Ultrabreitband-Technologie verstehen

Zu den Vorteilen von UWB zählt die feine Zeitauflösung, die eine Entfernungsbestimmung auf der Grundlage der Laufzeit (Time of Flight, ToF) von Funkwellen verbessert – selbst in Umgebungen mit starker Mehrwegeausbreitung. Über UWB lassen sich somit andere UWB-Geräte präzise verfolgen. Abgesehen von diesen etablierten Funktionen kann UWB sogar sehr geringe Bewegungen erfassen wie Atmung und Herzschlag einer Person.

Ultrabreitband (UWB) galt einst als Nischenlösung, die aber eine interessante Alternative zu etablierten Techniken für Anwesenheitserkennung und Verfolgung darstellt, z. B. Radiofrequenz-Identifikation (RFID), Lokalisierungs-Tracker und Infrarot-Sensoren. Trotz seiner Vorteile wurde UWB von der Branche bis vor kurzem außer Acht gelassen. Experten gehen davon aus, dass UWB nun immer häufiger zum Einsatz kommen wird. Von 2023 bis 2030 soll mit 18 Prozent ein höheres durchschnittliches jährliches Wachstum (CAGR) als bei Wi-Fi oder Bluetooth erzielt werden.

Während sich erste UWB-Anwendungen auf Peer-to-Peer-Kommunikation und Entfernungsmessung konzentrierten, bedienen neue UWB-Anwendungen nun die Sensorik und völlig neue Einsatzmöglichkeiten. UWB ist aufgrund seiner zuverlässigen Anwesenheitserkennung eine Alternative zu anderen Funktechniken. Dafür sprechen die Koexistenz-Eigenschaften, die Kommunikationsleistung und die Erkennung menschlicher Anwesenheit. UWB (Radar) ist so präzise, dass es in Haftanstalten Leben retten kann, indem es die Vitalfunktionen schlafender Insassen erfasst. Die Technik könnte mit ihrer Reife im Jahr 2024 die nächste Revolution im Funkbereich einläuten.

Grundlagender Ultrabreitband-Technologie

UWB ist eine Funktechnik mit geringem Stromverbrauch und kurzer Reichweite, die Funkwellen nutzt, um die Anwesenheit von Objekten und Personen zu erkennen, Daten mit geringer Latenz zu übertragen und Informationen über den Standort eines Objekts oder einer Person bereitzustellen. Während Bluetooth und Wi-Fi einige dieser Kerneigenschaften gemeinsam haben, überträgt UWB kleine, sehr kurze Impulse anstelle eines kontinuierlichen Hochfrequenz-/HF-Trägers. Die daraus resultierende Bandbreite des Funksignals reicht von 500 MHz bis 1 GHz oder noch höher – daher der Name „Ultrabreitband“.

Bei einem Funkfrequenzbereich von 3,1 bis 10,6 GHz und der Ausbreitung der übertragenen Energie auf einem Ultrabreitband liegt der Leistungspegel dieser Frequenzen unter dem Grundrauschen, was zu einem geringen Stromverbrauch führt.

Somit lassen sich Personen in einem Raum ohne mitgeführte Geräte verfolgen. Diese Eigenschaften und technischen Vorteile erleichtern den Einsatz unter Einhaltung weltweiter Vorschriften in zahlreichen Branchen.

Fahrzeugzugang

Anfangs hatte UWB bei den ersten Anwendern große Aufmerksamkeit erregt. Die Technik ermöglicht eine genaue Ortung in Innenräumen und die sichere Identifizierung von Geräten basierend auf Entfernung oder präziser Lokalisierung. Aber das war erst der Anfang. Parallel dazu entstand die Idee, UWB zum Erfassen der Umgebung zu nutzen, indem das Echo des gesendeten Funksignals aus seiner Umgebung empfangen und analysiert wird. Dabei entstand die UWB-Sensorik, auch bekannt als UWB-Radar.

Bis 2018 war UWB weitgehend unbekannt. Viele potenzielle Anwender schienen von den Vorteilen nicht überzeugt zu sein, bis die weit verbreitete Integration in Smartphones die Leitungsfähigkeit von UWB bestätigte. Dies geschah im September 2019, als Apple das iPhone 11 ankündigte, das den UWB-Standard ISO-802-15-4z mit verbesserten Sicherheitsmechanismen umsetzt. Ein Jahr zuvor hatte der Autohersteller Jaguar Land Rover UWB in eine Lösung für den schlüssellosen Zugang zu Fahrzeugen integriert, um vor „Relais-Angriffen“ zu schützen.

Während Smartphone- und Computerhersteller UWB bereits einsetzen, um Personen zu erkennen und zu verfolgen sowie für Datenschutz- und E-Health-Anwendungen, beginnen die Fahrzeughersteller, UWB für weitere lebensrettende Anwendungen zu übernehmen. Angesichts zunehmender Sicherheitsvorschriften für Kinder in Fahrzeugen, zum Beispiel um Hitzschläge zu verhindern, entwickelt sich UWB zu einer Alternative für die Anwesenheitserkennung von Kindern (Child Presence Detection, CPD) im Auto. Dabei werden die technischen Fähigkeiten herkömmlicher CPD-Technik wie 60 GHz übertroffen.

Anwesenheitserkennung im Fahrzeug

Obwohl ein Hitzschlag im Fahrzeug vermeidbar ist, sind seit 1998 mehr als 970 Kinder daran gestorben. Um diese Tragödien zu verhindern, verpflichten die jüngsten gesetzlichen Maßnahmen in den USA (Hot Cars Act) und in Europa (NCAP; New Car Assessment Program) die Fahrzeughersteller, ab 2025 CPD-Systeme in Neufahrzeuge zu verbauen, wobei 60 GHz die derzeit vorherrschende CPD-Technik ist. UWB-Radarsensoren sind jedoch eine vielversprechende Alternative und stoßen bereits auf das Interesse großer Autobauer.

UWB ermöglicht den Autoherstellern eine einfache Integration, die keine Modellabstimmung oder -kalibrierung erfordert, was den Einbau einfacher und kostengünstiger macht als bei der 60GHz-Technik, die eine Kalibrierung speziell für das jeweilige Fahrzeugmodell erfordert. Der Stromverbrauch von UWB beträgt nur wenige µW, was mindestens fünfmal niedriger ist als bei 60 GHz, das aufgrund seines Frequenzbereichs und seiner älteren Architektur einen höheren Stromverbrauch aufweist. UWB bietet auch eine bessere Durchdringung. Die Technik kann durch Kleidung und Autositze hindurch erfassen und ist weniger empfindlich gegenüber Hindernissen und Materialien im Fahrzeuginnenraum. Dies ist enorm von Vorteil, da Fahrzeugkabinen stark reflektierende Mehrwege-Umgebungen mit zahlreichen Objekten im Inneren sind, die andere Funkwellen blockieren und reflektieren.

Ultrabreitband voll ausschöpfen

Ob es darum geht, einen Laptop-Bildschirm zu dimmen oder zu warnen, weil ein Kind oder Haustier in einem heißen Auto zurückgelassen wurde – UWB wird aufgrund seiner technischen Vorteile immer beliebter. Da UWB im Jahr 2024 in zahlreiche vertikale Märkte integriert wird, können Unternehmen und Verbraucher mit einer erhöhten Interaktion zwischen Menschen und Objekten rechnen. Dennoch müssen sich Unternehmen über die technischen Vorteile von UWB informieren, um das volle Potenzial für verschiedene Anwendungen in zahlreichen Märkten auszuschöpfen. Schließlich könnte die umfassende Integration von UWB in den kommenden Jahren den Unterschied zwischen mehr Sicherheit und einer Tragödie ausmachen. (bs)