Кіріспе
Өте төмен энергиялы, қысқа қашықтықтағы радионың нақты позициялауы
Көп диапазонды (UWB, ultra wideband, ultra wide band және ultraband) – радио спектрінің кең ауқымында қысқа қашықтықтағы, жоғары өткізу қабілетті байланыс үшін өте төмен энергия деңгейін пайдаланатын радио технологиясы. UWB дәстүрлі түрде байланыссыз радарлық бейнелеуде қолданылады. Жақындағы қолданылулары сенсорлық деректерді жинау, дәл орналасу және қадағалауға бағытталған. UWB қолдауы 2019 жылдан бастап жоғары сапалы смартфондарда қол жетімді болды.
Сипаттамалары
Кең жолақты (>500 МГц) – кең жолақты арқылы ақпаратты тарату технологиясы. Бұл сигнал энергиясының көп көлемін дәстүрлі тар жолақты және тасымалдаушы толқынды таратуға кедеріс келтірмей, бір жиілік диапазонында таратуға мүмкіндік береді. Көптеген елдердегі реттеуші шектеулер радио жиілікті тиімді пайдалануға және жоғары жылдамдықты жеке аймақтық желіге (PAN) сымсыз қосылуға, ұзақ қашықтықтағы төмен жылдамдықты қолдануларға, сондай-ақ радар және бейнелеу жүйелерінің қазіргі байланыс жүйелерімен үйлесімді жұмыс істеуіне жағдай жасайды. Бұрын кең жолақты импульстік радио деп атаған, бірақ Федералды байланыс комиссиясы (FCC) және Халықаралық телекоммуникация одағының радиокоммуникация секторы (ITU R) қазіргі уақытта UWB-ді шығарылатын сигналдың жолақтығы 500 МГц немесе арифметикалық орталық жиілігінің 20% -ынан жоғары болатын антенналық тарату ретінде анықтайды. Осылайша, әрбір жіберілген импульс UWB жолағын қамтитын (немесе тар жолақты тасымалдаушының кемінде 500 МГц жиынтығын; мысалы, ортогональді жиілік бөлісімен мультиплекстеу (OFDM)) импульстік жүйелер ережелерге сәйкес UWB спектріне қол жеткізе алады.
Теория
Әдеттегі радио хабарларын тарату мен UWB арасындағы маңызды айырмашылық – әдеттегі жүйелер синусоидты толқынның қуат деңгейін, жиілігін немесе фазасын (немесе олардың комбинациясын) өзгерту арқылы ақпаратты жібереді. UWB хабарларын белгілі бір уақыт аралықтарында радио энергиясын жасау арқылы және кең жолақты пайдаланып, импульстің орналасуы немесе уақыт бойынша модуляцияны қамтамасыз ету арқылы жібереді. Ақпаратты UWB сигналдары (импульстер) арқылы импульстің полярлығын, оның амплитудасын кодтау және/немесе ортогональды импульстерді қолдану арқылы да модуляциялауға болады. UWB импульстерін уақыт немесе позиция модуляциясын қолдау үшін салыстырмалы түрде төмен импульс жылдамдықтарымен кездейсоқ жіберуге болады, бірақ UWB импульс жолағының кері шамасына дейін жылдамдықпен де жіберуге болады. Импульстік UWB жүйелері үздіксіз UWB импульстерінің ағынын (Continuous Pulse UWB немесе C UWB) пайдалана отырып, секундына 1,3 миллиардтан астам канал импульсының жылдамдығымен жұмыс істей алады, сонымен бірге 675 Мбит/с-тан аспайтын алға қателерді түзетумен кодталған деректердің жылдамдықтарын қолдайды. UWB радио жүйесін әртүрлі жиіліктердегі хабардың "ұшу уақытын" анықтау үшін пайдалануға болады. Бұл көп жолды таралу мәселесін шешуге көмектеседі, себебі кейбір жиіліктер тікелей жолмен тарайды, ал басқалары бұрыс жолдар арқылы өтеді және олардың кешігуі ұзақ болады. Ынтымақтастық симметриялық екі жақты өлшеу әдісімен қашықтықты жоғары ажыратымдылықпен және дәлдікпен өлшеуге болады.
UWB мүмкіндіктері бар мобильді құрылғылар
Apple компаниясы 2019 жылдың қыркүйек айында ultra wideband мүмкіндіктері бар алғашқы үш телефонды – атап айтқанда, iPhone 11, iPhone 11 Pro және iPhone 11 Pro Max-ты ұсынды. Apple компаниясы 2020 жылдың қыркүйек айында UWB технологиясын қолдайтын Apple Watch Series 6 сағатын шығарды, ал осы технологиямен жабдықталған AirTags 2021 жылдың 20 сәуірінде Samsung Galaxy SmartTag+пен бірге өткен баспасөз мәслихатында таныстырылды. 2021 жылдың тамызында шыққан Xiaomi MIX 4 телефоны UWB-ні қолдайды және таңдамал AIoT құрылғыларына қосылу мүмкіндігін ұсынады. FiRa консорциумы 2019 жылдың тамызында ұялы телефондарды қоса алғанда, өзара үйлесімді UWB экожүйесін дамыту мақсатымен құрылды. Samsung, Xiaomi және Oppo компаниялары қазіргі таңда FiRa консорциумының мүшелері болып табылады. 2020 жылдың қараша айында Android Open Source Project жобасы алдағы UWB API-ге қатысты алғашқы жаңартуларды алды; қолдау көрсетілетін құрылғылар арасындағы қашықтықты өлшеуге арналған толыққанды UWB қолдауы Android 13 нұсқасында пайда болды.
Өнеркәсіптік қолдану
Автоматтандыру және робототехника: Оның жоғары деректер беру жылдамдығы және төмен кешігу уақыты машиналар мен жүйелер арасындағы дереу байланыс пен басқаруды қамтамасыз етеді. UWB негізіндегі байланыс протоколдары автоматтандырылған процестердің нақты үйлестірілуі мен синхрондалуын қамтамасыз ететін, сенімді және қауіпсіз деректерді беруді қамтамасыз етеді. Бұл өндіріс тиімділігін арттырады, қателерді азайтады және жалпы өнімділікті жақсартады. UWB роботтық жүйелерге де интеграциялануы мүмкін, бұл нақты орналасуды анықтауға, нысандарды табуға және соқтығысудан сақтануға мүмкіндік береді, соның арқасында өнеркәсіптік автоматтандырудың қауіпсіздігі мен тиімділігі артады. Жұмысшылардың қауіпсіздігі және жақындық сезіну: Жұмысшылардың қауіпсіздігі өндірістік ортада маңызды мәселе болып табылады. UWB технологиясы жақындық сезіну және жұмысшылардың қауіпсіздігі үшін тиімді шешімдер ұсынады. Компаниялар жұмысшыларды UWB мүмкіндігі бар құрылғылармен немесе белгілермен жабдықтау арқылы олардың орналасқан жерін және қозғалысын дереу бақылай алады. UWB негізіндегі жүйелер жұмысшылар мен жабдық арасындағы мүмкін соқтығыстарды анықтап, оқиғалардың алдын алу үшін уақтылы ескертулер береді. Сонымен қатар, UWB технологиясы қауіпті жабдықтармен немесе шектеулі аймақтармен жұмысшылардың қауіпсіз әрекеттесуін қамтамасыз ететін қауіпсіздік аймақтары мен бақыланатын кіру аймақтарын құруға мүмкіндік береді. Бұл жұмыс орнының қауіпсіздігін арттыруға, жазатайым оқиғаларды азайтуға және қызметкерлерді ықтимал қауіптерден қорғауға көмектеседі. Активтерді қадағалау және басқару: Активтерді тиімді қадағалау және басқару өндірістік операциялар үшін маңызды. UWB өндірістік объектілердегі активтерді нақты және дереу қадағалауға мүмкіндік береді. Компаниялар жабдықтарға, құралдарға және қорға UWB тегтерін қосу арқылы олардың орналасқан жерін, қозғалысын және пайдаланылуын бақылай алады. Бұл қорды басқаруды жақсартады, активтердің жоғалуын азайтады, жұмысты тоқтату уақытын қысқартады және техникалық қызмет көрсету процестерін оңайлатады. UWB негізіндегі активтерді қадағалау жүйелері нақты және сенімді деректерді ұсынады, бұл бизнеске ресурстарды тиімді бөлуге және жалпы операциялық тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді.
Радар
Ультра кең жолақты технология синтетикалық апертуралық радар (SAR) технологиясында қолданылуымен кеңінен танымал болды. Төмен жиіліктерді пайдалана отырып жоғары ажыратымдылыққа ие болғандықтан, UWB SAR нысаналардың ішіне ену қабілеті үшін көп зерттелді. 1990 жылдардың басында АҚШ Армиясының ғылыми-зерттеу зертханасы (ARL) жер астындағы, өсімдік жапырақтарындағы және қабырғаларға енетін түрлі стационарлық және жылжымалы радар платформаларын жасады. Бұл платформалар көмілген жарықшақтарды (IED) және жасырын қарсыластарды қауіпсіз қашықтықтан анықтау және тану үшін қолданылды. Мысалдарға railSAR, boomSAR, SIRE және SAFIRE радарлары жатады. ARL сондай-ақ UWB радар технологиясының платформа тұрғанда қозғалатын нысананың жылдамдығын бағалау үшін Доплерлік өңдеуді қолдану мүмкіндігін зерттеді. 2013 жылғы есепте интеграция кезеңінде нысананың қашықтығының өзгеруіне байланысты UWB толқын формаларын қолданудағы мәселелер айтылса, соңғы зерттеулер дұрыс сәйкес келетін сүзгі қолданылған жағдайда UWB толқын формалары дәстүрлі Доплерлік өңдеуге қарағанда жақсы нәтижелер көрсетуі мүмкін екенін ұсынады. Ультра кең жолақты импульстік Доплер радарлары адам денесінің өмірлік көрсеткіштерін, мысалы, жүрек соғу жиілігі мен тыныс алу белгілерін, сондай-ақ адамның қадамдарын талдау және құлауды анықтау үшін де қолданылды. Бұл үздіксіз толқынды радар жүйелеріне мүмкін балама болып табылады, себебі ол аз қуатты тұтынуға және жоғары ажыратымдылыққа ие. Дегенмен, сигнал мен шу арақатынасының төмен болуы оны қателерге осал етеді. Бұл қолданысқа коммерциялық мысал – RayBaby, ол сәбидің тынысын және жүрек соғуын анықтап, сәбидің ұйықтағанда немесе оянғанда екенін анықтайтын сәби мониторы. RayBaby 5 метрлік қашықтықта анықтауға қабілетті және 1 миллиметрден кіші қозғалыстарды да анықтай алады. Ультра кең жолақты технология "қабырға арқылы көру" дәлдік радарлық бейнелеу технологиясында, дәлдікпен орналасқан жерін табу және қадағалау (радиоаралық қашықтықты өлшеу арқылы), сондай-ақ уақыт бойынша дәлдікпен орналасқан жерін табу әдістерінде де қолданылады. UWB радары метро жолдарына құлаған адамдарды немесе заттарды анықтауға арналған автоматты нысананы тану жүйесіндегі белсенді сенсорлық компонент ретінде ұсынылған.
Деректерді беру
Ультра кең жолақтың ерекшеліктері қысқа қашықтықтағы қолдануларға, мысалы, компьютер перифериялық құрылғыларына, сымсыз мониторларға, бейнекамераларға, сымсыз басып шығаруға және портативті медиа плеерлерге файлдарды жіберуге өте қолайлы. UWB жеке аймақтық желілерде қолдану үшін ұсынылған және IEEE 802.15.3a PAN стандартының жобасында көрінген. Бірақ, бірнеше жылғы тоқтап қалудан кейін, IEEE 802.15.3a жұмыс тобы 2006 жылы таратылды. Бұл жұмысты WiMedia Alliance және USB Implementer Forum аяқтады. UWB стандарттарын дамытудағы баяу прогресс, бастапқы іске асыру құны және күтілгеннен әлдеқайда төмен өнімділік – тұтыну тауарларында UWB-нің шектеулі қолданылуының бірнеше себебі (осының салдарынан 2008 және 2009 жылдары бірнеше UWB өндірушілері қызметін тоқтатты).
Автономды көліктер
UWB-нің нақты орналасу және қашықтықты өлшеу мүмкіндіктері, дәстүрлі GPS жүйелерінен асып түсетін сантиметрлік дәлдіктегі локализацияны қамтамасыз етеді және соқтығыстарды болдырмауға мүмкіндік береді. Бұдан бөлек, жоғары деректерді тарату жылдамдығы мен төмен жауап уақыты көліктер арасында үздіксіз байланыс құруға, нақты уақыт режимінде ақпарат алмасуға және үйлесімді әрекеттерге жағдай жасайды. UWB көлік пен инфрақұрылым арасында тиімді байланысты да қамтамасыз етеді, нақты уақыт пен синхронды деректерге негізделген оңтайлы мінез-құлықты қамтамасыз ету үшін инфрақұрылым элементтерімен интеграциялайды. Сонымен қатар, UWB-нің әмбебаптығы жаңашыл қолдануларды қолдайды, мысалы, жоғары сапалы радиолокациялық бейнелеу арқылы жүргізушіге көмек көрсету жүйелері, биометриялық деректерді немесе құрылғыларды жұптастыру арқылы кілтсіз кіру, сондай-ақ жолаушыларды бақылау жүйелері – бұл жайлылықты, қауіпсіздікті және жолаушылардың қауіпсіздігін арттыруға септігін тигізеді.
UWB өнімдері/чиптер
+Тұтынушы өнімінің атауыСтандартты жиілік диапазоныЖарланғанКоммерциялық өнімдерМикрочип технологиясыATA8350LRP6.2–7.8 ГГцАқпан 2021Микрочип технологиясыATA8352LRP6.2–8.3 ГГцАқпан 2021NXPNCJ29D5HRP6–8.5 ГГц12 қараша, 2019NXPSR100THRP6–9 ГГц17 қыркүйек, 2019Samsung Galaxy Note20 Ultra Apple Inc. U1HRP6–8.5 ГГц11 қыркүйек, 2019iPhone 11, iPhone 12, iPhone 13, iPhone 14, Apple Watch Series 6, Apple Watch Series 7, Apple Watch Series 8, Apple Watch Ultra, HomePod Mini және HomePod (2-ші буын), AirTag және AirPods Pro (2-ші буын)QorvoDW1000HRP3.5–6.5 ГГц7 қараша, 2013QorvoDW3000HRP6–8.5 ГГцҚаңтар 20193dB Access3DB6830LRP6–8 ГГцCevaRivieraWaves UWBHRP3.1–10.6 ГГц, радиоға байланысты24 маусым, 2021SPARK MicrosystemsSR1010/SR1020N/A3.1–6 ГГц, 6–9.25 ГГц18 наурыз, 2020Samsung ElectronicsExynos Connect U100БелгісізБелгісіз21 наурыз, 2023
Реттеу
АҚШ-та ультра кең жолақты радио технологиясы деп, АҚШ Федералды байланыс комиссиясы (FCC) бойынша, жолақтығы 500 МГц немесе арифметикалық орталық жиілігінің 20% -ынан кем болатын радио технологиясы аталады. 2002 жылғы 14 ақпандағы FCC есебі мен бұйрығы 3,1–10,6 ГГц жиілік диапазонында UWB лицензиясыз пайдалануға рұқсат берді. FCC UWB хабар таратушыларының қуат спектрлік тығыздығының (PSD) эмиссиясының шекті деңгейі −41,3 дБм/МГц құрайды. Бұл шек UWB жолағындағы (XV бөлімшедегі) қасақана емес эмиссиялағыштарға да қолданылады. Дегенмен, UWB эмиссиялағыштардың эмиссия шектері спектрдің басқа сегменттерінде айтарлықтай төмен болуы мүмкін (−75 дБм/МГц дейін). Халықаралық телекоммуникация одағының радиокоммуникация секторында (ITU R) өткен талқылаулар нәтижесінде 2005 жылғы қарашада UWB бойынша есеп пен ұсыным жарияланды. Ұлыбританиялық реттеуші орган Ofcom 2007 жылғы 9 тамызда осыған ұқсас шешім қабылдағанын мәлімдеді. Бірдей спектрді бөлісетін тар жолақты және UWB сигналдары арасындағы кедергілерге қатысты алаңдаушылықтар туды. Бұрын импульстарды қолданған жалғыз радио технологиясы – ұшқыш тізбектік таратушылар еді, олар халықаралық шарттармен тыйым салынған, себебі олар орта толқынды қабылдағыштарға кедергі келтіретін. Алайда, UWB өте төмен қуат деңгейін пайдаланады. Бұл мәселе АҚШ-та FCC ережелерін қабылдауға әкелген процедураларда және ITU R-дің UWB технологиясы бойынша есептері мен ұсынымдарын жасауға бағытталған отырыстарда кеңінен талқыланды. Көбінесе қолданылатын электр құралдары импульстік шу шығарады (мысалы, шаш кептіргіштері), ал жақтастары төмен қуатты кең жолақты таратушыларды кеңінен пайдалану шудың төменгі шегін тым жоғарылатпайды деп дәлелдеді.
Басқа стандарттармен қатар өмір сүру
2002 жылдың ақпанында Федералды байланыс комиссиясы (FCC) UWB тарату және қабылдау ережелерін белгілейтін өзгеріс (15-тарау) жариялады. Бұл жариялауға сәйкес, фракциялық ені 20%-дан жоғары немесе ені 500 МГц-тен жоғары кез келген сигнал UWB сигналы деп есептеледі. FCC шешімі сонымен қатар 3,1 және 10,6 ГГц аралығындағы 7,5 ГГц лицензияланбаған спектрге қол жеткізуді анықтайды, ол коммуникация және өлшеу жүйелері үшін қолданылады. UWB диапазонындағы тар жолақты сигналдар, мысалы IEEE 802.11a трансляциялары, UWB қабылдағышы көретін UWB сигналдарымен салыстырғанда жоғары PSD деңгейлерін көрсетуі мүмкін. Осының салдарынан UWB бит қателік деңгейінің нашарлауын күтуге болады.