UWB: Präzise Positionierung, sicheres Ranging und drahtlose Sensorik

Ultra-Wideband, kurz UWB, hat sich von einer spezialisierten Funktechnologie zu einer der Schlüsseltechnologien für präzise Positionierung und sichere Distanzmessung entwickelt. Mit extrem kurzen Funkimpulsen über Kanäle mit mindestens 500 MHz Bandbreite kann UWB die Entfernung und relative Position zwischen Geräten mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich bestimmen.

Heute wird UWB für digitale Fahrzeugschlüssel, Echtzeit-Lokalisierungssysteme, Asset Tracking, Zutrittskontrolle und Indoor-Navigation eingesetzt. Mit IEEE 802.15.4ab erweitert sich das Einsatzspektrum nun um Präsenzerkennung, Umgebungskartierung und radarähnliche Sensorik.

Der entscheidende Unterschied zwischen UWB und Technologien wie Bluetooth LE oder Wi-Fi liegt nicht einfach in einem anderen Frequenzband. Entscheidend ist vielmehr, wie das Funksignal erzeugt und gemessen wird.

UWB verteilt eine sehr geringe Funkenergie über eine sehr große Bandbreite von 500 MHz oder mehr und nutzt extrem kurze Impulse, die typischerweise im Nanosekundenbereich liegen. Dadurch lässt sich die Signallaufzeit sehr präzise messen und in eine Entfernung umrechnen.

Diese Fähigkeit gibt vernetzten Geräten etwas, wofür konventionelle drahtlose Kommunikation ursprünglich nicht primär entwickelt wurde: räumliches Bewusstsein.

Wie UWB Entfernungen misst

Die meisten konventionellen drahtlosen Positionierungsverfahren bestimmen den Standort nur indirekt.

Ein Bluetooth-Beacon-System kann beispielsweise die Entfernung anhand der empfangenen Signalstärke abschätzen. Die Signalstärke verändert sich jedoch, wenn Menschen, Wände, Maschinen oder andere Materialien Funkwellen absorbieren oder reflektieren. Dadurch wird die zuverlässig erreichbare Genauigkeit in komplexen Umgebungen begrenzt.

UWB nutzt Time of Flight, kurz ToF. Ein Funksignal breitet sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit aus. Wenn zwei UWB-Geräte exakt messen, wie lange ein Signal von einem Gerät zum anderen benötigt, lässt sich daraus die physische Entfernung berechnen.

Beim Two-Way Ranging tauschen die Geräte Datenpakete aus und messen die Laufzeit des Hin- und Rückwegs. Weil UWB-Impulse extrem kurz sind und eine große Bandbreite nutzen, kann ihr Eintreffzeitpunkt sehr präzise bestimmt werden.

Je nach Systemarchitektur können mehrere Distanzmessungen anschließend kombiniert werden, um eine zwei- oder dreidimensionale Position zu berechnen.

Feste UWB-Geräte in einer RTLS-Installation werden üblicherweise als Anchors bezeichnet. Mobile Geräte an Assets, Werkzeugen, Fahrzeugen oder Personen heißen meist Tags.

Das Ergebnis kann eine Echtzeitpositionierung mit einer Genauigkeit im Zentimeter- statt im Meterbereich sein.

Das UWB-Frequenzspektrum

Der Begriff Ultra-Wideband beschreibt die Breite des übertragenen Signals und nicht eine einzelne Frequenz. International kann UWB ungefähr im Bereich von 3,1 bis 10,6 GHz betrieben werden, wobei zulässige Frequenzbereiche, Leistungsgrenzen und anwendungsspezifische Anforderungen je nach Region variieren.

Moderne interoperable UWB-Systeme konzentrieren sich zunehmend auf Frequenzen oberhalb von 6 GHz. Zwei wichtige IEEE-UWB-Kanäle sind:

• Kanal 5: Mittenfrequenz 6,4896 GHz, ungefähr 6,24 bis 6,74 GHz

• Kanal 9: Mittenfrequenz 7,9872 GHz, ungefähr 7,74 bis 8,24 GHz

Beide nutzen rund 500 MHz Bandbreite. Kanal 9 spielt insbesondere im Automotive-Bereich und bei anderen Anwendungen mit internationaler Interoperabilität eine wichtige Rolle.

In Europa definiert ETSI anwendungsspezifische Anforderungen für den UWB-Betrieb, unter anderem in den Bereichen 3,1–4,8 GHz und 6,0–8,5 GHz.

Das zentrale Prinzip: UWB verteilt eine sehr geringe Sendeleistung über eine sehr große Bandbreite. Das ermöglicht präzise Time-of-Flight-Messungen und erleichtert gleichzeitig die Koexistenz mit anderen Funktechnologien in überlappenden Frequenzbereichen.

Warum große Bandbreite hohe Präzision ermöglicht

Die Präzision von UWB basiert direkt auf physikalischen Eigenschaften.

Bei einem schmalbandigen Funksignal kann eine exakte Zeitbestimmung schwieriger sein, weil sich die Wellenform über einen vergleichsweise langen Zeitraum erstreckt. UWB-Impulse dagegen sind kurz und klar definiert.

Mit 500 MHz oder mehr Bandbreite können Empfänger sehr kleine Unterschiede beim Eintreffen eines Signals erkennen. Dadurch eignet sich UWB besonders gut für Time-of-Flight-basierte Distanzmessungen.

FiRa nennt Positionierungsgenauigkeiten im Zentimeterbereich und weist darauf hin, dass UWB auch in anspruchsvollen Multipath-Umgebungen präzise arbeiten kann, in denen Signale von Wänden und Objekten reflektiert werden.

Die Reichweite hängt stark von Antennen, Sendeleistung, Frequenz und Umgebung ab. FiRa gibt an, dass praktische UWB-Produkte bei freier Sichtlinie etwa 100 Meter erreichen können, in einigen Konfigurationen auch mehr. Industrielle Positionierungssysteme werden jedoch normalerweise nach der für die Anwendung erforderlichen Genauigkeit und Zuverlässigkeit ausgelegt und nicht nach maximaler Funkreichweite.

Sicheres Ranging: Mehr als präzise Positionierung

Präzision allein erklärt nicht die schnelle Verbreitung von UWB im Automotive-Zugang.

Der zweite große Vorteil ist Secure Ranging, also die sichere Distanzmessung.

Traditionelle Passive-Entry-Systeme können anfällig für Relay-Angriffe sein. Dabei fängt ein Angreifer das Funksignal eines weiter entfernten legitimen Schlüssels ab und überträgt es in Fahrzeugnähe weiter. Das Fahrzeug nimmt dadurch fälschlicherweise an, der Schlüssel befinde sich direkt in der Nähe.

UWB misst die tatsächliche Laufzeit des Funksignals.

Durch das Weiterleiten des Signals entsteht zusätzliche Verzögerung. Dadurch wird es deutlich schwieriger, eine geringere physische Entfernung vorzutäuschen.

IEEE 802.15.4z hat UWB speziell für sicheres Ranging weiterentwickelt, unter anderem durch Mechanismen auf PHY-Ebene zum Schutz von Ranging-Vorgängen.

Die Automobilindustrie hat daraus einen der sichtbarsten UWB-Anwendungsfälle gemacht.

Der Digital Key des Car Connectivity Consortium kombiniert Bluetooth LE, UWB und NFC. Bluetooth LE übernimmt die Kommunikation in der Nähe und die Authentifizierung, während UWB die Entfernung sicher misst und bestimmt, ob sich das autorisierte Smartphone tatsächlich in Fahrzeugnähe oder im Fahrzeug befindet. NFC bleibt für sehr kurze Distanzen und Low-Battery-Szenarien verfügbar.

UWB in Echtzeit-Lokalisierungssystemen

Lange bevor Smartphones und digitale Fahrzeugschlüssel UWB einem breiteren Publikum bekannt machten, war die Technologie bereits für Real-Time Location Systems, RTLS attraktiv.

Fabriken, Lagerhäuser, Krankenhäuser und Logistikumgebungen können UWB-Anchors in einem Gebäude installieren und mobile Assets mit Tags ausstatten.

Die Distanzmessungen zwischen Tags und Anchors ermöglichen es dem System, die Position eines Assets in Echtzeit zu berechnen.

Typische Anwendungen sind:

• Produktions- und Materialflussverfolgung

• Lokalisierung von Werkzeugen und Betriebsmitteln

• Tracking von Gabelstaplern und Fahrzeugen

• Asset Management in Krankenhäusern

• Mitarbeitersicherheit

• Geofencing

• automatisierte Prozesssteuerung

• Indoor-Navigation

UWB kann dichte Installationen mit Hunderten Anchors und Tausenden Tags unterstützen, weil kurze Übertragungen und präzise Synchronisation eine effiziente Planung der Funkaktivität ermöglichen.

Der Mehrwert besteht nicht nur darin, einen Punkt auf einer Karte zu sehen. Position kann zu einer direkten Eingangsgröße für digitale Produktionsprozesse werden: Ein Maschinenbauteil lässt sich automatisch einem Arbeitsplatz zuordnen, ein autonomes Fahrzeug kann Standortkontext erhalten oder ein Workflow wird ausgelöst, sobald ein Asset eine definierte Zone betritt.

UWB, Bluetooth LE, Wi-Fi und RFID ergänzen sich

UWB soll nicht jede andere Funktechnologie ersetzen.

Die Stärke liegt in präziser räumlicher Information.

Bluetooth LE wird breit für energieeffiziente Gerätekommunikation und Proximity-Anwendungen eingesetzt. Wi-Fi bietet hohe Datenraten in lokalen Netzwerken. RFID identifiziert getaggte Objekte effizient und funktioniert bei passiver RFID sogar ohne Batterie. Mobilfunktechnologien verbinden Geräte über große Distanzen.

UWB wird besonders relevant, wenn eine Anwendung Entfernung, Richtung oder präzise Position kennen muss.

Deshalb werden hybride Architekturen immer häufiger.

Ein Smartphone kann Bluetooth LE verwenden, um ein Fahrzeug zu erkennen und zu authentifizieren, während UWB die exakte Entfernung bestimmt. Ein industrielles Asset kann RFID zur Identifikation und UWB für die Echtzeitpositionierung nutzen. Ein mobiles Gerät kann Daten über Wi-Fi übertragen, während UWB den räumlichen Kontext liefert.

Von der Distanz zur Richtung

Entfernung ist nur eine Dimension der Positionierung.

UWB-Systeme können zusätzlich den Angle of Arrival, AoA, bestimmen. Dabei werden mehrere Antennen genutzt, um zu ermitteln, aus welcher Richtung ein Signal eintrifft.

Die Kombination aus Entfernung und Richtung ermöglicht es, ein Gerät relativ zu einem anderen mit weniger Infrastrukturpunkten zu lokalisieren, als sonst erforderlich wäre.

Das ist besonders interessant für Indoor-Navigation, Device Pointing, Zutrittskontrolle und räumliche Interaktionen.

Dasselbe räumliche Bewusstsein hält zunehmend Einzug in Consumer Electronics, Industrieanlagen und Fahrzeuge.

IEEE 802.15.4ab: Die nächste UWB-Generation

UWB steht vor einem weiteren wichtigen technologischen Entwicklungsschritt.

Die IEEE-802.15.4ab-Erweiterung entwickelt PHY und MAC von UWB über die bisherigen Möglichkeiten von IEEE 802.15.4 und IEEE 802.15.4z hinaus weiter.

Das Projekt umfasst zusätzliche Codierungs- und Modulationsverfahren, einen verbesserten Link Budget, neue Kanäle und Betriebsfrequenzen, bessere Interferenzunterdrückung, höhere Gerätedichten, zuverlässigeres Ranging, energiesparendere Mechanismen und verbesserte Discovery-Funktionen.

Hinzu kommen leistungsfähigere Kommunikationsmodi, darunter Low-Power- und Low-Latency-Streaming sowie High-Data-Rate-Streaming mit mindestens 50 Mbit/s.

Die möglicherweise folgenreichste Erweiterung ist jedoch UWB Sensing. IEEE nennt ausdrücklich Präsenzerkennung und Umgebungskartierung als Teil des Anwendungsumfangs von IEEE 802.15.4ab.

UWB wird zum radarähnlichen Sensor

Traditionelles UWB-Ranging setzt eine Kommunikation zwischen UWB-fähigen Geräten voraus.

Radar-Sensing verändert dieses Modell.

Der Sender überträgt UWB-Signale in die Umgebung, während der Empfänger Reflexionen von Personen, Objekten und Oberflächen analysiert. Ein erkanntes Objekt benötigt daher nicht zwingend einen eigenen UWB-Tag.

Veränderungen in den reflektierten Signalen können Präsenz, Bewegung und Veränderungen in der physischen Umgebung sichtbar machen.

Damit eröffnet sich eine neue Richtung für UWB.

Dieselbe UWB-Plattform könnte künftig folgende Funktionen kombinieren:

Secure Ranging, präzise Positionierung, Präsenzerkennung, Bewegungserkennung und Umgebungskartierung.

Besonders interessant ist das im Automotive-Bereich. UWB-Funkmodule, die bereits rund um ein Fahrzeug für digitale Schlüssel eingesetzt werden, könnten zusätzlich weitere Sensorfunktionen übernehmen. Auch industrielle UWB-Infrastrukturen für Positionierung könnten künftig zusätzliche Formen der Präsenz- und Umgebungserkennung ermöglichen.

IEEE und FiRa: Standards und Interoperabilität

IEEE liefert die technische Grundlage für UWB. Innerhalb der IEEE-802-Familie von Netzwerkstandards ist UWB in IEEE 802.15.4 für Low-Rate Wireless Personal Area Networks und den späteren Erweiterungen spezifiziert, darunter IEEE 802.15.4z für erweitertes und sicheres Ranging sowie IEEE 802.15.4ab für die nächste Generation von UWB-Funktionen.

IEEE definiert damit, wie die Funktechnologie auf PHY- und MAC-Ebene funktioniert, einschließlich Signalisierung, Ranging-Mechanismen und weiterer technischer Kernfunktionen.

Für die Interoperabilität kommerzieller Produkte ist eine zusätzliche Ebene erforderlich. Das FiRa Consortium, 2019 von HID, NXP Semiconductors, Samsung Electronics und Bosch gegründet, entwickelt Implementierungsspezifikationen, Zertifizierungsprogramme und Use-Case-Profile auf Basis der IEEE-Standards.

FiRa baut auf IEEE 802.15.4 und IEEE 802.15.4z auf und bereitet zukünftige Spezifikationen rund um die mit IEEE 802.15.4ab eingeführten Funktionen vor.

Wohin sich UWB entwickelt

UWB hat bereits mehrere technologische Rollen durchlaufen.

Die Technologie wurde zunächst als High-Data-Rate-Kommunikationslösung untersucht, die mit Wi-Fi konkurrieren sollte. Später wurde UWB vor allem mit präzisem Impulsradio-Ranging verbunden. IEEE 802.15.4z stärkte das sichere Ranging und half dabei, UWB zu einer zentralen Technologie für digitale Schlüssel zu machen.

Die nächste Entwicklungsstufe ist breiter. UWB wird zu einer Technologie für räumliches Bewusstsein.

Digitale Systeme können damit verstehen, wo sich Geräte befinden, wie weit sie voneinander entfernt sind und zunehmend auch, was physisch in ihrer Umgebung geschieht.

Mit IEEE 802.15.4ab kommen Sensorik, höhere Datenleistung und weitere Verbesserungen beim Ranging hinzu. UWB entwickelt sich damit von einer Positionierungstechnologie zu einer breiteren Funkplattform, die Lokalisierung, Sicherheit, Kommunikation und Sensorik miteinander verbindet.

Für Industrial IoT und den Smart Edge macht das UWB zu einer der Schlüsseltechnologien, um digitale Informationen mit der physischen Welt zu verbinden.

Quellen und weiterführende Informationen

• IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers
  Internationale Fach- und Standardisierungsorganisation, die technische Standards für Elektronik, Kommunikation und Computing entwickelt. Für UWB definiert IEEE die grundlegenden PHY- und MAC-Spezifikationen innerhalb der IEEE-802.15.4-Familie, einschließlich IEEE 802.15.4z und IEEE 802.15.4ab. IEEE P802.15.4ab Project Overview

• FiRa Consortium — Fine Ranging Consortium
  Industriekonsortium für den Aufbau eines interoperablen UWB-Ökosystems. FiRa entwickelt Implementierungsspezifikationen, Zertifizierungsprogramme und Use-Case-Profile auf Basis der IEEE-UWB-Standards, damit Geräte unterschiedlicher Hersteller zuverlässig zusammenarbeiten können. UWB Technology, Spectrum and Ranging

• ETSI — European Telecommunications Standards Institute
  Europäische Standardisierungsorganisation für Telekommunikation, Funk und digitale Kommunikation. Für UWB ist ETSI insbesondere für Frequenznutzung und regulatorische Konformität in Europa relevant, einschließlich harmonisierter Standards für unterschiedliche UWB-Gerätekategorien und Frequenzbereiche. Worldwide UWB Regulations Between 3.1 and 10.6 GHz

• CCC — Car Connectivity Consortium
  Globales Automotive-Industriekonsortium, das interoperable Standards für vernetzte Fahrzeuge entwickelt. Die Digital-Key-Spezifikationen kombinieren unter anderem Bluetooth LE, UWB und NFC für sicheren Fahrzeugzugang und digitale Fahrzeugschlüssel. CCC Digital Key and UWB Secure Ranging