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(Quelle: alphaspirit.it/Shutterstock.com)

Die GPS-Technologie (Global Positioning Systems) hat die Welt verändert. Das gilt auch für die Positionsbestimmung mit Ultrabreitband (UWB). Im Folgenden erläutern wir, wie sich dank der schnellen Aktualisierungsraten, der kürzeren Latenzzeit und der 1-cm-Genauigkeit von UWB sowohl das Internet der Dinge (IoT) als auch mobile Geräte genau verfolgen und mit Daten in persönlichen, öffentlichen und industriellen Anwendungen kombinieren lassen.

Zunächst einige Hintergrundinformationen  

Für jüngere Generationen mag es selbstverständlich sein, aber die Menschen staunen heute über die GPS-Technologie und ihre Fähigkeit, den Standort als eine Navigationshilfe zu nutzen. Ursprünglich war es eine militärische Technologie, die Soldaten und Spezialeinheiten bei geheimen Missionen unterstützte, doch heute ist der Einsatz so verbreitet, dass die Nutzung klassischer Straßenkarten aus Papier nicht mehr so verbreitet ist, wie es früher der Fall war.

Der Startschuss für GPS fiel 1973, aber erst 1993 waren alle 24 geosynchronen Satelliten an ihrem Platz, um ein echtes, brauchbares, korrelierbares globales Positionierungssystem zu gewährleisten, das keine vom Benutzer übertragenen Signale benötigt. Dies war für das Militär besonders wichtig, weil es durch den Wegfall von rückverfolgbaren Funksignalen dazu beiträgt, die Geheimhaltung vieler Missionen zu wahren.

Die anfänglichen Befürchtungen, dass ausländische Streitkräfte die von den USA entwickelten GPS-Systeme ausnutzen könnten, führten zu einem Programm namens „Selective Availability“, das die Auflösung und Effektivität einschränkte. Diese eingeschränkte Verfügbarkeit bestand etwa zehn Jahre lang. Gleichzeitig entwickelten andere Länder ihre globalen Positionierungssysteme, wie das sowjetische GLONASS und das chinesische BeiDou-System sowie das europäische Galileo-GPS. Als die eingeschränkte Verfügbarkeit aufgehoben wurde, ermöglichte GPS eine Positionsgenauigkeit von etwa 5m und war damit für die breite Masse als Navigationshilfe beim Autofahren interessant. Mit der Integration von GPS in Mobiltelefone können GPS-Systeme dank stetiger Verbesserungen bei der Geolokalisierung nun eine räumliche Auflösung von etwa 30 cm erreichen.

Mit den Mobilfunkmasten konnten die Netzbetreiber die Signalstärke, die Phasenbeziehungen zwischen den Masten und jetzt auch die Time of Flight (ToF)-Informationen nutzen und messen, wie lange es dauert, bis ein Signal die verschiedenen Masten in Reichweite erreicht. Diese Triangulationstechnik verbessert die Genauigkeit des Positionssystems und moderne Geräte verwenden sogar Wi-Fi^® -Beacons, um die Genauigkeit zu verbessern. Die Nutzung von Bluetooth^® und WLAN ermöglicht sogar eine Positionsgenauigkeit von einigen Metern bei einem Standort in Gebäuden. Ich habe es getestet und festgestellt, dass, wenn ich meine Position auf Google Earth-Karten einblendete, mir nicht nur gezeigt wurde, in wessen Haus ich mich befand, sondern auch der genaue Raum lokalisiert werden konnte.

Die Auflösung von 30 cm ist mit GPS, der Datenerfassung von Mobilfunkmasten, Beacons und WLAN/Bluetooth-Signalen für viele Anforderungen großartig, aber noch höhere Auflösungen sind aufgrund technologischer Fortschritte, neuer Nutzung von HF-Bändern und neuer Anwendungen bestehender Technologien zu erwarten. Die Ultrabreitbandtechnologie (UWB), die detaillierte Standortdaten und Positionsgenauigkeit bis hinunter zu einer Auflösung von 1 cm liefern kann, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dank der plattformübergreifenden Eigenschaften von UWB und der Verankerung in der Wireless-Technologie können wir heute alles in Echtzeit mit einer Genauigkeit von einem Zentimeter orten und finden.

Moderne UWB-Technologie

Mitte der 2000er Jahre begann die IEEE mit der Definition der UWB-Spezifikation, um die Genauigkeit von Mikro-Positionssystemen und Echtzeit-Lokalisierungsdiensten (Real Time Location Services, RTLS) für mehrere Ziele zu verbessern. UWB wurde gewählt, weil es sicher ist und eine hohe Störfestigkeit gegenüber Rauschen und Störsignalen aufweist und zudem unempfindlich gegenüber Mehrwegsignalstörungen ist. Das Ergebnis sind die Standards IEEE 802.15.4a und 802.15.4z.

UWB arbeitet im Frequenzbereich von 3,1 GHz bis 10,6 GHz und verwendet orthogonales Frequenzmultiplexing (OFDM), d. h. orthogonal eng beieinander liegende Subträger mit überlappenden Spektralcharakteristiken, die Daten parallel übertragen können. UWB kann nichtmetallische Wände und Böden durchdringen und muss sich nicht wie 5G in der Sichtlinie befinden. UWB ist auch als Pulsfunk bekannt (2 nsec breite Datenbursts mit hoher Amplitude im 500 MHz-Band) und bewegt sich oberhalb eines Grundrauschens und liefert im Vergleich zu Schmalband ein Signal, das leicht zu erfassen und zu decodieren ist (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die gepulsten UWB-Signale mit hoher Amplitude bewegen sich typischerweise oberhalb des Grundrauschens, selbst wenn noch andere HF-Kommunikation vorhanden ist. (Quelle: Qorvo)

UWB liefert auch wesentlich zuverlässigere, sicherere und Echtzeit-Daten als GPS-Technologien. UWB-Positionsdaten können 1.000 Mal pro Sekunde aktualisiert werden und sind damit 50 Mal schneller als Satellitennavigationssysteme.

Aufgrund der Genauigkeit der ToF-Messungen und der großen Bandbreite können mehrere Geräte gleichzeitig kommunizieren und verfolgt werden, ohne dass es zu Interferenzen kommt. Dies kann dazu beitragen, den Stadioneffekt zu eliminieren, der die Leistung in dicht besiedelten Gebieten einschränkt, wie beispielsweise bei WLAN in Stadien. Zudem lässt sich UWB in eine ganze Reihe neuer Geräte einbetten, die auf IoT- und Automatisierungstechnologien in Häusern, Wohnungen, Fabriken und öffentlichen Orten wie Flughafenterminals abzielen. Stellen Sie sich vor, Sie schauen auf Ihr Handy, um herauszufinden, wo Ihre Freunde in einem riesigen Flughafengebäude sind oder wo Ihr Gate ist, wenn Sie umsteigen müssen.

Bereits jetzt arbeiten Hersteller von Mobilfunkgeräten und Industrieanlagen im FIRa-Konsortium zusammen, um Protokolldefinitionen zu vereinheitlichen und Interoperabilitätsprobleme zu beseitigen. Apple und Samsung zählen zu den ersten, die UWB in ihre neuen Telefone integrieren. Das Konsortium entwickelt eine Struktur, die hierarchisch aggregierte Access Points unterstützt, die Initiator- und Responder-Sequenzen verwenden, um die Latenz zu minimieren (Abbildung 2). Personal Area Networks können mit Hilfe von Ankern an einem festen Standort Aggregations-, Gateway- und Routing-Funktionen sowie einen Peer-to-Peer-Handoff zu benachbarten Access Points für einen nahtlosen Übergang von einem Standort zum anderen unterstützen. Neben öffentlich zugänglichen Standorten, an denen feste und mobile Knoten zum Einsatz kommen, ist die UWB-Technologie auch für industrielle Anwendungen geeignet. In industriellen Anlagen können UWB-Tags eingesetzt werden, um Anlagen und Inventar zu verfolgen, Gegenstände auf einem Förderband zu lokalisieren und sogar kritische Daten wie die Temperatur eines Behälters zu übermitteln, der beispielsweise einen Impfstoff enthält.

Mit der UWB-Technologie kann praktisch jeder Sensor, jeder Aktor, ob fest oder mobil, innerhalb eines bestimmten Raums mit mobilen Geräten, die sich von einem zum nächsten Raum bewegen, koexistieren. Hierzu zählt auch der Zugang zu Cloud-basierten Diensten, bei denen in der Regel mehr Verarbeitungsressourcen und künstliche Intelligenz (KI) für kritische Aufgaben zum Einsatz kommen können, beispielsweise für autonome Fahrzeuge, Lieferroboter, autonome landwirtschaftliche Systeme, Drohnen, Kontaktverfolgung und sogar die Überwachung von Patientenstandorten für Demenz- und Alzheimerpatienten in einer Pflegeeinrichtung.

Abbildung 2: Öffentliche Räume können mit UWB-Knoten bestückt werden, die gemeinsam ein Personal Area Network für öffentliche Räume bilden. (Quelle: Qorvo)

UWB-Produkte und Toolkits

Für Entwickler, die sich für die Implementierung eines UWB-Systems interessieren, stehen Tools und Komponenten zur Verfügung, die sie beim Erlernen der Technologie unterstützen. Außerdem bieten sie Referenz-Hardware und Firmware-Designs und helfen dabei, sicherzustellen, dass das System mit den Industriestandards konform ist.

Das DWM1001C UWB-Transceiver-Modul basiert auf dem DW1000 UWB-Transceiver-IC und ist konform zu IEEE802.15.4-2011. Es unterstützt Datenraten von bis zu 6,8 Mbit/Sek. Das DWM1004C beinhaltet eine UWB- und Bluetooth^®-Antenne, die komplette HF-Schaltung, die Nordic Semiconductor nRF52832 MCU sowie einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser. Jeder Modus kann als RTLS-Anker oder -Tag konfiguriert werden und kann zusätzlich als Netzwerk-Gateway-Gerät fungieren.

Neben Antennen und Signalaufbereitungskomponenten sind auch UWB-Demo- und Entwicklungstools speziell für die Positions- und Distanzmessung in Produktion. Das Qorvo MDEK1001 Development Kit ist ein guter Ausgangspunkt, um ein Gefühl für ein RTLS-System zu bekommen. Das MDEK1001 Development Kit bietet Entwicklern die notwendige Hardware, Software und Entwicklungsumgebung, um die UWB-Technologie von Qorvo schnell für den Einsatz in einem skalierbaren RTLS zu testen. Das Kit enthält 12 DWM1001-DEV-Development Boards, die als Anker-, Tag- oder Brückenknoten konfiguriert werden können.

Abbildung 3: Mit dem Qorvo MDEK1001 Development Kit können Entwickler die UWB-Technologie von Qorvo schnell für den Einsatz in einem skalierbaren RTLS testen.

Das DWM1001-DEV Module Development Board evaluiert die Leistung des DWM1001-Moduls. Mit dem DWM1001-DEV Module Development Board können Entwickler ein RTLS, einschließlich Ankern, Tags und Gateways, zusammenstellen und evaluieren, ohne Hardware zu entwickeln oder eine einzige Zeile Code zu schreiben.

Fazit

Die Einführung von GPS hat die Welt verändert, und die hochpräzise UWB-Technologie zur Positionsbestimmung steht kurz davor, das Gleiche zu tun. Wenn die Interoperabilität weiter verfeinert wird und die Tags kleiner und kostengünstiger werden, werden Sie vielleicht nie wieder Ihre Schlüssel verlieren.