UWB - Positionsbestimmung mit Ultra-Wideband

Haben Sie schon einmal einen Apple AirTag™ verwendet, um verlorene Gegenstände zu finden? Oder haben Sie Ihren neuen Tesla mit Ihrem iPhone geöffnet? Die Technologie, die dahinter steckt, heißt Ultrabreitband (UWB). UWB ermöglicht es zwei Geräten, ihre Entfernung und Ausrichtung mit bemerkenswerter Genauigkeit zu bestimmen. Das bedeutet, dass Ihr Smartphone Sie genau zu Ihren vermissten Gegenständen führen kann, und ein Auto weiß genau, wann Sie seine Tür öffnen wollen.

Anwendungsfälle für UWB Entfernungsmessung

Aufgrund seiner sehr genauen relativen Positionierungsfähigkeiten kann UWB Ranging in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Im Folgenden wollen wir einige Beispiele näher betrachten.

Asset Tracking

Das bekannteste Beispiel für UWB ist die Verfolgung von Vermögenswerten, vor allem aufgrund des bekannten Beispiels: Apple AirTag™. Es nutzt UWB zur präzisen Entfernungsmessung im Nahbereich. Außerdem kann ein Gerät mit UWB die genaue Richtung anzeigen, in die man sich bewegen müsste, um das andere Gerät zu erreichen. Viele denken dabei zuerst an Schlüssel und Taschen, aber diese Art der Verfolgung kann auch auf Dinge wie Kisten in einem Lagerhaus oder sogar auf einen vernetzten Ball angewendet werden, um Schiedsrichtern bei der Entscheidung zu helfen, ob ein Tor gültig war.

Indoor-Navigation

UWB kann auch für die Navigation in Innenräumen verwendet werden. Da GPS in Innenräumen keine Option ist, wurden verschiedene Ansätze als Alternative entwickelt. Eine Lösung, die eine Zeit lang recht populär war, war die Verwendung von Bluetooth-Beacons. Die Beacons stellen eine Verbindung zum Gerät her und verwenden Triangulation, um die relative Position zu bestimmen. Der Nachteil dieser Technik ist, dass mehrere Beacons erforderlich sind, um die relative Position zu triangulieren. Beim UWB-Ranging hingegen wird nur ein weiteres Gerät zur Berechnung der relativen Position benötigt.

Zugangskontrolle

Mit dem Aufkommen von intelligenten Schlössern kommt ein weiterer Anwendungsfall für Näherungssensorik in den Sinn. Sicherheitsrelevante Geräte wie intelligente Schlösser müssen wissen, ob sich das entriegelnde Gerät in der Nähe befindet, um tatsächlich zu entriegeln. Mit UWB kann die Entfernung zwischen zwei Geräten mit einer Genauigkeit von bis zu einigen Zentimetern bestimmt werden. UWB ermöglicht es dem intelligenten Zugangskontrollgerät, nur für nahe und autorisierte Benutzer zu öffnen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass UWB auch die Richtung kennt, aus der ein Benutzer kommt. Soll sich eine Tür nur dann automatisch öffnen, wenn sich jemand von außen der Tür nähert, kann mit UWB überprüft werden, auf welcher Seite der Tür sich ein Benutzer gerade befindet.

Smart Home / Smart Building Steuerung

UWB kann als Auslöser verwendet werden, wenn ein Gerät in Reichweite eines anderen Geräts kommt. Diese Art von Auslösetechnik kann unter anderem in intelligenten Haushaltsgeräten verwendet werden. So könnten beispielsweise Lampen aufleuchten, wenn sich eine Person in der Nähe befindet, was durch eine Abstandsmessung zwischen einem persönlichen Gerät und der Glühbirne ermittelt werden kann. Dies ermöglicht nicht nur ähnliche Automatisierungen wie bei einem Bewegungsmelder, sondern kann auch für unterschiedliche Automatisierungen je nach anwesender Person verwendet werden.

Neue Möglichkeiten für Benutzerschnittstellen

Die Kenntnis der genauen Position anderer Geräte im Verhältnis zu einem Smartphone, Tablet oder Laptop kann einen erheblichen Mehrwert für die Benutzererfahrung und die Benutzerschnittstelle bedeuten. Ein Laptop könnte zum Beispiel feststellen, wo genau sich ein externer Monitor befindet und die Benutzeroberfläche entsprechend anpassen. Es ist auch möglich, die Nähe zweier Geräte zu nutzen, um Aktionen auszulösen, wie z. B. dem Austausch von Daten zwischen den Geräten.

Wie funktioniert UWB?

UWB Ranging ist eine leistungsstarke drahtlose Ortungstechnik, bei der zwei Geräte in unterschiedlichen Rollen ihre relative Position bestimmen. Ein Gerät fungiert als Initiator (sendet das Ranging-Signal) und das andere als Ziel (empfängt das Ranging-Signal). Der Initiator kann mit mehreren Zielen gleichzeitig kommunizieren, während ein Ziel jeweils nur an einer Ranging-Session teilnehmen kann. Aufgrund der impulsbasierten Kommunikation kann die Entfernung zwischen zwei Geräten durch Messung der Laufzeit (ToF) zwischen den Signalen berechnet werden. Die Entfernung wird anhand der tatsächlichen Zeit geschätzt, die der Impuls für die Übertragung zwischen den beiden Geräten benötigt. Dank dieser Technik kann die Entfernung mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern bestimmt werden.

Zusätzlich zur Entfernung kann der Azimutwinkel auch durch Messung der Phasendifferenz der Ankunft (PDoA) bestimmt werden. In diesem Szenario sendet ein Gerät ein Signal an das mit mehreren Antennen ausgestattete Messgerät (Ziel). Das Ziel verwendet diese Antennen, um das gesendete Signal zu empfangen. Da das empfangende Gerät zwei verschiedene Antennen verwendet, weist das Signal Phasenunterschiede auf, die zur Bestimmung des Azimutwinkels verwendet werden können.

Wie unterscheidet sich UWB von anderen Funktechnologien?

UWB ist eine Funktechnologie, die einen sehr breiten Frequenzbereich (3,1 GHz - 10,6 GHz) für die drahtlose Kommunikation im Nahbereich nutzt. Im Vergleich dazu arbeiten Bluetooth, ZigBee und Wi-Fi mit einem kleinen Frequenzbereich. Aufgrund des breiten Frequenzspektrums ist der UWB-Funk sehr widerstandsfähig gegenüber Störungen durch andere Geräte.

Außerdem werden bei UWB kurze Funkimpulse mit einer großen Bandbreite verwendet. Die Kanalbandbreite, die für UWB verwendet wird, beträgt 500 MHz und mehr. Im Vergleich dazu arbeitet Bluetooth mit einer Bandbreite von 1 bis 2 MHz und WiFi-Netze für Endverbraucher laufen normalerweise mit einer Bandbreite von 80 MHz. Durch die Verwendung einer großen Bandbreite kann UWB die Daten mit geringerer Leistung übertragen. Dadurch ist UWB sehr stromsparend, verlängert die Lebensdauer batteriebetriebener Geräte und gewährleistet eine längere Betriebsdauer des Systems.

Wird UWB andere Funk-Technologien ersetzen?

UWB und andere Technologien, wie Bluetooth, sind keine Gegensätze. Vielmehr ergänzen sie sich gegenseitig. UWB enthält keine Advertisement-Funktion, um für andere UWB-Geräte auffindbar zu sein. Aus diesem Grund ist eine andere Kommunikation erforderlich, um einen Kanal zwischen zwei UWB-Geräten aufzubauen. Dies wird als Out-of-Band-Kommunikation bezeichnet und muss über einen anderen Kommunikationskanal erfolgen. Es stehen verschiedene Optionen zur Auswahl: Bluetooth, WiFi, NFC, QR-Codes oder kundenspezifische Lösungen. Normalerweise wird Bluetooth verwendet, um das Gerät in der Nähe zu finden und die UWB-Sitzung zu initialisieren. Nach der Bluetooth-Erkennung eines UWB-Geräts in der Nähe wird die Ranging-Sitzung durch den Austausch von Konfigurationsparametern wie der Ranging-Rolle eingeleitet.

Ist UWB weit verbreitet?

Seit dem iPhone 11 enthält jedes neue iPhone-Modell einen UWB-Chip. Obwohl UWB durch Apple und seinen AirTag an Popularität gewonnen hat, ist es keineswegs eine Technologie, die es nur bei Apple gibt. Flaggschiff-Handys mit Android, wie die Pixel Pro-Serie oder die Samsung Pro-Serie, enthalten ebenfalls einen UWB-Chip. Wir gehen davon aus, dass immer mehr Android-Telefone ebenfalls mit den erforderlichen Chips ausgestattet werden.

Die wichtigsten Fakten zum Einsatz von UWB Ranging

• Positionierungstechnik mit zentimetergenauer Genauigkeit
• Energieeffiziente Übertragung von kurzen Impulsen mit geringer Leistung innerhalb einer großen Bandbreite
• Hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen durch andere drahtlose Technologien aufgrund des breiten Frequenzspektrums
• Eingebaute Sicherheitsfunktionen von UWB Ranging für sensible Anwendungsfälle, wie z. B. sichere Zugangskontrollsysteme
• Hohe Verfügbarkeit, da es seit dem iPhone 11 in jedes iPhone eingebaut ist und zunehmend auch in Android-Telefone Einzug hält