כיצד בקרת תדר מבטיחה יישומי UWB אמינים ומאובטחים

פותח במהלך מלחמת העולם השנייה עבור מערכות תקשורת ומכ"ם מאובטחות, פס אולטרה-רחב (UWB‏) נאסר לשימוש מסחרי, והותיר אותו כמעט ללא ניצול במשך עשורים רבים. התקנות הפדרליות שפורסמו ב-2002 אפשרו שימוש נרחב יותר ב-UWB‏. מאז, הוא צבר אחיזה משמעותית במספר גדל והולך של יישומים מסחריים, כולל תעשייה, צרכנים, תקשורת ורכב, המנצלים את יכולות המיקום ווהעקיבה המדויקות שלו, כמו גם את העברת הנתונים המהירה וצריכת ההספק המינימלית המגיעים יחד עם פרוטוקול אלחוט זה.

כמו פרוטוקולי תקשורת אלחוט לטווח קצר אחרים, כגון Bluetooth ו-Wi-Fi‏, UWB מאפשר יצירת רשת אזור אישית (PAN‏) המחברת בין התקנים אלקטרוניים ומקלה על העברת נתונים בסביבתו המיידית של המשתמש. במקום לשלוח נתונים דרך LAN או WAN‏, PAN‏ מעביר מידע בין התקנים בקרבת המשתמש.

עם זאת, UWB שונה מטכנולוגיות שידור אחרות במספר היבטים עיקריים, המניעים את המימוש של UWB במספר הולך וגדל של יישומים אלחוטיים שבמיינסטרים. 

איור 1‏: תחום התדרים המאובטח והרחב והחישה המדויקת של UWB מאפשר מספר יישומי אלחוט שבמיינסטרים. (מקור התמונה: Aker Technology‏)

UWB פועל בתדר גבוה ביותר שאינו מפריע לפרוטוקולי אלחוט אחרים. הוא מקל על תכונות כמו אודיו מרחבי, אינטגרציה של בית חכם ומערכות תשלום ללא-מגע, ההופכים אותו לשימושי במיוחד ברכבים, התקנים ניידים ולצרכנים, כמו טלפונים חכמים ותיוג. טכנולוגיה זו עוזרת לאפשר מאפיינים מתקדמים כמו גישה מאובטחת ללא-ידיים, ניווט פנים, תשלומים ללא-מגע, שיתוף הרשאות ומעקב אחר פריטים.

היתרונות ש-UWB מביא לשולחן

בעוד שגם Bluetooth וגם Wi-Fi הבטיחו את מקומם בעולם התקשורת האלחוטית, UWB עומדת להיות משמעותית ביישומים הפועלים בטווחים של 10-20 מטר מכיוון שהוא מהיר יותר, מאובטח יותר ומדויק במיוחד. זה נובע בעיקר ממדידות זמן-טיסה (ToF).

טבלה 1‏: פסי-תדרי הספקטרום של UWB של GHz‏ 10.6‏ ~ 3.1‏ הוא גדול הרבה יותר מזה של Wi-Fi ו-Bluetooth, המגיעים רק עד כדי GHz‏ 5‏ ~ 2.4‏. הודות לפעולה בטווח תדרים גבוה יותר ועם רוחב-פס רחב יותר, UWB יכול לשאת יותר נתונים בצורה מאובטחת יותר, ההופכים אותו לאידיאלי עבור העברת נתונים במהירות גבוהה לטווחים קצרים. (מקור התמונה: Aker Technology‏)

על ידי מדידה מדויקת של הזמן שלוקח לאות לעבור בין ההתקנים, יכולת ToF של UWB מקשה על תוקף חיצוני לחדור לתקשורת UWB או לשנות אותה הודות לאופי ההצפנה, יצירת מספרים אקראיים וטכניקות אבטחה אחרות.

בנוסף לאבטחה גבוהה, טכנולוגיית UWB מציעה הספק נמוך, חסינות טובה לרעש, מיקום ועקיבת מיקום מדויקים כמו גם אותות היכולים לחדור בקלות דרך מגוון של חומרים. UWB מאפשר שידור של כמות גדולה של אנרגיית אותות מבלי להפריע להעברה גלי נושא קונבנציונליים בפס-צר באותו פס תדרים.

מהירות אלחוט (נתונים בזמן אמת, תזמון מדויק): למרות שקצב הנתונים של ה-Wi-Fi הוא מעט יותר גבוה מזה של UWB‏, Mbps‏ 600‏ לעומת Mbps‏ 460‏ בהתאמה, יכולות הגילוי דמוי-ראדאר של UWB הופכות אותו לבחירה אפקטיבית ביישומי אלחוט. (כייחוס, קצב הנתונים של Bluetooth הוא Mbps‏ 24‏). בנוסף, עם טווח נומינלי נמוך יותר לעומת Bluetooth או Wi-Fi‏, UWB‏ הוא המתאים ביותר עבור אותם יישומים לטווחים קצרים הדורשים תזמון מדויק והעברות נתונים בזמן-אמת.

דיוק (מיקום, עקיבת מיקום): הדיוק של UWB הוא ללא מתחרים באף טכנולוגיית אלחוט אחרת במרחקים קצרים כדי להבטיח מיקום מדויק יותר של ההתקן. היעדר הפרעות לשידורי רדיו אחרים וטכנולוגיית פרצי רדיו פירושה ש-UWB מודד ביעילות מרחקים עם דיוק של עד 10 עד 30 ס"מ, הרבה יותר טוב מהטווחים של Wi-Fi‏ (2 עד 3 מטר) ו-Bluetooth‏ (1 עד 5 מטר).

אבטחה (תקינות נתונים, שידור מאובטח): טכנולוגיית שידור פולסים של UWB עמידה בפני רעש והחזרות, ההופכת אותה למאובטחת ביותר עבור מגוון של יישומים. החיבור הישיר בין שני התקנים ומאפייני מדידה מדויקים מאפשרים ל-UWB להתחבר ולאמת את הלגיטימיות של התקנים בזמן-אמת מבלי שגלי רדיו יוקלטו או יועברו.

נצילות הספקת-הכוח (זליגה נמוכה, צריכה אופטימלית): הודות למהירות השידור הגבוהה ומסגרת התזמון המוגדרת היטב, UWB חוסך בהספק טוב יותר לעומת מרבית הפרוטוקולים לטווחים קצרים. הוא יכול לתמוך במספר אופני צריכת הספק נמוכה, כולל אופן שינה עבור אופטימיזציה נוספת של הספקת-הכוח. עבור התקנים מוזני-סוללות, כגון אלו המשמשים בסביבות UWB‏, צריכת ההספק היא גורם מכריע.

מתנדי גביש מאפשרים יישומי UWB

UWB עונה על צרכים רבים של יישומי אלחוט לטווחים קצרים על פני תחום תדרים רחב, אך הוא גם מביא לידי ביטוי את הצורך בבקרת תדרים מדויקת כדי להבטיח מיקום ומעקב מיקום מדויקים והעברת הנתונים במהירות גבוהה ההופכים את ה-UWB לכל כך שימושי.

טבלה 2: גבישים טיפוסיים בעלי ביצועים גבוהים העונים על צורכי בקרת התדר של UWB. גבישי קווארץ הם התקני בקרת תדר נפוצים המשמשים כדי להבטיח את בקרת האותות והתזמון הדרושה להעברת מידע בזמן ובמהירות הנכונים. היציבות, מאפייני רעשי הפאזה ונצילות ההספק של הגביש יכולים להשפיע על האיכות והאמינות של מערכות תקשורת ומיקום UWB. (מקור התמונה: Aker Technology‏)

מתנד יציב מספק אותות שעון אמינים ומדויקים, המבטיחים שהפולסים של ה-UWB ישמרו על צורתם ועל הספקטרום הרצויים. במילים אחרות, צורת הפולס שנוצרת על ידי משדר ה-UWB מושפעת מהתזמון שמספק המתנד.

סחיפת תדר או אי-יציבות במתנד עלולים להוביל לעיוות האותות ולביצועים גרועים, ולכן בחירת גביש עם תחום התדרים, הטולרנס והיציבות הנכונים היא קריטית. פרמטרים עיקריים נוספים כוללים את סוג המארז, טמפרטורת הפעולה וקיבוליות העומס.

שוקי UWB העיקריים

הופיע לראשונה באייפון 11, ה-UWB התבסס במהירות במספר רב של יישומים מבוססי PAN כולל תגים חכמים ונקודות ייחוס, או עוגנים, בתוך-הרכב. טכנולוגיית UWB עוזרת לקדם חידושים בטכנולוגיית אלחוט חכמה ולהפוך את העולם לאוטומטי טוב עוד יותר. הנה כמה דרכים אחרות שבהן UWB מחולל מהפכה בשוקי אלחוט לטווחים קצרים (איור 2):

תעשייתי - UWB משמש במעקב אחר נכסים, מיקום פנים, מערכות ניטור, רשתות חיישנים אלחוטיות ויישומי רשת חכמה. הטכנולוגיה יכולה לספק מידע מיקום מדויק עבור אנשים וציוד.

תקשורת לצרכנים - הטכנולוגיה משמשת בסמארטפונים, התקנים לבישים, IoT, מערכות בית חכם ותגים חכמים עבור חיבורי אלחוט מהירים ואמינים בין התקנים בטווחים קצרים. UWB מציע מעקב מרחבי מדויק יותר, כמו מיקום מדויק בתוך הבית.

רכב - מערכות כניסה ללא-מפתח, גישה מאובטחת לרכב, מערכות סיוע-לנהג מתקדמות (ADAS) ומעקב, כל אלה משתמשים ב-UWB בתעשיית הרכב עבור קביעת מיקום מדויקת.

איור 2‏: יישומי UWB‏. (מקור התמונה: Aker Technology‏)

בקרת תדר מסייעת לחידושי אלחוט

הביקוש ההולך וגדל לתקשורת אלחוטית, במיוחד עם שגשוג התקני אינטרנט של דברים (IoT) והפריסה של רשתות 5G, דוחפת את הנתונים על פני פסי התדר לגבולות חדשים. תשתית האלחוט ההולכת וגדלה מסתמכת על פרמטרי הביצועים הקריטיים ש-UWB מציע.

פועל על פני תחום תדרים רחב, UWB מאפשר שידור של כמות גדולה של אנרגיית אותות מבלי להפריע לשידור גל נושא ופס-צר קונבנציונליים באותו פס תדרים. הקצאת רוחב-פס רחב זו דורשת בקרת תדר מדויקת כדי למנוע הפרעות למערכות אלחוט אחרות הפועלות באותם פסי תדרים, כמו גם לסנכרון העברות נתונים ושמירה על תקשורת אמינה.

סיכום

טכנולוגיית UWB מאפשרת טיווח מאובטח וחישה מדויקת, ויוצרת מימד חדש של הקשר מרחבי עבור התקני אלחוט. UWB מאפשר שידור של כמות גדולה של אנרגיית אותות מבלי להפריע להעברת גל נושא ופס-צר קונבנציונליים באותו פס תדרים. UWB היא דרך העתיד עבור IoT, התקנים לבישים, איתור בתוך-הזמן, גישה חכמה לרכב, פאנל בקרה ביתי, תקשורת עמית-לעמית, פתיחה אוטומטית וניהול גישה; וחברת Aker Technology‏ היא כאן לקחת חלק עם המגוון הרחב של גבישי התזמון שלה.