การควบคุมความถี่ทำให้แอปพลิเคชัน UWB เชื่อถือได้และปลอดภัยได้อย่างไร

Ultra-Wideband (UWB) ได้รับการพัฒนาในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เพื่อการสื่อสารที่ปลอดภัยและระบบเรดาร์ ถูกห้ามใช้ในเชิงพาณิชย์ โดยส่วนใหญ่ไม่ได้นำไปใช้เป็นเวลาหลายทศวรรษ กฎระเบียบของรัฐบาลกลางที่ออกในปี 2545 ทำให้สามารถใช้ UWB ได้อย่างกว้างขวาง นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ก็ได้รับความสนใจอย่างมากในการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่มีจำนวนเพิ่มมากขึ้น รวมถึงอุตสาหกรรม ผู้บริโภค การสื่อสาร และยานยนต์ ซึ่งใช้ประโยชน์จากความสามารถในการระบุตำแหน่งและการติดตามตำแหน่งที่แม่นยำ ตลอดจนการส่งข้อมูลความเร็วสูงและการใช้พลังงานน้อยที่สุดที่เกิดขึ้น พร้อมด้วยโปรโตคอลไร้สายนี้

เช่นเดียวกับโปรโตคอลการสื่อสารไร้สายระยะสั้นอื่นๆ เช่น Bluetooth และ Wi-Fi UWB ช่วยให้สามารถสร้างเครือข่ายส่วนบุคคล (PAN) ที่เชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอำนวยความสะดวกในการส่งข้อมูลภายในบริเวณใกล้เคียงของแต่ละบุคคล แทนที่จะส่งข้อมูลผ่าน LAN หรือ WAN PAN จะส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงของบุคคล

อย่างไรก็ตาม UWB แตกต่างจากเทคโนโลยีการส่งสัญญาณอื่นๆ ในหลายประเด็นสำคัญ ซึ่งกำลังขับเคลื่อนการดำเนินงานของ UWB ในแอปพลิเคชันไร้สายกระแสหลักที่มีจำนวนเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

รูปที่ 1: ช่วงความถี่กว้างที่ปลอดภัยและการตรวจจับที่แม่นยำของ UWB ช่วยให้สามารถใช้งานแอปพลิเคชันไร้สายกระแสหลักได้จำนวนมาก (ที่มาของภาพ: Aker Technology)

UWB ทำงานที่ความถี่สูงมากและไม่รบกวนโปรโตคอลไร้สายอื่น ๆ โดยอำนวยความสะดวกให้กับคุณลักษณะต่างๆ เช่น เสียงเชิงพื้นที่ การบูรณาการบ้านอัจฉริยะ และระบบการชำระเงินแบบไร้สัมผัส ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในยานพาหนะ อุปกรณ์เคลื่อนที่และอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค เช่น สมาร์ทโฟนและการติดแท็ก เทคโนโลยีนี้ช่วยในการเปิดใช้งานคุณสมบัติขั้นสูง เช่น การเข้าถึงแบบแฮนด์ฟรีที่ปลอดภัย การนำทางในอาคาร การชำระเงินแบบไร้สัมผัส การแบ่งปันข้อมูลรับรอง และการติดตามรายการ

ประโยชน์ที่ UWB นำมาสู่ตาราง

แม้ว่าทั้ง Bluetooth และ Wi-Fi จะครองตำแหน่งในโลกการสื่อสารไร้สาย แต่ UWB ก็พร้อมที่จะครองตำแหน่งแอปพลิเคชันที่ทำงานในระยะ 10-20 เมตร เนื่องจากเร็วกว่า ปลอดภัยกว่า และแม่นยำอย่างยิ่ง สาเหตุหลักมาจากการวัดเวลาการบิน (ToF)

ตารางที่ 1: คลื่นความถี่ 3.1~10.6 GHz ของ UWB นั้นแคบกว่าคลื่นความถี่ของ Wi-Fi และ Bluetooth ซึ่งมีความถี่สูงสุดที่ 2.4~5 GHz ด้วยการทำงานในช่วงความถี่ที่สูงขึ้นพร้อมแบนด์วิธที่มากขึ้น UWB จึงสามารถส่งข้อมูลได้มากขึ้นอย่างปลอดภัยยิ่งขึ้น ทำให้เหมาะสำหรับการส่งข้อมูลระยะสั้นด้วยความเร็วสูง (แหล่งรูปภาพ: เทคโนโลยี Aker)

ด้วยการวัดเวลาที่ใช้อย่างแม่นยำเพื่อให้สัญญาณเดินทางระหว่างอุปกรณ์ ความสามารถ ToF ของ UWB ทำให้ผู้โจมตีภายนอกเข้าถึงหรือจัดการการสื่อสาร UWB ได้ยากขึ้น เนื่องจากลักษณะการเข้ารหัส การสร้างตัวเลขสุ่ม และเทคนิคความปลอดภัยอื่น ๆ

นอกจากความปลอดภัยสูงแล้ว เทคโนโลยี UWB ยังให้พลังงานต่ำ ต้านทานสัญญาณรบกวนที่ดี การวางตำแหน่งและการติดตามตำแหน่งที่แม่นยำ ตลอดจนสัญญาณที่สามารถทะลุผ่านวัสดุหลากหลายชนิดได้อย่างง่ายดาย UWB ช่วยให้สามารถส่งพลังงานสัญญาณจำนวนมากได้โดยไม่รบกวนการส่งคลื่นความถี่แคบและคลื่นพาหะแบบเดิมในย่านความถี่เดียวกัน

ความเร็วไร้สาย (ข้อมูลเรียลไทม์, เวลาที่แม่นยำ): แม้ว่าอัตราการส่งข้อมูลของ Wi-Fi จะสูงกว่า UWB เล็กน้อยที่ 600 Mbps และ 460 Mbps ตามลำดับ ความสามารถในการตรวจจับแบบเรดาร์ของ UWB ทำให้เป็นตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพในแอปพลิเคชันไร้สาย (สำหรับการอ้างอิง อัตราข้อมูลของ Bluetooth คือ 24 Mbps) นอกจากนี้ ด้วยช่วงที่กำหนดที่ต่ำกว่า Bluetooth หรือ Wi-Fi UWB จึงเหมาะที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันระยะสั้นที่ต้องการเวลาที่แม่นยำและการส่งข้อมูลแบบเรียลไทม์

ความแม่นยำ (การวางตำแหน่ง การติดตามตำแหน่ง): ความแม่นยำของ UWB นั้นไม่มีใครเทียบได้กับเทคโนโลยีไร้สายอื่นๆ ในระยะทางสั้นๆ เพื่อให้มั่นใจถึงตำแหน่งของอุปกรณ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น การไม่มีการรบกวนกับการส่งสัญญาณวิทยุอื่นๆ และเทคโนโลยีการกระจายคลื่นวิทยุทำให้ UWB วัดระยะทางได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยความแม่นยำสูงสุด 10 ถึง 30 cm ซึ่งดีกว่าช่วงของ Wi-Fi (2 ถึง 3 m) และ Bluetooth (1 ถึง 5 m)

ความปลอดภัย (ความสมบูรณ์ของข้อมูล การส่งข้อมูลที่ปลอดภัย): เทคโนโลยีการส่งผ่านพัลส์ของ UWB ทนทานต่อเสียงรบกวนและการสะท้อน ทำให้มีความปลอดภัยสูงสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย การเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างอุปกรณ์ทั้งสองและคุณสมบัติการวัดที่แม่นยำทำให้ UWB สามารถเชื่อมต่อและตรวจสอบความถูกต้องของอุปกรณ์แบบเรียลไทม์โดยไม่ต้องบันทึกหรือถ่ายทอดคลื่นวิทยุ

ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (การรั่วไหลต่ำ, การบริโภคที่เหมาะสม): ด้วยความเร็วในการส่งข้อมูลที่รวดเร็วและกรอบเวลาที่กำหนดไว้อย่างดี UWB จึงประหยัดพลังงานได้ดีกว่าโปรโตคอลระยะสั้นส่วนใหญ่ สามารถรองรับโหมดพลังงานต่ำได้หลายโหมด รวมถึงการไฮเบอร์เนตเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานให้ดียิ่งขึ้น สำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ เช่น อุปกรณ์ที่พบในสภาพแวดล้อม UWB การใช้พลังงานถือเป็นปัจจัยสำคัญ

Crystal oscillators ช่วยให้สามารถใช้งาน UWB ได้

UWB ตอบสนองความต้องการมากมายของแอปพลิเคชันไร้สายช่วงสั้นในช่วงความถี่ที่กว้าง แต่ยังนำมาซึ่งความจำเป็นในการควบคุมความถี่ที่แม่นยำ เพื่อให้แน่ใจว่าตำแหน่งที่แม่นยำ การติดตามตำแหน่ง และการส่งข้อมูลความเร็วสูง ที่ทำให้ UWB มีประโยชน์มาก

ตารางที่ 2: คริสตัลประสิทธิภาพสูงทั่วไปที่ตอบสนองความต้องการในการควบคุมความถี่ของ UWB ผลึกควอตซ์เป็นอุปกรณ์ควบคุมความถี่ยอดนิยมที่ใช้เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณและการควบคุมเวลาที่จำเป็นในการส่งข้อมูลในเวลาและความเร็วที่เหมาะสม ความเสถียร ลักษณะสัญญาณรบกวนเฟส และประสิทธิภาพการใช้พลังงานของคริสตัลอาจส่งผลต่อคุณภาพและความน่าเชื่อถือของระบบการสื่อสารและการกำหนดตำแหน่ง UWB (แหล่งรูปภาพ: Aker Technology)

ออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรให้สัญญาณนาฬิกาที่เชื่อถือได้และแม่นยำ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าพัลส์ UWB จะรักษารูปร่างและสเปกตรัมที่ต้องการ กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูปร่างพัลส์ที่สร้างโดยเครื่องส่งสัญญาณ UWB จะได้รับอิทธิพลจากจังหวะเวลาที่กำหนดโดยออสซิลเลเตอร์

การเคลื่อนตัวของความถี่หรือความไม่เสถียรในออสซิลเลเตอร์สามารถนำไปสู่การบิดเบือนของสัญญาณและประสิทธิภาพที่ไม่ดี ดังนั้นการเลือกคริสตัลที่มีช่วงความถี่ ความทนทาน และความเสถียรที่ถูกต้องจึงเป็นสิ่งสำคัญ พารามิเตอร์ที่สำคัญอื่นๆ ได้แก่ ประเภทบรรจุภัณฑ์ อุณหภูมิในการทำงาน และความจุไฟฟ้า

ตลาด UWB หลัก

UWB ซึ่งปรากฏตัวครั้งแรกใน iPhone 11 ได้รับความสนใจอย่างรวดเร็วจากแอปพลิเคชันที่ใช้ PAN จำนวนมาก รวมถึงสมาร์ทแท็กและจุดอ้างอิงในรถยนต์ หรือจุดยึด เทคโนโลยี UWB ช่วยพัฒนานวัตกรรมเทคโนโลยีไร้สายอัจฉริยะและทำให้โลกเป็นอัตโนมัติยิ่งขึ้น ต่อไปนี้เป็นอีกสองสามวิธีที่ UWB กำลังปฏิวัติตลาดไร้สายระยะสั้นต่างๆ (รูปที่ 2):

UWB ทางอุตสาหกรรม ใช้ในการติดตามทรัพย์สิน การแปลภายในอาคาร ระบบตรวจสอบ เครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย และแอปพลิเคชันกริดอัจฉริยะ เทคโนโลยีนี้สามารถให้ข้อมูลตำแหน่งที่แม่นยำสำหรับบุคลากรและอุปกรณ์

เทคโนโลยี การสื่อสารผู้บริโภค นี้ใช้ในสมาร์ทโฟน อุปกรณ์สวมใส่ IoT ระบบสมาร์ทโฮม และสมาร์ทแท็กสำหรับการเชื่อมต่อไร้สายที่รวดเร็วและเชื่อถือได้ระหว่างอุปกรณ์ระยะสั้น UWB ให้การติดตามเชิงพื้นที่ที่แม่นยำยิ่งขึ้น เช่น การวางตำแหน่งในอาคารที่แม่นยำ

ระบบ ยานยนต์ เข้าโดยไม่ต้องใช้กุญแจ การเข้าถึงยานพาหนะอย่างปลอดภัย ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) และการติดตาม ทั้งหมดใช้ UWB ในอุตสาหกรรมยานยนต์เพื่อการระบุตำแหน่งที่แม่นยำ

รูปที่ 2: แอปพลิเคชัน UWB (แหล่งรูปภาพ: Aker Technology)

การควบคุมความถี่ช่วยให้เกิดนวัตกรรมไร้สาย

ความต้องการการเชื่อมต่อไร้สายที่เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการแพร่กระจายของอุปกรณ์ Internet of Things (IoT) และการใช้งานเครือข่าย 5G กำลังผลักดันข้อมูลที่ย้ายข้ามคลื่นความถี่ไปสู่ขีดจำกัดใหม่ โครงสร้างพื้นฐานไร้สายที่กำลังเติบโตขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญที่ UWB นำเสนอ

การทำงานในช่วงความถี่ที่กว้าง UWB ช่วยให้สามารถส่งพลังงานสัญญาณจำนวนมากได้โดยไม่รบกวนการส่งคลื่นความถี่แคบและคลื่นพาหะแบบเดิมในย่านความถี่เดียวกัน การจัดสรรแบนด์วิธที่กว้างนี้จำเป็นต้องมีการควบคุมความถี่ที่แม่นยำเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนกับระบบไร้สายอื่นๆ ที่ทำงานในย่านความถี่เดียวกัน ตลอดจนประสานการถ่ายโอนข้อมูลและรักษาการสื่อสารที่เชื่อถือได้

สรุป

เทคโนโลยี UWB ช่วยให้สามารถตรวจจับระยะได้อย่างปลอดภัยและแม่นยำ สร้างมิติใหม่ของบริบทเชิงพื้นที่สำหรับอุปกรณ์ไร้สาย ช่วยให้สามารถส่งพลังงานสัญญาณจำนวนมากได้โดยไม่รบกวนการส่งคลื่นความถี่แคบและคลื่นพาหะแบบเดิมในย่านความถี่เดียวกัน UWB เป็นหนทางแห่งอนาคตสำหรับ IoT อุปกรณ์สวมใส่ การระบุตำแหน่งแบบเรียลไทม์ การเข้าถึงรถยนต์อัจฉริยะ แผงควบคุมภายในบ้าน การสื่อสารแบบเพียร์ทูเพียร์ การปลดล็อคอัตโนมัติและการจัดการการเข้าถึง และ Aker ก็อยู่ที่นั่นเพื่อเป็นส่วนหนึ่งของมันด้วยจังหวะเวลาที่หลากหลาย คริสตัล