Der hochpräzise UWB-Demonstratorchip der nächsten Generation von Imec soll 10-mal weniger Strom verbrauchen als gängige Varianten. (Bild: Imec)
Die Ultrabreitband-Technologie (UWB) eignet sich vor allem, um eine Vielzahl von hochpräzisen und sicheren drahtlosen Anwendungsfällen zu unterstützen wie etwa Smart-Lock-Lösungen im Fahrzeug. Obwohl UWB von Natur aus schwieriger zu kompromittieren ist als einige Alternativen, ist sein Potenzial aufgrund des höheren Stromverbrauchs und des größeren Raumbedarfs weitgehend ungenutzt geblieben. „Der Stromverbrauch von UWB, die Chipgröße und die damit verbundenen Kosten waren bisher hinderliche Faktoren für die Einführung der Technologie, besonders wenn es um den Einsatz von Wireless Ranging Applications geht“, erklärt Christian Bachmann, Programm-Manager für die Programme Secure Proximity und Sensitive Networks bei Imec.
Das Imec will deshalb die UWB-Chip-Entwicklung, die auf digitalen HF-Konzepten basiert, vorantreiben und eine signifikante Reduzierung des Footprints erzielen. Bisher konnte die Forschungseinrichtung einen kompletten Transceiver, einschließlich dreier Empfänger für Eingangswinkelmessungen, auf einer Fläche von weniger als 1 mm² integrieren, schildert Bachmann. Das Design des Imecs zielt auf einen sehr niedrigen Stromverbrauch von weniger als 4 mW/20mW (Tx/Rx). Außerdem verfügt die Technologie über eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber potenziellen Relais-Attacken.
Imecs Ansatz, die UWB-Technologie kleiner, kosteneffizienter und sicherer zu machen, basiert auf digitalen RF-Konzepten, was auch der Implementierung in fortschrittlichen Halbleiterprozessknoten zugutekommt. Sie ist mit dem neuen Standard IEEE 802.15.4z kompatibel, der von bedeutenden Industriekonsortien wie dem Car Connectivity Consortium (CCC) und Fine Ranging (FiRa) unterstützt wird.
Algorithmen korrigieren Umgebungseinflüsse
Eli De Poorter vom ID Lab: „Da unser Ansatz auch mit Funktionen für maschinelles Lernen ausgestattet ist, die eine adaptive Abstimmung der Parameter der physikalischen Schicht des Netzwerks ermöglichen, können dann die richtigen Schritte eingeleitet werden, um diese Ranging-Fehler abzumildern - zum Beispiel durch die Justage der Funkgeräte der Anker.“ Imec/ID Lab
Ergänzend zu diesen Hardware-Entwicklungen haben Forscher des ID Lab, eine Forschungsgruppe des Imecs an der Universität Gent, softwarebasierte Verbesserungen entwickelt, die die drahtlose Reichweite von UWB in problematischen Umgebungen deutlich verbessern wie etwa Fabriken oder Lagerhallen, in denen sich Menschen und Maschinen ständig bewegen und in denen metallische Hindernisse massive Reflexionen verursachen. Solche Umweltfaktoren wirken sich auf die Qualität der Lokalisierungs- und Entfernungsmessungen von UWB aus.
„Mit Hilfe des maschinellen Lernens haben wir intelligente Algorithmen zur Ankerauswahl entwickelt, die die (Nicht-)Sichtverbindung zwischen UWB-Ankern und den zu verfolgenden mobilen Geräten erkennen,“ erklärt Professor Eli De Poorter vom ID Lab. „Aufbauend auf diesem Wissen wird die Qualität der Abstandsmessung geschätzt, und Abstandsfehler werden korrigiert. Da unser Ansatz auch mit Funktionen für maschinelles Lernen ausgestattet ist, die eine adaptive Abstimmung der Parameter der physikalischen Schicht des Netzwerks ermöglichen, können dann die richtigen Schritte eingeleitet werden, um diese Ranging-Fehler abzumildern.“ Bei der UWB-Reichweitengenau konnte das ID Lab eine Genauigkeit von mehr als 10 cm in industriellen Umgebungen demonstrieren. Laut Aussagen des Forschungszentrums entspricht das einer Verbesserung um den Faktor zwei im Vergleich zu bestehenden Ansätzen.
