Технология Ultra Wideband: особенности и примеры использования

Последнее обновление - 30.09.2022

Технология Ultra Wideband появилась более 20 лет назад, но только недавно получила распространение на предприятиях, требующих стандартизированного и единого беспроводного средства для подключения компьютерной техники. С ее помощью можно решать целый ряд важных задач:

• надежная защита информации;
• поддержка высокой скорости передачи данных;
• вычисление местоположения объектов;
• снижение затрат электроэнергии.

UWB обладает большим потенциалом, точность определения местоположения составляет от 10 до 30 см. Благодаря этому можно обеспечить контроль периметра опасных зон и контроль выполнения KPI на рабочих местах.

ЧТО ТАКОЕ ТЕХНОЛОГИЯ UWB (ULTRA WIDE BAND)?

Ultra Wideband – это сверхширокополосная технология, используемая для передачи высокочастотных импульсов на малые расстояния. Сигналы UWB распространяются на частотах до нескольких ГГц и достигают относительной ширины полосы пропускания от 25 до 100 %.

Компьютеры и периферийные устройства нуждаются в высокоскоростном интерфейсе, а применение Bluetooth и стандарта 802.11 не всегда помогает достичь поставленных целей. Главным минусом таких протоколов является малая полоса пропускания (в среднем – до 19 Мбит/сек), что нерационально для приложений, которые требуют высокой скорости передачи.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ UWB

UWB-сигналы распознаются как любые сигналы с шириной спектра свыше 500 МГц и диапазоном от 3,1 до 10,6 ГГц. Они достаточно слабые (41,5 дБм/МГц), поэтому не требуют лицензирования ГКРЧ.

Внедрение технологии не требует соблюдения условия прямой видимости и осуществляется с использованием всего нескольких внешних компонентов. UWB является дорогим техническим решением, обеспечивающим установку трекеров с возможностью определения местоположения до 10см.

КАК РАБОТАЕТ ТЕХНОЛОГИЯ UWB ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И INDOOR НАВИГАЦИИ?

При внедрении в инфраструктуру предприятий на каждый отслеживаемый актив помещается специальная метка со встроенным или подключаемым аккумулятором. В процессе своей работы метка принимаетмиллиарды радиоимпульсов, которые рассылаются с интервалом в наносекунды в широком частотном спектре. Приемник или приемопередатчик принимает эти сигналы и преобразует их в информацию, которая позволяет вычислять местоположение объекта.

Демо-комплект для indoor-навигации

Попробуйте все возможности навигации внутри помещений с демо-комплектом от “Навигационные решения”!

Узнать больше

Методы расчета местоположения с помощью UWB

При определении местоположения система использует очень короткие сигналы, которые перемещаются со скоростью света. Время их прибытия вычисляется в широкой полосе пропускания, поэтому точность позиционирования объектов может составлять от 10 до 30 см. В зависимости от потребностей компании UWB трекинг можно использовать с такими методиками расчета, как AoA (Angle of Arrival), TDoA (Time Difference of Arrival), TWR (Two-way-ranging) или PDoA (Phase Difference of Arrival).

TDoA

• Преимущества: наиболее экономное потребление энергии
• Принцип работы: Датчик с определенной периодичностью излучает сигналы, которые принимаются метками за разные промежутки времени (исходя из расстояния). Местоположение датчика вычисляется по разнице во времени между сигналами. TDoA часто называют гиперболическим позиционированием. Поскольку методика проводит расчеты по времени прибытия сигналов, она требует четкой синхронизации между базовыми станциями.
• Область применения: вычисление местоположения большого количества объектов в реальном времени

PDoA

• Преимущества: может использоваться при ограниченных объемах инфраструктуры
• Принцип работы: Чтобы определить местоположение, датчик выполняет оценку разницы в фазах между сигналами на принимающих антеннах. Импульс на антенну, которая располагается дальше от принимающего устройства, приходит с задержкой, что позволяет вычислять местоположение искомого объекта. Угол сигнала определяется относительно точки привязки.
• Область применения: склады и другие объекты с большим количеством имущества

TWR

• Преимущества: позиционная стабильность, высокая точность
• Принцип работы: Метки рассылают короткие импульсы, которые улавливаются считывающими устройствами. Расстояние определяется по времени, которое затрачивается сигналами от отправления до приема. Более усовершенствованной является методика SDS-TWR, применяющая двойное измерение последовательно в 2-х различных направлениях.
• Область применения: определение местонахождения оборудования

AoA

• Преимущества: высокая точность при небольших объемах инфраструктуры
• Принцип работы: При использовании AoA движущиеся объекты рассылают сигналы, которые улавливаются датчиками отслеживания. Принимающие устройства получают эти импульсы и позволяют вычислить местоположение по углу прихода и направлению относительно метки. При расчетах дополнительно учитывается уровень сигнала.
• Область применения: определение местонахождения объектов в реальном времени

Сравнение UWB с другими технологиями

Сверхширокополосное позиционирование не уступает другим радиочастотным технологиям в плане преимуществ и универсальности в применении. Однако система имеет некоторые существенные отличия. Основная разница состоит в степени точности при позиционировании и широком частотном спектре. Высокая точность позволяет использовать UWB в тех местах, где местоположение объектов в режиме реального времени имеет определяющее значение. Рассмотрим, чем еще Ultra-Wideband отличается от Wi-Fi и iBeacon.

Wi-Fi

Wi-Fi является одной из наиболее распространенных радиочастотных технологий для определения местоположения объектов. Однако она существенно уступает UWB в плане точности UWB. Если сверхширокополосная технология находит объекты с точностью до 10–30 см, то Wi-Fi дает результаты в диапазоне 3–5 м.

В отличие от Wi-Fi, Ultra-Wideband не боится помех сигналов и обладает более высокой степенью гибкости. Она требует меньше затрат энергии, что снижает расходы на эксплуатацию. Однако платформу на базе Wi-Fi можно реализовать при помощи существующей инфраструктуры, тогда как для внедрения UWB нужно покупать необходимое оборудование.

Более подробное сравнение Wi-Fi и UWB мы провели в статье - https://nvgn.ru/blog/uwb-vs-wi-fi-kakaya-tekhnologiya-luchshe-dlya-pozicionirovaniya-vnutri-pomeshchenij/.

iBeacon

iBeacon и UWB имеют много общего. Обе системы отличаются низким энергопотреблением, высокой точностью, надежностью в отслеживании объектов. Но между технологиями существует и немало отличий, которые нужно учитывать при организации RTLS. Так, iBeacon обладает меньшим диапазоном и скоростью передачи данных, а Ultra-Wideband является более точной в сравнении с Bluetooth®.

Как говорилось выше, UWB позиционирование в помещении позволяет обнаруживать объекты с точностью до 30 см, тогда как iBeacon находит их с дальностью в 1 м. Причина состоит в том, что сверхширокополосная технология использует для расчетов методику ToF, выполняющую позиционирование по времени прохождения сигнала. Bluetooth® определяет местоположение посредством метода RSSI, который осуществляет вычисления по расстоянию и не может давать достаточного уровня точности.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ТЕХНОЛОГИИ Ultra WideBand

На сегодня сверхширокополосная технология UWB имеет большие перспективы развития. Предполагается, что уже в ближайшее время она будет активно применяться на массовом рынке и помогать в реализации многих бизнес-решений. Причина тому – множество преимуществ, которые выделяют эту систему на фоне аналогов:

• отсутствие ограничений в доступности ВЧ-спектра;
• помехоустойчивость;
• возможность одновременной поддержки сотен каналов;
• большой диапазон масштабирования по критериям скорости;
• единовременная работа в качестве глобальной, локальной и персональной сети;
• глобальная совместимость устройств, применяющих радиочастотный спектр;
• высокая защита данных за счет мощности сигналов на уровне шума;
• спектральная гибкость;
• высокоточное определение местоположения и отслеживание перемещения объектов;
• возможность создания отдельной коммуникационная сети, которая будет мирно соседствовать с другими беспроводными технологиями в офисе.

Navigine SDK

Профессиональные решения для внутреннего позиционирования в реальном времени для мобильных приложений.

Больше

Технология имеет не только плюсы, но и некоторые недостатки. Так, за счет широкой полосы и высокой мощности сверширокополосные сигналы могут мешать уже существующим системам и линиям связи. UWB отличается малой длительностью сигналов. Для их обнаружения можно применять согласованный фильтр или коррелятор, но в такой ситуации будет сложно синхронизировать прием.

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ UWB

С каждым годом UWB позиционирование становится все более востребованным среди представителей бизнеса. Если ранее технология применялась только на военных объектах, то сейчас ее используют в промышленности, здравоохранении, торговой, культурной и транспортной сфере.

Ритейл и торговые центры

В торговой отрасли технология Ultra Wideband обеспечивает прозрачность местонахождения товаров и оборудования. С ее помощью можно организовать удобную навигацию по магазину, выполнить построение интерактивных карт с визуализацией мест интереса, осуществить мониторинг персонала в режиме реального времени. Благодаря использованию системы ритейлерам проще повысить производительность труда сотрудников и значительно увеличить лояльность покупателей к торговой точке.

Здравоохранение

За счет того, что сигналы UWB не взаимодействуют друг с другом и иными радиочастотными составляющими, технология может успешно использоваться для создания помехоустойчивых решений. Так, в здравоохранении ее применяют для отслеживания местонахождения аппаратов ИВЛ или рентгеноборудования. Также она может быть задействована для быстрого поиска и определения местоположения любых медицинских активов, в том числе инвалидных колясок или дорогостоящего оборудования.

Логистика и складирование

Внедрение UWB технологии в инфраструктуру складов позволяет более эффективно управлять предприятием. Она является высоко актуальной в отслеживании товаров, инвентаря или транспортных средств, особенно в случаях, когда нужно знать точное местонахождение активов. Организации могут применять систему для аналитики трафика погрузчиков или транспорта, контроля персонала, корректировки повседневных задач, что обеспечивает эффективную оптимизацию бизнес-процессов и помогает незамедлительно реагировать на внештатные ситуации.

Промышленность

Наибольшее распространение технология Ultra Wideband находит в промышленной сфере. При внедрении в инфраструктуру завода она выполняет широкий спектр функций:

• построение интерактивных карт с зонами доступа;
• визуализация людей и активов на карте;
• отслеживание перемещения объектов в реальном времени;
• создание оптимальных маршрутов для транспортных средств;
• предупреждение о вероятном столкновении транспорта или наезде на работников;
• контроль простоя спецтехники;
• отслеживание контактов персонала для поддержания нормативных требований и повышения безопасности труда.

Транспорт

Система может стать эффективным решением в навигации и позиционировании на территории аэропортов или железнодорожных вокзалов. Она помогает пассажирам выстраивать карты транспортного узла, прокладывать маршруты к местам интереса, проще ориентироваться на местности. Размещение меток на оборудовании позволяет руководству контролировать перемещение техники. С их помощью можно определять точное местонахождение самоходных пассажирских трапов, машин сопровождения, тягачей, перронных автобусов. Также технология обеспечивает постоянное отслеживание потоков людей и помогает избежать заторов в местах наибольшего скопления пассажиров.

Музеи и мероприятия

В музеях UWB можно использовать для создания интеллектуального мобильного гида. Метки устанавливаются на экспонаты и помогают посетителям быстро находить необходимые экспозиции. При использовании платформы появляется возможность мониторить потоки посетителей на выставках и различных мероприятиях. Благодаря этому можно оценивать успешность проведенных событий и грамотно планировать новые. Контроль посетителей помогает повышать безопасность, своевременно находить «проблемные» места и оптимизировать расстановку экспонатов с учетом интересов людей.

Противодействие распространению Covid-19

В 2020 году технология Ultra Wideband зарекомендовала себя для решения задач социального дистанцирования и контроля за распространением Covid-19. UWB используется на носимых устройствах (часы, бейджи и др.), которые при близком расстоянии к другому человеку присылают уведомление о необходимости сохранения дистанции. Также система позволяет отслеживать контакты и в случае заражения человека, позволит легко вычислить тех, кто с ним контактировал.

Компания Navigine готова помочь организовать UWB навигацию и трекинг на предприятии. Мы разрабатываем эффективные программные продукты, которые позволяют решать широкий спектр задач в области indoor позиционирования и навигации на базе определения местоположения.

Чтобы получить больше информации о технологии UWB, заполните онлайн-форму или закажите бесплатную консультацию в Zoom.