UWB im Vergleich zu anderen drahtlosen Daten- und Standortermittlungstechnologien

UWB wurde unlängst (2019) ein weiteres Mal überholt. Die aktuelle Version umfasst eine erheblich erweiterte Distanz-/Entfernungs-/Standortermittlungstechnologie und umfangreichere Kommunikationsfeatures. Es ist nun erstmals leistungsstark genug, um sich mit anderen gebräuchlichen drahtlosen Kommunikations- und Sensortechnologien zu messen. Doch wie schneidet es im direkten Vergleich ab?

UWB-Grundlagen

Ultrabreitband (Ultra-wideband, UWB) basiert auf den Standards IEEE 802.15.4a sowie 802.15.4z und wurde gezielt für Mikro-Ortungsdienste und zur sicheren Kommunikation entworfen. Die UWB zugrundeliegende Arbeitsweise unterscheidet sich wesentlich von der der meisten anderen drahtlosen Kommunikations- und Sensortechnologien. UWB beruht auf Breitband und möglichst kurzen Impulsen (~2 Nanosekunden) mit äußerst steilen Anstiegs- und Abfallzeiten. UWB kodiert Daten innerhalb der Impulse, wobei es zwei aufeinanderfolgende Funkimpulssignale (IR) pro UWB-Symbol verwendet.

UWB nutzt binäre Phasenumtastung (BPSK) und/oder Burst Position Modulation (BPM). Jede UWB-Kommunikation ist mit einem Zeitstempel versehen, und diese Zeitsprungkodierung sorgt für äußerst genaue Positionsbestimmungen und Interferenzimmunität gegenüber anderen UWB-Signalen. Zudem erlaubt die Verwendung von Zeitstempeln die Berechnung von Laufzeiten (TOF) zwischen zwei UWB-Geräten sowie Point-to-Point (P2P) Two-Way Ranging (TWR) zwischen zwei UWB-Funkempfängern. Zusätzliche synchronisierte „Umgebungsanker“ ermöglichen die Echtzeitnavigation in besagter Umgebung mithilfe von Time Difference of Arrival (TDoA) oder Reverse TDoA (RTDoA).

Gemäß FCC-Definition erfolgt die Kommunikation bei UWB mit einer absoluten Bandbreite von über 500 MHz. Die maximale Leistungsdichte der zentralen UWB-Frequenz liegt über 2,5 GHz bzw. verfügt über eine normierte Bandbreite von über 0,2, wobei die Zentralfrequenz weniger als 2,5 GHz beträgt. Dadurch werden Interferenzen mit ISM-Band-Technologien wie Wi-Fi® und BLUETOOTH^® im Bereich von 2,5 GHz verhindert.

Aus Abbildung 1 geht deutlich hervor, dass die UWB-Trägerfrequenzen und -Bandbreiten weltweit normalerweise zwischen ~3,5 GHz und ~9,5 GHz liegen. Einzelne UWB-Kanäle erlauben Bandbreiten von bis zu 1354,97 MHz bei einer Trägerfrequenz von 9484,8 MHz. Das ist eine enorme Bandbreite für Kommunikationstechnologie, wobei es zu beachten gilt, dass der UWB-Durchsatz auf 27 Mbit/s begrenzt ist, da UWB eine Kommunikationsmethode anwendet, die auf Zeitimpulsen basiert.

UWB im Vergleich zu Wireless-Anwendungen

UWB beruht auf einer vollkommen anderen Herangehensweise an Kommunikation und Positionsbestimmung. Im Wesentlichen scheint dieser Standard Kommunikation ausgehend von einem Positionsbestimmungsstandard (ähnlich dem Radar) lediglich behelfsmäßig zu ermöglichen, wodurch sich einzelne bedeutende Vorteile ergeben (Abbildung 2).

Tatsächlich verfügt UWB über einen sehr viel schnelleren Durchsatz als GPS (keinen), Bluetooth, Zigbee, RFID und andere nicht proprietäre drahtlose Kommunikationsstandards. Gemessen am reinen Durchsatz bleibt UWB lediglich hinter Wi-Fi und mobiler 4G/5G-Telekommunikation zurück, wobei weder Wi-Fi noch 4G/5G über eine genaue Positionsbestimmung verfügen (die maximale Genauigkeit beträgt einige Meter). Auf dem Papier kann sich in Bezug auf die absolute Positionsgenauigkeit am ehesten RFID mit UWB messen, doch ist die minimale Sensorreichweite von RFID auf höchstens unter einen Meter beschränkt. Selbst die anspruchsvollsten GPS-Anwendungen verfügen über eine geringere Genauigkeit (einige Zentimeter) bei der P2P-Positionsbestimmung als UWB. Was langfristiges und stationäres GPS-Tracking anbelangt, besticht GPS mit millimetergenauen Messergebnissen. Derart präzise GPS-Anwendungen sind jedoch ausschließlich in durchlässigen Umgebungen mit minimalen Interferenzen möglich, da Satellitenkonstellationen im Orbit die nötigen Referenzen liefern.

Verlässlichkeit und Interferenzimmunität sind weitere Stärken von UWB. GPS reagiert äußerst empfindlich auf Hindernisse und Interferenzen, da das relativ engbandige GPS-Signal nur sehr schwach am Benutzergerät ankommt. RFID andererseits ist relativ robust, da es im Nahbereich einen durchaus soliden Resonanzmechanismus verwendet. Wi-Fi, Bluetooth und Zigbee sind zwar anfällig für Interferenzen und Mehrwegempfang, aber relativ immun gegen Hindernisse. Die äußerst breitbandige Funktionsweise und die Zeitmessung von UWB sorgen für eine hohe Immunität gegen Interferenzen, sowohl insgesamt als auch beim Mehrwegempfang. Hindernisse, die HF-Signale ablenken, behindern UWB- und andere Kommunikations-/Sensortechnologien gleichermaßen.

Die GPS-Trackingreichweite ist praktisch weltweit, sofern die übrigen Satellitenkonstellationen zur Positionsbestimmung berücksichtigt werden. RFID verfügt nur über eine äußerst eingeschränkte Reichweite, höchstens einige Meter. Wi-Fi ist normalerweise auf ca. 100 m bei einer Genauigkeit von 5 m und einer maximalen Reichweite von 150 m beschränkt. Demgegenüber ist mit Bluetooth eine Genauigkeit von ungefähr 2 m auf ca. 25 m möglich, bei einer Reichweite von höchstens 100 m. Zu den UWB-Merkmalen gehört eine maximale Reichweite von 250 m inklusive Ankern, bei gleichzeitiger P2P-Zentimetergenauigkeit.

Sowohl Wi-Fi als auch Bluetooth benötigen bei der Positionsbestimmung einige Sekunden für die Erfassung der XYZ-Position. RFID ist normalerweise in der Lage, Positionen innerhalb einer Sekunde anzupeilen. GPS bestimmt Positionen für gewöhnlich innerhalb von 100 ms. Das UWB-Protokoll schafft vollständige XYZ-Positionsbestimmungen in weniger als 1 ms, wodurch High-Speed-Tracking zwischen Peers oder innerhalb einer Umgebung samt Ankern möglich ist.

Der Großteil der Wireless-Protokolle verfügt über eine Art äußerst energieeffizienten Betriebsmodus, um den langfristigen Batteriebetrieb zu ermöglichen. Bei GPS hängt alles von der Batterielebensdauer des Terminals ab. Aufgrund der für das Auslesen von GPS-Signalen notwendigen geräuscharmen Hochleistungsverstärker sind diese jedoch meist weniger effizient als andere Wireless-Standards. Die Energiesparmodi von Wi-Fi und Bluetooth benötigen über 10 nJ/Bit für RX und TX. UWB kommt bei RX/TX mit weniger als 10 nJ/Bit aus, eine echte Effizienzsteigerung gegenüber Bluetooth und Wi-Fi. RFID-Sensoren sind auf der Tag-Seite typischerweise passiv, benötigen auf der Terminal-Seite jedoch sehr wohl Energie, die meist eingespeist wird.

Ähnlich wie Bluetooth-Module sind in Benutzerequipment bzw. -handgeräte integrierbare UWB-Anker und -Module relativ kostengünstig. Derartige Module sind grundsätzlich sehr viel preiswerter als Wi-Fi- und GPS-Module. Die potenziell umfangreichen relativen Kosten von RFID-Modulen hängen mit der Nutzung von Tags zusammen, wobei einfache Einweggeräte billiger sind als anspruchsvollere Anlagen.

Was die Sicherheit anbelangt, so lässt sich UWB nur schwer mit anderen vergleichen, da diese Protokoll-Iteration noch relativ neu ist. Zudem wurden noch keine bedeutenden Anstrengungen unternommen, um UWB-Sicherheitsmaßnahmen zu überwinden. Es wird sich noch zeigen, wie gut UWB im Vergleich zu anderen langgedienten Wireless-Protokollen abschneidet, deren sicherheitsrelevante Schwachstellen allgemein bekannt sind. Und auch die praktische Skalierbarkeit verwendeter UWB-Systeme wurde nicht so umfangreich überprüft wie bei Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee etc. Zumindest auf dem Papier kann sich UWB jedoch damit rühmen, die engmaschige Verwendung von potenziell zehntausenden Tags zu ermöglichen, was die praktischen Grenzen von Bluetooth, Wi-Fi und Zigbee weit übersteigt.

Fazit

Es ist unwahrscheinlich, dass UWB Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, GPS oder RFID ersetzen wird, was sich auch mit den erkennbaren Zielen dieser Technologie zu decken scheint. Es hat den Anschein, dass UWB vor allem auf die Verwendung mit bestimmten Anwendungen abzielt, die eine präzisere Positionsbestimmung, sehr viel geringere Latenz und größere Verlässlichkeit benötigen. Demgemäß scheint UWB eher mit einzelnen Merkmalen hochzuverlässiger Kommunikationsanwendungen mit geringer Latenzzeit (URLLC) in 5G-Anwendungsfällen zu konkurrieren. Wie dem auch sei, 5G umfasst keinerlei Positionstracking/-bestimmung (wohl rund 1 Meter oder weniger mit Millimeterwellentechnologie) in der Größenordnung von UWB. UWB ermöglicht äußerst genaue P2P-Positions- und Trackinganwendungen, die angemessene Durchsatztechnologie nutzbringend im Nah- und relativen Fernbereich einsetzen. Dieses einzigartige Merkmal könnte unter Umständen eine Vielzahl an Anwendungen möglich machen.