Miten taajuussäätö takaa luotettavat ja turvalliset UWB-sovellukset

Toisen maailmansodan aikana suojattuun viestintään ja tutkajärjestelmiin kehitettyjen erittäin laajan taajuuskaistan (UWB) järjestelmien kaupallinen käyttö kiellettiin, minkä vuoksi sitä ei juuri hyödynnetty vuosikymmeniin. Vuonna 2002 Yhdysvalloissa annetut säännökset mahdollistivat UWB:n laajemman käytön. Sen jälkeen protokollan käyttö on kasvanut merkittävästi erilaisissa kaupallisissa sovelluksissa, kuten teollisuudessa sekä kuluttajatuotteiden, viestinnän ja autoalan sovelluksissa, jotka hyödyntävät sen mahdollistamaa tarkkaa paikannusta ja sijainnin seurantaa sekä nopeaa tiedonsiirtoa ja vähäistä virrankulutusta, jotka tämä langaton protokolla tarjoaa.

Kuten muutkin lyhyen matkan langattomat viestintäprotokollat, esimerkiksi Bluetooth ja Wi-Fi, UWB mahdollistaa lähiverkon (PAN) luomisen. Tämä yhdistää elektroniikkalaitteet ja helpottaa tiedonsiirtoa henkilön välittömässä läheisyydessä. Sen sijaan, että tiedot lähetettäisiin LAN- tai WAN-verkon kautta, PAN siirtää tietoja henkilön lähellä olevien laitteiden välillä.

UWB eroaa kuitenkin muista tiedonsiirtotekniikoista useilla keskeisillä osa-alueilla. Tämän ansiosta UWB:n käyttö lisääntyy yhä useammissa yleisesti käytetyissä langattomissa sovelluksissa.

Kuva 1: UWB:n suojattu laaja taajuusalue ja tarkka paikannus mahdollistavat lukuisia yleiseen käyttöön tarkoitettuja langattomia sovelluksia. (Kuvan lähde: Aker Technology.)

UWB toimii erittäin korkealla taajuudella eikä häiritse muita langattomia protokollia. Se mahdollistaa sellaisia toimintoja kuten tilaäänentoisto, älykotien integrointi ja lähimaksujärjestelmät, ja se on erityisen hyödyllinen ajoneuvoissa sekä mobiili- sekä kuluttajalaitteissa, kuten älypuhelimissa ja tunnisteissa. Tämä tekniikka auttaa suojatun handsfree-käytön, sisänavigoinnin, lähimaksun, tunnistetietojen jakamisen ja esineiden seurannan kaltaisten edistyneiden ominaisuuksien toteuttamisessa.

UWB:n tarjoamat hyödyt

Vaikka langattomista tekniikoista sekä Bluetoothin että Wi-Fin käyttö onkin jo vakiintunut, UWB voi olla ylivoimainen valinta 10–20 metrin etäisyyksillä toimivissa käyttökohteissa, koska se on nopeampi, turvallisempi ja erittäin tarkka. Tämä johtuu suurelta osin kulkuaikamittauksista (ToF).

Taulukko 1: UWB:n taajuusalue 3,1 – 10,6 GHz on huimasti suurempi kuin Wi-Fi:n ja Bluetoothin, jotka ovat vain 2,4 – 5 GHz. Koska se käyttää korkeampaa taajuusaluetta ja laajempaa kaistanleveyttä, UWB pystyy siirtämään enemmän tietoa turvallisemmin, joten se sopii erinomaisesti nopeaan lyhyen kantaman tiedonsiirtoon. (Kuvan lähde: Aker Technology.)

Koska protokolla mittaa tarkasti ajan, joka kuluu signaalin kulkemiseen laitteiden välillä, UWB:n ToF-ominaisuus vaikeuttaa ulkoisen hyökkääjän pääsyä UWB-viestintään tai sen manipulointia salaustyypin, satunnaislukugeneroinnin ja muiden tietoturvatekniikoiden vuoksi.

Korkean tietoturvan lisäksi UWB-tekniikka tarjoaa vähäisen virrankulutuksen, hyvän kohinansietokyvyn, tarkan paikannuksen ja sijainnin seurannan sekä signaalit, jotka läpäisevät helposti erilaisia materiaaleja. UWB mahdollistaa suuren signaalienergiamäärän lähettämisen häiritsemättä perinteisiä kapeakaistaisia ja kantoaaltolähetyksiä samalla taajuusalueella.

Langaton nopeus (reaaliaikainen data, tarkka ajoitus): Vaikka Wi-Fi-yhteyden tiedonsiirtonopeus onkin hieman korkeampi kuin UWB:n (600 Mbit/s vs. 460 Mbit/s), UWB:n tutkaa muistuttavat paikannusominaisuudet tekevät siitä tehokkaan valinnan langattomiin sovelluksiin. (Vertailun vuoksi Bluetoothin tiedonsiirtonopeus on 24 Mbit/s.) Koska UWB:n nimellinen kantama on lisäksi lyhyempi kuin Bluetoothin tai Wi-Fin, se sopii parhaiten sellaisiin lyhyen kantaman sovelluksiin, jotka vaativat tarkkaa ajoitusta ja reaaliaikaista tiedonsiirtoa.

Tarkkuus (paikannus, sijainnin seuranta): UWB:n tarkkuus on vertaansa vailla kaikkiin muihin langattomiin teknologioihin verrattuna lyhyillä etäisyyksillä, mikä takaa tarkemman laitteen paikannuksen. Koska muut radiolähetykset eivät häiritse sitä ja koska se käyttää radiopursketekniikkaa, UWB mittaa etäisyydet tehokkaasti jopa 10–30 cm:n tarkkuudella, mikä on paljon parempi kuin mihin Wi-Fi-yhteys (2–3 m) ja Bluetooth (1–5 m) pystyvät.

Tietoturva (tietojen eheys, suojattu lähetys): UWB:n pulssisiirtotekniikka sietää kohinaa ja heijastuksia, mikä tekee siitä erittäin turvallisen valinnan moniin käyttökohteisiin. Kahden laitteen välinen suora yhteys ja tarkat paikannusominaisuudet mahdollistavat sen, että UWB voi muodostaa yhteyden laitteeseen ja todentaa laitteen reaaliaikaisesti ilman, että radioaaltoja tallennetaan tai välitetään uudelleen.

Energiatehokkuus (vähäinen vuotovirta, optimaalinen virrankulutus): Korkean tiedonsiirtonopeuden ja hyvin määritellyn ajoituskehyksen ansiosta UWB säästää virtaa paremmin kuin useimmat lyhyen etäisyyden protokollat. Se voi tukea useita virransäästötiloja, kuten horrostilaa, mikä vähentää virrankulutusta entisestään. UWB-ympäristöissä käytettäville pienille akkukäyttöisille laitteille virrankulutus on kriittisen tärkeä tekijä.

Kideoskillaattorit mahdollistavat UWB-sovellukset

UWB täyttää useita lyhyen kantaman langattomien sovellusten tarpeita laajalla taajuusalueella, mutta se vaatii tarkkaa taajuussäätöä, millä mahdollistetaan tarkka paikannus, sijainnin seuranta ja nopea tiedonsiirto – nämä ovat ominaisuuksia, jotka tekevät UWB-teknologista erittäin hyödyllistä.

Taulukko 2: Tyypillisiä korkean suorituskyvyn kiteitä, jotka vastaavat UWB:n taajuudensäätötarpeisiin. Kvartsikiteet ovat suosittuja taajuudensäätölaitteita, jotka mahdollistavat oikeaan aikaan ja oikealla nopeudella tapahtuvan tiedonsiirron vaatiman signaalin ja ajoituksen säädön. Kiteen stabiilisuus, vaihekohinaominaisuudet ja energiatehokkuus voivat vaikuttaa UWB-tiedonsiirto- ja paikannusjärjestelmien laatuun ja luotettavuuteen. (Kuvan lähde: Aker Technology.)

Vakaa oskillaattori antaa luotettavan ja tarkan kellosignaalin, minkä ansiosta UWB-pulssit säilyttävät halutun muodon ja spektrin. Toisin sanoen oskillaattorin generoimat ajoitussignaalit vaikuttavat UWB-lähettimen generoimaan pulssimuotoon.

Taajuuden ryömintä tai epästabiilisuus oskillaattorissa voi johtaa signaalivääristymään ja huonoon suorituskykyyn, joten on erittäin tärkeää valita kide, jolla on oikea taajuusalue, toleranssi ja stabiilisuus. Muita keskeisiä parametreja ovat kotelointityyppi, toimintalämpötila ja kuormituskapasitanssi.

Tärkeimmät UWB-markkinat

Alkujaan iPhone 11:ssa esitelty UWB on nopeasti saavuttanut jalansijaa useissa PAN-pohjaisissa sovelluksissa, mukaan lukien älytunnisteet ja ajoneuvon sisäiset referenssipisteet eli ankkurit. UWB-teknologia edistää älykkäitä langattoman innovaatioita teknologiassa ja auttaa automatisoimaan maailmaa paremmin. Tässä on muutamia muita tapoja, joilla UWB mullistaa useita lyhyen kantaman langattomia markkinoita (kuva 2):

Teollisuus – UWB-teknologiaa käytetään omaisuuden seurannassa, sisäpaikannuksessa, valvontajärjestelmissä, langattomissa anturiverkoissa ja älyverkkosovelluksissa. Tämä teknologia voi tarjota tarkkoja sijaintitietoja sekä henkilöistä että laitteista.

Kuluttajaviestintä – teknologiaa käytetään älypuhelimissa, puettavissa laitteissa, IoT:ssa, älykotijärjestelmissä ja älytunnisteissa nopeisiin ja luotettaviin langattomiin yhteyksiin lyhyellä etäisyydellä olevien laitteiden välillä. UWB tarjoaa tarkemman tilaseurannan, kuten tarkan paikannuksen sisätiloissa.

Autoteollisuus – avaimettomat käynnistysjärjestelmät, suojattu pääsy ajoneuvoon, kehittyneet ajoavustinjärjestelmät (ADAS) ja seuranta käyttävät kaikki UWB-teknologiaa tarkan paikannuksen tarjoamiseen.

Kuva 2: UWB-teknologian käyttökohteita. (Kuvan lähde: Aker Technology.)

Taajuussäätö auttaa langattomia innovaatioita

Langattoman yhdistettävyyden kasvava kysyntä, erityisesti esineiden internetin (IoT) laitteiden yleistyminen ja 5G-verkkojen käyttöönotto, vie tiedonsiirtoa uusille taajuuskaistoille. Kasvava langaton infrastruktuuri luottaa UWB-teknologian tarjoamiin kriittisiin suorituskykyparametreihin.

Laajalla taajuusalueella toimiva UWB mahdollistaa suuren signaalienergiamäärän lähettämisen häiritsemättä perinteisiä kapeakaistaisia ja kantoaaltolähetyksiä samalla taajuusalueella. Tämä laaja kaistanleveys edellyttää tarkkaa taajuudensäätöä. Näin voidaan välttää häiritsemästä muita samoilla taajuusalueilla toimivia langattomia järjestelmiä, sekä synkronoida tiedonsiirrot ja ylläpitää luotettavaa viestintää.

Yhteenveto

UWB-teknologia mahdollistaa turvallisen ja tarkan etäisyyden mittauksen ja paikannuksen, mikä tarjoaa uuden ulottuvuuden tilakontekstiin langattomissa laitteissa. Se mahdollistaa suuren signaalienergiamäärän lähettämisen häiritsemättä perinteisiä kapeakaistaisia ja kantoaaltolähetyksiä samalla taajuusalueella. UWB on tulevaisuuden ratkaisu IoT:lle, puettaville laitteille, reaaliaikaiselle paikantamiselle, älyautojen käynnistykselle, kodin ohjauspaneeleille, vertaisviestinnälle, automaattiselle lukituksen avaamiselle ja käytönhallinnalle, ja Aker osallistuu tähän vallankumoukseen tarjoten laajan valikoiman kiteitä.