UWB

UWB – Die erste Wahl für RTLS und Smart Home

UWB sticht mit großer Präzision und vielen neuen Anwendungen hervor

Ultra-WideBand Technologie

Ultra-Breitband oder UWB ist eine Funktechnologie für den Nahbereich. Sie erreicht eine hohe Präzision in der Standortbestimmung bei geringer Sendeleistung.

Häufig wird UWB mit RTLS, einer Indoor-Ortungstechnologie, gleichgesetzt. In der Vergangenheit war das sicher richtig. In den letzten Jahren sind jedoch neue Anwendungsbereiche hinzugekommen. Immer mehr Endgeräte enthalten UWB-Chips.

UWB kann deutlich mehr als nur präzise lokalisieren.

Was ist UWB?

UWB zeichnet sich durch eine geringe Sendeleistung in Kombination mit einem großen Frequenzbereich (zwischen 3,1 und 10,6 GHz in den USA und 6,0 und 8,5 GHz in Deutschland) aus. Sie basiert nicht auf modulierten Funkwellen, die codierte Daten übermitteln, wie das bei anderen Funktechnologien der Fall ist. UWB überträgt Informationen in Form von schwachen Einzelimpulsen. Die Sendeleistung ist auf 10 Nanowatt beschränkt und die Pulse werden alle paar Nanosekunden gesendet, wodurch UWB Echtzeitgenauigkeit erreicht.

UWB ist zwar im selben Frequenzbereich aktiv wie viele andere Funktechnologien (zum Beispiel WLAN, Bluetooth, Mobilfunk), erzeugt innerhalb des Bandes aufgrund der geringen Sendestärke aber keine Interferenzen. Dasselbe gilt im umgekehrten Fall: UWB-Übertragungen werden von anderen Übertragungen nicht gestört. Das macht UWB zu einer sehr verlässlichen Technologie.

Übertragungsmethode ‚Overlay‘

Die Übertragungsmethode von UWB wird als ‚Overlay‘ oder Überlagerung bezeichnet, denn die Pulse des Sendesignals überlagern die ebenfalls im Frequenzband vorhandenen Signale. Der Empfänger filtert die eingehenden Signale nach Impulsform statt wie sonst üblich nach Frequenz. Um Störungen durch Mehrwegeausbreitung zu vermeiden, werden die Signale synchronisiert.

Geringe Reichweite

Die Reichweite von UWB ist relativ gering, da immer eine ungestörte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger bestehen muss. Im Innenbereich besitzen UWB-Transponder eine Reichweite von bis 20 Meter, bei manchen Herstellern bis zu 35 Metern, im Außenbereich bis zu 200 m. Tatsächlich genutzt werden UWB-Transponder bislang für kürzere Messentfernungen und als Kabelersatz.

Lebensdauer des UWB-Transponders

Die zugelassene Leistung einer UWB-Übertragung liegt bei maximal 0,5 mW bei Nutzung des gesamten Frequenzbands, meistens jedoch darunter. Beinahe alle Implementierungen nutzen weniger als 1000 MHz Bandbreite, was maximal 0,074 mW entspricht. Zum Vergleich: ein 4G/LTE Handy sendet mit einer Leistung von 200 mW. Die Batterielebensdauer eines UWB-Transponders kann deswegen bei mehr als 3 Jahren liegen. Während in einem Warenlager der Ortungsvorgang mit einer Frequenz von 1 Hz vonstatten geht, ist bei einem Szenario mit hoher Mobilität eine Sendefrequenz von 1 kHz erforderlich. In dem Fall verkürzt sich die Batterielebensdauer drastisch.

UWB gilt als Schlüsseltechnologie im Lagermanagement. Die Funksignale sind robust und Echtzeit genau.

Für die redaktionelle Unterstützung des Beitrags „Ultra-Wideband Technologie die erste Wahl für RTLS und Smart Home“ bedanken wir uns bei:

Carl Fenger

Technical Communications Manager

Leiter Vertrieb

Director Product Management & Innovations

Kathrein Solutions

Präzise Echtzeitortung mit UWB

UWB in Industrie und Logistik

UWB ist als eine Technologie für Echtzeit- Lokalisation (RTLS) im Nahbereich bekannt. Im Vergleich zu anderen Funktechnologien erzielt UWB eine höhere Positionsgenauigkeit von bis zu wenigen Zentimetern. Erreicht wird das, da nicht die Signalstärke, sondern die Signallaufzeit zwischen dem Sender (dem UWB-Transponder oder Tracker) und wenigstens drei Empfängern (Anker genannt) gemessen wird.

Der UWB-Transponder sendet ein Signal aus, das von allen Ankern in der Nähe, abhängig von der Entfernung, zeitlich unterschiedlich empfangen wird. Die Zeitdifferenz wird mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit im Raum multipliziert und die Koordinaten des Senders werden berechnet.

Vor allem in Umgebungen, in denen GPS/GNSS Signale blockiert werden, ist die Exaktheit der Lokalisierung durch UWB-Technologie von Vorteil (beispielsweise in Innenräumen). Bei diesen Applikationen wird die Ortung und Rückverfolgung von Waren möglich, während sie innerhalb von Lägern und Produktionsstandorten transportiert werden. Hier übernimmt UWB zum Teil auch die Funktionen eines RFID-Tags. BMW verwendet beispielsweise UWB an der Produktionsstrecke. Skoda und SCANIA tracken ihre Flurförderfahrzeuge mit UWB, um Staus zu vermeiden, die Sicherheit zu erhöhen und Transparenz zwischen Lager und Shopfloor zu schaffen.

Zukunft

UWB wird als Schlüsseltechnologie in der Fabrik der Zukunft verstanden. Vor allem die Robustheit des Signals und die Tatsache, dass sich zahlreiche Use Cases mit dieser Funktechnologie umsetzen lassen, macht sie sehr attraktiv.

Ron Jäger, Executive Manager Sales, Winckel, erklärt: „Einige Anbieter, uns eingeschlossen, haben ihre Expertise in der Prozessautomatisierung mit Auto-ID-Technologie um UWB erweitert. Für eine durchgängige Datenerfassung und Prozesssicherheit setzt Winckel auf einen hybriden Mix aus unterschiedlichen Technologien und verbindet diese mittels der eingesetzten Software Suite AMIA. Die Kundenresonanz aus unseren ersten Workshops ist sehr positiv, denn UWB ist eine weitere Technologie, die unseren Kunden hilft, die Anzahl manueller Prozesse zu reduzieren.“

Kombination: RFID und UWB

Michael Kaiser, Director Product Management & Innovations, Kathrein Solutions, erklärt warum die Kombination von RFID- und UWB-Technologie häufig echte Vorteile erzeugen. „Während RAIN RFID in der Industrie und der Logistik seit langem als Kosten optimiertes Identifikations-Verfahren eingesetzt wird, ist Lokalisieren auf Basis von UWB noch ein relativ neues Thema bei Auto-ID. Jedoch richtig eingesetzt, kann das Kathrein K-RTL-System, die Lücke zwischen dem preiswerten RFID-Tagging und hoch genauer Lokalisierung mit UWB schließen.

Durch die Synergie von RFID, NFC und UWB im K-RTLS-Transponder kann die Position von Gebinden oder Flurförderfahrzeugen präzise erfasst werden und gleichzeitig die vorhanden RFID-Infrastruktur weiter genutzt werden, um die getätigten Investitionen zu schützen,“ lautet Michael Kaisers Erklärung.

UWB besitzt in industriellen Anwendungen eine hohe Positionsgenauigkeit

Elektronische Geräte, die UWB-Chips enthalten, können mit einem UWB-fähigen Smartphone angesteuert und bedient werden.

UWB im Smartphone

Smart Home Technologien bieten intelligente Funktionen und nehmen immer weiter zu. Sie bieten Komfort, Kontrolle über Geräte und unterstützen immer öfter auch Entscheidungen.

UWB und Smart Home

UWB im Smartphone

Seit 2019 sind iPhones, einige Samsung Smartphones, einige Lenovo Laptops, Microsoft Smartphones und das Google Pixel Phone mit einem UWB-Chip ausgestattet. Die Anwendungen dafür sind umfangreich und vielfältig. Anstelle eines Schlüsselanhängers, dessen RFID-Signal gespiegelt werden kann, was den Autodiebstahl erleichtert, kann das Telefon nun das Auto öffnen und starten. Es gibt Mobile Payment Anwendungen mit UWB: erst kürzlich hat sich die ING Bank mit NXP Semiconductors und Samsung zusammengetan, um die branchenweit erste UWB-basierte Peer-to- Peer-Zahlungsanwendung zu testen.

Sie heißt NEAR und Menschen können damit Geld überweisen, indem sie einfach ihr Telefon auf das Smartphone einer anderen Person richten. Die Anwendung geht im Sommer 2022 in die nächste Pilotphase. Apple nutzt UWB auch für AirDrop: die Dateiübertragung wird mit UWB eingeleitet, das dann die Verbindung für eine schnellere Übertragung herstellt. Apples AirTag basiert ebenfalls auf UWB.

Smart Home

RTLS-Tracker lassen sich leicht mit Sensoren für Smart Home-Anwendungen kombinieren. Die UWB-Chips von Novelda in Norwegen kommen in einem Babymonitor zum Einsatz.

Zusammen mit Bewegungs- und Atemsensoren misst der Monitor minimale Bewegungen beziehungsweise das Fehlen von Bewegungen und hilft bei der Prävention des plötzlichen Kindstodes. Erwachsene können ähnliche Geräte zur Entdeckung von Schlafapnoen nutzen.

Der chinesische Smartphone-Hersteller Xiaomi bietet Smart Home-Anwendungen per Smartphone an. UWB-fähige Geräte erscheinen, wenn man das Smartphone auf sie richtet, sofort in einem Bediendisplay. Fernseher, Lautsprecher, aber auch Saugroboter, die Klimaanlage oder Küchengeräte können so angesprochen werden. Per UWB-Chip wird das Smartphone zu einer Art universaler Fernbedienung.

Potenzial UWB im Smartphone

Carl Fenger, Technical Communications Manager, Legic Identsystems, beschreibt die Vorteile folgendermaßen: „Die Navigation im Innenbereich mit UWB RTLS in Kombination mit einem mobilen System für das Management von Zugangsberechtigungen birgt ein immenses Potential für Bürogebäude, Krankenhäuser, Geschäfte, Flughäfen, Industrie- und Logistikumgebungen. Es ist eine relativ unerschlossene Technologie, welche die Interaktion zwischen Menschen und Infrastruktur revolutionieren wird – genau wie vor 30 Jahren GPS.”

Interview

Begeistert von der Ortungsgenauigkeit

RFID im Blick sprach mit Timothy Harrington, dem Vorsitzenden der UWB Alliance, über die Potenziale und Geschichte der UWB-Technologie sowie die Ziele und Aufgaben der UWB Alliance.
INTERVIEW MIT TIM HARRINGTON

Timothy Harrington ist der Vorsitzende der Ultra Wide Band (UWB) Alliance und stellvertretender Vorsitzender von ETSI TGUWB. Die UWB-Alliance widmet sich der Erweiterung des regulatorischen Umfelds für UWB-Produkte und Koexistenzstrategien für die gemeinsame Nutzung des Spektrums mit anderen RF-Geräten und -Diensten. Zuvor war Timothy Harrington Vice President of Hardware Product Strategy bei der Zebra Location Solutions Group, einem Hersteller von Echtzeit-Ortungssystemen (RTLS). Außerdem war er 16 Jahre lang als VP of Product Strategy bei WhereNet tätig und entwickelte dort die ersten kommerziell erhältlichen RTLS-Produkte.

1. Die UWB Alliance ist eine junge Organisation. Wann und warum wurde sie gegründet?

Die UWB Alliance feierte ihre Gründungsversammlung im März 2018. Ich war der Vorsitzende der IEEE 802.15.4z Task Group, in der wir an der Verbesserung der UWB-Standards gearbeitet haben. Als nur noch etwa sechs Monate bis zur Veröffentlichung des .4z-Standards blieben, beschlossen einige Unternehmen aus der Task Group, in einem neuen Forum weiter zusammenzuarbeiten. Dies war der Beginn der UWB Alliance.

2. Welche Ziele verfolgt die UWB Alliance?

Als Organisation ist es unser Ziel, regulatorische Veränderungen in den USA, der EU und anderen Regulierungsregionen zu bewirken. Ich bin auch stellvertretender Vorsitzender der europäischen ETSI TGUWB, wo wir uns ebenfalls auf UWB konzentrieren.

Die Allianz widmet sich der Erweiterung des regulatorischen Umfelds für UWB-Produkte und der Entwicklung von Koexistenzstrategien für die gemeinsame Nutzung von Frequenzen mit anderen HF-Geräten und -Diensten. Mitglieder und Mitarbeiter arbeiten auch mit dem IEEE zusammen.

3. Da Sie die gemeinsame Nutzung des Spektrums mit anderen HF-Geräten erwähnen – verursacht UWB Interferenzen?

Das ist nicht der Fall, aber ich kann verstehen, warum man das denken könnte. Diese Bänder werden bereits von so vielen Nutzern belegt. Aber UWB ist anders. Die meisten Technologien verwenden modulierte Funkwellen als Träger für kodierte Daten. UWB ist extrem leistungsschwach und überträgt kleine Informationseinheiten mit Impulsen von Nanosekundenlänge, die die anderen Übertragungen überlagern.

Da UWB-Pulse ein ähnliches Rauschen wie ein Computer erzeugen, können sie problemlos innerhalb des Frequenzbandes koexistieren. Die Impulsmethode stellt sicher, dass die UWB-Signale andere Funktechnologien nicht stören und deren Störungen widerstehen. Das macht UWB so robust.

4. Wofür kann UWB eingesetzt werden?

Als die Technologie Anfang der 2000er Jahre erstmals zugelassen wurde, wurde sie für Anwendungen mit geringem Umfang eingesetzt. Vieles davon war industriell und einiges wurde im Sport eingesetzt. Mit dem IEEE 802.15.4f-Standard 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, die Spieler werden etwa 12 Mal pro Sekunde geortet. Die Ortung war also eine Schlüsselanwendung. Mit der Integration in Smartphones durch praktisch alle großen Hersteller hat sich die Bandbreite der Anwendungen jedoch stark erweitert.

5. Warum ist UWB bei der Ortung erfolgreicher als andere Technologien?

UWB ist einfach extrem genau. Ich habe mich bei einem Unternehmen namens WhereNet, das von Zebra Technologies übernommen wurde, mit der Ortung mit Breitbandtechnik beschäftigt. Diese Technologie arbeitete im 2,4-GHz-Band, sah also aus wie RFID, konnte aber so viel mehr als RFID. Zusammen mit AIM nannten wir es Real Time Locating Service, RTLS. Das war der Anfang für industrielle und militärische Anwendungen sowie für die Logistik. Damals war ich sehr begeistert von der hohen Ortungsgenauigkeit. Bei 2,4 GHz konnten wir nur bis auf 30 cm genau sein, aber heute sprechen wir bei UWB von einer Genauigkeit von circa 1 cm.

6. Gibt es neben der Ortung noch andere Einsatzmöglichkeiten für UWB?

Ja, natürlich! UWB ist inzwischen sehr weit verbreitet. iPhones verfügen seit der Serie 11 über UWB und auch Samsung-Geräte sind UWB-fähig. Anstelle eines Schlüsselanhängers kann das Telefon jetzt das Auto öffnen und starten. Mobile Payment wird gerade mit UWB erprobt. Apple nutzt UWB auch für AirDrop und den AirTag. Es gibt außerdem viele Smart Home-Anwendungen.

7. Wird UWB auch noch in der industriellen Fertigung eingesetzt?

Ja, vor allem in der Automobilherstellung werden UWB-Transponder eingesetzt. BMW zum Beispiel verwendet es am Fließband. Es kommen verschiedene Fahrzeuge auf das Band, und die Drehmomenteinstellungen der kabellosen Werkzeuge müssen für jedes von ihnen unterschiedlich sein. Deshalb tragen die Fahrzeuge vorne UWB-Tags. Das UWB-System identifiziert das einzelne Fahrzeug und sendet eine Nachricht, die automatisch die Drehmomenteinstellungen der Anlage für den jeweiligen Fahrzeugtyp anpasst, was eine Menge Zeit spart.

8. Was würden Sie sagen: Ist die Geschichte von UWB eine Erfolgsgeschichte?

Es sieht mittlerweile wirklich so aus! Bis 2019 wurden pro Jahr nur mehrere Zehntausend UWB-Chips und Geräte verkauft. Die Nachfrage ist seitdem enorm gestiegen. 2020 wurde allein das iPhone 11 64 Millionen Mal verkauft. Gemeinsam mit dem 12, 13 und dem Samsung 21+ befinden sich hunderte Millionen UWB-Geräte im Umlauf.