Hoe ultra-wideband werkt

Dit artikel maakt deel uit van de Pozyx Academy en is het tweede in een reeks van vijf artikelen die uitleggen hoe de Pozyx-technologie werkt en waar je rekening mee moet houden bij de installatie van het Pozyx System.

• ‍Hoe positionering werkt‍
• Hoe ultra-wideband werkt‍
• Positioneringsprotocollen uitgelegd‍
• Ultra-wideband en obstakels‍
• Waar je de anchors plaatst

Reizen met de snelheid van het licht

Het vorige Pozyx Academy-artikel, ‘Hoe positionering werkt’, legde uit hoe je een positie bepaalt door de afstand tot referentiepunten te meten. Ultra-widebandtechnologie werkt anders en meet hoe lang het duurt voordat een radiogolf van het asset naar de anchor of het referentiepunt reist. Dit wordt time of flight (TOF) genoemd.

Omdat radiogolven zich voortplanten met de snelheid van het licht, wordt de time of flight met deze snelheid omgerekend naar de afstand. De snelheid van het licht is enorm hoog. In één nanoseconde, een miljardste van een seconde, legt een golf bijna 30 cm af. Dit betekent dat de timing zeer nauwkeurig gemeten moet worden om centimeter-nauwkeurige ranging mogelijk te maken.

Het draait allemaal om de bandbreedte

Heisenbergs onzekerheidsprincipe stelt dat het onmogelijk is om zowel de frequentie als de timing van een signaal te kennen. Neem bijvoorbeeld een sinusgolf; een signaal met een goed bekende frequentie maar een zeer onnauwkeurige timing: het signaal heeft geen begin of einde. Meerdere sinusvormige signalen met een iets verschillende frequentie die samen worden gecombineerd, creëren echter een puls met een duidelijkere timing, oftewel de piek van de puls. Dit zie je in de volgende figuur van Wikipedia waarin sinusgolven sequentieel aan een signaal worden toegevoegd om een scherpere puls te krijgen:

Het frequentiebereik dat voor dit signaal wordt gebruikt, heet de bandbreedte Δf. Met behulp van Heisenbergs onzekerheidsprincipe kan de breedte Δt van de puls worden bepaald, gegeven een bepaalde bandbreedte Δf*:

ΔfΔt ≥ 1/4π

Deze formule laat zien dat een grote bandbreedte nodig is om een smalle puls te creëren, wat noodzakelijk is voor nauwkeurige timing. Bijvoorbeeld: met een bandbreedte van Δf = 20 MHz (beschikbaar voor wifi-systemen) krijg je een pulsbreedte groter dan Δt ≥ 4 ns. Bij de snelheid van het licht komt dit overeen met een puls van 1,2 m ‘lang’, wat te veel is voor nauwkeurige ranging. We kunnen concluderen dat wifi-systemen onnauwkeurig zijn voor precieze positionering, ten eerste omdat het moeilijk is om de piek van zo’n brede puls nauwkeurig te bepalen, en ten tweede door reflecties.

Reflecties zijn signalen die weerkaatsen op objecten (muren, plafonds, bureaus, enz.) in de omgeving. Deze reflecties worden opgevangen door de ontvanger en kunnen overlappen met de line-of-sight-puls, waardoor het moeilijk wordt om de echte piek van de puls te meten. Bij pulsen van 4 ns breed zal elk object binnen 1,2 m van de ontvanger of zender een overlappende puls veroorzaken. Daarom is ranging via wifi met time-of-flight niet geschikt voor binnentoepassingen.

De ultra-wideband-signalen die worden gebruikt in het Pozyx System hebben een bandbreedte van 500 MHz, wat resulteert in pulsen van 0,16 ns breed. Deze timingresolutie is zo fijn dat we aan de ontvanger meerdere reflecties van het signaal kunnen onderscheiden. Daardoor blijft het mogelijk om nauwkeurige ranging uit te voeren, zelfs op plaatsen met veel reflectoren, zoals in binnenomgevingen.

‍

Waar je bandbreedte vindt

Kortom, nauwkeurige positionering via UWB vereist 500 MHz bandbreedte, en dat is veel. Helaas wil iedereen veel bandbreedte, want in draadloze communicatiesystemen betekent meer bandbreedte snellere downloads. Als iedereen echter signalen op dezelfde frequentie zou uitzenden, zouden alle signalen elkaar verstoren en zou niemand nog iets bruikbaars kunnen ontvangen. Daarom is het gebruik van het frequentiespectrum sterk gereguleerd.

Hoe kan UWB dan 500 MHz bandbreedte krijgen terwijl de meeste andere systemen genoegen moeten nemen met veel minder? Wel, UWB-systemen mogen alleen met zeer laag vermogen uitzenden (de vermogensspectrumsdichtheid moet onder -41,3 dBm/MHz blijven). Deze zeer strikte vermogensbeperking betekent dat een enkele puls niet ver reikt: aan de ontvanger zal de puls waarschijnlijk onder het ruisniveau liggen. Om dit probleem op te lossen, stuurt de zender een reeks pulsen (meestal 128 van de 1024) om één bit informatie weer te geven. De ontvangen pulsen worden vervolgens opgeteld aan de ontvanger en met voldoende pulsen zal het vermogen van de ‘opgetelde puls’ boven het ruisniveau uitkomen en is ontvangst mogelijk.

De IEEE 802.15.4-standaard voor Low-Rate Wireless Personal Area Networks heeft een aantal UWB-kanalen gedefinieerd met een breedte van minstens 500 MHz. Afhankelijk van het land zijn bepaalde kanalen toegestaan. De kanalen in de lagere band (1 tot 4) kunnen in de meeste landen worden gebruikt, met enkele beperkingen op de updatefrequentie (met behulp van mitigatietechnieken). Kanaal 5 wordt in de meeste delen van de wereld zonder beperkingen geaccepteerd, met als opvallende uitzondering Japan. Zuiver vanuit de fysica geldt: hoe lager de middenfrequentie van het kanaal, hoe beter het bereik.

‍

‍

Een opmerking over de ontvangen signaalsterkte (RSS)

Ontvangen signaalsterkte (RSS) is een andere manier om de afstand tussen twee punten te meten met behulp van radiogolven. Hoe verder de twee punten uit elkaar liggen, hoe kleiner de ontvangen signaalsterkte zal zijn. Op basis van deze RSS-waarde zouden we dus de afstand moeten kunnen afleiden. Maar zo eenvoudig is het niet. De ontvangen signaalsterkte is een combinatie van het vermogen van alle reflecties en niet alleen van de gewenste line-of-sight. Daardoor wordt het moeilijk om de RSS-waarde te koppelen aan de werkelijke afstand, zoals duidelijk wordt uit de onderstaande afbeelding.

In deze figuur wordt de RSS-waarde van een Bluetooth-signaal gemeten op bepaalde afstanden. Bij elke afstand laten de foutbalken zien hoe de RSS-waarde zich gedraagt op die afstand. Duidelijk is dat de variatie in de RSS-waarde zeer groot is, waardoor RSS ongeschikt is voor nauwkeurige ranging of positionering.

Lees het volgende artikel over positioneringsprotocollen om meer te weten te komen over de technologie van Pozyx.

‍