Riuscire a localizzare praticamente qualsiasi cosa in tempo reale, qualunque sia la sua dimensione, diventa ogni giorno più importante. Lo smarrimento delle chiavi della macchina, la ricerca in un negozio di alimentari della marca preferita di caffè, il bisogno di uno strumento particolare o la necessità di controllo di tutti i presenti in un edificio. Il posizionamento indoor a livello micro aiuta in tutte queste situazioni perché può individuare gli oggetti e guidare dove essi si trovano. La tecnologia Ultra-WideBand (UWB) offre sufficiente precisione, affidabilità e capacità in tempo reale, per una localizzazione accurata in termini di centimetri. Questo articolo mette in evidenza i principi fondamentali della tecnologia UWB, all'avanguardia per le applicazioni sicure basate su micro-localizzazione. Oltre a concentrarsi sui principi fondamentali di UWB, questo articolo discute le caratteristiche e i vantaggi chiave della tecnologia UWB e le diverse topologie utilizzate nelle applicazioni UWB.
Introduzione
UWB (IEEE 802.15.4a/z) è uno standard tecnologico ottimizzato per applicazioni sicure basate su micro-localizzazione. Esso consente di calcolare la distanza e la posizione, in ambienti interni (indoor) o esterni(outdoor), con una precisione dell'ordine di pochi centimetri. Il calcolo della distanza avviene misurando il tempo impiegato dai segnali radio per viaggiare tra i dispositivi. Insieme al livello di precisione nell'ordine del centimetro, l'accento è stato posto sulla definizione di uno standard che rendesse UWB robusto e immune alle varie forme di interferenza, garantendo un elevato livello di affidabilità. Lo standard è stato progettato per rispondere a requisiti di bassa potenza e basso costo, e con la necessità di supportare un gran numero di dispositivi connessi. Gli ingegneri che hanno creato lo standard avevano una visione: rendere ogni oggetto connesso "consapevole della posizione". UWB è stato incorporato nei principali smartphone e in un'ampia gamma di altri dispositivi. Viene già oggi applicato in molti settori e per diverse applicazioni, tra cui ingresso in auto senza chiavi, miglioramento dell'efficienza e della sicurezza nelle fabbriche, localizzazione delle forniture essenziali negli ospedali e controllo dei dispositivi intelligenti nelle case. Il potenziale di UWB consiste in una generazione completamente nuova di sistemi basati su micro-localizzazione. Proprio come Wi-Fi e GPS hanno aperto la strada ad applicazioni prima inconcepibili, UWB consentirà un'ondata di applicazioni che utilizzeranno il rilevamento, altamente accurato, della distanza e della posizione per offrire nuove esperienze e capacità.
Caratteristiche della tecnologia
A differenza di altre tecnologie a radiofrequenza (RF), UWB è stato specificamente progettato per consentire una misurazione precisa, sicura e in tempo reale della posizione, distanza e direzione, supportando contemporaneamente la comunicazione bidirezionale. Uno dei principali punti di forza di UWB è l'utilizzo del tempo di volo (ToF) dei segnali per calcolare la distanza tra dispositivi. Questo metodo è molto più accurato del metodo RSSI (Received Signal Strength Indicator), tipicamente utilizzato in altre tecnologie wireless come Wi-Fi e Bluetooth. I segnali UWB utilizzano anche una larghezza di banda (500 MHz) molto maggiore rispetto alle prevalenti tecnologie a banda stretta. Di conseguenza, i segnali UWB sono estremamente brevi, a causa della relazione inversa tra tempo e larghezza di banda. Ciò significa che la risoluzione temporale dei segnali UWB è molto alta, consentendo una determinazione accurata del ToF. Inoltre, l'alta risoluzione nel tempo e la lunghezza d'onda corta dei segnali UWB lo rendono molto più resistente alle interferenze e al fading da percorsi multipli.
Queste capacità consentono a UWB di individuare persone e cose con grande precisione. In effetti, UWB è 100 volte più preciso rispetto ad altre tecnologie RF per la posizione, come Wi-Fi o Bluetooth a basso consumo energetico (BLE), offrendo precisione nell'ordine dei centimetri invece che dei metri. Questo è molto utile quando si cerca di tracciare o localizzare piccoli oggetti o se si richiede di sapere se qualcosa si trova su un lato di un muro rispetto a un altro. Inoltre, UWB ha una latenza molto bassa, e quindi, a differenza di Wi-Fi e Bluetooth, può essere utilizzato per la localizzazione in tempo reale. È 50 volte più veloce del GPS con aggiornamenti fino a 1.000 volte al secondo (tremila volte più veloce di un beacon BLE standard). Ciò rende UWB ideale per sistemi e applicazioni di automazione che coinvolgono oggetti in rapido movimento, come i droni e altri casi d'uso. L'ampia larghezza di banda rende i sistemi UWB adatti anche per comunicazioni ad alta velocità. Poiché UWB sfrutta le informazioni ToF combinate con le tecniche di comunicazione di distance bounding definite dagli standard IEEE 802.15.4a/z, fornisce anche una sicurezza molto maggiore rispetto ad altre tecnologie wireless utilizzate per il rilevamento della distanza e della posizione.
La misurazione della posizione
A differenza di altre tecnologie radio, UWB non utilizza modulazione di ampiezza o di frequenza per codificare le informazioni che i suoi segnali portano. Invece, UWB utilizza brevi sequenze di impulsi molto stretti (solo 2 nanosecondi) utilizzando la modulazione Binary Phase Shift Keying (BPSK) e/o la Burst Position Modulation (BPM) per codificare i dati. Questi impulsi stretti hanno anche bordi netti, consentendo la precisa determinazione del tempo di arrivo e della distanza in presenza di effetti da percorso multiplo causati dalle riflessioni del segnale. Nell'esempio riportato in Figura 1, due segnali radio impulsivi (IR) consecutivi rappresentano un simbolo. Il segnale IR può occupare uno degli intervalli di chip (Tc) all'interno di un frame (Tf). Viene utilizzato un codice time-hopping (TH) per determinare la posizione precisa di un segnale in un intervallo di tempo dedicato per ridurre la possibilità di interferenza tra sistemi UWB. Nell'esempio seguente, i codici TH per i simboli sono rispettivamente {2, 1}, {2, 3} e {1, 0}, quindi il primo e il secondo segnale IR vengono spostati rispettivamente di due e di uno intervalli di chip e così via. In questo esempio, viene usata la modulazione BPSK, quindi l'informazione corrisponde alla polarità dei segnali. Il flusso IR rappresenta il dato binario ”101”.
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