Ultra-Wideband (UWB) Wireless-Kommunikation mit Murata-Technologie

In diesem Artikel erhalten Sie einen Überblick über die Ultra-Breitbandkommunikation und erkunden Muratas Komponentenlösungen, die sie ermöglichen. 

Die Verbrauchernachfrage nach schnellen, hochpräzisen Kommunikationslösungen zeigt keine Anzeichen einer Verlangsamung. Frühere Generationen von Protokollen wie Wi-Fi, Bluetooth und GPS boten akzeptable Leistungsniveaus, aber es bestand ein starker Bedarf an besserer Genauigkeit. Die Ultra-Wideband (UWB)-Technologie erfüllt dieses Bedürfnis. In diesem Artikel erhalten Sie einen Überblick über UWB-Kommunikation und entdecken Muratas Komponentenlösungen, die dies ermöglichen.

Was ist Ultra-wideband (UWB)?

Auf diese Weise zeichnet sich die UWB-Funkkommunikation durch geringe Störanfälligkeit gegenüber anderen Kommunikationsformen aus, was auf ihre Kommunikationseigenschaften eines genutzten breiten Frequenzbands und eines Übertragungsleistungsniveaus, das unter dem Rauschniveau liegt, zurückzuführen ist. Zudem ist die Kommunikation selbst Dritten unbekannt, was eine hohe Sicherheit bietet. Außerdem ist eine Kommunikation mit geringem Stromverbrauch möglich.   Wie in Abb. 1 gezeigt, werden Pulse mit einer Dauer von etwa 2 ns (Nanosekunden; 10-9 Sekunden) als Daten in der UWB-Funkkommunikation gesendet. Diese kurzzeitigen Pulse haben die Eigenschaft einer hohen Auflösung in Bezug auf Entfernungsmessung und Positionierung.   Auf der anderen Seite bedeutet eine kleine Pulsdauer im Zeitbereich, dass das Leistungsspektrum im Frequenzbereich ein Breitband besetzt. (Wir werden den Zeitbereich und den Frequenzbereich in der Kommunikation auf einer anderen Seite erklären.)   Abb. 2 zeigt qualitativ das Übertragungsleistungsdichtespektrum der UWB-Funkkommunikation in diesem Frequenzbereich. Wir können sehen, dass die UWB-Funkkommunikation beispielsweise überwältigend breit ist, wenn wir sie mit der von herkömmlichen Kommunikationsmitteln wie 2G-Mobiltelefonen oder Wi-Fi und 3G-Mobiltelefonen verwendeten Frequenzbandbreite vergleichen.   Darüber hinaus ist neben anderen Kommunikationsmethoden der Spitzenwert der Übertragungsleistung in der UWB-Funkkommunikation niedriger als der Rauschnormwert für digitale Geräte, die Funkwellen aussenden - der von der U.S. Federal Communication Commission (FCC)*1 festgelegte Wert für abgestrahltes elektromagnetisches Rauschen von −41,3 dBm/MHz*2 (75 nW/MHz).   Auf diese Weise zeichnet sich die UWB-Funkkommunikation durch geringe Störanfälligkeit gegenüber anderen Kommunikationsformen aus, was auf ihre Kommunikationseigenschaften eines genutzten breiten Frequenzbands und eines Übertragungsleistungsniveaus, das unter dem Rauschniveau liegt, zurückzuführen ist. Zudem ist die Kommunikation selbst Dritten unbekannt, was eine hohe Sicherheit bietet. Außerdem ist eine Kommunikation mit geringem Stromverbrauch möglich.

*1: Die U.S. Federal Communication Commission (FCC) ist eine Regierungsbehörde, die für die Verwaltung und Regulierung aller Kommunikation, ob drahtlos oder drahtgebunden, in den Vereinigten Staaten verantwortlich ist.   *2: dBm/MHz bezieht sich auf den Leistungspegel pro 1 MHz Frequenzbreite (Leistungsspektrumdichte). dBm ist die Einheit, wenn die Leistung in einen dekadischen Logarithmus umgewandelt wird. Der Zahlenbereich, der in Kommunikationssystemen behandelt wird, ist extrem breit. Da es unpraktisch ist, diesen direkt zu handhaben, ist es üblich, einen logarithmischen Ausdruck zu verwenden, um den Bereich zu reduzieren.

Das Anbringen von UWB-Tags an Gegenständen verhindert, dass sie verloren gehen. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie befestigen UWB-Tags an Taschen, Geldbörsen, Schlüsseln und anderen solchen Gegenständen. Sie können die Gegenstände dann auffinden, indem Sie die Position der UWB-Tags präzise in der Größenordnung von Zentimetern mit einem mit einem UWB-Modul ausgestatteten Smartphone bestimmen. Darüber hinaus wird gesagt, dass die Batterien der UWB-Tags, obwohl es sich um Knopfbatterien handelt, aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs etwa ein Jahr lang halten.

Es ist möglich, ein freihändiges und sicheres System für den Ein- und Austritt in Gebäude und Räume zu erstellen, indem Smartphones und andere mit UWB-Modulen ausgestattete Geräte verwendet werden.   Sie können sicher Wohnungen wie Eigentumswohnungen, die bisher PINs, physische Schlüssel, IC-Karten und andere Mechanismen verwendet haben, sowie Büros und Fabriken, in denen vertrauliche Informationen verarbeitet werden, entsperren, während sich Ihr Smartphone oder ein anderes Gerät noch in Ihrer Tasche oder Ihrem Rucksack befindet, ohne einen Schlüssel oder eine IC-Karte herauszunehmen, indem Sie die hochpräzisen Entfernungsmessungs- und Sicherheitsmerkmale von UWB nutzen. Auf diese Weise gibt es Erwartungen für die Verbreitung von Anwendungen, die einen reibungslosen Ein- und Austritt in und aus Gebäuden und Räumen realisieren werden.

Es ist möglich, ein freihändiges und sicheres Bezahlsystem für Supermärkte, Convenience-Stores, Restaurants und andere kommerzielle Einrichtungen zu erstellen, indem Smartphones und andere Geräte mit einem UWB-Modul ausgestattet werden. Es ist auch möglich, Abrechnungssysteme für Bahnhofs-sperren, Unterhaltungs- und Freizeit-einrichtungen, Unterkunftseinrichtungen, Parkplätze und ähnliche Einrichtungen zu erstellen.   Es gibt Erwartungen an den praktischen Einsatz und die Verbreitung von Anwendungen, die freihändige, reibungslose Zahlungen und Gebührenabrechnungen realisieren, ohne dass Geldbörse, IC-Karte, Smartphone oder Ähnliches benötigt werden, indem die hochgenauen Ortungs- und hohen Sicherheitsfunktionen von UWB genutzt werden.

Intelligente Autoschlüssel sind eine Anwendung der UWB-Funktechnik, die ihre hochpräzise Entfernungsmessung und Positionierung nutzt. Zum Beispiel ist es möglich, Betriebsfunktionen einzurichten, wie etwa das Entriegeln eines Fahrzeugs, sobald festgestellt wird, dass der Besitzer sich innerhalb von ca. 1 m davon befindet, und dann den Motor zu starten, wenn sich der Besitzer innerhalb von wenigen Dutzend Zentimetern davon befindet, indem drahtlose Kommunikation mit UWB in der Nähe dieses Fahrzeugs eingesetzt wird.   Darüber hinaus bietet UWB-Funktechnik vertrauliche Kommunikation mit extrem niedriger Sendeleistung. Dies bedeutet, dass die Sicherheit erhöht wird. So kann beispielsweise eine Diebstahltechnik namens „Relay-Angriff“ verhindert werden, bei der eine dritte Partei ein Fahrzeug entriegelt, indem die von herkömmlichen Funk-Schlüsseln kontinuierlich ausgesendeten Funkwellen weitergeleitet werden.

Es wird gesagt, dass Kabelbäume (Fahrzeugkomponenten, die aus elektrischen Leitungen und Verbindungsklemmen bestehen), die als Fahrzeugnetzwerke wie das Controller Area Network (CAN) verwendet werden, heutzutage je nach Fahrzeugmodell eine Gesamtlänge von 10 km und ein Gesamtgewicht von 50 kg erreichen, wenn Automobile durch die Ausstattung mit einer Vielzahl von Sensoren, Radaren, KI-Systemen und anderen Technologien mit dem IoT kompatibel gemacht werden und diese Elemente dann miteinander verknüpft werden. Es wird gesagt, dass UWB-Funk, der geringe Interferenzen mit anderen Kommunikationsformen aufweist, effektiv ist, um Fahrzeugnetzwerke drahtlos zu gestalten, in einer Situation, in der es eine parallele Entwicklung in Richtung vernetzter Autos gibt.

Echtzeit-Positionierungssysteme in Fabriken, Lagern und anderen Einrichtungen Es ist möglich, ein Echtzeit-Ortungssystem (RTLS) mit mehreren UWB-Ankern und UWB-Tags*4 zu erstellen. Dies ist ein System, das die Position von Komponenten, Paketen und anderen Gegenständen, die an Orten wie Fabriken und Logistikeinrichtungen platziert sind, in hoher Präzision und in Echtzeit erfasst.   *4: Es ist möglich, mit Positionierung unter Verwendung von UWB-Funkkommunikation Signale, die von Tags ausgesendet werden, von mehreren Ankern empfangen zu lassen und diese Informationen dann zu verarbeiten, um die Position dieses Tags genau zu verstehen (siehe Kolumne). UWB-Anker für die Industrie werden normalerweise zusammen mit Positionierungs-Engines, Anwendungsservern und anderen Systemen betrieben.

Murata Manufacturing (im Folgenden „Murata“) hat eine Reihe von kleinen UWB-Modulen mit niedrigem Stromverbrauch, die wir mit unseren äußerst zuverlässigen Filtern, Taktgebern, Antennen und anderen Peripheriekomponenten konfiguriert haben, indem wir NXP- oder Qorvo-UWB-Chipsätze eingesetzt haben.

Hauptverwendungen: Allgemeine IoT-Geräte, die batteriebetriebene Geräte enthalten. Wir haben das NXP Trimension™ SR150 UWB-Chipsatz für diese Module übernommen. Es sind kleine Module, die aus einem konformen Schild zusätzlich zu einer Harzform bestehen. Sie unterstützen 2D AoA und 3D AoA mit dreifachen Antennenspezifikationen.   Typ 2BP: NXP-basierte UWB-Module

Hauptanwendungen: UWB-Tags/Tracker, die mit dem niedrigen Energieverbrauch von Knopfzellenbatterien arbeiten, sowie allgemeine IoT-Geräte. Diese Module sind Kombi-Module, für die wir den NXP Trimension™ SR040 UWB-Chipsatz und den NXP QN9090 Bluetooth® LE + MCU-Chipsatz übernommen haben. Sie sind mit integrierten Antennen und Peripheriegeräten ausgestattet.   Typ 2DK: NXP-basierte UWB-Module  

Hauptverwendungszwecke: IoT-Geräte und -Anwendungen, die auf kleinen Batterien betrieben werden. Diese Module sind UWB-Module mit einem ultra-kleinen, hochwertigen und stromsparenden Design, für das wir das Qorvo QM33120 Chipset verwenden. Sie sind mit einem Bluetooth® LE-Chipset für UWB-Wake-up (Schlafunterbrechung) und Firmware-Updates, unserem Beschleunigungsmesser, einer UWB- und MCU-Referenzuhr sowie anderen Komponenten ausgestattet.   Typ 2AB: Qorvo-basierte UWB-Module

Hauptverwendungszwecke: IoT-Geräte und Anwendungen, die mit kleinen Batterien betrieben werden. Diese Module sind UWB-Module mit einem ultrakleinen, hochwertigen und energiearmen Design, für das wir den Qorvo QM33120 Chipset verwendet haben. Sie sind mit einem Bluetooth® LE Chipset für UWB Wake-up (Schlafaufhebung) und Firmware-Updates, unserem Beschleunigungssensor, UWB- und MCU-Referenztakt sowie anderen Komponenten ausgestattet.   Typ 2AB: Qorvo-basierte UWB-Module

Typischerweise wird das Messen der Entfernung mit Time of Flight (ToF) und der Winkel mit Angle of Arrival (AoA) zwischen Endgeräten kombiniert, wie etwa Smartphones mit einer UWB-Funktion oder UWB-Ankern für die Industrie und UWB-Tags als Methoden der Positionierung mithilfe der UWB-Funkkommunikation. Wir erklären jede Methode unten.

Das Messen mit Time of Flight (ToF) unter Verwendung von UWB-Funkkommunikation ist ein Mechanismus zur Berechnung der Entfernung zu einem Zielobjekt, indem die Zeit vom Senden bis zum Empfang einer Nachricht (Signal) gemessen wird. Speziell sendet ein UWB-Sender kurze Impulssignale aus, und ein Empfänger empfängt dann diese Signale. Die Zeit, die vom Senden bis zum Empfang dieser Signale benötigt wird, wird als ToF bezeichnet.   UWB-Entfernungsbestimmung unter Verwendung der ToF-Technologie ermöglicht es, die Entfernung aus der Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen (Lichtgeschwindigkeit) und der benötigten Zeit zu berechnen. Konkret wird die Entfernung aus dem Produkt der benötigten Zeit und der Lichtgeschwindigkeit ermittelt. Die ultrabreitbandigen Eigenschaften von UWB ermöglichen die Verwendung kurzer Impulssignale. Daher ist es möglich, eine hohe Zeitauflösung und Messgenauigkeit zu erzielen. Infolgedessen können wir mit hochpräzisen Messergebnissen in Sensor- und Positionierungsanwendungen rechnen. Dementsprechend wird es in verschiedenen Bereichen eingesetzt.   Es gibt zwei Haupttechniken zur UWB-Entfernungstechnologie: Single-Sided Two-Way Ranging (SS-TWR) und Double-Sided Two-Way Ranging (DS-TWR). Diese Techniken verwenden unterschiedliche Ansätze zur Distanzmessung mit dem Hin- und Rückweg der Signale.  

SS-TWR ist eine Methode, um die Rundlaufzeit mit nur einem Gerät zu messen. In dieser Technik sendet Gerät A Signale an Gerät B, und Gerät B empfängt diese Signale, bevor es Antwortsignale zurück an Gerät A sendet. Gerät A misst die Zeit, die von der Übertragung bis zum Empfang der Signale benötigt wird, um die Rundlaufzeit zu berechnen.   Diese Methode ermöglicht eine Messung nur mit Gerät A. Dennoch ist eine Synchronisation der Uhren beider Geräte erforderlich.

DS-TWR ist eine Methode zur Messung der Rundlaufzeit mit beiden Geräten, um die Ergebnisse dann zu teilen. Bei dieser Technik sendet Gerät A Signale an Gerät B, und Gerät B empfängt diese Signale, bevor es Antwortsignale an Gerät A zurücksendet. Gerät A und Gerät B messen jeweils die Zeit, die vom Senden bis zum Empfang dieser Signale benötigt wird. Anschließend berechnen sie die Rundlaufzeit anhand dieser Ergebnisse. Eine Taktsynchronisation ist bei dieser Methode nicht erforderlich. Das bedeutet, dass auch eine einfachere und präzisere Messung möglich ist.

AoA ist eine Methode zur Berechnung des Winkels der Richtung, in die Gerät B von Gerät A aus gesehen platziert ist. Wie in Abb. 4 gezeigt, ist die Winkelmessung mit AoA in UWB-Funk ein Mechanismus, bei dem von Gerät B ausgesendete Funkwellen in den mehreren Antennen von Gerät A empfangen werden, um den Winkel aus dem Phasenkontrast der empfangenen Funkwellen zu berechnen. Dadurch ist es möglich, eine planare Positionierung mit Winkelmessung (2D AoA) unter Verwendung zweier Antennen und eine dreidimensionale Positionierung mit Winkelmessung (3D AoA) unter Verwendung dreier Antennen durchzuführen.