„Wissensreihe“ Eine detaillierte Untersuchung der Vorteile der UWB650-Technologie zur präzisen Entfernungsmessung und Positionierung

Das UWB650-Modul ist ein neu veröffentlichtes Produkt von NiceRF, das eine Zwei-Wege-Ranging- und Dreipunkt-Planarpositionierung bietet. Das UWB650-Modul basiert auf dem UWB3000F27 und ist mit einem Mikrocontroller ausgestattet , sodass Benutzer es direkt und ohne Konfiguration verwenden können.

Die UWB-Technologie und ihr Kommunikationsprotokoll folgen dem IEEE 802.15.4-2020-Standard und bieten hochpräzise drahtlose Kommunikationslösungen mit geringem Stromverbrauch und geringer Latenz, die genaue, energieeffiziente und schnelle drahtlose Verbindungen ermöglichen.

Es unterstützt UWB-Kanal 5 (6489,6 MHz), der eine hervorragende Signaldurchdringung und Übertragungsstabilität bietet und sich daher für hochpräzise Positionierungs- und zuverlässige Datenkommunikationsanwendungen eignet.

Übertragung von Luftdatenraten

Luftdatenrate: Unterstützt Luftdatenraten von 6,8 Mbit/s und 850 Kbit/s und bietet eine flexible Wahl zwischen Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und langsamer Kommunikation mit geringem Stromverbrauch, um verschiedenen Anwendungsszenarien gerecht zu werden.

Übertragungsrate : Die Kommunikation erfolgt im Halbduplex-Modus mit einer Übertragungsrate von 1000 Datenpaketen pro Sekunde mit einer maximalen Kapazität von 1010 Byte. Das Senden und Empfangen von Daten erfolgt abwechselnd, wodurch sich dieses Übertragungsverfahren für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Datenpaketgröße und Übertragungsrate eignet und einen effizienten Datenaustausch bei angemessenen Bandbreitenbedingungen ermöglicht.  

Unterstützung der Datenübertragung: Es unterstützt die AES-128-Verschlüsselungstechnologie, um die Sicherheit der Datenübertragung zu gewährleisten. Bei aktivierter Verschlüsselung wird die maximale Kapazität jedes Datenpakets auf 99 Byte reduziert, um eine effiziente und sichere Datenübertragung unter Verschlüsselung zu gewährleisten. Diese Verschlüsselungsmethode verhindert wirksam Datendiebstahl und -manipulation. 

Serielle Hochgeschwindigkeitskommunikation

Die serielle Kommunikationsrate kann bis zu 115.200 Bit/s erreichen und unterstützt so eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. Es erfüllt die Kommunikationsanforderungen der meisten seriellen Geräte und gewährleistet Stabilität und Effizienz bei der Datenübertragung.

Flexibles Kommunikationsmanagement

Die Verwaltung erfolgt über Gruppen-IDs und Geräte-IDs. Jedem Modul wird eine eindeutige Geräte-ID zugewiesen und es gehört zu einer bestimmten Gruppen-ID. Das Modul kann andere Module innerhalb derselben Gruppe über die Gruppen-ID identifizieren und so eine Eins-zu-eins- oder Broadcast-Kommunikation ermöglichen.

Eins-zu-eins-Kommunikation: Bei der Eins-zu-eins-Kommunikation werden Daten nur zwischen dem jeweiligen Sender und Empfänger übertragen, wodurch die Sicherheit und Effizienz der gezielten Kommunikation gewährleistet ist. 

Broadcast-Kommunikation: Im Broadcast-Kommunikationsmodus werden Daten an alle Module innerhalb derselben Gruppe übertragen, wodurch eine synchronisierte Mehrpunktkommunikation ermöglicht wird . Diese flexible Kommunikationsmethode eignet sich für verschiedene komplexe Netzwerktopologien und unterstützt die Zusammenarbeit und den Datenaustausch zwischen mehreren Geräten. 

Bereichsfunktion

Master-Slave-Konfiguration (ein Master für fünf Slaves): Ein Master kann gleichzeitig die Entfernung zu bis zu fünf Slave-Geräten messen. Dieses Setup ermöglicht es dem Master, die Entfernungen zu mehreren Slave-Geräten effizient zu verwalten und zu berechnen. 

Ranging-Prinzip: DS-TWR (Double-Sided Two-Way Ranging )  Misst die Umlaufzeit der zwischen Master- und Slave-Geräten übertragenen Signale, um die Entfernung genau zu berechnen. Der Master sendet ein Signal, der Slave antwortet und der Master berechnet die tatsächliche Entfernung, indem er die Umlaufzeit des Signals misst. Diese Methode ermöglicht eine hochpräzise Entfernungsmessung und eignet sich daher für Positionierungs- und Verfolgungsanwendungen.

Methode zur planaren Dreipunktpositionierung: Durch Messung der Abstände zwischen dem Ziel und drei bekannten Referenzpunkten wird die genaue Positionierung mithilfe der Triangulationsprinzipien berechnet.

Entfernungsmessung: Unterstützt eine maximale Kommunikationsentfernung von 1 Kilometer, wobei jeder Entfernungsvorgang etwa 25 Millisekunden dauert .

Positionierungsfunktion

Basisstationen und Tags: Unterstützt die Kopplung eines Tags mit drei Basisstationen und verwaltet bis zu dreißig Tags. Alle Tags können mit diesen drei Basisstationen kommunizieren. 

Zusätzliche Funktionen

Das System unterstützt Upgrades über die serielle Schnittstelle und ermöglicht die Konfiguration verschiedener Parameter, um die Einstellungen an spezifische Anforderungen anzupassen.

Vergleich der Positionierungslösungen

Bei der UWB-Positionierung werden mehrere gängige Positionierungsmethoden verwendet: Time Difference of Arrival (TDOA), Time of Flight (TOF)-Ranging und Angle of Arrival (AOA). Die ersten beiden Methoden können typischerweise unabhängig voneinander verwendet werden, während AOA im Allgemeinen mit TOF oder TDOA für eine integrierte Positionierung kombiniert wird.

Die TOA-Positionierung (Time of Arrival) ist eine entscheidende Methode in der UWB-Technologie. Es berechnet die Entfernung, indem es die Zeit misst, die ein Funksignal benötigt, um vom Sender zum Empfänger zu gelangen und so die Position zu ermitteln. TOA bietet eine sehr hohe Positioniergenauigkeit und weist eine hohe Störfestigkeit auf. 

TDOA (Time Difference of Arrival) ist eine Positionierungsmethode, die auf der Differenz der Ankunftszeiten von Signalen basiert. Das System erfordert eine präzise Zeitsynchronisation mit extrem hoher Genauigkeit. Dies stellt sehr hohe Anforderungen an die Hardware, was die Komplexität der Netzwerkwartung und -installation erhöht, was wiederum die Kosten erhöht.

Bei der AOA-Positionierung (Angle of Arrival) wird der Ankunftswinkel typischerweise auf der Grundlage der Phasendifferenz der Signale berechnet. Es wird im Allgemeinen nicht unabhängig verwendet. Da AOA eine Winkelauflösung beinhaltet, ist die Positionierungsgenauigkeit umso geringer, je weiter die Entfernung von der Basisstation entfernt ist, wenn AOA allein verwendet wird.

Die TOF-Positionierung (Time of Flight) basiert auf der Entfernungsmessung, wobei der Tag Entfernungsmessungen zu jeder Basisstation initiiert, die geortet werden muss. Nach Abschluss des Ranging-Vorgangs wird die Position berechnet.