
(Bild: Insight SiP)

Die Installation eines UWB-Systems auf einer großen Fläche wie einem Lagerhaus ist ein komplexes Unterfangen. Die Zwei-Wege-Entfernungsmessung ist einfacher, erhöht aber den Stromverbrauch um eine Größenordnung und kann in einem großen System andere Probleme verursachen.

Ein weiteres Hindernis war das Fehlen von Standards in der Branche und das Vorhandensein bekannter Anbieter. Bis vor kurzem wurde der Markt nur von Start-up-Unternehmen bedient, die proprietäre Lösungen und wenig Interoperabilität anboten. Dies hat eindeutig dazu geführt, dass alle außer den technologisch fortschrittlichsten

Abenteuerlustige zögerten, größere Investitionen zu tätigen, da es leicht passieren konnte, dass man aufgrund der Wahl des falschen Standards und/oder des falschen Anbieters mit einer „gestrandeten“ Anlage dastand. Relativ geringe Stückzahlen führten auch dazu, dass die Technologie relativ teuer war.

Verschiebungen auf dem Markt

In letzter Zeit hat sich der Markt in mehreren Bereichen erheblich verändert, u. a. in Bezug auf die Anwendungsnachfrage, die Marktteilnehmer, die Normung und den technischen Fortschritt. Ein wichtiger Treiber für das Interesse am Markt sind schlüssellose Zugangssysteme. Schlüssellose Zugangssysteme, oder besser gesagt, drahtlose Schlüssellösungen, sind seit einiger Zeit auf dem Automobilmarkt zu finden. Leider haben sich diese als äußerst unsicher erwiesen. UWB ist – da es sicherstellt, dass sich der elektronische Schlüssel wirklich in der Nähe des Fahrzeugs befindet – widerstandsfähig gegen die gängigsten Hacks (Relaisangriffe) und erfordert wesentlich ausgeklügeltere Ansätze, um die Sicherheit zu überwinden.

Unter anderem aus diesem Grund werden Mobiltelefone inzwischen mit UWB-Funktionen ausgestattet. Viele in der Branche sind der Meinung, dass physische Schlüssel letztendlich überflüssig werden oder nur noch als Backup-Geräte dienen, und dass Telefone das vorherrschende Gerät sein werden, das als Schlüssel dient. Dies gilt nicht nur für Autos, sondern möglicherweise auch für den Hausgebrauch. High-End-Geräte von Apple (iPhone 11 und höher), Samsung (S21+/Ultra und höher) und andere von Google und Xiaomi sind bereits UWB-fähig. Die nächste Generation der „Air Tags“ von Apple nutzt UWB zur Positionsbestimmung.

Das würde uns nicht weit bringen, wenn wir immer noch einen Haufen inkompatibler Standards hätten. Glücklicherweise wurde das FiRa-Konsortium (Fine Ranging) gegründet, um die Standards voranzutreiben, an dem alle oben genannten Telefonhersteller und wichtige Chiphersteller wie Qorvo, NXP, Qualcomm und andere beteiligt sind.

Die Präsenz großer Halbleiterhersteller auf dem Markt ist eine weitere wichtige Entwicklung. Decawave, das etablierteste Chip-Startup-Unternehmen, wurde von Qorvo aufgekauft, und NXP hat sein eigenes Gerät auf den Markt gebracht. Apple hat seinen eigenen Chip entwickelt, und alle diese Chips entsprechen den FiRa-Standards. Das mit proprietärer Technologie verbundene Risiko ist also weitgehend verschwunden.

Halbleiter sind wegen hohen Entwicklungskosten weitgehend ein Massengeschäft, so dass die steigende Nachfrage und das Interesse die technologische Entwicklung vorantreiben. Die jüngste Generation von Geräten weist eine deutlich verbesserte Leistung auf, insbesondere im Bereich des Stromverbrauchs, was batteriebetriebene Geräte realistisch macht. Miniaturisierte kombinierte UWB/BLE-Module wie das von Insight SIP ermöglichen weitere Energieeinsparungen durch die intelligente Nutzung der beiden Funkgeräte.

Echtzeit-Positionsbestimmungslösungen unter Verwendung von TDoA werden aus den oben genannten Gründen die größte Herausforderung bleiben und es wird länger dauern, bis sie sich durchgesetzt haben. Dennoch werden alle oben genannten Faktoren zusammengenommen den Widerstand gegen Investitionen in diese Technologie verringern. Wir haben bei anderen aufkommenden Standards wie BLE gesehen, dass anfängliche Projekte einfach sind, aber mit der Zeit immer komplexer werden.

Fazit und Ausblick

UWB ist seit langem eine interessante Technologie mit einigen einzigartigen Merkmalen. In der Vergangenheit gab es erhebliche Hindernisse für eine breite Akzeptanz dieser Technologie. Diese Hindernisse werden jedoch nach und nach abgebaut. Der sichere Zugang bietet eine relativ einfache Anwendung, bei der UWB einen erheblichen Mehrwert bietet.

Das Vorhandensein von UWB-Chips in Mobiltelefonen bietet einen potenziellen Markt für Gerätehersteller (erinnern Sie sich daran, wie die BLE-Fähigkeit von Mobiltelefonen ab 2011 die Entwicklung dieses Marktes vorantrieb). Die steigende Nachfrage nach Geräten wird unweigerlich zu höheren Leistungen und niedrigeren Kosten führen. Wenn sich die Technologie durchsetzt und immer bekannter wird, wird die Implementierung komplexerer Lösungen wie die Echtzeit-Ortung einfacher.

Technologische Vorhersagen sind nie sicher. Was man aber sagen kann, ist, dass die offensichtlichsten Hindernisse für die Einführung von UWB immer mehr verschwinden. Die Aussichten waren noch nie so gut wie heute. (jw)

* Dr. Nick Wood ist Direktor für Vertrieb und Marketing bei Insight SiP.

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