UWB

UWB lokalisiert mit Zentimeter-Genauigkeit

12 Min
02. Mai 2024
UWB Technologie

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Der größte Vorteil von UWB ist die sehr hohe Präzision der Positionsbestimmung. Die wachsende Nachfrage nach der UWB-Technologie wird durch das Internet der Dinge (IoT) und Echtzeit-Ortungssysteme (RTLS) angetrieben. Häufig wird eine Kombination aus UWB und RFID eingesetzt.

Ein Modegroßhändler in Deutschland verwendet beispielsweise RFID-Tags und UWB-Sensoren, um Waren und Fahrzeugbewegungen im Lager zu verfolgen. Im Sport werden UWB und RFID auch von der NFL eingesetzt, um die Leistung der Spieler zu verfolgen und zu überwachen.

1. Status Quo

Was ist Ultra-Wideband Technologie (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.

Was gehört zu einem UWB-System dazu?

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.

Wie funktioniert UWB?

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.

UWB-Produkte

Zahlen & Fakten

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.

2. In der Praxis

In welchen Branchen wird UWB eingesetzt?

Haupteinsatzgebiet ist die Indoor-Ortung im industriellen und logistischen Umfeld. Hier wird die Ortung und Verfolgung von Waren beim Transport innerhalb von Lagerhallen und Produktionsstätten möglich. UWB übernimmt dabei teilweise die Funktionen eines RFID-Tags. Beispiele für den Einsatz von UWB sind BMW, Skoda und Scania. Diese Automobilhersteller setzen UWB sowohl in der Produktionslinie als auch bei Flurförderzeugen ein. Ziel ist es, Staus zu vermeiden, die Sicherheit zu erhöhen und die Transparenz zwischen Lager und Produktion zu verbessern.

Darüber hinaus wird UWB auch im Bereich Smart Home eingesetzt, um kabelgebundene Verbindungen zwischen Computern und Peripheriegeräten zu ersetzen. Auch die drahtlose Übertragung von Audio- oder Videosignalen zwischen Multimediageräten ist möglich.

Stichwort Smart Farming: Zunehmend wird UWB auch bei der Digitalisierung der Landwirtschaft eingesetzt. UWB wird zur präzisen Überwachung und Steuerung verschiedener Prozesse eingesetzt, beispielsweise zur Messung der Bodenfeuchte, zur Überwachung des Pflanzenwachstums, zur Nachverfolgung von Ernten und zur Überwachung von Fahrzeugen oder Nutztieren. Im Außenbereich kann UWB beispielsweise zur Überwachung von Viehherden eingesetzt werden, indem die Funktechnologie Bewegungen verfolgt und Sensordaten wie die Temperatur überträgt, um Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand der Tiere zu ermöglichen.

Besonders interessant wird die UWB-Technologie jedoch dort, wo präzise Positionsinformationen relevant sind. Durch die Fähigkeit, Entfernungen mit hoher Genauigkeit zu messen, bietet UWB einen entscheidenden Vorteil bei der Lokalisierung und Kommunikation in Gebäuden wie Krankenhäusern. Hier geht es um die Lokalisierung medizinischer Geräte.

Insbesondere für Positionierungsaufgaben, bei denen GPS nicht verfügbar ist, ergeben sich zahlreiche Anwendungsfälle, wie beispielsweise die Lokalisierung von Ersthelfern am Einsatzort, um deren Sicherheit zu gewährleisten. Ein weiteres Beispiel ist ein UWB-System, das die Lokalisierung von Feuerwehrleuten und die Übertragung ihrer Vitaldaten ermöglicht, um dem Einsatzleiter einen ständigen Überblick über deren Zustand zu geben.

Vorteile von UWB-Technologie

  • Hoher Lokalisierungsgrad
  • Keine Interferenzen
  • Zahlreiche IoT-Geräte mit UWB-Chip
  • Robustheit des Signals
  • Präzise Ortung bis auf wenige Zentimeter

Verursacht UWB Interferenzen?

Der Artikel behandelt verschiedene Aspekte der UWB-Technologie. Vor- und Nachteile sowie Expertenmeinungen werden diskutiert. Auf die Frage, ob UWB Interferenzen verursacht, antwortet Timothy Harrington von der UWB Alliance mit einem klaren Nein. Zur Erklärung: Da UWB-Pulse ein ähnliches Rauschen erzeugen wie ein Computer, können sie problemlos innerhalb des Frequenzbandes koexistieren. Das Pulsverfahren stellt sicher, dass die UWB-Signale andere Funktechnologien nicht stören und deren Interferenzen widerstehen. Das macht UWB so robust.

Ultra-Breitband oder UWB ist eine Funktechnologie, die sich für den Nahbereich eignet und dank ihrer geringen Sendeleistung eine hohe Präzision in der Standortbestimmung erreicht. Häufig wird UWB mit RTLS, einer Indoor-Ortungstechnologie, gleichgesetzt. Früher mag das zutreffend gewesen sein, aber in den letzten Jahren sind neue Anwendungsbereiche aufgetaucht. Immer mehr Endgeräte enthalten UWB-Chips.

UWB wird als Schlüsseltechnologie in der Fabrik der Zukunft betrachtet. Besonders die Robustheit des Signals und die Vielzahl von Use Cases, die mit dieser Funktechnologie umgesetzt werden können, machen sie äußerst attraktiv. UWB kann weit mehr als nur präzise lokalisieren. Vor allem im Smart Home Bereich wird UWB sich weiter verbreiten.

„Als die Technologie in den frühen 2000er Jahren zum ersten Mal zugelassen wurde, wurde sie für begrenzte Anwendungen eingesetzt. Viele dieser Anwendungen waren industrieller Art und einige wurden im Sport eingesetzt. Mit dem Standard IEEE 802.15.4f wurde UWB für die Sportverfolgung in allen NFL-Stadien eingesetzt. Die NFL verfolgt die Spieler und den Football. Der Ball wird etwa 2.000 Mal pro Sekunde geortet, während er durch die Luft geworfen wird, während die Spieler etwa 12 Mal pro Sekunde geortet werden.“

Tim Harrington

Chairman, UWB Alliance

Logo UBW alliance

Lagerlogistik: UWB im Einsatz bei TB International

Der Modegroßhändler TB International hat in seinem 25.000 m² großen Lager in Groß Gerau, Deutschland, ein System zur Verfolgung von Waren- und Fahrzeugbewegungen in Echtzeit implementiert. Das System verwendet UHF-RFID-Tags und UWB-Sensoren. Jeder Karton im Lager ist mit einem UHF-RFID-Tag ausgestattet, während alle 40 Gabelstapler jeweils zwei RFID-Lesegeräte und ein UWB-Vehicle-Tag zur Übertragung von Positionsdaten tragen. Zusätzlich sind die Gänge des Distributionslagers mit UWB-Sensoren ausgestattet. Das Ergebnis: Die Positionen von Gabelstaplern und Kartons können in Echtzeit mit einer Genauigkeit von 10 cm bestimmt werden.

Bei der Warenannahme im Lager werden digitale Duplikate erstellt und über eine IoT-Plattform an das SAP-ERP-System übermittelt. Diese IoT-Plattform ermöglicht die Generierung von Positionsdaten sowie die Verwaltung und Visualisierung der UWB-Sensoren. Vorteil: Die dargestellten Daten aller digitalen Duplikate bieten einen umfassenden Überblick über alle Logistik- und Materialflüsse. Zusätzlich werden optimale Routen für die Gabelstapler berechnet und dem Fahrer angezeigt. Die Prozesse im Lager werden ähnlich wie ein Digital Twin abgebildet.

„Die Frage für TB International war, wie wir unsere Warenlogistik effizienter gestalten können. Die Kriterien waren: Kosten, Prozessoptimierung, Warenverfügbarkeit, Transparenz, Mitarbeitermotivation, Tracking & Trace, Zukunftsfähigkeit des Produktes und Möglichkeit zur Fehlerbehebung am Produkt und im System. Das Resultat im Testbetrieb ergab eine Effizienzsteigerung von 40% allein im Wareneingang. Das hat uns überzeugt. Wir erfassen jetzt die Kartons vom Hersteller in Asien durch die gesamte globale Supply Chain bis ins Lager in Groß Gerau – erst einmal nur dort – mit RFID-Tags.“

Johannes Rudenko

Business economist, TB International

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RFID- und UWB-Ortung bei der NFL

Die amerikanische National Football League (NFL) setzt UWB- und RFID-Technologie ein, um die Leistung ihrer Spieler zu verfolgen und zu überwachen. Alle Spieler des Football-Teams sind mit zwei aktiven RFID-Tags von Zebra Technologies ausgestattet. Die Tags haben die Größe eines Nickels und wiegen 3,3 Gramm. Diese beiden Tags sind an den Schulterpolstern unterhalb der Schulterklappe angebracht.

Ein dritter RFID-Tag befindet sich auf dem Rücken der Läufer. Damit wird sichergestellt, dass die Datenübertragung auch dann möglich ist, wenn sich die Spieler in Bodennähe befinden. Bei einem einzigen Fußballspiel kommen über 300 RFID-Tags zum Einsatz. Die Positionsdaten der einzelnen Spieler werden über die aktiven RFID-Tags übertragen. Zwischen 22 und 24 UWB-Sensoren mit Antennen sind über das gesamte Stadion verteilt. Diese sind auf das Spielfeld ausgerichtet und haben eine maximale Lesedistanz von zirka 100 Metern.

Die Antennen empfangen die Funksignale der RFID-Tags und erstellen Statistiken, die als Next Gen Stats bekannt sind. Pro Spiel werden mehr als 200 Statistiken erstellt. Innerhalb von fünf Sekunden werden die von den Antennen erfassten und empfangenen Positionsdaten über ein abgeschirmtes Ethernet-Kabel an die MotionWorks-Software übertragen. Diese Software verarbeitet die Daten und ermöglicht die Echtzeit-Visualisierung der Positionsdaten auf einem Dashboard. Bei jedem Spiel werden 260 Datenpunkte verarbeitet. An einem Spieltag werden 750 Millionen Datenpunkte übertragen.

„Die Lösung ist an die Umgebung im Fußballstadion und an das Spiel selbst angepasst. Jeder Spieler trägt zwei aktive RFID-Tags, die unter den Schulterpolstern angebracht sind, und die Linienspieler tragen einen dritten Tag auf dem Rücken.“

Adam Petrus

, Zebra Technologies

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3. Panorama

Connectivity

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.

Ab 2025 Neufahrzeuge mit „Child Presence Detection“

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.

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Standards: IEEE 802.15.4z-Spezifikation

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.

Reichweite und hohe Genauigkeit

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.

Batterielebensdauer des UWB-Transponders

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.

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