Er wordt een overzicht gegeven van de status van draadloze ultra-wideband (UWB), inclusief de status van de UWB-regelgeving, FiRA, omlox, CCC en IEEE802.15.4.
Blog

De staat van UWB in 2024

De staat van UWB in 2024
Samuel Van de Velde
Feb 5, 2024

UWB-technologie (ultra-wideband) bestaat al vele jaren, maar tot een paar jaar geleden was het nog een nichetechnologie die slechts door een klein aantal baanbrekende bedrijven werd toegepast. Uit recente marktgroeicijfers blijkt dat het succes van UWB sterk is toegenomen in consumentenproducten zoals smartphones, smartwatches, slimme apparaten voor thuisgebruik, maar ook in de automobiel en industriële sector.

In 2024 zal de technologie, die hard op weg is om de wereldwijde standaard te worden, verder worden toegepast. In 2024 blijft UWB de belangrijkste draadloze technologie voor ruimtelijk inzicht en locatiegebaseerde diensten. Het is duidelijk dat UWB er is om te blijven.

Ultra-wideband is erkend en geprezen om zijn technische mogelijkheden en voordelen. Dit alleen is echter geen garantie voor een brede toepassing van een technologie. In dit artikel behandelen we de verschillende niet-technische aspecten die fundamenteel zijn voor het commerciële succes van de technologie.

In dit overzicht behandelen we:

1. Belangrijkste toepassingen van ultra-wideband technologie

Hieronder zetten we de drie belangrijkste toepassingen van UWB in 2024 op een rij.

UWB in consumentenproducten

Apple UWB-producten voor het volgen van activa voor consumenten

Verreweg de grootste acceptatie van UWB is te zien in consumentenproducten, voornamelijk op de smartphonemarkt. In 2023 was ongeveer 70% van alle verzonden UWB-chips ingebed in een smartphone. Apple loopt duidelijk voorop en heeft UWB-mogelijkheden toegevoegd aan een groot aantal consumentenproducten in zijn ecosysteem om het zogenaamde 'ruimtelijk bewustzijn' voor hun apparaten te ondersteunen. Andere grote smartphoneleveranciers zoals Samsung en Xiaomi hebben dit voorbeeld echter gevolgd door UWB in hun nieuwste modellen te gebruiken.

Aan de basis hiervan ligt de FiRA-consortium (Fine Ranging), dat is gericht op het transformeren van de manier waarop we omgaan met onze omgeving door mensen en apparaten nauwkeurig locatiebewustzijn mogelijk te maken. Het FiRA-consortium heeft een standaard ontwikkeld die een gemeenschappelijke reeks protocollen beschrijft om toepassingen mogelijk te maken zoals fysieke toegangscontrole, smart home, binnennavigatie, sociale afstand of het volgen van activa.

In 2023 werd FiRA versie 2.0 gelanceerd die veel nieuwe toepassingen mogelijk maakt. Daarom wordt verwacht dat er een breed scala aan nieuwe consumentenproducten op de markt zal komen die gebruik maken van deze nieuwe standaard. Vooral in de markt voor slimme sloten verwachten we dat er een aantal nieuwe producten op de markt komen die profiteren van de nauwkeurigheid en beveiliging van UWB, wat resulteert in een verbeterde ervaring bij het gebruik van deze systemen met uw smartphone.

UWB in industriële RTLS

Door de aard van de nauwkeurige spatiale mogelijkheden van UWB is de technologie een voor de hand liggende technologie voor realtime locatiesystemen. Met UWB-technologie kunnen RTLS-systemen realtime positionering bieden met een nauwkeurigheid van 10 tot 30 cm, zelfs in de meest uitdagende omgevingen. UWB RTLS wordt voornamelijk gebruikt in de mijnbouw, productie, distributie, maar ook in de gezondheidszorg, landbouw, detailhandel of zelfs sport.

Voordat UWB een mainstream technologie werd dankzij de adoptie van smartphones, was UWB RTLS de belangrijkste drijfveer voor de technologie. De toepassing van de technologie in RTLS is echter veel langzamer verlopen in vergelijking met het snelle tempo van consumentenproducten. Adoptie in een industriële context is meestal een langzame en stapsgewijze vooruitgang. De tijd dat UWB zich nog moest bewijzen als betrouwbare technologie in uitdagende omgevingen is echter voorbij. Tegenwoordig wordt UWB RTLS beschouwd als de gouden standaard voor nauwkeurige indoor positionering.

Rond dezelfde tijd dat FiRA in 2019 van start ging, ontstond er een andere standaard, genaamd de Omlox-standaard. Deze standaard was specifiek bedoeld voor industriële RTLS-toepassingen om interoperabiliteit te bieden tussen leveranciers van RTLS-systemen en RTLS-toepassingen (software). Hoewel de initiële versie van de standaard nooit op de markt is gebracht, maakt de recente release van Omlox versie 2 in 2023 nu langzaam de weg vrij voor een bredere acceptatie van de standaard.

UWB in de automobielsector

Automotive is een ander (opkomend) toepassingsdomein voor UWB waarbij de technologie is ingebed in de voertuigen om een reeks functionaliteiten te ondersteunen. Grote fabrikanten zoals BMW, Mercedes, Volkswagen, GM en onlangs ook Tesla hebben al voertuigen gelanceerd met UWB, of zijn er actief mee bezig.

Car Connectivity Consortium CCC
Afbeelding (c) Car Connectivity Consortium

De 'smart entry'-functionaliteit, die een voertuig op intelligente wijze vergrendelt en ontgrendelt op basis van de locatie van de autosleutel, is een belangrijke drijfveer voor de technologie. De komende verordening voor de detectie van de aanwezigheid van kinderen (CPD) zou echter mogelijk een nog grotere drijfveer kunnen worden voor UWB-technologie. Om deze capaciteit te ondersteunen, zal de UWB-range niet voldoende zijn en zal een beroep moeten worden gedaan op de UWB-radarcapaciteiten waarvoor een reeks nieuwe chips op de markt zal worden gebracht.

Aan de basis van de adoptie ligt opnieuw een internationale standaard. Meer in het bijzonder, de Consortium voor autoconnectiviteit, dat de UWB-protocollen heeft gestandaardiseerd om de interoperabiliteit tussen autosleutels van verschillende autofabrikanten te ondersteunen. In 2021 werd de nieuwste versie van de standaard, CCC-autosleutel versie 3.0, uitgebracht.

2. Interoperabiliteit van de UWB-chip

IEEE-standaard

Draadloze toepassingen gedijen het best op het gebied van industriestandaarden. Normen bieden de vrijheid om aankopen te doen bij een groter aantal leveranciers, concurrerende prijzen, een gemeenschappelijke technologie die ontwerpbeslissingen en inventarisvereisten vereenvoudigt, en het belangrijkste is dat standaarden ervoor zorgen dat apparaten of chips van verschillende leveranciers kunnen samenwerken, waardoor een echt toekomstbestendige oplossing ontstaat.

De voordelen van communicatiestandaarden zijn belangrijk voor grote technologie- en consumentenelektronicabedrijven om de laagste kosten en continuïteit van de levering te garanderen en zo de valkuil van één bron te vermijden. Dit aspect van 'gemoedsrust' is de belangrijkste zegen van normen die grote bedrijven tot grote voorstanders maken. Bovendien is een standaard meestal gebaseerd op een collectieve ervaring en samenwerking die de betrouwbaarheid en beschikbaarheid op lange termijn verhoogt. Een goede standaard creëert ook een ecosysteem van meerdere leveranciers (die concurreren op het gebied van kwaliteit en prijs), die allemaal bijdragen aan een verdere versterking van de UWB-acceptatie en toekomstbestendigheid.

De standaardversies van IEEE 802.15.4 hebben invloed gehad op UWB

IEEE heeft de noodzaak erkend om UWB-technologie te standaardiseren voor gebruik in personal area networks (PAN's). Het heeft de IEEE 802.15.4a opgericht, uitgebracht in 2007, de eerste standaard die UWB bevat en zowel de MAC (linklaag) als de PHY (fysieke laag) definieert binnen het OSI-model (dat de 7 lagen van de netwerkarchitectuur definieert). Deze toevoegingen introduceerden nieuwe functies die de vorige 802.15.4-standaard ontbrak om UWB te kunnen ondersteunen: hogere gegevensdoorvoer en nauwkeurig bereik. De volgende standaardversies IEEE 802.15.4-2011 en IEEE802.15.4-2015 zijn uitgebracht om achterwaartse compatibiliteit mogelijk te maken en om zowel de LRP als de HRP (low rate pulse & high rate pulse) UWB PHY te introduceren. Deze versie wordt nog steeds gebruikt in veel van de commercieel verkrijgbare UWB-apparaten.

In augustus 2020 werd de IEEE 802.15.4z uitgebracht met een focus op verbeterde bereikmogelijkheden, een hoge beveiliging en een hoger energieverbruik, inderdaad alle kenmerken die nodig zijn om UWB-oplossingen verder te verbeteren en te optimaliseren. De volgende verwachte release is gepland voor 2025 met versie IEEE 802.15.4ab. Het ondersteunt nieuwe regelsets om het gebruik uit te breiden, nieuwe smartphonefuncties zoals het streamen van audio, verbeterde beveiliging door kleinere pakketten en aanzienlijk minder stroom.

Kortom, de IEEE-standaard zorgt niet alleen voor stabiliteit en interoperabiliteit, maar ondersteunt ook de UWB-functieset, wat zich vertaalt in voordelen waarvan de UWB-apparaten en hun toepassingen kunnen profiteren.

3. Regelgeving voor ultra wideband

De duidelijke definities van de IEE802.15.4-standaard specificeren drie frequentiebanden, wat in totaal 16 radiokanalen oplevert. De regelgeving is gevolgd en de regionale regelgevende instanties van elk land bepalen welke van deze banden al dan niet geografisch kunnen worden gebruikt, wat heeft geresulteerd in duidelijk gedefinieerde UWB-voorschriften. Met de nieuwe generatie UWB-chipsets kunnen nieuwe regio's, zoals Japan, met dezelfde technologie worden bedekt. Voor de consumententoepassingen zijn de UWB-kanalen 5 (op 6 GHz) en 9 (op 8 GHz) door FiRA geselecteerd als de belangrijkste UWB-kanalen die kunnen worden gebruikt, omdat ze wereldwijd gebruik mogelijk maken.

UWB RTLS-toepassingen hebben nog steeds de neiging om kanalen met een lagere frequentie te gebruiken, omdat deze het hoogst mogelijke bereik bieden met UWB-technologie, wat rechtstreeks van invloed is op de hoeveelheid infrastructuur die nodig is voor een RTLS-installatie. Toekomstige systemen zullen echter waarschijnlijk ook UWB-kanaal 9 gebruiken voor gebruik in bepaalde regio's, zoals Japan en Zuid-Korea. Bovendien wordt UWB-kanaal 5 steeds meer uitgedaagd, aangezien WiFi dezelfde frequentieband mocht gebruiken, wat resulteerde in interferentie met elk UWB-systeem. Momenteel wordt wifi op 6 GHz (geïntroduceerd in Wifi 6E) nog steeds beperkt in gebruik, maar de verwachting is dat dit de komende jaren zal groeien.

Aankomende wijzigingen in de UWB-regelgeving

In 2024 worden enkele grote wijzigingen in de UWB-regelgeving verwacht, hoewel dit nog niet officieel bevestigd moet worden. In Europa zijn de toezichthouders van plan de UWB-regelgeving te versoepelen omdat deze te streng en beperkend werd geacht. De versoepelde regelgeving zal hogere zendvermogens mogelijk maken, waardoor het bereik van elk UWB-systeem effectief zou worden vergroot. Verder is buitengebruik toegestaan voor bepaalde frequentiekanalen. Deze wijzigingen worden medio 2024 verwacht en zullen UWB-toepassingen aanzienlijk ondersteunen, voornamelijk in UWB RTLS, waar bereik en gebruik buitenshuis erg belangrijk zijn. Voor de VS zijn soortgelijke discussies gaande, hoewel er nog geen duidelijk besluit is genomen.

In tegenstelling tot Europa is China van plan om het gebruik van de lagere frequentiekanalen voor UWB te verbieden. Dit zou de regelgeving meer in lijn brengen met andere Aziatische regio's zoals Japan en Zuid-Korea, waar alleen de kanalen met een hogere frequentie zijn toegestaan. Dit zet de meeste systemen ertoe aan om UWB-kanaal 9 in deze gebieden te gebruiken. Verdere verduidelijkingen met betrekking tot de Chinese regelgeving worden medio 2024 verwacht.

Instanties zoals de UWB-alliantie de acceptatie van UWB helpen ondersteunen door actief de zorgen en aanbevelingen van alle belanghebbenden bij UWB kenbaar te maken aan de toezichthouders van verschillende landen.

4. UWB-chip-ecosysteem

Nu de standaardisatie volwassen werd om toekomstbestendige oplossingen te garanderen, was het Decawave (momenteel Qorvo) die in 2013 de eerste commerciële UWB-radiochip uitbracht ter ondersteuning van de IEEE 802.15.4 - 2015-versie, die nog steeds veel wordt gebruikt in RTLS- en IOT-toepassingen.

De meest recente IEEE 802.15.4z, geoptimaliseerd voor consumententoepassingen en uitgebracht aan het einde van 2020, wordt vandaag ondersteund door Qorvo's nieuwste generatie chipset en door NXP. Nog meer leveranciers van halfgeleiders staan klaar om de lijst compleet te maken: Apple produceert zijn eigen U1- en U2 UWB-chips (de „U” staat voor UWB), ST Micro en imec hebben allemaal zwaar geïnvesteerd in de ontwikkeling van UWB-chips, wat nog eens bevestigt dat UWB de rijzende ster aan het firmament is. In 2024 zullen naar verwachting meer dan 400 miljoen UWB-chips worden verzonden. En we verwachten dat er meer nieuwe chipbedrijven op de markt zullen komen, waaronder enkele Chinese halfgeleiderbedrijven die zich richten op enkele gespecialiseerde UWB-toepassingen.

UWB staat op het punt om de volgende essentiële componenttechnologie te worden, zoals GPS, WiFi en Bluetooth. UWB levert al miljoenen smartphones en auto's, en in meer dan 40 andere branches, en maakt nauwkeurige locatiediensten binnenshuis, veilige communicatie, contextbewuste gebruikersinterfaces en geavanceerde analyses mogelijk, waardoor het bij uitstek geschikt is voor Industrie 4.0-toepassingen.
Eric Creviston, president van Qorvo

Het is duidelijk dat het landschap van UWB-chips dat beschikbaar is voor commercieel gebruik zich snel uitbreidt. Elke leverancier heeft radiochips ontwikkeld ter ondersteuning van specifieke IEEE 802.15.4-standaardversies en de verschillende standaardallianties (toepassingen) die in verschillende communicatiekanalen werken. De opeenvolgende productontwikkelingscycli van de chipset resulteren in een lager stroomverbruik, een kleinere vormfactor en ondersteuning voor een breder scala aan functies.

Technologieën zullen nooit wereldwijd succesvol worden als ze gebaseerd zijn op een exclusief aanbod. De acceptatie door de industrie wordt aangewakkerd door de verscheidenheid aan halfgeleideraanbiedingen waaruit kan worden gekozen om concurrentie mogelijk te maken (op het gebied van specificaties en functies), om de alom verafschuwde lock-in van leveranciers te vermijden en om toekomstige interoperabiliteit tussen verschillende UWB-apparaten mogelijk te maken. En aangezien de productie van UWB-chips in de loop van de tijd blijft toenemen, houdt dit uiteraard de belofte in van een lagere prijs.

5. Standaardisatie van ultra-wideband toepassingen

Er zijn meerdere standaarden gedefinieerd voor UWB-communicatie. Naast de technische standaard IEEE 802.15.4 zijn verschillende standaardisatie-instellingen actief, elk met hun specifieke focus, bedrijfsbereik en doelstellingen, om standaardisatie naar UWB te brengen. Technologieën blijven alleen bestaan als ze worden ondersteund door een robuuste, kwaliteitsgestuurde infrastructuur die snelle uitbreiding mogelijk maakt en een gunstig landschap voor regelgeving en spectrumbeheer biedt om de UWB-groei veilig te stellen en te maximaliseren.

Omlox - Fira - CarConnectivityConsortium
Hoe het Omlox, FiRA en Car Connectivity Consortium zich richten op verschillende soorten apparaten.

FiRA-consortium

De FiRA-consortium, oorspronkelijk gericht op peer-to-peer-toepassingen tussen smartphones en verschillende (consumenten) apparaten. Tot op heden telt het FiRA Consortium meer dan 100 leden in verschillende categorieën. Tot de eerste sponsorleden behoorden ASSA ABLOY Group (HID Global), NXP Semiconductors, Samsung Electronics en Apple.

In oktober 2023 werd versie 2.0 van de FiRA-standaard uitgebracht, die een aanzienlijk aantal nieuwe toepassingen aan de standaard toevoegt, waaronder Point & Trigger Control voor slimme huizen, binnennavigatie, social distancing, tap-free mobiel betalen en meer. De volgende versie wordt verwacht in oktober 2024, met onder meer use-cases zoals geofencing en locatiebewustzijn.

Omlox-consortium

Omlox booth op Hannover Messe

Omlox is een open standaard voor Real-Time Location Systems (RTLS). De Omlox-standaard wordt beheerd door de PI-organisatie, die ook populaire industriële standaarden zoals Profibus, Profinet en IO Link beheerde. Tot op heden brengt de Omlox-standaard meer dan 60 partners en leden samen, waaronder Qorvo, STMicroelectronics, Amazon AWS, Siemens en Pozyx. Er zijn meer dan 300 professionele use-cases gedefinieerd, voornamelijk in de productie, logistiek, procesindustrie, gezondheidszorg en detailhandel.

Het Omlox-consortium heeft twee standaarden ontwikkeld:

  • Omlox Kernzone: Een standaard voor UWB-locatiesystemen die bepaalt hoe tags en infrastructuur communiceren om interoperabiliteit tussen RTLS-tags en ankers van verschillende leveranciers mogelijk te maken.
  • Omlox-hub: Een gestandaardiseerde interface voor het ophalen van locatiegegevens uit een breed scala aan lokalisatietechnieken, zoals UWB, RFID, 5G, BLE, WiFi en GPS.

Beide standaarden bevinden zich momenteel in versie 2.0, die in 2023 is uitgebracht. Begin 2024 zal Omlox een certificeringsprogramma lanceren om ervoor te zorgen dat producten omlox-gecertificeerd kunnen worden.

Consortium voor autoconnectiviteit

De Consortium voor autoconnectiviteit, ook CCC, zet zich in om de automobiel- en consumententechnologie-industrie samen te brengen om de toegang tot voertuigen toekomstbestendig te maken met behulp van slimme apparaten. Het consortium bestaat uit meer dan 200 leden en bedrijven die samenwerken om wereldwijde standaarden en oplossingen te ontwikkelen voor slimme apparaten en connectiviteit in voertuigen en tegelijkertijd de marktversnippering van onze technologieën te verminderen. Enkele opmerkelijke leden zijn Apple, Google, NXP en een groot aantal grote autofabrikanten.

De CCC maakt gebruik van verschillende technologieën zoals BLE, UWB en NFC om betrouwbare oplossingen te bieden. De laatste Car Key versie 3 v1.1 was uitgebracht in 2022. Sindsdien zijn er verschillende plug-fests georganiseerd om verschillende auto- en smartphonefabrikanten samen te brengen om het gebruik en de interoperabiliteit van de via USB aangedreven sleutels te testen en aan te tonen. In december 2023 lanceerde de CCC haar certificeringsprogramma.

CCC wireless capabilities

De toekomst zal uitwijzen welke van deze standaarden de markt zullen winnen, maar voorlopig lijkt het erop dat hun focus duidelijk is gedefinieerd in verschillende toepassingsruimten en verschillende functiesets om niet met elkaar te concurreren. Tot op heden heeft het FiRA-consortium de meeste snelheid behaald omdat het de grootste verkoop van UWB-chips genereert. De Omlox-standaard moet zichzelf nog bewijzen, aangezien de oorspronkelijke versie beperkt was als proof-of-concept. Met Omlox versie 2.0 zullen we in de komende jaren eindelijk Omlox-gecertificeerde producten op de markt zien komen.

Aangezien de verschillende standaarden geschikt zijn voor verschillende toepassingen, kan het zijn dat ze voor altijd naast elkaar zullen bestaan. In de komende jaren mogen we verwachten dat deze normen dichter bij elkaar komen om het naast elkaar bestaan van de verschillende normen of mogelijke gecombineerde gebruikssituaties te garanderen. Een voorbeeld hiervan was de aankondiging in november 2023 van CCC en FiRA die samenwerken om de Joint Ultra-Wideband MAC PHY Working Group (JUMPWG) te vormen, gericht op de ontwikkeling en het onderhoud van de UWB-technologiespecificaties die worden gebruikt in de CCC Digital Key.

6. Recente ontwikkelingen op het gebied van UWB en vooruitzichten voor 2024

Het jaar 2023 was een belangrijk jaar voor UWB waarin alle belangrijke toepassingsstandaarden (FiRA, omlox en CCC) een nieuwe versie van hun standaard hebben uitgebracht. Deze nieuwe versies, die gebruikmaken van de bestaande IEEE-standaard (en dus UWB-chipsets), maken een groot aantal nieuwe toepassingen van de technologie mogelijk. Uit marktonderzoeksrapporten blijkt op hun beurt dat de verkoop van UWB-chips in 2023 voor het eerst sinds lange tijd niet op jaarbasis is gestegen. Een mogelijke reden hiervoor zou kunnen zijn dat sommige leveranciers hebben gewacht op de release van de nieuwe toepassingsstandaarden. Daarom wordt verwacht dat 2024 opnieuw een zinvolle groei zal laten zien met nieuwe UWB-chips en -producten die op de markt komen. Voor 2024 kunnen we enkele belangrijke wijzigingen verwachten met betrekking tot de regelgeving in zowel Europa als China. Vooral de veranderingen op de Europese markt kunnen mogelijk de levensvatbaarheid van UWB RTLS-toepassingen vergroten, aangezien het bereik kan worden vergroot en buitengebruik nu wordt toegestaan.

Op de langere termijn zien we meer aandacht voor UWB-radar, waarmee de aanwezigheid en gezondheid van mensen kunnen worden gedetecteerd zonder dat ze elektronica bij zich hoeven te hebben. Dit heeft enkele toepassingen in de automobielsector voor het detecteren van de aanwezigheid van kinderen, maar ook in slimme apparaten voor thuisgebruik. Bovendien zullen we met de nieuwe IEEE 802.15.4ab in 2025 een nieuwe generatie UWB-chips op de markt zien komen met een verder verlaagd stroomverbruik, verbeterde beveiliging en nieuwe ondersteuning voor streaming audio. Wat de toepassingsnormen betreft, is het mogelijk dat de verschillende normen nauwer samenwerken, aangezien ze in grote mate zeer complementair zijn. Of dat gaat lukken, zal de tijd uitwijzen.

Samuel Van de Velde

Written by

Samuel Van de Velde

Samuel Van de Velde

CTO en medeoprichter van Pozyx

Samuel is Burgerlijk ingenieur met een sterke interesse in locatietechnologie. Bekwaam in ondernemerschap, publiek spreken, productbeheer, internet der dingen (IoT) en machine learning. Na zijn afstuderen aan de UGent in 2010 ging hij aan de slag bij de afdeling Telecommunicatie en Digitale Informatieverwerking (TELIN) om een doctoraat te behalen op het gebied van collaboratieve localisatie binnenshuis. In 2015 richtte hij op basis van dat onderzoek het spin-offbedrijf Pozyx op.