Einführung in die Ultra-Wideband (UWB)-Technologie

Lernen Sie die Grundlagen des Ultrabreitband-Kurzstrecken-Wireless-Protokolls, einer Technologie, die in hochmodernen Geräten zu finden ist.

Ultra-Wideband (UWB), eine 132 Jahre alte Kommunikation, wird nun wiederbelebt, um Geräte über kurze Distanzen drahtlos zu verbinden. Viele Branchenbeobachter behaupten, UWB könnte sich als erfolgreicher als Bluetooth erweisen, weil es eine überlegene Geschwindigkeit hat, billiger ist, weniger Strom verbraucht, sicherer ist und eine überlegene Standorterkennung und Geräteerkennung bietet.

Unternehmen wie Intel, Time Domain, Apple, Huawei, Samsung, Xiaomi, NXP, Sony, Bosch und Xtreme Spectrum forschen und investieren in UWB-Technologie. Tatsächlich bietet Apple bereits in seinem iPhone 11 UWB-Chips an, die eine überlegene Positionsgenauigkeit und Reichweite durch „Time of Flight“-Messung ermöglichen.

In diesem Artikel behandeln wir die Grundlagen der Ultrabreitbandtechnologie, einschließlich ihrer Ursprünge, Vorteile und einen Überblick über die Übertragungsmethoden.

Was ist UWB?

Ultrabreitband (UWB) ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll mit kurzer Reichweite – wie Wi-Fi oder Bluetooth – verwendet Funkwellen mit kurzen Impulsen über ein Frequenzspektrum von 3,1 bis 10,5 GHz in nicht lizenzierten Anwendungen.

Der Begriff UWB wird für eine Bandbreite (BW) verwendet, die größer oder gleich 500 MHz ist, oder eine Teilbandbreite (FBW) von mehr als 20 %, wobei FBW =BW/fc , wobei fc ist die Mittenfrequenz.

Geschichte von UWB

Die Geschichte der UWB-Technologie reicht bis in die Zeit des ersten künstlichen Funkgeräts zurück, als Marconi Funkenstrecken-Sender (kurze elektrische Impulse) für die drahtlose Kommunikation verwendete.

1920 wurde die kommerzielle Nutzung von UWB-Signalen verboten. Die UWB-Technologie war auf Verteidigungsanwendungen unter streng geheimen Programmen für sichere Kommunikation beschränkt. Erst 1992 erhielt UWB in der wissenschaftlichen Gemeinschaft merkliche Aufmerksamkeit.

Entwicklungen bei Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren und schnellen Schalttechniken haben UWB für die kostengünstige Kommunikation mit geringer Reichweite kommerziell nutzbar gemacht. Frühe Anwendungen umfassen Radarsysteme, Kommunikation, Unterhaltungselektronik, drahtlose Personal Area Networks, Lokalisierung und medizinische Elektronik. Seitdem wurden detaillierte Kenntnisse über UWB-Elektromagnetik, Komponenten und Systemtechnik entwickelt.

Im Jahr 2002 hat die US-amerikanische Federal Communication Commission (FCC) als erste Organisation weltweit UWB-Bestimmungen veröffentlicht, die die unlizenzierte Nutzung des zugeteilten Spektrums erlauben. Die zulässige Leistungsgrenze wurde jedoch sehr niedrig eingestellt, um Interferenzen mit anderen Technologien zu vermeiden, die in diesem Frequenzband arbeiten, wie z. B. WLAN, Bluetooth usw.

Die niedrige Spektraldichte von UWB-Signalen ist attraktiv, wodurch UWB weniger anfällig für Inband-Interferenzen von anderen Schmalbandsignalen und sehr sicher ist, da sie aufgrund der geringen Leistungsdichte schwer zu erkennen sind.

Die Vorteile der Ultrabreitband-Technologie

Die sehr große Bandbreite der UWB-Signale ermöglicht eine überlegene Leistung in Innenräumen gegenüber herkömmlichen Schmalbandsystemen.

Einige der Funktionen dieser Bandbreite werden im Folgenden hervorgehoben:

• Die große Bandbreite bietet Immunität gegen den Kanaleffekt in einer dichten Umgebung und ermöglicht sehr feine Zeit-Raum-Auflösungen für eine hochpräzise Indoor-Positionierung der UWB-Knoten, z. B. des neuen iPhone 11.
• Die niedrige Spektraldichte unterhalb des Umgebungsrauschens sorgt für eine geringe Wahrscheinlichkeit der Signalerkennung und erhöht die Kommunikationssicherheit.
• Mit UWB können hohe Datenraten über kurze Distanzen übertragen werden.
• UWB-Systeme können mit bereits bereitgestellten Schmalbandsystemen koexistieren.

UWB-Übertragung

Für die Datenübertragung werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt:

• Ultrakurze Pulse im Pikosekundenbereich, die alle Frequenzen gleichzeitig abdecken (auch Impulsradios genannt)
• Unterteilung der gesamten UWB-Bandbreite in eine Reihe von Breitbandkanälen mit orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM)

Der erste Ansatz ist auf Kosten eines verschlechterten Signal-Rausch-Verhältnisses kosteneffektiv. Im Allgemeinen erfordert die Impulsfunkübertragung keinen Träger, was eine geringere Komplexität im Vergleich zu herkömmlichen Schmalband-Transceivern (d. h. einfachere Transceiver-Architektur) bedeutet, da das Signal direkt über die UWB-Antenne abgestrahlt wird. Der Gauss-Monozyklus oder eines seiner Derivate ist ein Beispiel für einen leicht zu erzeugenden UWB-Puls.

Der zweite Ansatz nutzt das Spektrum effizienter aus und bietet eine bessere Leistung und einen besseren Datendurchsatz auf Kosten einer erhöhten Komplexität (d. h. erfordert eine Signalverarbeitung) und eines Energieverbrauchs.

Die Wahl zwischen den beiden Ansätzen hängt von den Anwendungen ab.

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