Сверхширокополосная связь ( UWB , ultra wideband , ultra-wide band и ultraband ) — это радиотехнология , которая может использовать очень низкий уровень энергии для связи на короткие расстояния с высокой пропускной способностью в большой части радиоспектра. [1] UWB имеет традиционные приложения в некооперативной радиолокационной визуализации . Самые последние приложения нацелены на сбор данных датчиков, точное определение местоположения [2] и отслеживание. [3] [4] Поддержка UWB начала появляться в смартфонах высокого класса в 2019 году.
Сверхширокополосная связь — это технология передачи информации в широкой полосе пропускания (>500 МГц ). Это позволяет передавать большое количество энергии сигнала, не мешая обычной узкополосной и несущей передаче в той же полосе частот. Нормативные ограничения во многих странах допускают такое эффективное использование полосы пропускания радиочастот и обеспечивают высокоскоростное беспроводное соединение персональных сетей (PAN), приложения с более высокой дальностью передачи данных и прозрачное сосуществование радиолокационных и визуализирующих систем с существующими системами связи.
Сверхширокополосная связь ранее была известна как импульсное радио , но Федеральная комиссия по связи (FCC) и Сектор радиосвязи Международного союза электросвязи ( МСЭ-Р ) в настоящее время определяют UWB как передачу антенны, для которой ширина полосы излучаемого сигнала превышает меньшее из 500 МГц или 20% от арифметической центральной частоты. [5] Таким образом, системы на основе импульсов, в которых каждый передаваемый импульс занимает полосу пропускания UWB (или совокупность не менее 500 МГц узкополосной несущей; например, ортогональное частотное разделение каналов (OFDM)) — могут получить доступ к спектру UWB в соответствии с правилами.
Существенное различие между обычными радиопередачами и UWB заключается в том, что обычные системы передают информацию, изменяя уровень мощности, частоту или фазу (или их комбинацию) синусоидальной волны. Передачи UWB передают информацию, генерируя радиоэнергию в определенные временные интервалы и занимая большую полосу пропускания, что позволяет осуществлять импульсно-позиционную или временную модуляцию. Информация также может быть модулирована на UWB-сигналах (импульсах) путем кодирования полярности импульса, его амплитуды и/или с помощью ортогональных импульсов. UWB-импульсы могут отправляться спорадически с относительно низкой частотой импульсов для поддержки временной или позиционной модуляции, но также могут отправляться со скоростью вплоть до обратной ширины полосы импульсов UWB. Импульсно-UWB-системы были продемонстрированы при частоте импульсов канала, превышающей 1,3 миллиарда импульсов в секунду, используя непрерывный поток UWB-импульсов (Continuous Pulse UWB или C-UWB ), при этом поддерживая скорость передачи данных с прямой коррекцией ошибок, превышающую 675 Мбит/с. [6]
Система радиосвязи UWB может использоваться для определения «времени пролета» передачи на различных частотах. Это помогает преодолеть многолучевое распространение , поскольку некоторые частоты имеют траекторию прямой видимости , в то время как другие косвенные пути имеют более длительные задержки. С помощью кооперативной симметричной двухсторонней техники измерения расстояния могут быть измерены с высоким разрешением и точностью. [7]
This article contains promotional content. (February 2024) |
Технология сверхширокополосной связи (UWB) используется для определения местоположения в реальном времени благодаря своей точности и надежности. Она играет важную роль в различных отраслях, таких как логистика, здравоохранение, производство и транспорт. Точность UWB на уровне сантиметра ценна в приложениях, в которых использование традиционных методов может быть нецелесообразным, например, в помещениях, где точность GPS может быть затруднена. Низкое энергопотребление обеспечивает минимальные помехи и позволяет сосуществовать с существующей инфраструктурой. UWB хорошо работает в сложных условиях благодаря своей устойчивости к многолучевым помехам, обеспечивая последовательное и точное позиционирование. В логистике UWB повышает эффективность отслеживания запасов, сокращая потери и оптимизируя операции. Здравоохранение использует UWB для отслеживания активов, оптимизации потока пациентов и улучшения координации ухода. В производстве UWB используется для оптимизации управления запасами и повышения эффективности производства за счет точного отслеживания материалов и инструментов. UWB поддерживает планирование маршрутов, управление автопарком и безопасность транспортных средств в транспортных системах. [8]
UWB использует несколько методов определения местоположения: [9]
Apple выпустила первые три телефона с возможностями сверхширокополосной связи в сентябре 2019 года, а именно iPhone 11 , iPhone 11 Pro и iPhone 11 Pro Max. [10] [11] [12] Apple также выпустила серию 6 Apple Watch в сентябре 2020 года, которая оснащена UWB, [13] и их AirTags с этой технологией были представлены на пресс-конференции 20 апреля 2021 года. [14] [4] Samsung Galaxy Note 20 Ultra, Galaxy S21+ и Galaxy S21 Ultra также начали поддерживать UWB, [15] вместе с Samsung Galaxy SmartTag+. [16] Xiaomi MIX 4, выпущенный в августе 2021 года, поддерживает UWB и предлагает возможность подключения к некоторым устройствам AIoT . [17]
Консорциум FiRa был основан в августе 2019 года для разработки совместимых экосистем UWB, включая мобильные телефоны. В настоящее время членами консорциума FiRa являются Samsung, Xiaomi и Oppo. [18] В ноябре 2020 года Android Open Source Project получил первые исправления, связанные с предстоящим API UWB; «полноценная» поддержка UWB (исключительно для единственного варианта использования диапазона между поддерживаемыми устройствами) была выпущена в версии 13 Android. [19]
Сверхширокополосный режим получил широкое внимание благодаря своей реализации в технологии радиолокации с синтезированной апертурой (SAR) . Благодаря своим высоким возможностям разрешения при использовании более низких частот, UWB SAR интенсивно исследовался на предмет его способности проникать сквозь объекты. [23] [24] [25] Начиная с начала 1990-х годов Исследовательская лаборатория армии США (ARL) разработала различные стационарные и мобильные платформы для обнаружения наземных, лиственных и стеновых радаров, которые служили для обнаружения и идентификации закопанных СВУ и скрытых противников на безопасном расстоянии. Примерами являются railSAR , boomSAR , радар SIRE и радар SAFIRE . [26] [27] ARL также исследовала возможность того, может ли технология UWB-радара включать обработку Доплера для оценки скорости движущейся цели, когда платформа неподвижна. [28] Хотя в отчете 2013 года подчеркивалась проблема использования волн UWB из-за миграции целевого диапазона во время интервала интеграции, более поздние исследования показали, что волны UWB могут демонстрировать лучшую производительность по сравнению с обычной доплеровской обработкой, если используется правильно подобранный фильтр . [29]
Сверхширокополосные импульсные доплеровские радары также использовались для мониторинга жизненно важных показателей человеческого тела, таких как сигналы частоты сердечных сокращений и дыхания, а также для анализа походки человека и обнаружения падений. Он служит потенциальной альтернативой системам непрерывной волны , поскольку потребляет меньше энергии и имеет диапазон с высоким разрешением. Однако его низкое отношение сигнал/шум сделало его уязвимым для ошибок. [30] [31] Коммерческим примером этого приложения является RayBaby, который представляет собой радионяню, которая обнаруживает дыхание и частоту сердечных сокращений, чтобы определить, спит ли ребенок или бодрствует. Raybaby имеет дальность обнаружения пять метров и может обнаруживать мелкие движения менее миллиметра. [32]
Сверхширокополосный радиолокатор также используется в технологии точного радиолокационного изображения «видимого сквозь стену», [33] [34] [35] точном определении местоположения и слежении (используя измерения расстояния между радиостанциями) и точных методах локализации на основе времени прибытия. [36] UWB-радар был предложен в качестве активного сенсорного компонента в приложении автоматического распознавания целей , разработанном для обнаружения людей или предметов, упавших на рельсы метро. [37]
Сверхширокополосные характеристики хорошо подходят для приложений с коротким радиусом действия, таких как периферийные устройства ПК , беспроводные мониторы , видеокамеры , беспроводная печать и передача файлов на портативные медиаплееры . [38] UWB был предложен для использования в персональных сетях и появился в проекте стандарта PAN IEEE 802.15.3a. Однако после нескольких лет тупика целевая группа IEEE 802.15.3a [39] была распущена [40] в 2006 году. Работа была завершена WiMedia Alliance и Форумом разработчиков USB. Медленный прогресс в разработке стандартов UWB, стоимость первоначальной реализации и производительность, значительно более низкая, чем изначально ожидалось, являются несколькими причинами ограниченного использования UWB в потребительских товарах (что привело к прекращению деятельности нескольких поставщиков UWB в 2008 и 2009 годах). [41]
Возможности точного позиционирования и определения дальности UWB позволяют избегать столкновений и локализовать с точностью до сантиметра, превосходя традиционные системы GPS. Более того, его высокая скорость передачи данных и низкая задержка облегчают бесперебойную связь между транспортными средствами, способствуя обмену информацией в реальном времени и скоординированным действиям. UWB также обеспечивает эффективную связь между транспортным средством и инфраструктурой, интегрируясь с элементами инфраструктуры для оптимизированного поведения на основе точного времени и синхронизированных данных. Кроме того, универсальность UWB поддерживает инновационные приложения, такие как радиолокационное изображение высокого разрешения для современных систем помощи водителю, безопасный бесключевой доступ с помощью биометрии или сопряжения устройств и системы мониторинга пассажиров, потенциально повышая удобство, безопасность и сохранность пассажиров. [42]
Поставщик | Название продукта | Стандарт | Группа | Объявлено | Коммерческая продукция |
---|---|---|---|---|---|
Технология микрочипов | АТА8350 | ЛРП | 6,2–7,8 ГГц | февр. 2021 г. | |
Технология микрочипов | АТА8352 | ЛРП | 6,2–8,3 ГГц | февр. 2021 г. | |
NXP | NCJ29D5 | ПХ [43] | 6–8,5 ГГц [44] | 12 ноября 2019 г. | |
NXP | SR100T | ПХП | 6–9 ГГц [45] | 17 сентября 2019 г. | Samsung Galaxy Note20 Ультра [46] |
Apple Inc. | У1 | ПХ [47] | 6–8,5 ГГц [48] | 11 сентября 2019 г. | iPhone 11, iPhone 12, iPhone 13 и iPhone 14, [49] Apple Watch Series 6, Apple Watch Series 7, Apple Watch Series 8 и Apple Watch Ultra, HomePod Mini и HomePod (2-го поколения), AirTag и AirPods Pro (2-го поколения) |
Корво | DW1000 | ПХП | 3,5–6,5 ГГц [50] | 7 ноября 2013 г. | |
Корво | DW3000 | ПХП | 6–8,5 ГГц [51] | Янв 2019 [52] | |
3 дБ Доступ | 3DB6830 | ЛРП | 6–8 ГГц [53] | ||
Сева | RivieraWaves UWB | ПХП | 3,1–10,6 ГГц в зависимости от радио | 24 июня 2021 г. [54] | |
SPARK Микросистемы | SR1010/SR1020 | Н/Д [55] | 3,1–6 ГГц, 6–9,25 ГГц [56] | 18 марта 2020 г. [57] | |
Самсунг Электроникс | Exynos Connect U100 | Неизвестный | 6489,6 МГц/ 8987,2 МГц | 21 марта 2023 г. [58] |
В США сверхширокополосный диапазон относится к радиотехнологии с полосой пропускания, превышающей меньшее из 500 МГц или 20% от арифметической центральной частоты , согласно Федеральной комиссии по связи США (FCC). Отчет и приказ FCC от 14 февраля 2002 года [59] разрешили нелицензированное использование UWB в диапазоне частот от 3,1 до 10,6 ГГц . Предел излучения спектральной плотности мощности (PSD) FCC для передатчиков UWB составляет -41,3 дБм/МГц. Этот предел также применяется к непреднамеренным излучателям в диапазоне UWB ( предел «Части 15» ). Однако предел излучения для излучателей UWB может быть значительно ниже (до -75 дБм/МГц) в других сегментах спектра.
Обсуждения в секторе радиосвязи Международного союза электросвязи ( МСЭ-Р ) привели к появлению в ноябре 2005 года Отчета и Рекомендации по UWB [ необходима ссылка ]. Британский регулятор Ofcom объявил о схожем решении [60] 9 августа 2007 года.
Была обеспокоенность по поводу помех между узкополосными и UWB сигналами, которые разделяют один и тот же спектр. Ранее единственной радиотехнологией, которая использовала импульсы, были передатчики с искровым разрядником , которые были запрещены международными договорами, поскольку они мешали средневолновым приемникам. Однако UWB использует гораздо более низкие уровни мощности. Эта тема была широко освещена в ходе разбирательств, которые привели к принятию правил FCC в США, и на заседаниях ITU-R, которые привели к его Отчету и Рекомендациям по технологии UWB. Обычно используемые электроприборы излучают импульсный шум (например, фены), и сторонники успешно доказали, что уровень шума не будет чрезмерно повышен за счет более широкого развертывания маломощных широкополосных передатчиков. [61]
В феврале 2002 года Федеральная комиссия по связи (FCC) выпустила поправку (часть 15), которая определяет правила передачи и приема UWB. Согласно этому релизу, любой сигнал с дробной полосой пропускания более 20% или имеющий полосу пропускания более 500 МГц считается сигналом UWB. Постановление FCC также определяет доступ к 7,5 ГГц нелицензируемого спектра между 3,1 и 10,6 ГГц, который предоставляется для систем связи и измерений. [62]
Узкополосные сигналы, которые существуют в диапазоне UWB, такие как передачи IEEE 802.11a , могут демонстрировать высокие уровни PSD по сравнению с сигналами UWB, которые видит приемник UWB. В результате можно было бы ожидать ухудшения производительности коэффициента ошибок по битам UWB. [63]
{{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link)