Was ist UWB? Alle Infos zur Technologie, die unseren Alltag verändern will
Durch Apples AirTags ist UWB nun endgültig in aller Munde! In der Datenübertragung durch Ultrabreitband steckt aber deutlich mehr Potenzial, als Ihr vielleicht denkt. Aus diesem Grund fassen wir Euch nachfolgend alle Details zu UWB zusammen und überlegen, wie die Technologie unseren Alltag verändern könnt.
Was ist UWB?
UWB ist die Abkürzung für die Ultra-Wideband-Technologie – oder zu deutsch "Ultrabreitband". Es handelt sich um einen Funkübertragungsstandard, der nicht nur zur Datenkommunikation, sondern auch zur Ortung und Zugangskontrolle dient.
UWB unterscheidet sich von Standards wie Wi-Fi und Bluetooth dadurch, dass es eine sehr breite Frequenzbreite von 500 MHz belegt, in einem Spektrum, das (je nach Region) von 3,1 GHz bis 10,6 GHz reicht. Dabei wurde es so konzipiert, dass es weniger Störungen mit anderen drahtlosen Kommunikationsstandards erleidet und verursacht.
Der aktuelle Standard kann mit der Spezifikation verwechselt werden, die von der "späten" WiMedia Alliance – und ihrer Wireless-USB-Spezifikation – entwickelt wurde, die hauptsächlich für die Datenübertragung gedacht war und das gleiche Frequenzband belegte, das UWB geerbt hat.
Wie andere Technologien wird das System, das wir heute UWB nennen, von einem Firmenkonsortium namens FiRa, definiert, dem Firmen wie Apple, Bosch, NXP, Qorvo, Qualcomm, Samsung und Thales angehören.
Warum ist UWB so wichtig?
Im Gegensatz zu den anderen genannten drahtlosen Datenübertragungstechnologien lässt sich mit Ultrabreitband die Entfernung zwischen Geräten mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern bestimmen. Andererseits ist die Datengeschwindigkeit auf "einige Dutzend Megabyte pro Sekunde" begrenzt.
Nach Angaben des Fira-Konsortiums hat der Standard unter idealen Bedingungen eine theoretische Reichweite von bis zu 200 Metern. In der Praxis ist die Reichweite mit einem AirTag und dem Vorhandensein von Wänden und anderen Hindernissen natürlich geringer.
UWB verwendet kurze (2 Nanosekunden) Wellenpulse und die Time of Flight (ToF)-Technik, um die Entfernung zwischen kompatiblen Geräten zu bestimmen. Bei ToF schätzt das initiierende Gerät die Entfernung zum zweiten Gerät anhand seiner Reaktionszeit.
Darüber hinaus ermöglicht das System eine zentimetergenaue Echtzeitverfolgung der relativen Bewegung und Position zwischen den beiden Objekten.
In welchen Produkten werden wir UWB sehen?
Neben der Ortung von Objekten – eine Funktion, die nicht nur im Apple AirTag, sondern auch in einigen Versionen des Konkurrenten Samsung SmartTag+ verwendet wird – ist UWB bereits z. B. im HomePod Mini-Lautsprecher mit einer erweiterten Version der Handoff-Funktion im Einsatz, die die Audiowiedergabe vom Telefon auf dem Lautsprecher fortsetzt.
Wenn Ihr ein kompatibles iPhone in die Nähe des intelligenten Lautsprechers bringt, beginnt das Telefon zu vibrieren, wobei die Intensität mit zunehmender Annäherung variiert. Gleichzeitig variiert die Beleuchtung am HomePod in ähnlicher Weise.
Andere vorgeschlagene Anwendungen für die Technologie für den persönlichen Gebrauch drehen sich stark um die Hausautomatisierung. Zum Beispiel die Steuerung der Beleuchtung in Räumen basierend auf dem Standort einer Person, das Ein- und Ausschalten der Beleuchtung beim Betreten und Verlassen von Räumen oder die Zugangskontrolle an Türen.
Samsung gab außerdem an, dass auf UWB-kompatiblen Geräten die Option "Teilen in der Nähe" automatisch andere UWB-Geräte zuerst auflistet, indem man einfach mit dem Telefon darauf zeigt.
Ein weiterer potenzieller Einsatzbereich sind Spiele, insbesondere solche, die in der Augmented Reality spielen. Multiplayer-Spiele können auch dadurch profitieren, dass die Suche nach Gegnern vereinfacht wird, ohne dass das GPS des Geräts aktiviert werden muss.
Außerhalb des Hauses wurde UWB-Unterstützung bereits versprochen, um Autoschlüssel zu ersetzen, in einer Mittelklasse-Version des aktuellen NFC, mit Ankündigungen in diesem Jahr von BMW in Partnerschaft mit Samsung und während der Google I/O auf Android selbst, wobei die notwendigen APIs in den Quellcode des Betriebssystems integriert werden.
Im Falle von Autos könnte die Technologie nicht nur die Türen des Fahrzeugs entriegeln, sondern auch dabei helfen, es auf einem Parkplatz zu finden. Dabei könnte es visuelle, akustische oder haptische Anweisungen geben, wie im Falle des HomePod Mini. Ähnliche Ideen lassen sich auch auf Carsharing-Dienste übertragen und vereinfachen das Finden und Öffnen von Mietwagen.
Theoretisch ist es sogar möglich, einige dieser Anwendungen zu kombinieren. So könnte man durch die Lokalisierung von Objekten beispielsweise erkennen, ob sich der Fahrer mit einem Koffer nähert. Das Auto würde dann automatisch den Kofferraum öffnen und anschließend erst die Tür zum Fahrersitz. Auch Sitze ließen sich so automatisch umklappen.
NXP – Hersteller von Chipsätzen nicht nur für UWB, sondern auch für NFC – demonstrierte die Technologie in Zusammenarbeit mit VW in einem Auto. Dabei wurde das Anhängen eines Anhängers automatisiert und der korrekten Einbau des Kindersitzes erkannt. Auch der Airbag wurde automatisch deaktiviert.
Interessante Anwendungen für UWB finden sich auch, wenn man Orte zum ersten Mal besucht. Dabei gibt es viel Potenzial, sich in neuen Umgebungen besser zurechtzufinden oder die Bedienung von interaktiven Führern in Museen zu vereinfachen.
Um nicht nur optimistisch zu sein: Die Technologie könnte auch für noch stärkere Personalisierung in Werbung missbraucht werden. Auch die Überwachung Eurer Anwesenheit in bestimmten Geschäften könnte so kontrolliert werden, so das FiRa-Konsortium selbst.
Ist UWB sicher?
Neben der Verwendung von Verschlüsselung bei der Datenübertragung hängt die Sicherheit von UWB auch von der Verwendung der ToF-Technik selbst ab. Indem die Entfernung anhand der Reaktionszeit und nicht anhand der Signalstärke geschätzt wird (eine Option bei Bluetooth und einigen Wi-Fi-basierten Diensten), vermeidet die Technologie das Risiko von Man-in-the-Middle-Angriffen (MITM), z. B. solche, die die Signalverstärkung nutzen, um Autos zu knacken. Inzwischen ist es eine bekannte Masche, die Reichweite von Schlüsseln in Häusern so weit zu verlängern, dass ich das Auto vorm Haus öffnen lässt.
UWB-fähige Smartphones und Devices
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels ist das UWB-System in den folgenden Smartphones zu finden:
- Apple iPhone 11
- Apple iPhone 11 Pro
- Apple iPhone 11 Pro Max
- Apple iPhone 12
- Apple iPhone 12 mini
- Apple iPhone 12 Pro
- Apple iPhone 12 Pro Max
- Samsung Galaxy Note 20 Ultra
- Samsung Galaxy S21+
- Samsung Galaxy S21 Ultra
- Samsung Galaxy Z Fold 2
Unter den Geräten, die mit der Technologie kompatibel sind, können wir als Beispiele anführen:
- Apple AirTag
- Apple HomePod mini
- AppleWatch Serie 6
- Samsung SmartTag+
Offenbar soll die nächste Generation des Google Pixel die Technologie enthalten. Weitere Unternehmen, die dem FiRa-Konsortium angehören, sind Sony, Xiaomi, Motorola, Oppo und der chinesische Hersteller Vivo. Neben Smartphone-Marken gehören auch Unternehmen wie Hyundai, ST-Electronics und der Tracker-Hersteller Tile zur Gruppe.
Xiaomi will nicht außen vor bleiben und hat die Verwendung von UWB in seinem Ökosystem demonstriert
Fazit: UWB auf dem Radar behalten
Das Konsortium sagt, dass sich die Kosten für die Herstellung von UWB-Chips theoretisch nicht wesentlich von denen für Bluetooth-Komponenten unterscheiden, abgesehen von den Skaleneffekten bei der Herstellung. Die Tatsache, dass die Technologie nicht in der Basisversion des Galaxy S21 enthalten war, stimmt jedoch nicht gerade zuversichtlich für eine schnelle Verbreitung des Systems.
Entscheidend für die Akzeptanz des neuen Standards wird sein, dass die notwendigen APIs in das Android-System aufgenommen und von mehr Unternehmen übernommen werden. Aber ich persönlich glaube, dass es in die Fußstapfen des NFC-Systems treten sollte, das zum Beispiel noch nicht in allen Mittelklasse-Smartphones vorhanden ist.
Dennoch bietet UWB ein praktisches Potenzial, das über NFC hinausgeht, und die genannten Beispiele sind erst der Anfang dessen, was die Technologie bieten kann, auch wenn es noch einige Zeit dauert ...
Quelle: FiRa Consortium, NXP
Ja verstrahlt uns alle noch weiter mit euren funkmüll. Sowas brauch keiner. Bluetooth, WLAN, und jetzt noch dieser UWB mist. Und dann wundern sich alle warum immer mehr Krebs bekommen....
Spannend eure Discussion.
Weshalb sollte ich damit die Beleuchtung automatisieren? Sowas gibt es doch schon ewig, ganz ohne Cloudzwang, ganz leicht mit Bewegungssensoren.
UWB hat ebenfalls keinen Cloudzwang. Man könnte damit z.B. eine Straßenlampe genau dann einschalten, wenn eine Person den Ausleuchtungsbereich der vorhergehenden Leuchte gerade dabei ist zu verlassen, was ermöglichen würde, diese dann unmittelbar danach abzuschalten. Wenn also nur immer der Ausleuchtungsbereich erhellt werden soll, der sich unter der Straßenlaterne befindet, die der Person am nächsten ist, erfordert das eine recht genaue Ortsbestimmung der Person. Das kann UWB leisten, aber ein herkömmlicher Bewegungsmelder nicht. UWB ist nicht die einzige dafür geeignete Technologien, aber eine sehr konkurrenzfähige.
Das kann man auch mit Bewegungsmeldern erreichen, auch wenn nicht ganz so leicht. Und das UWB keinen Cloudzwang hat möchte ich bezweifeln.
Mit üblichen Bewegungsmelder meine ich handelsübliche Produkte auf PIR-Basis (Passiv-Infrarot), und damit ist eine Entfernungsmessung auf wenige Zentimeter genau nicht möglich. Durch Variation der Verstärkung des dem PIR-Element folgenden Verstärkers ist zwar eine gewisse Empfindlichkeitseinstellung möglich, der exakte Ansprechzeitpunkt hängt aber immer noch von Größe, Temperatur und Geschwindigkeit des Wärme emittierenden Objektes ab, unterscheidet sich also zwischen einem Kind, einem Erwachsenen und einem Auto. Bei der vorgeschlagenen Applikation zur Steuerung einer Anordnung von Straßenlaternen würden diese Unterschiede in der Ansprechlokalität abhängig von den Objekteigenschaften zu einem sehr unbefriedigende Verhalten der Applikation führen, weshalb ich behaupte, dieser Bewegungsmeldertyp ist nicht gut geeignet dafür.
PIR-Sensoren reagieren darüber hinaus nur auf bewegte Objekte. Bei einer Person, die unter einer Laterne länger stehen bleibt, z.B. um eine Zigarette zu rauchen, würde die Laterne nach einer voreingestellten Zeit trotzdem verlöschen.
UWB basiert auf der Laufzeitmessung ausgesendeter HF-Impulse. Mit einem Transceiver ist damit die Entfernungsbestimmung auf wenige Zentimeter genau möglich. Mit einem Sender und zwei Empfängern kann dann die Position in der Ebene mit dieser Genauigkeit gemessen werden (was für die vorgeschlagene Applikation reichen würde), mit einem Sender und drei Empfängern auch die Position im Raum. Größe oder Temperatur spielen für die Positionsbestimmung keine Rolle, die Geschwindigkeit eine untergeordnete, da die Positionsbestimmung mit mehr als 100 Abtastungen pro Sekunde erfolgen kann.
Denkbar wären natürlich noch andere Verfahren, z.B. auf Basis von Lidar, ToF-Kameras oder normalen CMOS-Kameras, die aber gleich viel aufwändiger und teurer wären.
UWB ist eine Basistechnologie zur Positionsbestimmung und Datenübertragung, die erstmal gar nichts mit Vernetzng oder Cloud zu tun hat. Natürlich könnte man eine solche Anordnung von UWB-Sensoren zur Steuerung von Straßenlaternen vernetzen, ebenso wie man den PIR-Sensor für die heimische Haustürbeleuchtung "in die Cloud" bringen könnte, man müsste aber nicht.
In der Beispielapplikation wäre die Vernetzung nicht zwingen nötig, aber sinnvoll.
Jeden einzelnen Positionssensor in jeder Laterne abzugleichen (damit ist die Einschränkung des zum Schaltvorgang führenden Erfassungsbereichs gemeint) wäre möglich, aber sehr arbeitsintensiv.
Sinnvoller wäre, ein Referenzfahrzeug mit eigener Positionsbestimmung unter den Laternen durchfahrenzulassen, und die einzelnen Sensoren damit abzugleichen und zu kalibrieren, was über eine Cloudanwendung gut denkbar wäre.
Darüber hinaus könnte man mit einer Cloudanwendung die Funktionskontrolle der Leuchtmittel und der Sensorik übernehmen, aber auch kontrollieren, wie stark die Straße ausgelastet ist, wie schnell dort gefahren wird, wie sich der Verkehr über den Tag verteilt usw. Alles Informationen, die für eine Stadtverwaltung sehr interessant sind und Kosten einsparen können, bei der Verkehrswegeplanung hilfreich usw.
Was die Sensorik nicht könnte (auf UWB-Basis, auf Kamerabasis durchaus), wäre festzustellen wer dort durchfährt. Eine Vernetzung solcher Laternen auch mit der Cloud hätte also durchaus Vorteile, aber das unabhängig, ob sie eine Sensorik auf UWB-Basis haben, auf anderer Basis oder ganz ohne eigene (Positions-)Sensorik. Und eine Vernetzung wäre auch nicht zwingende Voraussetzung für die Verwendung von UWB-Sensorik in den Laternen. Cloud und UWB haben direkt nichts miteinander zu tun, was nicht heißt, dass sie sich nicht trotzdem wunderbar miteinander verknüpfen lassen.
10 GHz ist schon ganz amtlich. Zwei 5G-UWB-Smartphones, einen Akku-Extender und fertig wäre der kleine Kernspintomograph für den Hausgebrauch. 😉
Ich bin immer für technischen Fortschritt. Aber speziell beim Mobilfunk bewegt man sich immer mehr in kritische Frequenzen. Und leider lässt es die Industrie vermissen, dass man großes Vertrauen entwickeln könnte. Denn das Erforschen der Auswirkungen überlässt man den anderen. Vielleicht kommt irgendwann das große Erwachen wie beispielsweise bei Marlboro, dass ein Konzern kleinlaut zugeben, dass es all die Jahre doch schädlich war.
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02.06.2021 Link zum KommentarGanz von der Hand zu weisen ist das wirklich nicht. Alleine auch die mmWave bei 5G ist ist im Grunde nicht ungefährlich. Natürlich gibt es viele Schutzmaßnahmen. Aber sollten diese versagen...
UWB sendet mit der sehr geringen Leistung von 0,5 mW/Mhz, es bleibt damit also unterhalb des ohnehin vorhandenen Grundrauschens, freilich nicht ohne dies geringfügig zu erhöhen.
Dieses Grundrauschen kommt aus künstlichen Quellen als Störstrahlung, aber auch natürlichen, wie der kosmischen Hintergrundstrahlung (0,1 bis 10 mm) als Überbleibsel des Urknalls oder als Strahlungsanteil bei Blitzen.
Wegen der geringen Leistung kann eine Gesundheitsgefährdung wohl weitgehend ausgeschlossen werden.
Die Frage, ob andere Funkdienste unbeeinträchtigt bleiben ist philosophisch und umstritten.
Zwar bleibt der Pegel unterhalb des ohnehin vorhandenen Hintergrundrauschens, aber da er dieses vergrößert, reduziert er den Störabstand und damit die Zuverlässigkeit dieser Dienste etwas.