Всем привет. Меня зовут Павел, я технический писатель дизайн-хауса notAnotherOne. Хочу рассказать о технологии ultra wideband или UWB, которая в последнее время всё чаще оказывается в фокусе внимания информационных ресурсов и упоминается в связке с флагманскими продуктами крупных компаний. Статья обзорная и должна дать общее представление о возможностях, сферах применения, вариантах использования и перспективах этой технологии. UWB (Ultra Wideband) - это беспроводная технология связи, использующая сверхширокую полосу для несущего сигнала и позволяющая передавать данные на небольшие расстояния при крайне низком энергопотреблении.  Официальное определение сектора радиосвязи (ITU-R): «Беспроводная технология передачи информации с помощью импульсных сигналов, излучаемых антеннами приемо-передающих устройств малого радиуса действия в полосе частот не менее 500 МГц (или 20% от центральной рабочей частоты)»  Основным механизмом UWB-связи является передача серий коротких импульсов, каждый длительностью около 1 наносекунды. А поскольку чем короче импульс, тем шире его спектр, то для таких импульсов требуется значительно бОльшая (в сравнении с узкополосной связью) ширина полосы. Отсюда - термин “сверхширокополосный”.  Другой особенностью является крайне низкий уровень сигнала, близкий по силе к радиошуму. Благодаря этому UWB сосуществует с другими, более традиционными технологиями радиосвязи, не вызывая помех.    Способ импульсной передачи сигналов был известен ещё в конце 80-х годов XIX века. Тогда усовершенствованные варианты искрового передатчика, с помощью которого Генрих Герц собирался доказать существование электромагнитных волн, широко использовались в организации беспроводной связи между кораблями и береговыми станциями. Позже, во время Второй Мировой Войны технология импульсного радио использовалась в многочисленных военных радарах. В 50-х годах XX века советские учёные, пытаясь усовершенствовать энергетические системы, начали широкое исследование в этой области. Они были первыми, кто понял, что сверхкороткие импульсы способны передавать больше информации об объекте, хотя и сфера применения по-прежнему была преимущественно военная. В семидесятые годы ХХ века радарные системы на базе UWB стали использоваться в гражданских целях: для сканирования грунта, строений, определения местоположения, предупреждения об опасности столкновения, определения уровня жидкости, обнаружения нарушителя и в мобильных радиолокационных станциях. Патент Росса от 17 апреля 1973 года считается одной из вех в развитии технологии и акцентирует внимание на одном из главных преимуществ UWB — сосуществование с распространенными стандартами без наведения помех.  В 2002 году вследствие растущего интереса со стороны бизнеса Федеральная комиссия связи США (FCC) одобрила регламентированное коммерческое использование радиочастотного спектра от 3.1 до 10.6 ГГц. В 2003 году Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (ETSI) опубликовал стандарт IEEE 802.15.4, определивший физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC) для персональных беспроводных сетей с низким уровнем мощности сигнала (LR-WPAN). Расширение стандарта, посвященное безопасности, было представлено в 2020 году в версии стандарта 802.15.4z, которая вводила физический уровень PHY CSS (линейно-частотная модуляция на частоте 2450 МГц), определяла метод двунаправленного измерения расстояния, добавляла шифр подстановки. И только несколько лет назад, в 2019 году, UWB стала известна широкой аудитории конечных пользователей, когда всемирно известные компании, такие как Apple и Samsung, начали внедрение функциональности на базе этой технологии в свои устройства потребительского сегмента.  Одно из основных преимуществ UWB - сопротивление эффекту многолучевого распространения волн благодаря высокому временному разрешению и короткой длине волны. Именно поэтому технология так хороша для измерения расстояния и слежения: UWB в 100 раз точнее Wi-Fi или Bluetooth Low Energy в таких задачах и обеспечивает точность в пределах нескольких сантиметров.  Использование сверхширокого диапазона в свою очередь даёт высокую устойчивость к частотно-селективным замираниям, если сравнивать с Bluetooth и Wi-Fi. Это даёт возможность разворачивать несколько систем на базе UWB в одной среде, не вызывая конфликтов с другими стандартами. Замирания (fading) - флуктуации уровня радиосигнала в процессе распространения радиоволн, обусловленные изменением параметров передающей среды. При одних и тех же условиях распространения радиоволн замирания могут быть гладкими, если передаваемые сигналы являются узкополосными, и селективными – при широкополосных сигналах. Частотно-селективные замирания (frequency selective fading). Вид замираний, при котором каждая частотная составляющая сигнала передается со своей амплитудой и сдвигом начальной фазы, а разброс по задержке соизмерим со значением 1/F (F – полоса частот передаваемого сигнала) или превышает его. По сути, такие замирания эквивалентны фильтрации, при которой спектральные составляющие в пределах малого частотного интервала имеют практически одинаковые коэффициенты передачи, а с расширением полосы разброс уровней увеличивается. Очевидно, что чем шире спектр передаваемого сигнала, тем в большей степени он подвержен искажениям. (источник: OSP – Гид по технологиям цифровой трансформации, статья “CDMA: борьба с замираниями”). Крайне низкая задержка делает UWB идеальным кандидатом для автоматических систем определения местоположения быстро перемещающихся объектов в реальном времени, наример, дронов.  Другое ключевое преимущество — высокая степень защиты данных как следствие низкой мощности генерируемых импульсов. Последнее изменение IEEE 802.15.04z-2020 повышало степень защиты данных, введя новый физический уровень линейно-частотной модуляции, добавило такие методы шифрования, как скремблированная временная метка и шифр подстановки (про скремблирование можно почитать, например, здесь). Среди прочих преимуществ UWB: Отсутствие ограничений для доступа к радиодиапазону; Одновременная поддержка сотен каналов; Большой диапазон для скоростей передачи данных: от 4 Мбит/с до 675 Мбит/с и выше, в зависимости от частоты; Потенциальная поддержка десятка топологий; Гибкое использование спектра; Сверхнизкое энергопотребление: 2 мВт @ 1 Мбит/с, 6 мкВт @ 1 кбит/с; Низкая стоимость чипа: примерно $2-5 при массовом производстве. Но, конечно, не всё так гладко…   Из-за короткой длины импульса и сверхширокого спектра пропускная способность UWB гораздо сильнее (по сравнению с узкополосной передачей) падает с расстоянием.  В теории, широкий диапазон и высокая мощность сигнала (в случае, конечно, если последняя не ограничена законодательно) может нарушать работу существующих систем и линий связи. Помимо этого, доступность спектра частот в ряде стран (12 стран, большая часть которых находятся на постсоветском пространстве ) ограничена государственными органами и службами безопасности. Так в России, например, трекеры AirTags вынуждены использовать Bluetooth вместо задуманной изначально UWB.  Разберёмся с тем, каким методами технология реализует одно из своих ключевых преимуществ - сверхточное определение расстояния. Двунаправленное измерение расстояния (TWR) Для измерения расстояния между устройствами UWB использует время распространения (ToF, Time-of-Flight) — время доставки пакетов “запрос-ответ”, — а не показатель уровня сигнала (RSSI, Received Signal Strength Indicator), который используется в других стандартах.  Данный способ вычисляет расстояние между меткой (tag) и опорной точкой (anchor) путём определения ToF, а затем умножения его на скорость света. Более сложное двустороннее двунаправленное определение дальности (Double-Sided Two-Way Ranging, DS-TWR) неявным образом корректирует ошибки, связанные со сдвигом тактовых импульсов, однако требует большего количества пакетов и как следствие — большего энергопотребления.  Разностно-дальномерный метод (TDoA)  Конечно, измерение ToF с использованием одной опорной точки не даст местоположения метки, а вот с помощью нескольких внешних опорных точек UWB уже в состоянии определить двумерное и трёхмерное положение метки в пространстве в пределах определённой зоны. При этом происходит обмен пакетами метки с опорными точками и вычисляется разница во времени приёма таких пакетов.  В зависимости от того, что является принимающей стороной различают две топологии:  Разница во времени приема ответного сигнала на стороне метки (Tag Side-Time Difference of Arrival, TS-TDoA), используемая, например, в GPS; Разница во времени приема ответного сигнала на стороне опорной точки (Anchor Side-Time Difference of Arrival, AS-TDoA). Метод разности фаз (PDoA) Следует заметить, что вычисление ToF позволяет определить только  расстояние, но не направление. Метод разности фаз (Phase Difference of Arrival, PDoA) решает эту задачу, как и задачу с организацией дополнительной инфраструктуры.  Выполняется это двумя антеннами на хотя бы одном из устройств. Разность фаз принимаемого сигнала на антеннах позволяет вычислить угол приёма сигнала (Angle of Arrival, AoA). Большинство вариантов использования UWB связано либо с её способностью крайне точно определять местоположение, либо с высокой степенью защиты данных, либо сочетают обе эти возможности.  Будучи долгое время привлекательной только для военных или промышленных целей, в последнее время технология нашла новое применение благодаря эволюции устройств потребительского сегмента: носимых гаджетов, смартфонов и “умной” инфраструктуры. Сверхточное измерение расстояния  С UWB определение местоположения с точностью до нескольких сантиметров становится делом техники.  В здравоохранении UWB помогает людям находить нужные службы в учреждениях, предоставляет медперсоналу данные о пациенте, а также помогает сотрудникам служб ухода найти потерявшегося человека. Отслеживание медицинского оборудования может также быть очень кстати, если нужно быстро найти небольшие предметы или дорогое и нужное оборудование, такое как установка для сердечной реанимации.  Свойства радара UWB используются для дистанционного измерения жизненно важных показателей, таких как частота сердечных сокращений и частота дыхания. Последнее может также найти применение в умной инфраструктуре с системами обнаружения присутствия, детских мониторах, медицинскими приборах, системах выявления экстренных случаев. Технология широко применяется для навигации в помещениях разного типа: торговых точках, больницах, местах для парковки, производственных территориях. UWB может использоваться для организации эвакуации в чрезвычайных случаях, позволяя определять местонахождение и направлять к выходу всех, кто находится на территории.   В период пандемии стало актуальным ещё одно применение UWB, связанное с социальным дистанцированием. Бейджи и браслеты с UWB могут предупреждать владельцев при приближении друг к другу и включать аварийную нотификацию, когда безопасная зона нарушена. Точность определения при этом составляет менее 10 см. UWB может использоваться при цифровизации и оптимизации производственных процессов. Отслеживание инструмента и оборудования повышает эффективность их использования и экономит время персонала, а система предотвращения столкновения повышает безопасность на территории производства. И, конечно же, широко известные сейчас UWB-метки, пристёгнутые к связке ключей или рюкзаку и работающие в паре со смартфоном, сэкономят время и нервы при поиске важных личных вещей. Контроль доступа Рассчитывая время распространения (ToF), UWB обеспечивает высокую точность при измерении расстояния, а также безопасность передаваемых данных, а вычисление угла прихода сигнала (AoA) позволяет определить направление движения источника. Так устройства с UWB понимают, например, приближается ли пользователь к закрытой двери или отходит от неё, а также знают по какую сторону от двери всё это происходит. В случае с контролем доступа UWB работает в паре с другими протоколами, чаще всего - с Bluetooth. Bluetooth используется для инициализации процедуры измерения расстояния и для передачи данных, а UWB отвечает непосредственно за вычисление расстояния. Новый физический слой (PHY), добавленный в IEEE 802.15.4z и относящийся к защите шифрованием, сводит к минимуму успешность MITM-атак (“Man-in-the-middle”, букв. атака “человек посередине”). Это открывает огромное количество возможностей: умные замки на входных дверях и гаражных воротах, система контроля физического доступа на производственных площадках, сервисы проката, цифровые ключи для транспортных средств и многое другое. В начале 2022 года Samsung в коллаборации с Zigbang аннонсировал выпуск “умного дверного замка”, для отпирания которого не понадобиться даже доставать из кармана смартфон.  В январе 2021 года компания Apple анонсировала цифровой ключ с UWB для автомобиля и подтвердила, что расширяет поддержку подобного функционала, а также цифровой авторизации в iOS 15 и watchOS 8 для пользователей Apple Watch. Pixel 6 Pro и Pixel 7 Pro также поддерживают UWB для использования цифрового ключа, а также для функции Android-а “Nearby Share”, позволяющей передавать файлы на близком расстоянии с одного устройства на другое.  Volkswagen и крупнейший мировой производитель чипов NXP не отстают и предлагают дополнительные функции отключения подушки безопасности при наличии детского кресла, управления жестами багажной дверью, автоматического управления сцепкой для прицепа. Обновленные BMW X5 и X6 будут поддерживать функцию UWB-цифрового ключа, которым через нативное приложение можно поделиться ещё с пятью людьми. UWB-устройства могут формировать вокруг определенной зоны так называемый “пузырь безопасности”, используемый в частности для автоматической разблокировки персональных устройств. Пара видео с демонстрацией работы таких “пузырей”:  UWB может использоваться при организации WBAN сетей (Wireless Body Area Network). Сеть UWB-датчиков, измеряющих жизненные показатели пациента (датчики ЭКГ и ЭМГ, датчик сатурации кислородом и другие), может использоваться в интеллектуальных системах мониторинга и предупреждения. Мультимедиа, дополненная и виртуальная реальность Низкое значение задержки (5-10 мс для потоковой трансляции аудио при использовании кодеков и вплоть до 2 мс при передаче несжатого аудио) делает UWB привлекательным для использования в потоковой передаче видео- и аудиоданных, в VR и AR, различных типах контроллеров. UWB-устройства могут создавать контекстуальный пользовательский опыт в зависимости от своего положения и ориентации, это может использоваться в ритейле и системах “умного” дома.  Колонки Apple HomePod, HomePod mini и Nest от Google могут мгновенно перехватывать играющую на смартфоне музыку, подкаст или текущий телефонный разговор при его приближении к колонке (функция “Handoff” у Apple).   Пример UWB-устройства для умного дома — пульт Sevenhugs Smart Remote X. Вышедший на рынок в 2016 году, продукт, к несчастью, опередил своё время. Комплект включал пульт дистанционного управления и опорные точки для определения его пространственной ориентации. При наведении на устройство на пульте отображалось соответсвующее контекстное меню. Главным недостатком был заградительный ценник $399 на начало продаж. Датчики присутствия с UWB могут использоваться в профессиональных системах освещения офисных зданий. Включение света при движении позволяет экономить электроэнергию, а высокая чувствительность UWB-датчиков позволяет фиксировать даже минимальные движения сидящего спокойно за компьютером или телефоном человека и поддерживать освещение в нужной зоне.  В целевом маркетинге покупатели могут получать индивидуальные предложения в зависимости от того, в каком отделе магазина они находятся, и в зависимости от их личных предпочтений. Бизнес может получать важные данные, анализируя клиентопоток и поведение покупателей. Транспорт  Многочисленные варианты для транспортной сферы включают в себя: Система автоматической парковки автомобиля и подачи для посадки по запросу: водитель может покинуть автомобиль в нужном месте, и автомобиль найдёт место и припаркуется сам. Позже, через приложение на смартфоне водитель может вызвать автомобиль для подачи в нужную точку;  V2X (vehicle-to-everything, система обмена данными между автомобилем и другими объектами дорожной инфраструктуры) и беспилотное управление; Цифровые ключи и различные функции, облегчающие жизнь, о которых писалось выше; C2X (communication-to-everything, “социальная” сеть транспортных средств) может существенно снизить количество ДТП посредством коммуникации транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры. Интересный пример реализации функции следования и предупреждения столкновения с использованием технологии UWB - “умный” дипломат Airwheel SR5, который следует за владельцем самостоятельно, избегая препятствий по дороге. UWB также главный кандидат для использования в миниатюрных летательных аппаратах (MAV). Не будет преувеличением сказать, что стандарт UWB ждёт светлое будущее — помимо многочисленных вариантов использования в b2b сегменте высока вероятность того, что он может стать одним из стандартных интерфейсов для смартфонов, как это уже случилось с Bluetooth и NFC. Оценка среднегодового темпа роста рынка UWB к 2026 г., сделанная в 2021 году “Research and Markets”, составляет 16,06% или $3,129 млрд, и может удвоиться, если не утроиться, в том случае, если UWB станет стандартным интерфейсом, что уже происходит с флагманскими моделями смартфонов и в перспективе может случиться с устройствами средней ценовой категории. В notAnotherOne следят за развитием UWB и участвуют в ряде проектов, включая типичные варианты использования, такие как RTLS (“Real-time locating system”, системы позиционирования в реальном времени), а также более редкие реализации технологии, в том числе потоковую передачу звука.  технический писатель