Il controllo di frequenza garantisce applicazioni UWB affidabili e sicure

Sviluppata durante la Seconda Guerra Mondiale per le comunicazioni sicure e i sistemi radar, la banda ultralarga (UWB) è stata bandita dall'uso commerciale ed è rimasta largamente inutilizzata per molti decenni. Le norme federali emanate nel 2002 ne hanno consentito un uso più ampio. Da allora, ha acquisito una notevole diffusione in un numero crescente di applicazioni commerciali, tra cui quelle industriali, consumer, di comunicazione e automotive, che sfruttano le sue capacità di posizionamento preciso e di localizzazione, nonché la trasmissione dati ad alta velocità e il consumo energetico minimo che caratterizzano questo protocollo wireless.

Analogamente ad altri protocolli di comunicazione wireless a corto raggio, come Bluetooth e Wi-Fi, UWB consente di creare una rete personale (PAN) che collega i dispositivi elettronici e facilita la trasmissione di dati nelle immediate vicinanze di un individuo. Invece di inviare dati attraverso una LAN o una WAN, una PAN trasmette informazioni tra dispositivi che si trovano nelle vicinanze di una persona.

Tuttavia, UWB si differenzia dalle altre tecnologie di trasmissione per diversi aspetti chiave, che ne stanno alimentando l'implementazione in un numero crescente di applicazioni wireless mainstream.

Figura 1: La sicurezza, l'ampio campo di frequenza e la precisione di rilevamento di UWB sono ideali per molte applicazioni wireless mainstream. (Immagine per gentile concessione di Aker Technology)

UWB opera a una frequenza molto alta e non interferisce con altri protocolli wireless. Facilita attributi come l'audio spaziale, l'integrazione domotica e i sistemi di pagamento senza contatto, rendendoli particolarmente utili nei veicoli, nei dispositivi mobili e consumer come smartphone e tag. Questa tecnologia consente di abilitare funzioni avanzate come l'accesso sicuro a mani libere, la navigazione in ambienti chiusi, i pagamenti senza contatto, la condivisione delle credenziali e la tracciabilità degli articoli.

I vantaggi di UWB

Mentre sia Bluetooth che Wi-Fi si sono assicurati un posto nel mondo delle comunicazioni wireless, UWB è destinato a dominare nelle applicazioni che operano entro 10-20 metri, perché è più veloce, più sicuro ed estremamente preciso. Ciò è dovuto in gran parte alle misurazioni ToF (tempo di volo).

Tabella 1: La banda di spettro da 3,1 a 10,6 GHz di UWB supera quella di Wi-Fi e Bluetooth, che raggiunge i 2,4 ~ 5 GHz. Operando in un campo di frequenza più elevato e con una maggiore larghezza di banda, UWB può trasportare più dati in modo più sicuro, rendendolo ideale per la trasmissione di dati ad alta velocità e a corto raggio. (Immagine per gentile concessione di Aker Technology)

Misurando con precisione il tempo che un segnale impiega a viaggiare tra i dispositivi, la capacità ToF di UWB rende più difficile per un aggressore esterno accedere o manipolare le comunicazioni UWB grazie alla sua natura crittografica, alla generazione di numeri casuali e ad altre tecniche di sicurezza.

Oltre all'elevata sicurezza, la tecnologia UWB offre basso consumo, buona immunità al rumore, posizionamento preciso e tracciamento della posizione, nonché segnali in grado di penetrare facilmente una varietà di materiali. UWB consente di trasmettere una grande quantità di energia di segnale senza interferire con la trasmissione convenzionale a banda stretta e con le onde portanti nella stessa banda di frequenza.

Velocità wireless (dati in tempo reale, tempistica precisa): sebbene la velocità di trasmissione dati Wi-Fi sia leggermente superiore a quella di UWB, rispettivamente 600 Mbps e 460 Mbps, le capacità di rilevamento tipo radar di UWB la rendono una scelta efficace nelle applicazioni wireless. (A titolo di riferimento, la velocità di trasmissione dati di Bluetooth è di 24 Mbps.) Inoltre, con una portata nominale inferiore a quella di Bluetooth o Wi-Fi, UWB è più adatto alle applicazioni a corto raggio che richiedono una temporizzazione precisa e trasmissioni in tempo reale.

Precisione (posizionamento, localizzazione): l'accuratezza di UWB è ineguagliata da qualsiasi altra tecnologia wireless su brevi distanze, per garantire una localizzazione più precisa del dispositivo. L'assenza di interferenze con altre trasmissioni radio e la tecnologia radio burst fanno sì che UWB misuri efficacemente le distanze con una precisione anche di 10-30 cm, molto meglio delle portate di Wi-Fi (2-3 m) e Bluetooth (1-5 m).

Sicurezza (integrità dei dati, trasmissione sicura): la tecnologia di trasmissione a impulsi UWB è resistente al rumore e alla riflessione, il che la rende altamente sicura per una serie di applicazioni. La connessione diretta tra due dispositivi e le precise proprietà di misurazione consentono a UWB di connettersi e autenticare la legittimità del dispositivo in tempo reale senza che le onde radio vengano registrate o ritrasmesse.

Efficienza energetica (bassa dispersione, consumo ottimale): grazie alla velocità di trasmissione e alla tempistica ben definita, UWB conserva l'energia meglio della maggior parte dei protocolli a corto raggio. Può supportare diverse modalità a basso consumo, tra cui l'ibernazione per un'ulteriore ottimizzazione dei consumi. Per i piccoli dispositivi alimentati a batteria, come quelli presenti negli ambienti UWB, il consumo energetico è un fattore cruciale.

Oscillatori a cristallo nelle applicazioni UWB

UWB soddisfa molte esigenze delle applicazioni wireless a corto raggio in un ampio campo di frequenza, ma ciò comporta anche la necessità di un controllo accurato della frequenza per garantire il posizionamento preciso, il tracciamento della posizione e le trasmissioni di dati ad alta velocità che lo rendono così utile.

Tabella 2: Tipici cristalli ad alte prestazioni che soddisfano le esigenze di controllo della frequenza di UWB. I cristalli di quarzo sono dispositivi di controllo della frequenza molto diffusi, utilizzati per garantire il controllo del segnale e della tempistica necessari per trasmettere le informazioni al momento e alla velocità giusti. La stabilità, le caratteristiche di rumore di fase e l'efficienza energetica del cristallo possono influire sulla qualità e sull'affidabilità delle comunicazioni UWB e dei sistemi di posizionamento. (Immagine per gentile concessione di Aker Technology)

Un oscillatore stabile fornisce un segnale di clock affidabile e preciso, che garantisce che gli impulsi UWB mantengano la forma e lo spettro desiderati. In altre parole, la forma dell'impulso generato dal trasmettitore UWB è influenzata dalla temporizzazione fornita dall'oscillatore.

La deriva di frequenza o l'instabilità dell'oscillatore possono provocare distorsioni del segnale e prestazioni scadenti, pertanto la scelta di un cristallo con il campo di frequenza, la tolleranza e la stabilità corretti è fondamentale. Altri parametri chiave sono il tipo di contenitore, la temperatura di funzionamento e la capacità di carico.

Principali mercati UWB

Apparso per la prima volta nell'iPhone 11, UWB ha rapidamente guadagnato terreno in un gran numero di applicazioni basate su PAN, tra cui smart tag e punti di riferimento a bordo dei veicoli, anche detti ancoraggi. La tecnologia UWB contribuisce a far progredire le innovazioni della tecnologia wireless intelligente e ad automatizzare meglio il mondo. Ecco alcuni altri modi in cui UWB sta rivoluzionando vari mercati wireless a corto raggio (Figura 2):

Industriale – UWB è utilizzato per la tracciabilità delle risorse, la localizzazione interna, i sistemi di monitoraggio, le reti di sensori wireless e le applicazioni smart grid. La tecnologia può fornire informazioni precise sulla posizione del personale e delle attrezzature.

Comunicazioni consumer – La tecnologia è utilizzata in smartphone, dispositivi indossabili, sistemi IoT, domotica e smart tag per connessioni wireless veloci e affidabili tra dispositivi a corto raggio. UWB offre un tracciamento spaziale più accurato, come il posizionamento preciso in ambienti interni.

Automotive – I sistemi di accesso senza chiave, l'accesso sicuro al veicolo, i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e la localizzazione utilizzano tutti UWB nel settore automotive per il posizionamento preciso.

Figura 2: Applicazioni UWB. (Immagine per gentile concessione di Aker Technology)

Il controllo della frequenza favorisce le innovazioni wireless

La crescente domanda di connettività wireless, soprattutto con la proliferazione dei dispositivi Internet delle cose (IoT) e la diffusione delle reti 5G, sta spingendo i dati che viaggiano sulle bande di frequenza verso nuovi limiti. La crescente infrastruttura wireless si basa sui parametri di prestazione critici offerti da UWB.

Operando su un ampio campo di frequenza, UWB consente di trasmettere una grande quantità di energia di segnale senza interferire con la trasmissione convenzionale a banda stretta e con le onde portanti nella stessa banda di frequenza. Questa ampia allocazione di banda richiede un controllo accurato della frequenza per evitare interferenze con altri sistemi wireless che operano nelle stesse bande di frequenza, nonché per sincronizzare i trasferimenti di dati e mantenere una comunicazione affidabile.

Conclusione

La tecnologia UWB consente un rilevamento sicuro e preciso, creando una nuova dimensione del contesto spaziale per i dispositivi wireless. Consente di trasmettere una grande quantità di energia di segnale senza interferire con la trasmissione convenzionale a banda stretta e con le onde portanti nella stessa banda di frequenza. UWB è la strada del futuro per l'IoT, i dispositivi indossabili, la localizzazione in tempo reale, l'accesso alle auto, la domotica, le comunicazioni peer-to-peer, lo sblocco automatico delle porte e la gestione degli accessi. Aker è pronta a farne parte con una vasta gamma di cristalli di temporizzazione.