Din telefon ligger et sted i stuen. Du går rundt med en anden enhed, og på skærmen vises ikke bare, at telefonen er i nærheden – en pil kan vise retningen, og afstanden kan angives overraskende præcist.

Det virker næsten som en meget lille radar.

Teknologien bag kan være Ultra-Wideband, normalt forkortet UWB.

UWB er en radioteknologi, der adskiller sig markant fra traditionelle systemer som Wi-Fi og Bluetooth. I stedet for primært at være udviklet til at transportere store mængder data eller lyd er en af UWB's vigtigste moderne styrker evnen til meget præcist at bestemme afstand og position mellem enheder.

Hvad betyder Ultra-Wideband?

Navnet beskriver en af teknologiens vigtigste egenskaber.

Ultra-Wideband betyder ultrabredbånd.

Hvor traditionelle radiosystemer ofte arbejder inden for relativt smalle kanaler, anvender UWB signaler med meget stor båndbredde.

UWB-systemer arbejder typisk i GHz-området og kan benytte båndbredder på flere hundrede MHz.

Den store båndbredde er afgørende for teknologiens evne til at skelne meget små tidsforskelle i radiosignalets ankomst.

Hvorfor kan UWB måle afstand så præcist?

Forestil dig, at to UWB-enheder vil finde afstanden mellem hinanden.

Den ene sender et radiosignal. Den anden modtager det og kan indgå i en måling af signalets flyvetid mellem enhederne.

Princippet kaldes ofte Time of Flight.

Vi kender radiosignalets hastighed – omtrent lysets hastighed.

Hvis systemet kan måle signalets rejsetid tilstrækkeligt præcist, kan afstanden beregnes.

Det er noget andet end signalstyrke

Mange trådløse systemer kan lave et groft skøn over afstanden til en anden enhed ved at se på signalstyrken.

Et kraftigt signal antages typisk at komme fra en enhed tæt på, mens et svagt signal antages at komme længere væk.

Problemet er, at signalstyrken påvirkes af langt mere end afstand.

Den kan ændres af:

• vægge
• møbler
• mennesker
• antennernes orientering
• refleksioner
• andre radiosignaler

Derfor er signalstyrke ikke et særligt præcist målebånd.

UWB kan i stedet udnytte signalets tidsmæssige egenskaber og dermed opnå langt bedre afstandsmåling.

Hvor præcist er UWB?

Under gode forhold kan moderne UWB-systemer opnå præcision på centimeterniveau.

Den faktiske nøjagtighed afhænger dog af systemet og omgivelserne.

Vægge, mennesker, refleksioner og manglende direkte signalvej kan påvirke målingen.

Derfor bør man ikke opfatte UWB som et magisk måleinstrument, der altid leverer den samme præcision.

Men sammenlignet med mange traditionelle radiobaserede metoder til indendørs positionsbestemmelse er teknologien usædvanligt præcis.

UWB kan også finde retningen

Afstand er kun én del af problemet.

Hvis en enhed skal vise, hvor en anden befinder sig, er det også nyttigt at kende retningen.

Med flere antenner og analyse af signalernes ankomst kan kompatible UWB-systemer bestemme en vinkel til den anden enhed.

Det kaldes blandt andet Angle of Arrival.

Kombineres afstand og retning, kan brugeroplevelsen blive meget intuitiv:

3,2 meter – den vej.

Et kendt eksempel: Find en genstand

En af de anvendelser, der har gjort UWB kendt blandt almindelige brugere, er lokalisering af genstande.

En lille sporingsenhed kan placeres sammen med eksempelvis nøgler eller en taske.

Når brugeren kommer tilstrækkeligt tæt på med en kompatibel smartphone, kan UWB hjælpe med den sidste og mest præcise del af søgningen.

Det er vigtigt at skelne mellem forskellige teknologier i sådan et system.

Langdistance-lokalisering kan være baseret på et større netværk af enheder, mens UWB anvendes lokalt, når den præcise placering skal findes.

Din telefon er blevet en radiopejler

Set fra et radioteknisk perspektiv er det fascinerende.

Radiopejling har historisk været forbundet med retningsantenner, måleinstrumenter og operatører, der fysisk drejede en antenne for at bestemme retningen mod en sender.

Med UWB kan en del af det grundlæggende princip flyttes ind i en lille forbrugerenhed.

Telefonen kan ved hjælp af avanceret signalbehandling fortælle, hvilken vej brugeren skal gå.

UWB i bilen

Bilindustrien er et andet område, hvor præcis afstandsmåling er interessant.

Moderne biler kan anvende digitale nøgler, hvor en smartphone eller anden elektronisk enhed fungerer som adgangsnøgle.

Her er det ikke altid tilstrækkeligt at vide, at den rigtige enhed kan høres.

Bilen kan have behov for at vide, om nøglen faktisk befinder sig lige ved bilen – eller måske inde i bilen.

UWB kan bidrage med præcis afstandsmåling og dermed gøre positionsbestemmelsen mere robust.

Relay-angreb og den digitale bilnøgle

Traditionelle nøglefri systemer har været udsat for såkaldte relay-angreb.

Princippet er, at et radiosignal mellem bilen og nøglen videresendes over en større afstand.

Bilen kan dermed fejlagtigt tro, at nøglen befinder sig tæt på, selv om den fysisk ligger et andet sted.

Her har UWB en interessant egenskab.

Hvis systemet måler signalets faktiske rejsetid meget præcist, bliver det vanskeligere blot at forlænge kommunikationen elektronisk uden samtidig at påvirke den målte afstand.

UWB på fabrikken

Forestil dig en stor produktionshal med hundredvis af værktøjer, vogne, maskiner og komponenter.

Hvor befinder en bestemt enhed sig?

GPS er fremragende udendørs, men satellitsignaler fungerer dårligt eller slet ikke inde i mange bygninger.

UWB kan bruges som grundlag for et lokalt positionssystem.

Små UWB-tags monteres på de objekter, der skal spores, mens faste referenceenheder placeres forskellige steder i bygningen.

Systemet kan derefter beregne positionen.

Real-Time Location Systems

Denne type løsning kaldes ofte et RTLS – Real-Time Location System.

Systemet kan eksempelvis bruges til at lokalisere:

• værktøj
• paller
• køretøjer
• robotter
• produktionsudstyr
• medicinsk udstyr

Fordelen er ikke nødvendigvis blot, at noget kan findes.

Positionsdata kan også indgå direkte i logistik og automatisering.

Robotten skal vide, hvor den er

Præcis positionering er også relevant for autonome maskiner og robotter.

En robot, der bevæger sig gennem et industriområde, skal kende sin position i forhold til omgivelserne.

Der findes mange teknologier til denne opgave, eksempelvis kameraer, lidar, radar og forskellige former for radiopositionering.

UWB kan indgå som én af informationskilderne og levere lokale afstands- eller positionsmålinger.

Det interessante er, at radiosystemet kan fungere i situationer, hvor optiske systemer har vanskelige forhold.

GPS og UWB løser forskellige problemer

UWB omtales nogle gange som en slags “indendørs GPS”.

Sammenligningen er nyttig, men teknologierne fungerer meget forskelligt.

Teknologierne konkurrerer derfor ikke nødvendigvis.

De kan supplere hinanden.

Hvorfor bruger vi ikke bare GPS indendørs?

GPS-modtageren beregner sin position ud fra meget svage radiosignaler fra satellitter tusindvis af kilometer væk.

Udendørs fungerer det imponerende godt.

Inde i bygninger dæmpes satellitsignalerne kraftigt af tag, vægge og andre konstruktioner.

Samtidig kan refleksioner gøre præcis positionsbestemmelse vanskelig.

Et lokalt UWB-system arbejder derimod over langt kortere afstande og kan designes specifikt til bygningen eller området.

Multipath er radioens gamle problem

Indendørs radiokommunikation påvirkes kraftigt af refleksioner.

Et signal kan bevæge sig direkte fra sender til modtager, men kopier af signalet kan samtidig reflekteres fra vægge, gulve, lofter, maskiner og andre genstande.

Modtageren får dermed flere versioner af signalet med forskellige forsinkelser.

Det kaldes multipath.

Ved simpel afstandsvurdering ud fra signalstyrke kan det skabe betydelige fejl.

UWB's store båndbredde giver mulighed for bedre tidsmæssigt at skelne forskellige signalveje.

Den første radiobølge er særlig interessant

Hvis en direkte signalvej eksisterer mellem to UWB-enheder, vil det direkte signal normalt ankomme før de signaler, der har taget en omvej via refleksioner.

UWB-modtageren kan forsøge at identificere denne tidlige signalvej.

Det er en vigtig årsag til teknologiens gode egenskaber til afstandsmåling i komplekse miljøer.

Men hvis den direkte signalvej er helt blokeret, bliver opgaven vanskeligere, og målefejlen kan vokse.

Lav effekt – meget spektrum

Navnet Ultra-Wideband kan give indtryk af et radiosystem, der fylder voldsomt meget i æteren.

UWB benytter ganske rigtigt en meget stor båndbredde, men sendeenergien kan fordeles over dette brede frekvensområde med lav effekttæthed.

Det er en vigtig del af konceptet.

UWB kan dermed eksistere sammen med andre radiosystemer, når udstyret er konstrueret og reguleret korrekt.

Hvorfor er stor båndbredde vigtig?

Der findes en grundlæggende forbindelse mellem båndbredde og evnen til at skelne hændelser meget tæt på hinanden i tid.

Jo bedre et radiosystem kan bestemme signalets tidsmæssige placering, desto bedre bliver grundlaget for præcis afstandsmåling.

Det er derfor ikke tilfældigt, at UWB anvender en meget større båndbredde end mange traditionelle smalbåndssystemer.

UWB er ikke bare endnu en Wi-Fi-teknologi

Det er let at betragte alle radiosystemer i telefonen som variationer over det samme tema.

Men de er udviklet til forskellige opgaver.

Wi-Fi er først og fremmest udviklet til lokal datakommunikation med høj kapacitet.

Bluetooth er velegnet til forbindelser mellem enheder over kortere afstande og med relativt lavt energiforbrug.

UWB's særlige styrke er præcis ranging og positionering.

En moderne enhed kan derfor indeholde alle tre teknologier samtidig, fordi de supplerer hinanden.

Først Bluetooth – derefter UWB

I praktiske produkter kan flere radiosystemer arbejde sammen.

Bluetooth kan eksempelvis bruges til at opdage en anden enhed og etablere den indledende kommunikation.

Når enhederne er tættere på hinanden, kan UWB anvendes til den mere præcise afstandsbestemmelse.

Det er et godt eksempel på moderne radiodesign.

Man vælger ikke nødvendigvis én radioteknologi. Man kombinerer flere og lader hver teknologi udføre den opgave, den er bedst til.

Afstandsmåling mellem to radioer

En praktisk metode er Two-Way Ranging.

Her udveksler to UWB-enheder signaler med hinanden.

Ved at analysere tidspunkterne for sending og modtagelse kan systemet beregne signalets flyvetid og dermed afstanden.

Metoden kan reducere nogle af de problemer, der ellers opstår, hvis to separate enheder ikke har perfekt synkroniserede ure.

Det hele foregår på ekstremt korte tidsskalaer.

30 centimeter på ét nanosekund

Det er værd at vende tilbage til størrelsesordenen.

Et radiosignal bevæger sig omtrent 30 centimeter på ét nanosekund.

Et nanosekund er en milliardtedel af et sekund.

Hvis en afstandsmåling skal være meget præcis, skal systemet derfor kunne registrere og analysere tidsforskelle, som er næsten ufatteligt små i menneskelig målestok.

Position kræver flere oplysninger

At kende afstanden til én enhed fortæller ikke nødvendigvis, hvor man befinder sig.

Hvis du ved, at du står fem meter fra et bestemt punkt, kan du i princippet befinde dig hvor som helst på en cirkel omkring punktet.

Med afstandsmålinger til flere kendte referencepunkter kan positionen indsnævres.

Det er et princip, der går igen i mange navigations- og positionssystemer.

Et UWB-baseret RTLS kan derfor anvende flere faste referenceenheder – ofte kaldet anchors – til at bestemme placeringen af mobile tags.

Fra lagerhallen til hospitalet

Præcis indendørs lokalisering kan være nyttig mange steder.

På et hospital kan det eksempelvis være relevant hurtigt at finde bestemt mobilt udstyr.

På et lager kan systemet hjælpe med at lokalisere varer eller transportudstyr.

På en fabrik kan positionsdata indgå i automatiserede arbejdsgange.

Og i en bil kan UWB hjælpe køretøjet med at forstå, hvor den digitale nøgle befinder sig.

Den samme grundlæggende radioteknik kan altså løse meget forskellige problemer.

UWB kan ikke erstatte alle andre radiosystemer

Teknologier får ofte etiketten “revolutionerende”, når de bliver populære.

Men UWB er ikke en erstatning for Wi-Fi, Bluetooth, mobilnet, GPS eller traditionel kommunikationsradio.

Det er et specialiseret værktøj med nogle usædvanligt stærke egenskaber.

Har man brug for at sende store datamængder gennem et hjemmenetværk, er Wi-Fi oplagt.

Skal et headset forbindes til en telefon, er Bluetooth oplagt.

Skal positionen findes globalt udendørs, er GNSS oplagt.

Skal afstanden mellem to nærliggende enheder måles meget præcist, bliver UWB interessant.

Fra kommunikation til rumlig forståelse

Det mest interessante ved UWB er måske, at radioen får en ny rolle.

Traditionelt tænker vi radiokommunikation som transport af information:

En sender overfører tale eller data til en modtager.

Med UWB bliver selve radiosignalets rejse også information.

Hvor lang tid tog signalet?

Hvilken retning kom det fra?

Hvordan passer målingen sammen med signaler fra andre referencepunkter?

Radioen bruges dermed ikke kun til at kommunikere med omgivelserne.

Den bruges til at måle dem.

En gammel fysisk konstant – en moderne teknologi

UWB virker moderne, men det centrale princip bygger på noget helt grundlæggende.

Elektromagnetiske bølger bevæger sig med en kendt, ekstremt høj hastighed.

Hvis vi kan måle tiden præcist nok, kan vi bruge denne hastighed som et målebånd.

Det krævede årtiers udvikling inden for mikroelektronik, antenner, digitale kredsløb og signalbehandling, før teknikken kunne placeres i små forbrugerenheder.

I dag kan den befinde sig i en telefon, et ur, en bilnøgle eller en lille sporingsenhed.

Det er det fascinerende ved UWB: Radioen fortæller ikke længere bare, at en anden enhed er der. Den kan også fortælle, hvor langt væk den er – og i nogle systemer endda hvilken vej vi skal gå for at finde den.

Kategori: Radioteknik

Metabeskrivelse: Lær hvordan Ultra-Wideband (UWB) bruger præcis tidsmåling til at finde afstand og position, og hvordan teknologien bruges i telefoner, biler og RTLS.