Введение

Ультраширокополосная (UWB, ультраширокополосная, ультраширокополосная и ультраширокополосная) радиотехнология, способная использовать очень низкий уровень энергии для высокоскоростной связи на коротких расстояниях в широком диапазоне радиочастотного спектра. Традиционно УВБ применялась в радиолокационной съемке без взаимодействия с объектом. Современные области применения включают сбор данных с датчиков, точное позиционирование и отслеживание. Поддержка UWB начала появляться в смартфонах высокого класса в 2019 году.

Характеристики

Ультраширокополосная связь – это технология передачи информации в широкой полосе частот (>500 МГц). Это позволяет передавать значительный объем энергии сигнала, не создавая помех для традиционной узкополосной и несущей передачи в том же частотном диапазоне. Нормативные ограничения во многих странах допускают эффективное использование радиочастотного спектра и обеспечивают высокоскоростную беспроводную связь в персональных сетях (PAN), приложения с низкой скоростью передачи данных на большем расстоянии, а также возможность сосуществования радиолокационных и изображающих систем с существующими системами связи. Ранее ультраширокополосная связь была известна как импульсное радио, однако Федеральная комиссия по связи (FCC) и Радиокоммуникационный сектор Международного союза электросвязи (ITU R) в настоящее время определяют UWB как антенную передачу, у которой полоса пропускания излучаемого сигнала превышает наименьшее из двух значений: 500 МГц или 20% от арифметической центральной частоты. Таким образом, импульсные системы, в которых каждый передаваемый импульс занимает полосу UWB (или совокупность не менее 500 МГц узкополосного несущего, например, ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM)), могут использовать спектр UWB в соответствии с установленными правилами.

Теория

Существенное различие между традиционными радиопередачами и UWB заключается в том, что традиционные системы передают информацию, изменяя уровень мощности, частоту или фазу (или их комбинацию) синусоидальной волны. UWB передает информацию, генерируя радиоэнергию в определенные моменты времени и используя большую полосу пропускания, что обеспечивает импульсную позиционную или временную модуляцию. Информация также может быть модулирована на сигналы UWB (импульсы) путем кодирования полярности импульса, его амплитуды и/или использования ортогональных импульсов. Импульсы UWB могут передаваться эпизодически с относительно низкой частотой повторения импульсов для поддержки временной или позиционной модуляции, но также могут передаваться со скоростью, достигающей обратной величины полосы пропускания импульсов UWB. Импульсные системы UWB продемонстрировали частоту повторения импульсов в канале, превышающую 1,3 миллиарда импульсов в секунду, используя непрерывный поток импульсов UWB (Continuous Pulse UWB или C UWB), при этом поддерживая скорости передачи данных с прямой коррекцией ошибок, превышающие 675 Мбит/с. Радиосистема UWB может использоваться для определения "времени прохождения" сигнала на различных частотах. Это помогает преодолеть многолучевое распространение, поскольку некоторые частоты распространяются напрямую, а другие – по косвенным путям с большей задержкой. С помощью кооперативной симметричной двухсторонней методики измерения расстояния можно измерять с высокой разрешающей способностью и точностью.

Мобильные устройства с возможностью UWB

Apple выпустила первые три телефона с поддержкой ультраширокополосной связи в сентябре 2019 года, а именно iPhone 11, iPhone 11 Pro и iPhone 11 Pro Max. Apple также представила в сентябре 2020 года Apple Watch Series 6 с поддержкой UWB, а их AirTags с этой технологией были показаны на пресс-мероприятии 20 апреля 2021 года вместе с Samsung Galaxy SmartTag+. Xiaomi MIX 4, выпущенный в августе 2021 года, поддерживает UWB и обеспечивает возможность подключения к определенным устройствам AIoT. Консорциум FiRa был основан в августе 2019 года для разработки совместимых экосистем UWB, включая мобильные телефоны. В настоящее время Samsung, Xiaomi и Oppo являются участниками консорциума FiRa. В ноябре 2020 года проект Android Open Source Project получил первые исправления, связанные с будущим UWB API; полноценная поддержка UWB (исключительно для определения расстояния между поддерживаемыми устройствами) была реализована в версии 13 Android.

Промышленные применения

Автоматизация и робототехника: Высокая скорость передачи данных и малая задержка обеспечивают связь и управление между машинами и системами в реальном времени. Коммуникационные протоколы на основе UWB гарантируют надежную и безопасную передачу данных, обеспечивая точную координацию и синхронизацию автоматизированных процессов. Это повышает эффективность производства, снижает количество ошибок и улучшает общую производительность. UWB также может быть интегрирован в роботизированные системы для обеспечения точной локализации, обнаружения объектов и предотвращения столкновений, что дополнительно повышает безопасность и эффективность промышленной автоматизации. Безопасность персонала и определение местоположения вблизи: Безопасность персонала является важной задачей в промышленных условиях. Технология UWB предоставляет эффективные решения для определения местоположения вблизи и обеспечения безопасности персонала. Оснащая персонал устройствами или значками с поддержкой UWB, компании могут отслеживать их местоположение и перемещение в реальном времени. Системы на основе UWB могут обнаруживать потенциальные столкновения между персоналом и оборудованием, выдавая своевременные предупреждения для предотвращения несчастных случаев. Более того, технология UWB позволяет создавать зоны безопасности и контролируемые зоны доступа, обеспечивая безопасное взаимодействие персонала с опасным оборудованием или зонами с ограниченным доступом. Это способствует повышению безопасности на рабочем месте, снижению количества несчастных случаев и защите сотрудников от потенциальных опасностей. Отслеживание и управление активами: Эффективное отслеживание и управление активами критически важны для промышленных операций. UWB обеспечивает точное и оперативное отслеживание активов на промышленных объектах. Прикрепляя UWB-метки к оборудованию, инструментам и запасам, компании могут контролировать их местоположение, перемещение и использование. Это улучшает управление запасами, снижает потери активов, минимизирует время простоя и оптимизирует процессы технического обслуживания. Системы отслеживания активов на основе UWB предоставляют точные и надежные данные, позволяя предприятиям оптимизировать распределение ресурсов и повышать общую операционную эффективность.

Радар

Ультраширокополосная связь привлекла широкое внимание благодаря применению в технологии синтетической апертуры радара (SAR). Благодаря высокой разрешающей способности при использовании низких частот, UWB SAR активно исследовался в отношении способности проникать сквозь объекты. Начиная с начала 1990-х годов, Армейская исследовательская лаборатория США (ARL) разработала различные стационарные и мобильные наземные, лесные и проникающие в стены радарные платформы для обнаружения и идентификации зарытых самодельных взрывных устройств и скрытых противников на безопасном расстоянии. Примеры включают railSAR, boomSAR, радар SIRE и радар SAFIRE. ARL также исследовала возможность использования доплеровской обработки в UWB-радарах для оценки скорости движущейся цели при неподвижной платформе. В отчете 2013 года была отмечена проблема использования UWB-сигналов из-за миграции дальности до цели в течение интервала интегрирования, однако более поздние исследования показали, что UWB-сигналы могут демонстрировать более высокую производительность по сравнению с традиционной доплеровской обработкой при использовании корректного согласованного фильтра. Ультраширокополосные импульсно-доплеровские радары также применяются для мониторинга жизненно важных показателей человека, таких как частота сердечных сокращений и дыхание, а также для анализа походки и обнаружения падений. Они могут служить альтернативой радиолокационным системам с непрерывным излучением, поскольку потребляют меньше энергии и обеспечивают профиль дальности с высоким разрешением. Однако их низкое отношение сигнал/шум делает их уязвимыми к ошибкам. Коммерческим примером является RayBaby – детский монитор, который определяет дыхание и частоту сердечных сокращений для определения состояния сна или бодрствования ребенка. RayBaby имеет радиус действия пять метров и способен обнаруживать движения менее миллиметра. Ультраширокополосная связь также используется в технологии радиолокационного изображения "видеть сквозь стены", точного определения местоположения и отслеживания (на основе измерения расстояний между радиостанциями), а также в прецизионных методах локализации, основанных на времени прихода сигнала. UWB-радар был предложен в качестве активного сенсорного компонента в системе автоматического распознавания целей, предназначенной для обнаружения людей или объектов, упавших на железнодорожные пути.

Передача данных

Ультраширокополосные характеристики хорошо подходят для приложений ближнего действия, таких как периферийные устройства для ПК, беспроводные мониторы, видеокамеры, беспроводная печать и передача файлов на портативные медиаплееры. UWB предлагался для использования в персональных сетях и был включен в проект стандарта IEEE 802.15.3a PAN. Однако после нескольких лет безрезультатных обсуждений рабочая группа IEEE 802.15.3a была распущена в 2006 году. Завершение работы осуществлялось альянсом WiMedia Alliance и USB Implementer Forum. Медленное развитие стандартов UWB, высокая стоимость первоначальной реализации и производительность, значительно уступающая первоначальным ожиданиям, стали причинами ограниченного распространения UWB в потребительских продуктах (что привело к прекращению деятельности ряда производителей UWB в 2008 и 2009 годах).

Автономные транспортные средства

Точные возможности позиционирования и определения дальности UWB обеспечивают предотвращение столкновений и сантиметровую точность локализации, превосходящую традиционные GPS-системы. Более того, высокая скорость передачи данных и низкая задержка обеспечивают бесперебойную связь между транспортными средствами, способствуя обмену информацией в реальном времени и согласованным действиям. UWB также обеспечивает эффективную связь транспортного средства с инфраструктурой, интегрируясь с элементами инфраструктуры для оптимизированного поведения на основе точного времени и синхронизированных данных. Кроме того, универсальность UWB поддерживает инновационные приложения, такие как радиолокационная визуализация высокого разрешения для передовых систем помощи водителю, безопасный бесключевой доступ с использованием биометрии или сопряжения устройств, а также системы контроля за пассажирами, потенциально повышающие удобство, безопасность и защиту пассажиров.

Продукты/чипы UWB

+ПоставщикНазвание продуктаСтандартная полосаОбъявленоКоммерческие продуктыMicrochip TechnologyATA8350LRP6.2–7.8 ГГцФев 2021Microchip TechnologyATA8352LRP6.2–8.3 ГГцФев 2021NXPNCJ29D5HRP6–8.5 ГГц12 ноября 2019NXPSR100THRP6–9 ГГц17 сентября 2019Samsung Galaxy Note20 Ultra Apple Inc. U1HRP6–8.5 ГГц11 сентября 2019iPhone 11, iPhone 12, iPhone 13 и iPhone 14, Apple Watch Series 6, Apple Watch Series 7, Apple Watch Series 8 и Apple Watch Ultra, HomePod Mini и HomePod (2-го поколения), AirTag и AirPods Pro (2-го поколения)QorvoDW1000HRP3.5–6.5 ГГц7 ноября 2013QorvoDW3000HRP6–8.5 ГГцЯнв 20193dB Access3DB6830LRP6–8 ГГцCevaRivieraWaves UWBHRP3.1–10.6 ГГц в зависимости от радио24 июня 2021SPARK MicrosystemsSR1010/SR1020N/A3.1–6 ГГц, 6–9.25 ГГц18 марта 2020Samsung ElectronicsExynos Connect U100НеизвестноНеизвестно21 марта 2023

Регулирование

В США ультраширокополосная связь (UWB) определяется как радиотехнология с полосой пропускания, превышающей наименьшее из значений: 500 МГц или 20% от центральной арифметической частоты, согласно Федеральной комиссии по связи США (FCC). 14 февраля 2002 года FCC опубликовало Report and Order, разрешающее нелицензируемое использование UWB в диапазоне частот от 3,1 до 10,6 ГГц. Предельный уровень спектральной плотности мощности (PSD) для UWB-передатчиков, установленный FCC, составляет −41,3 дБм/МГц. Это ограничение также распространяется на непреднамеренные излучения в полосе UWB (предельное значение, установленное "Разделом 15"). Однако предельный уровень излучения для UWB-излучателей может быть значительно ниже (до −75 дБм/МГц) в других частях спектра. В результате обсуждений в секторе радиосвязи Международного союза электросвязи (ITU R) в ноябре 2005 года был опубликован доклад и выработаны рекомендации по UWB. Регулятор Великобритании Ofcom объявил о подобном решении 9 августа 2007 года. Выражалась обеспокоенность по поводу взаимных помех между узкополосными и UWB-сигналами, использующими один и тот же спектр. Ранее импульсы использовались только в искровых передатчиках, которые были запрещены международными соглашениями из-за помех, создаваемых ими для приемников средних волн. Однако UWB использует значительно меньшую мощность. Этот вопрос был подробно рассмотрен в ходе процедур, приведших к принятию правил FCC в США, а также на заседаниях ITU R, подготовивших доклад и рекомендации по технологии UWB. Обычные электроприборы излучают импульсный шум (например, фены), и сторонники UWB успешно доказывали, что более широкое внедрение широкополосных передатчиков малой мощности не приведет к значительному повышению уровня шума.

Сосуществование с другими стандартами

В феврале 2002 года Федеральная комиссия по связи (FCC) опубликовала поправку (Раздел 15), определяющую правила передачи и приема UWB. Согласно этой поправке, любым UWB-сигналом считается сигнал с относительной шириной полосы пропускания более 20% или с абсолютной шириной полосы пропускания более 500 МГц. Решение FCC также определяет доступ к 7,5 ГГц нелицензируемого спектра в диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц, который предоставляется для систем связи и измерений. Узкополосные сигналы, присутствующие в диапазоне UWB, такие как передачи IEEE 802.11a, могут демонстрировать более высокие уровни PSD по сравнению с UWB-сигналами, с точки зрения UWB-приемника. В результате можно ожидать снижения производительности UWB в отношении битовой ошибки.