Frequentieregeling voor betrouwbare, veilige UWB-toepassingen

Ultrabreedband (UWB) werd tijdens de Tweede Wereldoorlog ontwikkeld voor beveiligde communicatie- en radarsystemen, maar werd verboden voor commercieel gebruik, waardoor het decennialang grotendeels onbenut bleef. In 2002 maakte de federale regelgeving in de VS een breder gebruik van UWB mogelijk. Sindsdien heeft het veel succes geboekt in een groeiend aantal commerciële toepassingen, waaronder industriële, consumenten-, communicatietoepassingen en toepassingen in de auto-industrie. Deze profiteren allemaal van de nauwkeurige positionerings- en locatiebepalingsmogelijkheden en de snelle gegevensoverdracht en het minimale energieverbruik die dit draadloze protocol met zich meebrengt.

Net als andere short-range draadloze communicatieprotocollen, zoals Bluetooth en Wi-Fi, kan UWB een persoonlijk gebiedsnetwerk (PAN) creëren dat elektronische apparaten met elkaar verbindt en gegevensoverdracht binnen de onmiddellijke omgeving van een individu vergemakkelijkt. In plaats van gegevens via een LAN of WAN te verzenden, verzendt een PAN informatie tussen apparaten binnen iemands nabijheid.

UWB verschilt echter van andere transmissietechnologieën in een aantal belangrijke aspecten die de implementatie van UWB in een groeiend aantal mainstream draadloze toepassingen stimuleren.

Afbeelding 1: Dankzij het veilige, brede frequentiebereik en de precisiedetectie van UWB zijn een aantal belangrijke draadloze toepassingen mogelijk. (Bron afbeelding: Aker Technology)

UWB werkt op een zeer hoge frequentie en interfereert niet met andere draadloze protocollen. Het faciliteert eigenschappen zoals ruimtelijke audio, smart home-integratie en contactloze betaalsystemen, waardoor het vooral handig is in voertuigen en mobiele en consumentenapparatuur, zoals smartphones en tagging. Deze technologie maakt geavanceerde functies mogelijk, zoals veilige handsfree toegang, navigatie binnenshuis, contactloze betalingen, het delen van referenties en het volgen van voorwerpen.

De voordelen van UWB

Terwijl zowel Bluetooth als Wi-Fi een plaats hebben veroverd in de wereld van draadloze communicatie, is UWB perfect voor toepassingen die werken binnen een bereik van 10-20 meter omdat het sneller, veiliger en uiterst nauwkeurig is. Dit is grotendeels te danken aan ToF-metingen (time-of-flight).

Tabel 1: De UWB-spectrumband van 3,1~10,6 GHz overtreft die van 2,4~5 GHz voor Wi-Fi en Bluetooth. Dankzij een hoger frequentiebereik met meer bandbreedte kan UWB meer gegevens veilig overdragen, waardoor het ideaal is voor short-range datatransmissie met hoge snelheid. (Bron afbeelding: Aker Technology)

Door nauwkeurig de tijd te meten die een signaal nodig heeft om tussen apparaten te reizen, maakt de ToF-functionaliteit van UWB het moeilijker voor een externe aanvaller om toegang te krijgen tot UWB-communicatie of deze te manipuleren, dankzij de cryptografische aard, het genereren van willekeurige getallen en andere beveiligingstechnieken.

Naast een hoge veiligheid biedt de UWB technologie een laag stroomverbruik, een goede ruisimmuniteit, nauwkeurige positionering en locatiebepaling en signalen die gemakkelijk door verschillende materialen heen dringen. UWB maakt de transmissie van een grote hoeveelheid signaalenergie mogelijk zonder interferentie met conventionele smalband- en draaggolftransmissie in dezelfde frequentieband.

Draadloze snelheid (real-time gegevens, precisietiming): Hoewel de datasnelheid van Wi-Fi iets hoger ligt dan die van UWB, met respectievelijk 600 Mbps en 460 Mbps, maken de radarachtige detectiecapaciteiten van UWB het een effectieve keuze voor draadloze toepassingen. (Ter referentie: de gegevenssnelheid van Bluetooth is 24 Mbps). Bovendien is UWB, met een lager nominaal bereik dan Bluetooth of Wi-Fi, het meest geschikt voor short-range toepassingen die precisietiming en real-time datatransmissie vereisen.

Nauwkeurigheid (positionering, locatiebepaling): De nauwkeurigheid van UWB om een preciezere apparaatlocatie te garanderen, is ongeëvenaard door elke andere draadloze technologie op korte afstand. Het gebrek aan interferentie met andere radiotransmissies en de radioburst-technologie betekent dat UWB effectief afstanden meet met een nauwkeurigheid van 10 tot 30 cm, veel beter dan het bereik van Wi-Fi (2 tot 3 m) en Bluetooth (1 tot 5 m).

Beveiliging (data-integriteit, veilige transmissie): De pulstransmissietechnologie van UWB is bestand tegen ruis en reflectie, waardoor het zeer veilig is voor een scala aan toepassingen. Dankzij de directe verbinding tussen twee apparaten en de nauwkeurige meeteigenschappen kan UWB in real-time verbinding maken met een apparaat en de legitimiteit ervan verifiëren zonder dat radiogolven worden opgenomen of doorgegeven.

Energie-efficiëntie (lage lekkage, optimaal verbruik): Dankzij de snelle transmissiesnelheid en het goed gedefinieerde tijdsframe bespaart UWB meer stroom dan de meeste short-range protocollen. Ook ondersteunt UWB verschillende energiezuinige modi, waaronder slaapstand voor nog meer energieoptimalisatie. Voor kleine apparaten op batterijen, zoals die in UWB-omgevingen, is het stroomverbruik een cruciale factor.

Kristaloscillatoren maken UWB-toepassingen mogelijk

UWB voldoet aan veel behoeften van short-range draadloze toepassingen over een breed frequentiebereik, maar dit brengt ook de behoefte aan nauwkeurige frequentieregeling met zich mee om nauwkeurige positionering, locatiebepaling en datatransmissie met hoge snelheid te garanderen, wat UWB zo nuttig maakt.

Tabel 2: Typische hoogwaardige kristallen die voldoen aan de frequentieregelingseisen van UWB. Kwartskristallen zijn populair als frequentieregeling om het signaal en de timing te regelen die nodig zijn om informatie op het juiste moment en met de juiste snelheid te verzenden. De stabiliteit, faseruiskarakteristieken en energie-efficiëntie van het kristal kunnen de kwaliteit en betrouwbaarheid van UWB-communicatie- en -plaatsbepalingssystemen beïnvloeden. (Bron afbeelding: Aker Technology)

Een stabiele oscillator zorgt voor een betrouwbaar en nauwkeurig kloksignaal, waardoor de UWB-pulsen hun gewenste vorm en spectrum behouden. Met andere woorden, de pulsvorm die door de UWB-zender wordt gegenereerd, wordt beïnvloed door de timing die door de oscillator wordt geleverd.

Frequentieafwijking of instabiliteit in de oscillator kan leiden tot signaalvervorming en slechte prestaties, dus het kiezen van een kristal met het juiste frequentiebereik, de juiste tolerantie en stabiliteit is essentieel. Andere belangrijke parameters zijn onder andere het type behuizing, de bedrijfstemperatuur en de belastingscapaciteit.

Belangrijkste UWB-markten

UWB verscheen voor het eerst in de iPhone 11 en heeft sindsdien snel terrein gewonnen in een groot aantal PAN-gebaseerde toepassingen, waaronder smart tags en referentiepunten in voertuigen, of ankers. UWB-technologie bevordert slimme draadloze technologische innovaties en wereldwijde automatisering. Hier zijn enkele andere manieren waarop UWB een revolutie teweegbrengt in verschillende markten voor short-range draadloze toepassingen (afbeelding 2):

Industrieel – UWB wordt gebruikt voor het volgen van middelen, lokalisatie binnenshuis, monitoringsystemen, draadloze sensornetwerken en smart grid-toepassingen. De technologie verschaft nauwkeurige locatie-informatie voor personeel en apparatuur.

Consumentencommunicatie – De technologie wordt gebruikt in smartphones, wearables, IoT, smart home-systemen en smart tags voor snelle en betrouwbare draadloze verbindingen tussen short-range apparaten. UWB biedt nauwkeurigere ruimtelijke tracking, zoals precieze plaatsbepaling binnenshuis.

Auto-industrie – Sleutelloze toegangssystemen, beveiligde toegang tot voertuigen, geavanceerde hulpsystemen voor de bestuurder (ADAS) en tracking maken allemaal gebruik van UWB in de auto-industrie voor nauwkeurige positionering.

Afbeelding 2: UWB-toepassingen. (Bron afbeelding: Aker Technology)

Frequentieregeling helpt draadloze innovaties

De toenemende vraag naar draadloze connectiviteit, vooral door de toename van het aantal IoT-apparaten en de uitrol van 5G-netwerken, duwt de gegevens die over frequentiebanden bewegen naar nieuwe grenzen. De groeiende draadloze infrastructuur vertrouwt op de kritieke prestatieparameters die UWB biedt.

UWB werkt over een breed frequentiebereik en maakt de transmissie van een grote hoeveelheid signaalenergie mogelijk zonder interferentie met conventionele smalband- en draaggolftransmissie in dezelfde frequentieband. Deze brede bandbreedtetoewijzing vereist een nauwkeurige frequentieregeling om interferentie met andere draadloze systemen die in dezelfde frequentiebanden werken te vermijden en om gegevensoverdracht te synchroniseren en een betrouwbare communicatie te behouden.

Conclusie

UWB-technologie maakt een veilig breed frequentiebereik en nauwkeurige detectie mogelijk en creëert zo een nieuwe dimensie van ruimtelijke context voor draadloze apparaten. Met UWB is transmissie van een grote hoeveelheid signaalenergie mogelijk zonder interferentie met conventionele smalband- en draaggolftransmissie in dezelfde frequentieband. UWB is de weg van de toekomst voor IoT, wearables, tijdlokalisatie, slimme toegang tot auto's, bedieningspanelen thuis, peer-to-peer communicatie, automatische ontgrendeling en toegangsbeheer. En Aker is er klaar voor met hun grote verscheidenheid aan timingkristallen.