Original: Ulink Media
Autor: 旸谷
Das niederländische Halbleiterunternehmen NXP hat kürzlich in Zusammenarbeit mit dem deutschen Unternehmen Lateration XYZ die Möglichkeit entwickelt, UWB-Objekte und -Geräte mithilfe von Ultrabreitbandtechnologie millimetergenau zu positionieren. Diese neue Lösung eröffnet neue Möglichkeiten für diverse Anwendungsszenarien, die eine präzise Positionierung und Verfolgung erfordern, und stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Geschichte der UWB-Technologieentwicklung dar.
Die derzeitige zentimetergenaue UWB-Positionierung wurde zwar schnell erreicht, doch die höheren Hardwarekosten bereiten Anwendern und Lösungsanbietern Kopfzerbrechen hinsichtlich Kosten und Implementierung. Ist ein Übergang zur Millimetergenauigkeit überhaupt notwendig? Und welche Marktchancen bietet millimetergenaue UWB?
Warum ist UWB im Millimeterbereich so schwer zu erreichen?
Als hochpräzise, hochgenaue und hochsichere Methode zur Positionsbestimmung und Entfernungsmessung kann die UWB-Indoor-Positionierung theoretisch eine Genauigkeit im Millimeter- oder sogar Mikrometerbereich erreichen, liegt aber in der Praxis seit langem im Zentimeterbereich, hauptsächlich aufgrund der folgenden Faktoren, die die tatsächliche Genauigkeit der UWB-Positionierung beeinflussen:
1. Der Einfluss des Sensoreinsatzmodus auf die Positionsgenauigkeit
Im eigentlichen Prozess der Positionsbestimmung führt eine Erhöhung der Sensoranzahl zu mehr redundanten Informationen. Diese redundanten Informationen können den Positionsfehler weiter reduzieren. Allerdings verbessert sich die Positionsgenauigkeit nicht mit den besten Sensoren, und ab einer bestimmten Sensoranzahl trägt jede weitere Erhöhung nur noch geringfügig zur Genauigkeit bei. Zudem steigen mit der Sensoranzahl die Gerätekosten. Daher konzentriert sich die Forschung zum Einfluss der Sensoranordnung auf die Positionsgenauigkeit darauf, ein optimales Verhältnis zwischen Sensoranzahl und Positionsgenauigkeit zu finden und somit UWB-Sensoren sinnvoll einzusetzen.
2. Einfluss des Mehrwegeeffekts
UWB-Positionierungssignale (Ultrabreitband) werden während ihrer Ausbreitung von der Umgebung, wie Wänden, Glas und Objekten in Innenräumen (z. B. Schreibtischen), reflektiert und gebrochen, was zu Mehrwegeausbreitung führt. Dadurch verändern sich Laufzeit, Amplitude und Phase des Signals, was zu Energiedämpfung und einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis führt. Das zuerst empfangene Signal ist somit nicht direkt, was Entfernungsmessfehler und eine geringere Positionsgenauigkeit zur Folge hat. Eine effektive Unterdrückung der Mehrwegeausbreitung kann die Positionsgenauigkeit verbessern. Gängige Methoden hierfür sind MUSIC, ESPRIT und Kantenerkennungsverfahren.
3. Auswirkungen von NLOS
Die direkte Sichtverbindung (LOS) ist die erste und wichtigste Voraussetzung für genaue Signalmessergebnisse. Können die Bedingungen zwischen dem mobilen Positionsziel und der Basisstation nicht erfüllt werden, erfolgt die Signalausbreitung nur unter Nicht-Sichtverbindungsbedingungen wie Brechung und Beugung. In diesem Fall entspricht der Zeitpunkt des ersten eintreffenden Impulses nicht dem tatsächlichen Einfallswinkel (TOA), und die Richtung des ersten eintreffenden Impulses entspricht nicht dem tatsächlichen Einfallswinkel (AOA), was zu einem Positionsfehler führt. Aktuell werden zur Beseitigung dieses Nicht-Sichtverbindungsfehlers hauptsächlich das Wylie-Verfahren und das Korrelationseliminierungsverfahren eingesetzt.
4. Der Einfluss des menschlichen Körpers auf die Positionsgenauigkeit
Der menschliche Körper besteht hauptsächlich aus Wasser. Wasser hat eine starke Absorptionswirkung auf UWB-Funkimpulse, was zu einer Dämpfung der Signalstärke, einer Abweichung der Entfernungsmessung und einer Beeinträchtigung der endgültigen Positionsbestimmung führt.
5. Auswirkungen der Signalabschwächung
Jegliches Durchdringen von Wänden und anderen Hindernissen führt zu einer Abschwächung des Signals; UWB bildet hier keine Ausnahme. Beim Durchdringen einer gewöhnlichen Ziegelwand verringert sich die Signalstärke des UWB-Positionierungssignals um etwa die Hälfte. Auch die durch die Wanddurchdringung bedingte Änderung der Signallaufzeit beeinträchtigt die Positionsgenauigkeit.
Aufgrund der Beschaffenheit des menschlichen Körpers ist die durch die Genauigkeit des Aufpralls hervorgerufene Signaldurchdringung schwer zu umgehen. NXP und das deutsche Unternehmen LaterationXYZ werden die UWB-Technologie durch innovative Sensoranordnungslösungen verbessern. Konkrete innovative Ergebnisse wurden noch nicht präsentiert; ich kann lediglich auf frühere technische Artikel auf der offiziellen Website von NXP zurückgreifen, um entsprechende Spekulationen anzustellen.
Was die Motivation zur Verbesserung der UWB-Genauigkeit betrifft, so glaube ich, dass dies in erster Linie darauf zurückzuführen ist, dass NXP als weltweit führender UWB-Anbieter mit den derzeitigen, groß angelegten Innovationen der heimischen Hersteller in der Vorstoßphase und der damit verbundenen technischen Verteidigungsstrategie umgehen muss. Schließlich befindet sich die UWB-Technologie aktuell noch in der Entwicklungsphase, und die entsprechenden Kosten, Anwendungen und der Umfang sind noch nicht stabil. Derzeit konzentrieren sich die heimischen Hersteller eher darauf, ihre UWB-Produkte so schnell wie möglich auf den Markt zu bringen und zu verbreiten, um Marktanteile zu erobern, und haben daher keine Zeit, sich um die Verbesserung der UWB-Genauigkeit und damit um Innovationen zu kümmern. NXP hingegen, als einer der führenden Anbieter im UWB-Bereich, verfügt über ein umfassendes Produktökosystem sowie über jahrelange, tiefgreifende technische Expertise und kann daher die UWB-Innovation deutlich besser vorantreiben.
Zweitens sieht NXP diesmal im Bereich UWB auf Millimeterebene das unendliche Potenzial der zukünftigen Entwicklung von UWB und ist überzeugt, dass die Verbesserung der Präzision neue Anwendungen auf den Markt bringen wird.
Meiner Meinung nach werden die Vorteile von UWB mit dem Fortschritt der 5G-„neuen Infrastruktur“ weiter zunehmen und seine Wertschöpfungsbereiche im Zuge der industriellen Modernisierung durch die intelligente 5G-Technologie weiter ausdehnen.
Bisher konzentrierten sich mobile Positionierungsszenarien in 2G/3G/4G-Netzen hauptsächlich auf Notrufe, den rechtmäßigen Zugriff auf Standortdaten und ähnliche Anwendungen. Die Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit waren daher nicht hoch; basierend auf der Zell-ID lag die Genauigkeit im Bereich von einigen zehn bis einigen hundert Metern. 5G hingegen nutzt neue Codierungsverfahren, Beam Fusion, großflächige Antennenarrays, Millimeterwellenspektrum und weitere Technologien. Die große Bandbreite und die Antennenarray-Technologie bilden die Grundlage für hochpräzise Entfernungs- und Winkelmessungen. Daher wird ein weiterer UWB-Genauigkeits-Sprint durch den entsprechenden technologischen Hintergrund, die vorhandenen Grundlagen und die vielversprechenden Anwendungsperspektiven unterstützt. Dieser UWB-Genauigkeits-Sprint kann als Vorbereitung für die Weiterentwicklung der digitalen Intelligenz betrachtet werden.
Welche Märkte wird Millimeter UW erschließen?
Derzeit ist die Marktverteilung von UWB hauptsächlich durch eine breite Streuung am B-Ende und eine Konzentration am C-Ende gekennzeichnet. In der Anwendung bietet das B-Ende mehr Einsatzmöglichkeiten, während das C-Ende mehr Potenzial für Leistungssteigerungen bietet. Meiner Meinung nach festigt diese Innovation mit Fokus auf die Positionierungsgenauigkeit die Vorteile von UWB in der Präzisionspositionierung. Dies führt nicht nur zu Leistungsverbesserungen für bestehende Anwendungen, sondern eröffnet auch neue Anwendungsfelder für UWB.
Im B-End-Markt, beispielsweise in Parks, Fabriken, Unternehmen und ähnlichen Bereichen, ist die drahtlose Umgebung des jeweiligen Gebiets relativ sicher, und die Positionsgenauigkeit kann konstant gewährleistet werden. In solchen Umgebungen besteht zudem eine stabile Nachfrage nach genauer Positionsbestimmung, weshalb UWB im Millimeterbereich bald einen Marktvorteil bieten wird.
Im Bergbau ermöglicht die Kombination von 5G und UWB-Positionierung mit dem Fortschritt intelligenter Minenkonstruktionen eine extrem schnelle und präzise Positionierung des intelligenten Minensystems. Dadurch werden hohe Genauigkeit, große Kapazität und lange Standby-Zeiten erreicht. Gleichzeitig trägt die Lösung, basierend auf dem Sicherheitsmanagement der Mine, zur Gewährleistung der Sicherheit bei. Aufgrund der hohen Anforderungen an das Sicherheitsmanagement wird UWB auch für die Personalverwaltung und Fahrzeugverfolgung eingesetzt. Derzeit gibt es in China rund 4.000 Kohlebergwerke unterschiedlicher Größe. Jede Mine benötigt durchschnittlich etwa 100 Basisstationen, was einem Gesamtbedarf von rund 400.000 Basisstationen entspricht. Bei rund 4 Millionen Bergleuten und einer Anzahl von UWB-Tags von etwa 4 Millionen Personen ergibt sich somit ein Bedarf von ca. 4 Millionen UWB-Tags. Laut dem aktuellen Endverbraucher, der einen einheitlichen Marktpreis zahlt, beträgt der Produktionswert des Kohlemarktes im UWB-Hardwaremarkt „Basisstation + Tag“ etwa 4 Milliarden.
Im Bergbau und in ähnlichen Hochrisikobereichen wie der Ölförderung, Kraftwerken, Chemieanlagen usw. sind die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit im Hinblick auf das Sicherheitsmanagement besonders hoch. Die Verbesserung der UWB-Positionsgenauigkeit auf Millimeterebene wird dazu beitragen, die Vorteile in solchen Bereichen zu festigen.
In der industriellen Fertigung, Lagerhaltung und Logistik hat sich UWB als Werkzeug zur Kostenreduzierung und Effizienzsteigerung etabliert. Mitarbeiter, die mobile Geräte mit UWB-Technologie nutzen, können verschiedene Teile präziser lokalisieren und platzieren. Der Aufbau eines Managementsystems, das UWB-Technologie in die Lagerverwaltung integriert, ermöglicht die genaue Echtzeitüberwachung aller Materialien und Mitarbeiter im Lager und gewährleistet so Bestandskontrolle, Personalmanagement und gleichzeitig einen effizienten und fehlerfreien, fahrerlosen Materialumschlag durch AGV-Systeme. Dies kann die Produktionseffizienz erheblich steigern.
Darüber hinaus eröffnet der Quantensprung der UWB-Technologie neue Anwendungsmöglichkeiten im Schienenverkehr. Aktuell basiert die aktive Zugsteuerung hauptsächlich auf Satellitenortung. In unterirdischen Tunneln, Hochhäusern, Straßenschluchten und ähnlichen Umgebungen ist die Satellitenortung jedoch fehleranfällig. Die UWB-Technologie bietet in der zugbeeinflussenden Positionsbestimmung und Navigation, der Kollisionsvermeidung und -frühwarnung sowie beim präzisen Anhalten von Zügen eine zuverlässigere technische Unterstützung für die Sicherheit und Steuerung des Schienenverkehrs. Derzeit gibt es in Europa und den USA nur wenige solcher Anwendungen.
Im Markt für mobile Endgeräte (C-Terminals) eröffnet die Verbesserung der UWB-Präzision auf Millimeterebene neue Anwendungsszenarien jenseits digitaler Fahrzeugschlüssel. Beispiele hierfür sind automatisches Parken und Automatisieren von Zahlungen. Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz von künstlicher Intelligenz das Erlernen von Bewegungsmustern und Gewohnheiten der Nutzer und verbessert so die Leistungsfähigkeit autonomer Fahrtechnologien.
Im Bereich der Unterhaltungselektronik könnte UWB im Zuge der zunehmenden Interaktion zwischen Fahrzeug und Elektronik, beispielsweise durch digitale Autoschlüssel, zum Standard für Smartphones werden. Neben der Erweiterung des Anwendungsbereichs für die Positionsbestimmung und Produktsuche eröffnet die verbesserte Genauigkeit von UWB auch neue Möglichkeiten für die Interaktion zwischen Geräten. So ermöglicht die präzise Reichweitenmessung von UWB beispielsweise die exakte Steuerung des Abstands zwischen Geräten, die Anpassung der Augmented-Reality-Szenengestaltung sowie ein optimiertes Erlebnis bei Spielen, Audio und Video.
Veröffentlichungsdatum: 04.09.2023