UWB: khả năng và quan điểm ứng dụng

Công nghệ siêu băng rộng, hay UWB , ngày càng trở thành tâm điểm của phương tiện kỹ thuật số hoặc được nhắc đến liên quan đến các sản phẩm chủ lực của các công ty hàng đầu ngày càng thường xuyên hơn. Tuy nhiên, nó vẫn là một kẻ yếu thế trong số các công nghệ không dây thông thường và thiếu sự tiếp xúc với các phương tiện truyền thông.

Vì vậy, bài viết này dự định giải quyết sự bất công này. Đó là một bài đánh giá có chứa một quan điểm lịch sử ngắn gọn, mô tả về các nguyên tắc chung, phương pháp, lĩnh vực ứng dụng và trường hợp sử dụng, đồng thời phân tích các khả năng và quan điểm.

Tổng quan nội dung

• Về công nghệ UWB
• Lịch sử phát triển
• Ưu và nhược điểm của công nghệ UWB
• Phương pháp bản địa hóa UWB
• Các ứng dụng và trường hợp sử dụng
• Phần kết luận

Về công nghệ UWB

UWB là công nghệ truyền thông không dây sử dụng phổ tín hiệu sóng mang cực rộng và cho phép truyền dữ liệu trong khoảng cách ngắn với mức tiêu thụ điện năng cực thấp.

Dựa theo Lĩnh vực thông tin vô tuyến của ITU :

Phương thức chính của giao tiếp UWB là truyền một loạt các xung ngắn, mỗi xung có thời lượng khoảng 1 nano giây. Và vì xung càng ngắn thì phổ của nó càng rộng, nên các xung như vậy yêu cầu băng thông lớn hơn nhiều (so với truyền thông băng hẹp). Do đó có thuật ngữ “siêu băng thông rộng”.

Một tính năng khác là mức tín hiệu rất thấp, gần bằng cường độ của nhiễu radio. Do đó, UWB cùng tồn tại với các công nghệ liên lạc vô tuyến truyền thống khác mà không gây nhiễu.

Lịch sử phát triển

Phương pháp truyền xung tín hiệu được biết đến vào cuối những năm 80 của thế kỷ XIX . Vào thời điểm đó, các phiên bản cải tiến của máy phát tia lửa điện, mà Heinrich Hertz sẽ chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ, đã được sử dụng rộng rãi trong tổ chức liên lạc vô tuyến giữa tàu và các đài duyên hải .

Sau đó, trong Thế chiến II, công nghệ vô tuyến xung được sử dụng trong nhiều radar quân sự. Vào những năm 1950 , các nhà khoa học Liên Xô, cố gắng cải thiện hệ thống điện, đã bắt đầu nghiên cứu sâu rộng về lĩnh vực này. Họ đã người đầu tiên hiểu rằng các xung cực ngắn có thể truyền nhiều thông tin hơn về một vật thể , mặc dù phạm vi áp dụng chủ yếu vẫn là quân sự.

Vào những năm 1970 , các hệ thống radar dựa trên UWB bắt đầu được sử dụng cho các ứng dụng dân sự: quét mặt đất, tòa nhà, định vị, cảnh báo va chạm, phát hiện mức chất lỏng, phát hiện kẻ xâm nhập và trong các trạm radar di động.

Bằng sáng chế Hoa Kỳ của Ross 3.728.632 , ngày 17.04.1973, được coi là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ và nhấn mạnh một trong những ưu điểm chính của UWB - cùng tồn tại với các tiêu chuẩn chung mà không bị can thiệp.

Năm 2002 , do lợi ích kinh doanh ngày càng tăng, Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) đã chấp thuận cho phép sử dụng thương mại theo quy định phổ vô tuyến 3,1 đến 10,6 GHz.

Năm 2003 , Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã công bố tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, tiêu chuẩn này xác định lớp vật lý (PHY) và lớp kiểm soát truy cập phương tiện (MAC) cho mạng khu vực cá nhân không dây tốc độ thấp (LR-WPAN). Một phần mở rộng tập trung vào bảo mật của tiêu chuẩn đã được giới thiệu vào năm 2020 trong 802.15.4z, trong đó giới thiệu lớp vật lý PHY CSS (Điều chế tần số tuyến tính ở 2450 MHz), xác định phương pháp phạm vi hai chiều và thêm một mật mã thay thế.

Mãi cho đến vài năm trước, vào năm 2019 , UWB mới được nhiều đối tượng người dùng cuối biết đến hơn khi các công ty nổi tiếng thế giới như Apple và Samsung bắt đầu giới thiệu chức năng dựa trên công nghệ này vào các thiết bị phân khúc người tiêu dùng của họ.

Ưu và nhược điểm của công nghệ UWB

Một trong những ưu điểm chính của UWB là khả năng chống hiệu ứng đa đường do độ phân giải thời gian cao và bước sóng ngắn. Đó là lý do tại sao công nghệ này rất tốt cho việc đo và theo dõi khoảng cách: UWB chính xác hơn 100 lần so với Wi-Fi hoặc Bluetooth Low Energy trong những tác vụ như vậy và cung cấp độ chính xác trong phạm vi vài cm thay vì vài mét.

Ngược lại, việc sử dụng UWB mang lại khả năng phục hồi cao đối với việc chọn lọc tần số. mờ dần khi so sánh với Bluetooth và Wi-Fi. Điều này cho phép triển khai nhiều hệ thống dựa trên UWB trong cùng một môi trường mà không gây xung đột với các tiêu chuẩn khác.

Độ trễ cực thấp khiến UWB trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các hệ thống định vị tự động các đối tượng chuyển động nhanh trong thời gian thực, ví dụ như máy bay không người lái.

Một ưu điểm quan trọng khác là mức độ bảo vệ dữ liệu cao do công suất thấp của các xung được tạo ra. Mới nhất IEEE 802.15.04z-2020 thay đổi đã tăng cường bảo mật dữ liệu bằng cách giới thiệu một lớp điều chế tần số dòng vật lý mới, bổ sung các kỹ thuật mã hóa như dấu thời gian xáo trộn và mật mã thay thế.

Các ưu điểm khác của UWB bao gồm:

• Không hạn chế về sự sẵn có của phổ vô tuyến;
• Hỗ trợ đồng thời hàng trăm kênh;
• Nhiều loại tốc độ dữ liệu: từ 4 Mbit/s đến 675 Mbit/s và cao hơn, tùy thuộc vào tần số;
• Hỗ trợ vốn có của hàng chục cấu trúc liên kết;
• Sử dụng linh hoạt phổ tần;
• Tiêu thụ điện năng cực thấp: 2 mW @1 Mbps, 6 μW @1 kbps;
• Chi phí chip thấp: ~2 – 5 USD cho sản xuất hàng loạt.

Nhưng, tất nhiên, mọi thứ không suôn sẻ như vậy ...

Do độ dài xung ngắn và phổ siêu rộng, thông lượng của UWB giảm nhiều hơn (so với truyền băng hẹp) với khoảng cách .

Về lý thuyết, băng thông rộng và công suất tín hiệu cao (khi tín hiệu sau không bị giới hạn bởi các quy định) có thể gây nhiễu các hệ thống và đường truyền thông hiện có .

Ngoài ra, sự sẵn có của quang phổ ở một số quốc gia ( 12 quốc gia , hầu hết thuộc Liên Xô cũ) bị giới hạn bởi các cơ quan nhà nước và dịch vụ an ninh. Ví dụ: ở Nga, trình theo dõi AirTags buộc phải sử dụng Bluetooth thay vì UWB được hình thành ban đầu.

Phương pháp bản địa hóa UWB

Hãy xem cách công nghệ triển khai một trong những ưu điểm chính của nó - xác định khoảng cách cực kỳ chính xác.

Phạm vi hai chiều (TWR)

UWB sử dụng ToF (Time-of-Flight) — thời gian để phân phối các gói “yêu cầu-phản hồi” — để đo khoảng cách giữa các thiết bị, thay vì RSSI (Chỉ báo cường độ tín hiệu đã nhận) được sử dụng trong các tiêu chuẩn khác.

Phương pháp này tính toán khoảng cách giữa thẻ và neo bằng cách xác định ToF và sau đó nhân nó với tốc độ ánh sáng.

Phạm vi hai chiều hai mặt phức tạp hơn (DS-TWR) hoàn toàn sửa các lỗi bù đồng hồ nhưng yêu cầu nhiều gói dữ liệu hơn và do đó, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn:

ToF =1/2*(T1'T2'-T1T2)/(T1'+T2'+T1+T2)

Sự khác biệt về thời gian đến (TDoA)

Tất nhiên, phép đo ToF sử dụng một neo duy nhất sẽ không cung cấp vị trí của thẻ, nhưng với sự trợ giúp của một số neo bên ngoài, UWB có thể xác định vị trí hai và ba chiều của thẻ trong không gian trong một khu vực nhất định. Đồng thời, các gói thẻ được trao đổi với các neo và sự khác biệt về thời gian nhận các gói đó được tính toán.

Tùy thuộc vào bên nhận là gì, hai cấu trúc liên kết được công nhận:

• Tag-Side Time-Difference of Arrival (TS-TDoA) , ví dụ như trong GPS;
• Chênh lệch thời gian đến nơi neo đậu (AS-TDoA) .

Độ lệch pha khi đến (PDoA)

Lưu ý rằng phép tính ToF chỉ xác định khoảng cách chứ không xác định hướng. Phương pháp Độ lệch pha khi đến (PDoA) giải quyết vấn đề này, cũng như vấn đề tổ chức cơ sở hạ tầng bổ sung. Nó được thực hiện với hai ăng-ten trên ít nhất một trong các thiết bị. Độ lệch pha của tín hiệu nhận được trên ăng-ten cho phép bạn tính toán góc tới của tín hiệu (Góc đến, AoA).

Các ứng dụng và trường hợp sử dụng

Hầu hết các ứng dụng của công nghệ UWB đều sử dụng khả năng bảo mật ở mức độ tinh vi của nó hoặc kết hợp cả hai. Trong một thời gian dài, chủ yếu hấp dẫn cho các mục đích quân sự và công nghiệp, công nghệ này gần đây đã tìm thấy cách triển khai mới nhờ công nghệ tiên tiến hiện nay trong thiết bị điện tử tiêu dùng: thiết bị đeo được, điện thoại thông minh và cơ sở hạ tầng thông minh.

Khả năng khác nhau tốt

Với UWB xác định vị trí chính xác trong vòng vài cm của tất cả các loại đối tượng trở thành hiện thực.

Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe , UWB giúp mọi người tìm các dịch vụ cần thiết trong bệnh viện, cung cấp dữ liệu dựa trên vùng lân cận như hồ sơ bệnh án của bệnh nhân cho nhân viên và định vị bệnh nhân cho người chăm sóc. Theo dõi tài sản y tế cũng hữu ích khi tìm kiếm nhanh các vật dụng nhỏ hoặc thiết bị quan trọng và đắt tiền như máy khử rung tim.

Các thuộc tính của radar UWB được sử dụng trong phép đo từ xa các thông số quan trọng như nhịp tim và nhịp thở, tính năng này cũng được ứng dụng trong các tòa nhà thông minh với tính năng phát hiện sự hiện diện, màn hình trẻ em, ứng dụng y tế và phát hiện ngã.

Công nghệ này có ứng dụng cực kỳ rộng rãi trong điều hướng trong nhà khi hướng dẫn qua các loại cơ sở khác nhau - trung tâm mua sắm, bệnh viện, bãi đậu xe, địa điểm sản xuất - là cần thiết.

UWB có thể được sử dụng trong quá trình sơ tán khẩn cấp bằng cách theo dõi và truy tìm bất kỳ ai còn lại tại chỗ.

Giãn cách xã hội là một trong những vấn đề liên quan nhất trong thời kỳ đại dịch. Các huy hiệu và vòng đeo tay hỗ trợ UWB có thể cảnh báo khi đến gần và cảnh báo khi vi phạm vùng an toàn với độ chính xác dưới 10 cm.

Với các quy trình sản xuất UWB có thể được số hóa và tối ưu hóa thông qua theo dõi các công cụ & thiết bị giúp cải thiện tỷ lệ sử dụng vật phẩm và tiết kiệm thời gian. Địa điểm sản xuất trở nên an toàn hơn với các hệ thống phát hiện chống va chạm sử dụng phương pháp TWR của UWB.

Và tất nhiên, các thẻ UWB đã được biết đến rộng rãi được gắn vào móc khóa hoặc ba lô và được ghép nối với điện thoại thông minh của bạn giúp tiết kiệm thời gian tìm kiếm các vật dụng cá nhân quan trọng.

Kiểm soát truy cập và mục nhập không cần chìa khóa thụ động

Với tính toán Thời gian bay, UWB đảm bảo độ chính xác cao trong phạm vi cũng như tính bảo mật của dữ liệu được truyền, đồng thời tính toán góc tới (AoA) giúp xác định hướng di chuyển. Do đó, các thiết bị hỗ trợ UWB có thể hiểu liệu người dùng đang đến gần một cánh cửa bị khóa hay rời đi và xác định điều này đang xảy ra ở phía nào của cánh cửa.

Trong trường hợp kiểm soát truy cập, UWB được sử dụng cùng với các giao thức khác , phổ biến nhất là - Bluetooth. Bluetooth được sử dụng để khởi tạo phạm vi và truyền dữ liệu, trong khi UWB chịu trách nhiệm trực tiếp về phạm vi.

Lớp vật lý mới (PHY) được thêm vào trong IEEE 802.15.4z và liên quan đến bảo vệ bằng mật mã giúp giảm thiểu sự thành công của tấn công MITM . Điều này mở ra vô số khả năng: khóa thông minh trong căn hộ và cửa nhà để xe, hệ thống kiểm soát truy cập vật lý tại các địa điểm sản xuất, dịch vụ cho thuê, chìa khóa kỹ thuật số cho phương tiện , v.v.

Đầu năm 2022, Samsung hợp tác với Zigbang công bố phát hành một "khóa cửa thông minh" . Để mở khóa này, bạn thậm chí không cần lấy điện thoại thông minh ra khỏi túi.

Vào tháng 1 năm 2021, Apple đã công bố tính năng chìa khóa ô tô kỹ thuật số dựa trên UWB và xác nhận rằng họ đang bổ sung nhiều tùy chọn khóa kỹ thuật số và ID kỹ thuật số hơn cho iOS 15 và watchOS 8 cho người dùng Apple Watch. Pixel 6 Pro và Pixel 7 Pro của Google cũng hỗ trợ khóa kỹ thuật số UWB, cũng như tính năng "Chia sẻ lân cận" của Android, cho phép bạn truyền tệp ở cự ly gần từ thiết bị này sang thiết bị khác.

Volkswagen và nhà sản xuất chip lớn nhất thế giới, NXP theo kịp bằng cách cung cấp các chức năng mở rộng như nhận dạng sự hiện diện của ghế trẻ em và tắt túi khí tương ứng, điều khiển bằng cử chỉ của cửa đuôi, phát hiện tự động và rút móc để khớp với rơ moóc.

BMW X5 và X6 được làm mới sẽ hỗ trợ chức năng chìa khóa kỹ thuật số UWB, có thể được chia sẻ với tối đa năm người nữa thông qua một ứng dụng gốc.

Các thiết bị UWB có thể tạo thành cái gọi là "bong bóng bảo mật" xung quanh một khu vực nhất định, đặc biệt được sử dụng để tự động mở khóa các thiết bị cá nhân. Một vài video minh họa cách thức hoạt động của những "bong bóng" như vậy:

Công nghệ này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng WBAN . Trong theo dõi sức khỏe, một mạng lưới các cảm biến UWB như điện tâm đồ (ECG), cảm biến độ bão hòa oxy (SpO2) và điện cơ (EMG) có thể được sử dụng để phát triển một hệ thống chăm sóc sức khỏe chủ động và thông minh.

Đa phương tiện, tăng cường và thực tế ảo

Giá trị độ trễ thấp (5-10 ms đối với âm thanh phát trực tuyến khi sử dụng codec và tối đa 2 ms đối với âm thanh không nén) khiến UWB trở nên hấp dẫn để sử dụng trong truyền phát dữ liệu âm thanh và video, trong VR và AR cũng như nhiều loại bộ điều khiển khác nhau .

Các thiết bị UWB có thể tạo trải nghiệm theo ngữ cảnh dựa trên khoảng cách gần và định hướng được sử dụng trong hệ thống bán lẻ thông minh và nhà thông minh .

Loa Apple HomePod, HomePod mini và Nest của Google có thể ngay lập tức nhận nhạc đang phát trên điện thoại thông minh, podcast hoặc cuộc trò chuyện điện thoại đang diễn ra khi nó đến gần loa (tính năng "Handoff" của Apple).

Một ví dụ điển hình về thiết bị nhà thông minh là Điều khiển từ xa thông minh Sevenhugs X . Được phát hành vào năm 2016, thật không may, sản phẩm này đã đi trước thời đại. Bộ này bao gồm bộ điều khiển từ xa và các neo để xác định hướng của nó sao cho menu ngữ cảnh của thiết bị mà điều khiển từ xa chỉ vào được gọi. Nhược điểm chính là mức giá quá cao: $399 khi bắt đầu.

Cảm biến hiện diện với UWB có thể được sử dụng trong hệ thống chiếu sáng chuyên nghiệp của các tòa nhà văn phòng . Bật đèn khi phát hiện chuyển động giúp tiết kiệm điện và độ nhạy cao của cảm biến UWB có thể phát hiện chuyển động dù là nhỏ nhất của một người đang ngồi yên lặng trước máy tính hoặc điện thoại và duy trì ánh sáng ở khu vực mong muốn.

Tiếp thị được nhắm mục tiêu cung cấp cho khách hàng các ưu đãi riêng lẻ dựa trên hành trình và sở thích của họ. Các doanh nghiệp có thể hưởng lợi từ lưu lượng truy cập chân và phân tích hành vi mua sắm .

ô tô

Nhiều trường hợp cho ô tô bao gồm:

• Dịch vụ đón và đỗ xe không người lái : tài xế có thể để xe đúng chỗ, xe sẽ tự tìm chỗ và đỗ. Sau đó, thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh, tài xế có thể gọi xe để được phục vụ tại địa điểm mong muốn;
• V2X * (giao tiếp giữa phương tiện với mọi thứ) và lái xe tự động ;
• Chìa khóa ô tô kỹ thuật số và các chức năng tiện lợi khác nhau, đã được đề cập trước đó;
• Giao tiếp C2X (Mạng xã hội dành cho ô tô) có thể làm giảm đáng kể tai nạn thông qua giao tiếp giữa các phương tiện và các yếu tố cơ sở hạ tầng giao thông.

• 
  

Tính năng “Follow me” và chống va chạm sử dụng công nghệ UWB không hiểu sao lại được ứng dụng một cách bất ngờ trên chiếc vali thông minh Airwheel SR5 giúp giải phóng đôi tay của chủ nhân và cư xử như một “cậu bé ngoan” đi theo “bố” và tránh chướng ngại vật.

Ngoài ra, UWB là một ứng cử viên công nghệ hàng đầu cho các ứng dụng phương tiện không khí siêu nhỏ (MAV).

Phần kết luận

Công bằng mà nói, tiêu chuẩn UWB đã sẵn sàng cho một tương lai tươi sáng phía trước - bên cạnh nhiều trường hợp sử dụng b2b, khả năng cao là nó sẽ sớm trở thành một trong những giao diện tiêu chuẩn của điện thoại thông minh, như đã xảy ra với Bluetooth và NFC .

Dự đoán CAGR của thị trường UWB là 16,06% lên 3,129 tỷ USD vào năm 2026 được đưa ra, theo báo cáo của “Nghiên cứu và Thị trường” vào năm 2021 có thể tăng gấp đôi, nếu không muốn nói là gấp ba, trong trường hợp nếu UWB trở thành một trong những giao diện tiêu chuẩn - nó đã xuất hiện trên các điện thoại thông minh hàng đầu và có thể sớm chuyển sang phân khúc tầm trung.

Tại không phải ai khac , chúng tôi đã xem xét kỹ lưỡng các phát triển của UWB và đã tham gia vào một số dự án do UWB hỗ trợ, bao gồm các trường hợp sử dụng điển hình, như RTLS, cũng như các triển khai phương tiện hiếm gặp hơn, bao gồm truyền phát âm thanh. Rất vui được thảo luận về nhu cầu sản phẩm của bạn!