UWB

Ultrabreitband oder Ultra-Wideband, kurz UWB, ist eine Funkübertragungstechnik. UWB ist eine Ortungstechnologie, die vor allem für den Nahbereich entwickelt wurde. Der Frequenzbereich liegt zwischen 3,1 und 10,6 GHz in den USA und 6,0 und 8,5 GHz in Deutschland. UWB erreicht eine hohe Präzision bei der Standortbestimmung.

Die benötigte Sendeleistung bleibt dabei aber gering. Die maximale Datenrate beträgt 480 Megabit pro Sekunde. Die Sendeleistung ist in der Regel kleiner als ein Milliwatt. In den letzten Jahren haben sich neben der präzise Lokalisierung und der Indoor Positionsbestimmung immer mehr neue Anwendungsbereiche eröffnet. Das liegt auch daran, dass zahlreiche Endgeräte bereits UWB-Chips enthalten.

UWB ist als Technologie für Echtzeitlokalisierung (RTLS) im Nahbereich bekannt. Im Vergleich zu anderen Funktechnologien erreicht UWB eine höhere Positionsgenauigkeit von bis zu wenigen Zentimetern. Dies wird dadurch erreicht, dass nicht die Signalstärke, sondern die Laufzeit des Signals zwischen dem Sender, dem UWB-Transponder oder Tracker, und mindestens drei Empfängern, Ankern, gemessen wird.

Der UWB-Transponder sendet ein Signal aus, das von allen Ankergeräten in der Nähe je nach Entfernung zu unterschiedlichen Zeitpunkten empfangen wird. Die Zeitdifferenz wird dann mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit im Raum multipliziert, um die Koordinaten des Senders zu berechnen. Das klingt kompliziert, ist es aber nicht. Besonders in Umgebungen, in denen GPS/GNSS-Signale blockiert werden, erweist sich die Genauigkeit der Lokalisierung durch UWB-Technologie als vorteilhaft. Das gilt vor allem für Innenräumen.

Ultrabreitband (UWB) unterscheidet sich von anderen Funktechnologien dadurch, dass keine modulierten Radiowellen zur Übertragung codierter Daten verwendet werden. Stattdessen überträgt UWB RTLS Informationen mit Hilfe einzelner schwacher Impulse. Die Sendeleistung ist auf nur 10 Nanowatt begrenzt und die Impulse werden in kurzen Abständen von wenigen Nanosekunden gesendet, was eine Echtzeitgenauigkeit ermöglicht. Die Positionsbestimmung basiert nicht auf der Messung der Signalstärke, sondern auf der Messung der Signallaufzeiten, die von der Entfernung zwischen dem Empfänger und den an den Objekten angebrachten Sendern (Tags) abhängen.

Obwohl UWB im gleichen Frequenzspektrum wie viele andere Funktechnologien wie WLAN, Bluetooth und Mobilfunk arbeitet, verursacht es aufgrund seiner geringen Sendeleistung keine Interferenzen innerhalb des Bandes und wird auch nicht durch andere Übertragungen gestört. Dies macht UWB zu einer sehr zuverlässigen Technologie.

Das Übertragungsverfahren von UWB wird als „Overlay“ oder Überlagerung bezeichnet, da die Impulse des Sendesignals die bereits im Frequenzband vorhandenen Signale überlagern. Anstatt die eingehenden Signale nach ihrer Frequenz zu filtern, erkennt der Empfänger die Impulsform. Um Störungen durch Mehrwegeausbreitung zu vermeiden, werden die Signale synchronisiert.

Forschungsinstituten zufolge sollen sich die Umsätze für Lokalisierung mehr als verdoppeln in den kommenden vier Jahren. Gemäß einem Bericht des indischen Marktforschungsinstituts „Markets and Markets“ wird prognostiziert, dass der Umsatz mit Ultrabreitband Technologien von 1,1 Milliarden USD im Jahr 2020 auf 2,7 Milliarden USD im Jahr 2025 ansteigen wird. Gleichzeitig wird gemäß erwartet, dass der weltweite Markt für Real Time Locating Systems (RTLS) von 5,2 Milliarden USD im Jahr 2023 auf 16,2 Milliarden USD bis zum Jahr 2028 anwachsen wird.

Die Verbindung von UWB und Connectivity bietet spannende Möglichkeiten in der modernen Kommunikationstechnik. UWB Connectivity ermöglicht eine hochpräzise und schnelle Datenübertragung, die in verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommt.

Ein bedeutender Aspekt von UWB ist die Integration mit WiFi. Diese Kombination erlaubt eine nahtlose Kommunikation zwischen Geräten und verbessert die Gesamtleistung des Netzwerks. UWB WiFi nutzt die Vorteile beider Technologien und bietet eine hohe Datenrate sowie eine robuste Verbindung, die besonders in dichten städtischen Umgebungen nützlich ist.

Funktechnik und Funksysteme spielen eine zentrale Rolle in der UWB-Technologie. Durch die Verwendung von hochfrequenten Signalen und einer breiten Trägerfrequenz können UWB-Systeme Daten über große Entfernungen übertragen, ohne dass es zu Interferenzen mit anderen Übertragungstechnologien kommt. Diese Weitband-Funktechnik ermöglicht es, große Datenmengen schnell und effizient zu übertragen.

Die Übertragungstechnologien von UWB nutzen eine breite Palette von Frequenzen, um eine hohe Bandbreite und geringe Latenzzeiten zu gewährleisten. Dies macht UWB zu einer idealen Lösung für Anwendungen, die eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung erfordern. Zudem bietet die UWB-Technologie aufgrund ihrer hohen Präzision und geringen Störanfälligkeit erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Kommunikationstechnologien.

Von der präzisen Standortbestimmung über hochleistungsfähige Funknetzwerke bis hin zu innovativen Übertragungstechnologien – UWB ist eine Schlüsseltechnologie, die die Zukunft der drahtlosen Kommunikation maßgeblich prägen wird.

Mit der Funktion „Child Presence Detection“ erkennt ein UWB-System, ob Kinder oder Säuglinge allein im Fahrzeug zurückgelassen wurden. Dabei erkennen UWB-Anker im Innenraum anhand von Vitalzeichen wie Atemfrequenz und Bewegungsmustern, ob Kinder oder Säuglinge allein im Fahrzeug zurückgelassen wurden. Ist dies der Fall, erhalten die Erziehungsberechtigten bereits nach wenigen Sekunden einen Alarm auf ihr mobiles Endgerät. So sollen Hitzschläge und Todesfälle durch unbeaufsichtigte Kinder in geparkten Autos verhindert werden. Um im NCAP-Rating die höchstmögliche Bewertung zu erhalten, müssen ab 2025 alle Neufahrzeuge in Europa und den USA serienmäßig über ein solches System verfügen.

Das Smart Car Access System basiert ebenfalls auf UWB-Technologie. Mit dem System kann das Auto völlig freihändig geöffnet und geschlossen werden. Auch der Motor kann gestartet werden, ohne das Smartphone in die Hand nehmen zu müssen. Die Technologie schützt das Fahrzeug zudem durch eine hochpräzise Laufzeitmessung vor Relay-Attacken, also dem Öffnen des Fahrzeugs per Funkverlängerung.

Ein weiteres Beispiel sind UWB-Chips, die in einem Babymonitor. Zusammen mit Bewegungs- und Atemsensoren misst dieser Monitor minimale Bewegungen oder das Ausbleiben von Bewegungen und hilft so, den plötzlichen Kindstod zu verhindern. Zur Erkennung von Schlafapnoe können ähnliche Geräte auch bei Erwachsenen eingesetzt werden.

Ein chinesische Smartphone-Hersteller bietet Smart-Home-Anwendungen über das Smartphone an. UWB-fähige Geräte werden sofort auf einem Bedienfeld angezeigt, wenn das Smartphone darauf gerichtet wird. So lassen sich Geräte wie Fernseher, Lautsprecher, Staubsaugerroboter, Klimaanlagen oder Küchengeräte einfach steuern. Der UWB-Chip macht das Smartphone zu einer Art Universalfernbedienung.

Der Standard IEEE 802.15.4z-2020 wurde speziell für die UWB-Technologie entwickelt. Diese Spezifikation definiert die Verwendung von UWB für den drahtlosen Kommunikationsstandard IEEE 802.15.4.

Die IEEE 802.15.4z Spezifikation wurde entwickelt, um die Einführung von UWB in verschiedenen Anwendungen und Industrien zu unterstützen. Dies betrifft die Kommunikation von drahtlosen Geräten und Präzisionsortungssystemen mit dem Internet der Dinge (IoT).

Die Spezifikation definiert Protokolle, Betriebsparameter und Schnittstellen für den Einsatz von UWB in drahtlosen Netzwerken und Systemen. Sie umfasst Aspekte wie Modulationstechniken, Übertragungsraten, Frequenzbereiche, Zugriffsmechanismen und Sicherheitsaspekte.

Die Spezifikation IEEE 802.15.4z spielt eine wichtige Rolle bei der Standardisierung und Interoperabilität der UWB-Technologie und trägt dazu bei, die Entwicklung und Einführung von UWB in verschiedenen Anwendungen zu erleichtern. Sie ermöglicht es Herstellern, UWB-Geräte und -Systeme zu entwickeln, die den Industriestandards entsprechen und mit anderen kompatibel sind.

Die Reichweite von UWB ist begrenzt, da immer eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger erforderlich ist. Im Innenbereich beträgt die Reichweite von UWB-Transpondern typischerweise bis zu 20 Meter, bei einigen Herstellern bis zu 35 Meter, im Außenbereich bis zu 200 Meter. Die Kombination der Messwerte von mindestens drei Empfängern ermöglicht eine Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von 10 bis 30 Zentimetern. Bisher werden UWB-Transponder vor allem für kurze Messstrecken und als Alternative zu Kabelverbindungen eingesetzt.

Die maximale Leistung einer UWB-Übertragung beträgt bei Nutzung des gesamten Frequenzbandes höchstens 0,5 mW, liegt aber in den meisten Fällen darunter. Fast alle Implementierungen nutzen weniger als 1000 MHz Bandbreite, was einer maximalen Leistung von 0,074 mW entspricht. Zum Vergleich: Ein 4G/LTE-Handy sendet mit einer Leistung von 200 mW.

Aufgrund dieser geringen Leistung kann die Batterielebensdauer eines UWB-Transponders mehr als drei Jahre betragen. Während die Ortung in einem Lager mit einer Frequenz von 1 Hz erfolgt, ist in Szenarien mit hoher Mobilität eine Sendefrequenz von 1 kHz erforderlich. In diesem Fall verkürzt sich die Batterielebensdauer drastisch.