NXP und Volkswagen geben erste Einblicke in UWB und zukünftige Anwendungsbereiche der Vernetzungstechnologie in der Autoindustrie. In einem Concept Car des Automobilherstellers demonstrieren die Unternehmen das Potenzial von UWB für mehr Sicherheit und Komfort der Fahrzeuginsassen.

Präzise Lokalisierung und hohe Cybersicherheit

Um die Fähigkeiten von UWB vollständig ausschöpfen zu können und die Forschung und Entwicklung auf diesem Feld voranzutreiben, hat sich bereits eine branchenübergreifende Initiative mehrerer Unternehmen gebildet. Das daraus entstandene Fira-Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, das UWB-Ökosystem weiter auszubauen und Fachwissen auszutauschen.

Die UWB-Technologie übertrifft in schwierigen Umgebungen wie Parkhäusern, Krankenhäusern, Flughäfen und Veranstaltungsorten mit hohem Besucheraufkommen andere Technologien in Bezug auf Genauigkeit, Stromverbrauch, Robustheit der drahtlosen Verbindung und Sicherheit um ein Vielfaches.

Bild 1: Die Spektraldichte für UWB und Schmalbandfunk.

Bild 1: Die Spektraldichte für UWB und Schmalbandfunk. NXP

UWB ermittelt zuverlässig die relative Position von Teilnehmergeräten mit sehr hoher Genauigkeit und wartet mit einer Reichweite von bis zu 200 Metern auf. Im Gegensatz zu Schmalband-Funktechnologien bietet UWB durch die Nutzung einer hohen Bandbreite eine sehr stabile Konnektivität (Bild 1) mit wenig bis gar keinen Störungen und erlaubt eine hochpräzise Lokalisierung – selbst in stark frequentierten Umgebungen mit Mehrwegeffekten. So ist eine sehr präzise Lokalisierung und Distanzbestimmung bei einem gleichzeitigen Höchstmaß an Cybersicherheit möglich.

Anwendungsbereiche im Automobil

Die Erkennung von Lebewesen im Fahrzeug, automatisiertes Valet-Parking, eine automatische Aktivierung der Anhängerkupplung oder einen mühelosen Zugang zu Parkplätzen und ihre automatische Bezahlung bei der Durchfahrt sind nur einige Anwendungen, welche die UWB-Technologie ermöglichen kann (Bild 2).

Eine weitere interessante Einsatzmöglichkeit ist die Erkennung des Bewegungsmusters von Personen für den personalisierten, anlernbaren Zugang zum Auto: Der Volkswagen-UWB-Autoschlüssel nutzt präzise Sensortechnologie (Gyroskope und Beschleunigungssensoren) und künstliche Intelligenz, um die Bewegungsmuster und Gesten von Nutzern zu erlernen (Bild 3).

Bild 2: Die UWB-Technologie kann überprüfen ob der Kindersitz im Fahrzeug richtig eingestellt ist.

Bild 2: Die UWB-Technologie kann überprüfen, ob der Kindersitz im Fahrzeug richtig eingestellt ist. Nicole Ahner

Entwickler in vielen Branchen wie Telekommunikation, Automobil, Industrie 4.0 oder dem Internet der Dinge haben lange auf eine sichere, sehr genaue Technologie gewartet, die eine präzise Lokalisierung im Freien und in Gebäuden ermöglicht. UWB erfüllt diese Anforderungen und stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber bestehenden Wireless-Technologien wie Wi-Fi, Bluetooth und GPS dar. Die Fähigkeit, kontextuelle Informationen wie die Position und die Bewegungen des UWB-Ankers zu erfassen oder den Abstand zu anderen Geräten mit einer Genauigkeit von nur wenigen Zentimetern in Echtzeit zu verarbeiten, ermöglicht eine Vielzahl an neuen Anwendungsmöglichkeiten.

IEEE-Standards als Grundlage

Als Ausgangspunkt für die UWB-Technologie dienen der IEEE-Standard 802.15.4 und die noch im Entwicklungsstadium befindliche Variante 802.15.4z. Der 802.15.4-Standard kommt auf breiter Front in einer Vielzahl von Anwendungen mit Funktionen zur Standortbestimmung wie HRP (High Rate PHY) und LRP (Low Rate PHY) zum Einsatz. Generell sind im IEEE 802.15.4-Standard PHY, MAC und Sublayer definiert. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf drahtlosen Verbindungen mit geringen Datenraten und einer präzisen Standortbestimmung. Für Geräte, die in unterschiedlichen geografischen Regionen in den jeweiligen lizenzfrei nutzbaren Frequenzbereichen agieren, sind unterschiedliche PHYs definiert.

IEEE 802.15.4z fokussiert sich insbesondere auf zusätzliche Codierungs- und Präambeloptionen sowie auf Verbesserungen bestehender Modulationsverfahren, um die Integrität und Genauigkeit von Entfernungsmessungen mit einer typischen Funkreichweite bis zu 200 Metern zu verbessern. Die Definition eines neuen Elements, welches zusätzliche Informationen unterstützt, vereinfacht den Austausch von Lokalisierungsdaten.

So funktioniert UWB

Bild 2: Der Volkswagen UWB Autoschlüssel nutzt hochpräzise Sensortechnologie und künstliche Intelligenz. Der Empfänger befindet sich im Pkw.

Bild 3: Der Volkswagen-UWB-Autoschlüssel nutzt präzise Sensortechnologie und künstliche Intelligenz. Der Empfänger befindet sich im Pkw. Nicole Ahner

Die Funktionsweise ist denkbar einfach. Sobald ein mit einem UWB-Funkteil ausgestattetes Gerät wie ein Smartphone, ein entsprechend ausgestattetes Armband oder ein intelligenter Schlüssel in Reichweite eines anderen UWB-Geräts gelangt, beginnen die Geräte miteinander zu kommunizieren. Die Lokalisierung erfolgt mithilfe von Laufzeitmessungen (Time of Flight, ToF) zwischen den Geräten. Die ToF lässt sich berechnen, indem die Roundtrip-Zeit von sogenannten Challenge/Response-Paketen gemessen wird. Abhängig von der Art der Anwendung (zum Beispiel bei der Lokalisierung von Inventar oder Geräten) berechnet entweder das mobile oder das feste UWB-Gerät den genauen Standort des Geräts. Soll das Gerät einen Indoor-Navigationsdienst ausführen, so muss sein relativer Standort zu den festen UWB-Ankerpunkten bekannt sein und die Berechnung seiner Position auf der Karte des jeweiligen Areals muss erfolgen.

UWB baut auf eine sehr große Kanalbandbreite (500 MHz) mit kurzen Impulsen von jeweils etwa 2 ns. Damit lässt sich eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erreichen. Die Standortbestimmung erfolgt bei UWB adhoc, wodurch sich die Bewegungen des Mobilgeräts in Echtzeit sehr genau verfolgen lassen.

Fazit

Das Segment drahtloser Konnektivitätstechnologien ist dermaßen gewachsen, dass es schwierig sein kann, neue Marktteilnehmer in die richtige Perspektive zu rücken. Während Bluetooth Low Energy (BLE) und Wi-Fi heute schon von einer sehr breiten Marktakzeptanz profitieren, mangelt es ihnen an Genauigkeit bei der Standortbestimmung und sie bieten im Vergleich zu UWB relativ wenig bis gar keine Sicherheit auf HF-Ebene für den geschützten Austausch von Positionsdaten.

Im Prinzip lassen sich alle Funktechnologien für eine Standortbestimmung heranziehen. Für ihren speziellen Anwendungsfall müssen sie aber unbedingt ihre Umgebung evaluieren und bestimmen, welche Genauigkeit und Reaktionszeit sie benötigen. Dies bestimmt dann die Wahl der Technologie.