Ultrabreitband - Ein zukünftiger Marktführer

Welche gängigen drahtlosen Technologien gibt es?

Drahtlose Kommunikation zählt zu den wichtigsten Entwicklungen im Bereich der Elektrizität und geht zurück bis ins Jahr 1887, als Heinrich Hertz demonstrierte, wie Funksignale mithilfe von Elektrizität erzeugt und mit einem Funkenspalt und einem großen Kupferdraht empfangen werden können. Moderne drahtlose Kommunikationssysteme sind äußerst fortschrittlich und nutzen komplexe Schaltkreise, um Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen bei geringem Energieverbrauch zu ermöglichen.
 
Die wohl bekannteste drahtlose Kommunikationsmethode ist Wireless Fidelity (Wi-Fi). Es wird in Haushalten, Büros und Industrieanlagen eingesetzt. Wi-Fi ermöglicht hohe Datenraten sowie eine gute Abdeckung und unterstützt mehrere Geräte.
 
Mobilfunk ist das zweitgrößte drahtlose Kommunikationssystem. Es ermöglicht mobilen Handgeräten, Telefonanrufe zu tätigen und auf das Internet zuzugreifen. Mobilfunknetze können weitaus mehr Geräte als Wi-Fi unterstützen und verfügen zudem über eine größere Reichweite.
 
Bluetooth ist eine drahtlose Technologie, die auf Energieeffizienz und Komfort ausgerichtet ist. Im Gegensatz zu Wi-Fi und Mobilfunknetzen hat Bluetooth niedrige Datenübertragungsraten und eine sehr kleine Reichweite (einige Meter); es verbraucht jedoch extrem wenig Energie. Dies ist ideal für tragbare Geräte mit Batterien, da sie über längere Zeit verbunden bleiben können, ohne aufgeladen werden zu müssen.
 
Die Nahfeldkommunikation ist die drahtlose Kommunikationsmethode mit der kürzesten Reichweite, die weit verbreitet ist. Ihre geringe Reichweite von wenigen Zentimetern ist vorteilhaft für Sicherheitssysteme, die kontaktlosen Zutritt erfordern, sowie für Zahlungssysteme, die ohne Passworteingabe auskommen.

Welche Herausforderungen stehen drahtlosen Kommunikationssystemen in modernen Anwendungen gegenüber?

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Elektronik von kabelgebundenen zu kabellosen Geräten entwickelt, da die Bequemlichkeit, keine Kabel zu haben, große Vorteile bietet. Der Wunsch, Kabel zu eliminieren, ist so groß geworden, dass einige elektronische Geräte auf dem Markt jetzt sogar kabelloses Laden ermöglichen.
 
Das Fehlen von Kabeln bedeutet jedoch, dass Geräte Energie speichern müssen, um funktionieren zu können, und diese Energie stammt fast immer aus einer Batterie. Die Abhängigkeit von einer Batterie stellt Ingenieure vor Herausforderungen, wenn sie drahtlose Systeme implementieren möchten, da drahtlose Kommunikation extrem energieintensiv sein kann.
 
Geräte, die nur über wenige Meter kommunizieren müssen, können Bluetooth verwenden, das sehr energiesparend ist. Ein Gerät, das große Datenmengen senden oder über größere Entfernungen kommunizieren muss, benötigt jedoch Technologien wie Wi-Fi, das eine Batterie schnell entladen kann. Dies ist ebenfalls problematisch, da die Batterie auch zur Versorgung von Bildschirmen, Prozessoren und Benutzer-I/O-Systemen benötigt wird.
 
Funktionen wie Asset-Tracking werden ebenfalls zunehmend beliebter, können jedoch mit der aktuellen drahtlosen Technologie nicht zuverlässig implementiert werden. GPS ist nicht auf allen Geräten verfügbar, und selbst wenn es vorhanden ist, beträgt die Genauigkeit von GPS im Allgemeinen etwa 5 Meter bis 30 cm, was es für das Indoor-Tracking vollkommen unbrauchbar macht. Wi-Fi bietet eine Genauigkeit von etwa 5 Metern, während Bluetooth 3 Meter liefert. Zukünftige Anwendungen, die die Fähigkeit erfordern, Geräte in Echtzeit in Innenräumen zu verfolgen, werden eine weitaus größere Genauigkeit benötigen (weniger als 10 cm).

Was ist Ultra-Wideband?

Ultra-Wideband ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die ein breites Frequenzband (im Vergleich zu anderen drahtlosen Kommunikationstechnologien) nutzt, um Informationen zu übertragen.
 
Die meisten typischen drahtlosen Technologien modulieren ein Trägersignal, um Informationen zu übertragen. Diese Modulation kann entweder die Amplitude der Trägerwelle, die Frequenz der Trägerwelle oder die Phase der Trägerwelle betreffen. Diese Methoden der Informationsübertragung haben im Allgemeinen schmale Frequenzbereiche (d. h. eine geringe Bandbreite), was bedeutet, dass sich der Großteil ihrer Funkleistung auf eine bestimmte Frequenz konzentriert. Im Fall von Wi-Fi liegen die Funkbandbreiten zwischen 20 MHz und 40 MHz, zentriert entweder bei 2,4 GHz oder 5 GHz.
 
UWB hingegen verwendet eine sehr große Bandbreite, die im Gigahertz-Bereich liegen kann, und dieser Frequenzbereich kann problemlos mehrere Funktechnologien (wie Wi-Fi) umfassen, ohne sie zu stören.
 
Ohne auf die Komplexität von UWB einzugehen: Dies wird dadurch ermöglicht, dass das von UWB gesendete Signal über das gesamte Spektrum hinweg unterhalb des Rauschpegels liegt. Das bedeutet nicht, dass UWB Funkwellen unterhalb des Hintergrundrauschens überträgt, sondern dass die von UWB pro Zeiteinheit ausgesendete Energiemenge unter einem durch internationale Standards definierten Rauschgrenzwert liegt. Man kann sich das vorstellen wie ein einzelnes lautes Klatschen pro Minute in einem Stadion. Obwohl jedes einzelne Klatschen sehr laut ist, ist der durchschnittliche Geräuschpegel pro Minute nahezu still.
 
UWB sendet einzelne kurze Impulse von Funkenergie über einen breiten Frequenzbereich, deren Wellenform typischerweise aus nur einem einzigen Zyklus besteht. Das Faszinierende an UWB ist, dass die Erzeugung eines einzelnen Energieimpulses dazu führt, dass der Sender über ein breites Spektrum abstrahlt (ähnlich wie eine Rechteckwelle Oberwellen erzeugt).
 
Millionen, wenn nicht Milliarden, dieser Impulse werden pro Sekunde über UWB gesendet, und diese Impulse sind gleichmäßig voneinander getrennt, sodass ein UWB-Empfänger das UWB-Signal isolieren kann. Darüber hinaus ignorieren andere Empfangstechnologien (Nicht-UWB) UWB-Signale von Natur aus, entweder weil keine Frequenzmodulation vorliegt, die Funkenergie sehr gering ist oder die Phasenverschiebung zu klein ist.
 
Zusammenfassend sendet UWB winzige Impulse von Funkenergie über ein breites Spektrum, die für herkömmliche Empfänger einzeln wie Rauschen erscheinen. Diese Energieimpulse sind gleichmäßig verteilt, sodass sie von einem UWB-Empfänger rekonstruiert werden können, und die durchschnittliche Energie von UWB-Signalen liegt unterhalb des Rauschpegels für Standardkommunikation.

Was sind die Vorteile von UWB?

UWB bietet viele Vorteile im Vergleich zu bestehenden Technologien, und die Entwicklung einer kostengünstigen Phased-Array-Antenne hat seine Implementierung weiter gefördert. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass UWB als Technologie ideal zur Unterstützung bereits bestehender Technologien geeignet ist und nicht dazu entwickelt wurde, andere Technologien vollständig zu ersetzen.
 
Der erste große Vorteil von UWB ist der extrem geringe Energieverbrauch. Andere Technologien wie Wi-Fi und Mobilfunk erfordern die Verwendung von Trägersignalen über lange Entfernungen, was sehr energieintensiv ist. Die Reduzierung des Energieverbrauchs der Trägerwelle ist im Wesentlichen das, was Bluetooth macht, jedoch auf Kosten der Reichweite und Datenübertragungsrate. Die Verwendung von kleinen Energieimpulsen hilft, den sofortigen Energieverbrauch zu reduzieren, während die Nutzung eines breiten Spektrums eine effizientere Energienutzung ermöglicht (beachten Sie, dass Schmalbandsignale Energie verschwenden, die außerhalb der Bandbreite liegt).
 
Der zweite große Vorteil von UWB ist die Reichweite. Je nach Frequenz kann die Funkkommunikation häufig durch Hindernisse wie Wände, Türen und Bäume blockiert werden. Die Verwendung einer Trägerwelle mit einer einzigen Frequenz bedeutet, dass jedes Hindernis, das in der Lage ist, Signale bei dieser Frequenz zu blockieren, zu einer starken Signalverschlechterung führt (eine Analogie dazu wäre, alle Eier in einen Korb zu legen).
 
UWB verwendet jedoch ein breites Spektrum an Frequenzen, die sich jeweils unterschiedlich verhalten und unterschiedliche Wege nehmen. Das Ergebnis ist, dass jedes Hindernis, das eine bestimmte Frequenz blockieren kann, nicht in der Lage ist, alle anderen von UWB genutzten Frequenzen zu blockieren. Daher eignen sich UWB-Signale außerordentlich gut, um Hindernisse zu umgehen, und können sogar durch Wände gehen.
 
Der dritte große Vorteil von UWB ist, dass die Nutzung eines breiten Frequenzbereichs in Kombination mit Energieimpulsen fortschrittliche radarähnliche Fähigkeiten ermöglicht, bei denen UWB-Geräte genau positioniert werden können. Während Funktechnologien wie Wi-Fi und Bluetooth eine Positionsgenauigkeit von einigen Metern bieten können, ermöglicht UWB eine Genauigkeit von 10 cm. Dies ermöglicht den Einsatz von UWB in Anwendungen, die eine Asset-Tracking-Funktion erfordern, während gleichzeitig die Gerätekommunikation gewährleistet wird.

Ultraweitband-Technologie und ihre Anwendungen

Betrachtet man die Vorteile von UWB, wird deutlich, dass UWB ideal für Anwendungen ist, die geringen Energieverbrauch, große Reichweite und Tracking-Funktionen erfordern. Obwohl UWB für hohe Datenraten genutzt werden kann, ist es unwahrscheinlich, dass es mit Technologien wie Mobilfunk und Wi-Fi konkurrieren kann, die speziell für große Datenübertragungen entwickelt wurden.
 
Eine Anwendung, für die UWB besonders geeignet ist, sind IoT-Geräte. Da sich die Technologie weiter verbessert, werden IoT-Geräte zweifellos immer kleiner. Kombiniert man die kleine Größe mit dem Bedarf an Fernbetrieb, wird UWB zum perfekten Kandidaten. Die geringen Energieanforderungen von UWB ermöglichen es IoT-Geräten, über längere Zeiträume ohne Aufladen zu arbeiten, während die große Reichweite von UWB es IoT-Geräten erlaubt, über große Bereiche verteilt zu sein.
 
UWB ist auch ideal für Anwendungen, die Asset-Tracking erfordern. UWB wird bereits in einigen Asset-Tracking-Produkten wie dem Apple Airtag eingesetzt, was die Fähigkeiten von UWB unter Beweis stellt. Asset-Tracking wird zukünftig in industriellen Standorten, die Hunderte, wenn nicht Tausende von internetfähigen Geräten enthalten, deren Positionen bekannt sein müssen, von zentraler Bedeutung sein. Zum Beispiel könnten automatisierte Güterfahrzeuge, die Gegenstände von einem Lagerhaus in ein anderes bewegen, UWB für die Echtzeit-Positionierung relativ zu anderen Geräten nutzen.
 
UWB hat auch echtes Potenzial im Automobilbereich, indem die Tracking-Funktionen von UWB genutzt werden, um ein Fahrzeug stärker für seine Umgebung zu sensibilisieren. Mehrere Fahrzeuge, die mit UWB-Systemen ausgestattet sind, könnten miteinander über ihre Geschwindigkeit, Position und Beschleunigung kommunizieren, was zu fortschrittlichen Sicherheitsfunktionen wie einer präventiven Kollisionswarnung führen könnte.
 
Der Einsatz von UWB in Fahrzeugen könnte auch Fußgängern zugutekommen, die mit einem UWB-Gerät ausgestattet sind; Autos, die mit hoher Geschwindigkeit eine Straße entlangfahren, könnten erkennen, wenn Fußgänger in den Verkehr geraten, und entweder den Fußgänger warnen, zurückzutreten, oder die Bremsen kontrolliert betätigen.

Die Zukunft der UWB-Technologie

UWB ist eine grundlegend andere Kommunikationsmethode im Vergleich zu Mainstream-Methoden wie Wi-Fi und Bluetooth. Die Nutzung von Funkimpulsen über ein breites Spektrum ermöglicht es UWB, gleichzeitig mit anderen Technologien zu arbeiten, während das breite Spektrum fortschrittliche Funktionen wie präzises Tracking unterstützt. Darüber hinaus trägt die Verwendung von Funkimpulsen in definierten Intervallen dazu bei, den Energieverbrauch zu senken, während hohe Datenraten beibehalten werden, und die Nutzung großer Impulse (wenn auch zeitlich kurz) ermöglicht eine Kommunikation bis zu 50 Metern (was es auf eine Stufe mit Wi-Fi setzt).
 
UWB wird keine anderen Technologien ersetzen oder mit ihnen konkurrieren, da jede der verwendeten Technologien ihre eigenen Vorteile hat. Es wird jedoch zweifellos eine wichtige Rolle in zukünftigen IoT- und IIoT-Anwendungen spielen und könnte sogar im Automobilumfeld nützlich sein.