UWB – Ultra Wideband

Ultra Wideband teknologien har været på bordet i nogle år og de sidste versioner af Samsungs Topmodeller og Apples iPhones (11-13) har haft UWB på deres specifikationer. Så jeg tænkte at det måske var på sin plads at kigge på teknologien, det potentiale og anvendelsemuligheder samt om der er nogle markedsparate områder det kan anvendes i.

Ultra Wideband
Ultra Wideband

Hvad er Ultra Wideband?

UWB er en trådløs teknologi der bedst beskrives ved at Bluetooth og WiFi har fået et barn med det bedste af to verdener og lidt til, selvom det lyder fantastisk er der også ulemper og jeg kommer til at kredse om alle aspekter. UWB bruger, i sagens natur, radiobølger til at sende og modtage data og det gør den på et bredt spektrum af høje radiobølge-frekvenser (Højere en WiFi).

De der har læst min artikel, Trådløst hvad er det?, vil vide at jo højere frekvenser, jo hurtigere hastighed kan man sende data med. Der følger så også en konsekvens af den høje hastighed og det er rækkevidden. Signalet er ikke i særlig god stand til at gennemtrænge vægge eller lignende. Derfor fungerer det også, optimalt, når sender og modtager er indenfor synsmæssig rækkevidde.

Det at rækkevidden afkortes, giver også en fordel i at signalstyrken ikke behøver være særligt høj for at afsenderen kan nå sit mål og derfor er strømforbruget også væsentligt lavere en WiFi teknologien og endda også lavere end Bluetooth.

Positionering – Hvor er du?

Jeg skrev at der også var “lidt til” og det ekstra der er til, er en nøjagtig positioneringsteknologi. Ultra Wde Band giver nærmest, dine enheder, en sjette sans. UWB fungerer over korte afstande og på en bredspektret båndbredde. Signalet afsendes i høje impulser i korte cyklusser. De hurtige impulser øger præcisionen af afstandsbedømmelsen og datahastighederne. Ved længere cyklusser kan UWB række længere og benyttes til radar og eller billedeteknologier. UWB teknologien bruger meget lidt strøm.UWB er i stand til at finde en placering helt ned på centimeterniveau, samt retningsbestemme placeringen.


Lokationsmålingerne er baseret på Time of Flight (ToF) Angle of Arrival (AoA) (RSSI i stedet for at måle signalstyrke. For at forbedre trilateration præcission skal man bruge tre eller flere modtagere, men synligt signat er vigtigere. Mens UWB Tags bliver fulgt (tracket) udsender de impulser der indeholder ID, ToF og tidsstempel data. Noder i nærheden opdager og videresender signalet til enheden der behandler trackingen. ToF målingerne hjælper med at bestemme afstanden ,placeringen og orienteringen af UWB tagget inden for ganske få centimeter. Der er overordnet tre anvendelsesmuligheder for brug af lokalisering:

  • Kommunication
  • Sensor Positionering
  • Enhedstrackingradar

UWB positioneringsteknikker kan give realtids indendørs præcisionstracking til alle mulige anvendelser som f.eks. mobilbeholdning, lokationssignalfyr til redningstjenester, indendørs navigation for blinde eller svagtseende samt robotter, tracking af mennesker og udstyr.

UWBs Tekniske egenskaber

UWB fremstår stærkere end dets tilsvarende teknologier, grundet dets høje båndbredde på 500 Mhz. Det fungerer glimrene i signaltunge miljøer with nærmest ingen interferens. Det fungerer på frekvenser fra 3.1 til 10.6 Ghz og bruger kun mellem 0.5 mW il 41,3 dBm/Mhz. inden for 10 meters radius. UWB signaler fungerer indenfor sigtelinje mellem 10 og 150 meter med datahastigheder op til 1Gbit/s.

Generelt kan datahastigheden i UWB positioneringssystemer komme op på 100 Mbit/s hvilket gør det genialt til løsning med nærfelts datatransmissioner.

Derudover hjælper den højre båndbredde og de ekstremt korte impulsbølger med til at reducere effekterne af multipath interferenceog hjælper til med at udregne TOA (Time of Arrival) for transmissioner med store mængder mellem afsender og tilhørende modtager. Dette gør UWB en mere ønskelig løsning inden for indendørs positionering i forhold til tilsvarende teknologier.

Længden af en enkelt impuls afgør det mindste differentielle multipath forsinkelse, mens periodiske impulser afgør den største observerbare multipath forsinkelse for at utvetydigt finde bedste vej iblandt multipath.

Oven i dette, er der høj gennemtrængelighed eller penetration igennem vægge og objekter, hvilket yderligere støtter den rummelige observation i UWB og øger positioneringens præcision. Ultra Wide Band giver pålidelige og præcise data rater der kan minimere fejl ned til få centimeter.

Mobile netværk 1G-2G-3G-4G-5G-6G

Historietimen

Det har siden 1951 været muligt at montere en telefon i bilen. Dengang blev samtalerne manuelt ekspederet fra Rigstelefonen, det var dog nødvendigt at vide hvor i landet ens bil og modpartens bil befandt sig. Derudover var der den ulempe at samtaler kunne aflyttes af andre med biltelefon.

primaryImage
Radiotelefon PTM888X

Der blev derfor indgået et samarbejde, i slutning af 70’erne, på tværs af de nordiske lande; Danmark, Sverige, Norge og Finland om at udvikle et automatisk mobiltelefonsystem. Det blev kaldt Nordisk Mobil Telefonsystem eller NMT. Det blev idriftsat imellem 1981 og 1982. På det tidspunkt dækkede det de fire lande. Idéen var at brugsfunktionalitet skulle minde så meget som muligt om det almindelig telefonnet.

Centralen, der styrede systemet, hed AXE. Det kunne registrere, hvor mobiltelefonen befandt sig uden at den der ringede op, behøvede at vide hvor den anden person var. NMT-Nettet blev udsendt på 450Mhz frekvensbåndet og i 1986 var det fyldt op og derfor blev 900Mhz frekvensbåndet taget i brug.

NMT-nettet fik flere funktionaliter, som omstilling af opkald til et andet nummer ved ubesvaret og mulighed for at kode, ofte benyttede, numre ind i telefonen. Senere kom Grønland, Island, Holland, Polen, Tyrkiet og Slovenien også til. I 1985 var NMT-Nettet verdens største med 110.000 abonnementer. Generelt set har NMT været med til at bane vejen for GSM netværket vi kender i dag.

GSM – 1. Generation

I København, år1987, blev der underskrevet en kontrakt på en samarbejdsaftale om udvikling og udrulning af Global System for Mobile Communication eller GSM-Standarden. Der var tretten lande der underskrev kontrakten. Det blev efterfølgende besluttet oprettet kvalitetsstandarder og at allokere bestemte frekvensbånd til GSM-nettet. De besluttede at benytte 900Mhz- og 1800Mhz frekvensbåndene til det. I 1991 blev det første opkald på GSM-nettet foretaget og i dag er GSM stadigvæk standarden ,for mobiltelefoni, i langt de fleste lande i verden. Det var også i GSM Standarden at man valgte at bruge SIM-kort (Subscriber Identity Modulecard) til at give adgang for telefonnummeret på mobilen. GSM-Nettet var også et analogt net. Dette var 1. Generation af GSM nettet Altså 1G.

2G -Anden generation

Anden generation af GSM-nettet (2G) var først og fremmest et digitalt netværk. Det digitale netværk kom også til at indeholde en ny standard General Package Radio Service (GPRS) som kunne overføre data trådløst med op til 40kbit/s (kilobit per sekund). Denne udgave blev også kald for 2.5G. Senere, under 2G, blev der videreudviklet en ny udgave af GPRS som blev kaldt EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution. EDGE kunne overføre data med op til 384kbit/s. EDGE kaldes også 2.75G

Dernæst indeholdt 2G, SMS (Short Message System). Det blev oprindeligt udviklet til forretningsfolk, som et værktøj til at sende og modtage korte beskeder til og fra forbindelser. Ligesom “Pageren”, i blandt andet USA, havde revolutioneret forretningsgange. Det skulle vise sig, sidenhen, at det var den yngre generation der tog SMS til sig. Det skete i sådan en grad at de udviklede deres eget sprog på platformen. Til at starte med var teksten begrænset til 128 karakterer og prisen pr. SMS kunne være op til 5 kr. Derfor lavede de forkortelser for alt der kunne forkortes og udviklede ansigtsmimiker repræsenteret som smileys i form af kolon, bindestreg, parenters sammensat så de lignede simple versioner af nutidens emojier.

En sidste stor ting der blev blev udviklet i 2. generation af GSM var bruges af TDMA. TDMA står for Time Division Multiple Access, som er en teknologi der tillader flere brugere at bruge samme del af et frekvensbånd på én gang. Dette gøres ved at dele dele frekvenserne op i subfrekvenser. TDMA er kompleks og kræver en meget præcis synkronisering af tids mellem modtager og afsender. Herunder ses et eksempel på TDMA, hvor et frekvensbånd deles af A, B og C. Hver bruger for tildelt et tidsrum til at sende og modtage data. I eksemplet ses det at bruger B sender efter bruger A og derefter bruger C.

TDMA eksempel.

De første teknologier på internettet var på 2G, Det var alt fra små hjemmesider på Web Application Protocol (WAP) til specielt udviklede applikation der kunne sende og modtage specifikke data over GSM netværket.

3G – Tredje generation

Den tredje generation af GSM teknologien er en opgradering der primært øger båndbredden. Den teoretiske 3.5hastighed er 144kbs/s og senere i 3.5G og 3.75G. 3.5G er en forbedret udgave af 3G som benytter en teknologi kaldet High Speed Download Packet Access (HSDPA). Det er baseret på UMTS og giver større kapacitet og hastighed samtidig med at svartiderne reduceres. Hastighederne kan nå op på 14 Mbit/s. Med 3.75G eller Evolved High Speed Packet Access (HSPA+) kan hastighed op til 168Mbit/s opnås med MIMO antenne teknik. Med 3G teknologien åbnede muligheder for hjemmesider på mobile enheder, videomøder, overførsel af større datamængder. Mobile bredbåndsforbindelser som erstatning for faste bredbåndsforbindelser eller som løsninger, steder hvor der ikke var/er fast bredbånd tilfældigt.

4G Long Term Evolution

4. Generation af GSM også kaldet LTE er blandet andet defineret som en standard der skal kunne levere 100mbit/s (Megabit) til enheder der er i høj bevægelse. Altså køretøjer som biler og tog, samt levere 1Gbit/S (Gigabit) for stationære eller enheder i lav bevægelser som fodgængere. Selvom standarden for teknologien foreskriver disse høje hastigheder, så er det sjældent at man praktisk kan opnå disse. Se eventuelt indlægget om Transporttab. 4G er designet til at håndtere alt hvad 2G og 3G har kunnet, samt medfødt IP-Telefoni, Gaming servicer, mobilt TV i HD, videokonferencer i stor skala med tusindvis af brugere, 3D TV, Sociale Medier, samt understøttelse af IOT-Enheder (Internet of Things).

Voice over LTE

VoLTE er en trådsløs kommunikations standard der fungerer på mobiltelefoner, IOT-enheder og alverdens data-terminaler. Voice over LTE har tre gange så meget voice og data kapacitet som 3G over UTMS. For at kunne lave et Voice og LTE opkald i HD Voice, skal endepunkterne, masterne og centralerne alle understøtte VoLTE. I 2019 understøttede 262 operatører i over 120 lande VoLTE.

5G – Femte generation

Bagved 5G-Teknologien ligger der en masse funktionaliteter som:

  • Network slicing som er en netværksarkitektur der gør det muligt at multiplexe (det at kombinere flere signaler til ét signal på et delt medie), virtualiserede og uafhængige logiske netværk på den samme underlæggende fysiske netværks infrastruktur. 
  • Orthogonal Frequency-Divsioning Multiplexing (OFDM) er en teknologi som fremmedordene indikerer der involverer at parallelle signaler kan blive opdelt og samlet igen på tværs af frekvenser. Den bruges for at undgå problemer med Doppler-effekten (ændringer i signalbølgen) og Multipath-propagation (Det at et signal kan nå en antenne af flere veje og dermede skabe interferens undervejs. Ved brug af OFDM mindsker man begge dele. 
  • MIMO eller Multiple Input Multiple Output, som også bruges i 4G er en teknologi der gør det muligt at bruge flere antenner til at modtage og sende samtidigt og dermed udnytte en større del af frekvensbåndet og dermed den tilgængelig båndbredde og hastighed på én gang.
Teknologier og deres årtier

Kort og godt. 5G:

  • Bliver hurtigere (op til 10Gbit/S)
  • Kan håndtere flere brugere 100x flere end på 4G)
  • Har lavere svartider (med mulighed for svartid på under 1 sekund)
  • er mere stabilt
  • er designet til at samle netværk
  • Forventes at blive benyttet af 1.7 milliarder enheder.

6G – Next Gen

Den 6. Generation af GSM-nettet, som bliver efterfølgeren til 5G mobilteknologi kommer til bruge højere frekvenser end 5G nettet, formentligt i Terahertz (Thz) spektrummet. Derved bliver der væsentlig højere netværkskapacitet og meget lavere svartider. Ét af målene, for 6G er at det skal kunne understøtte svartider i mikrosekunder så svartidere bliver 1000 gange bedre eller 1/000 del af dem vi kender i dag fra en svar tid på 1 millisekund. Derudover vil sampling rates (den hastighed eller det antal af lyderbidder man kan “smage” på, på én gang) foregå meget hurtigere. Kombinationen af sub-mm lydbølger (lydbølger på under 1mm) og frekvensvalg baseret på elektromagnetisk absorberingshastighed forventes at kunne udvikle trådløse sensorer betydeligt.

Teknoligien 6G forventes at understøtte dataforbindelser på 1 terabyte pr. sekund (Tb/s). Hastigheden vil være ulige noget vi har set før og den vil forøge 5G mulighederne for produkter der benytter sig af 5G væsentligt lige som det vil være muligt at danne eller opfinde helt nye teknlogier der på trådløse forbindelser vil kunne forbinde, detektetere, indsende , modtage og behandle, højopløselige billeder og video, informationer med flere og datatunge lag indlejret. Det forventes særligt at kunstig intelligens (AI), autonom infrastruktur, video- og billedbehandling, samt tilgængelighedsteknologier og placeringsteknologier vil få markante forbedringer på baggrund af 6G.

Det vil være muligt med kuntig intelligens, med de høje hastigheder, at server infrastruktur 6G-Netværket og endepunkterne snakker så godt sammen at de automatisk og autonomt selv finder det oplagte eller bedste sted at beregne data, både hvor lagring, processering og deling skal foregå. Der tales allerede i dag om at tilføje Mobile Edge Computer (MEC – som er det man kalder ovenstående AI-drevne autonome infrastruktur) som en tilføjelse til 5G, men MEC vil blive en del af alle 6G netværk. Dermed vil Edge og Core computing bliver sømløst integreret i kommunikations og server infrastrukturen allerede før 6G-netværket idriftsættes. Hvilket vil betyde at de allerede tages i brug under 5G, men først opnår der potentiale når 6G er tilgængeligt.

Trådløst hvad er det ?

Hvad er trådløst?

Trådløs er en måde at transportere signaler uden brug af faste forbindelser som kobberkabler eller fiberoptiske kabler. Signalet udbreder sig i det frie rum. Når folk snakker om trådløs er det som oftest trådløs kommunikation de refererer til. Trådløs kommunikation er når information overføres mellem enheder der ikke er forbindet via fast forbindelse (kabel).

Hvor bruges trådløst?

Før vi går i dybden med hvordan trådløs kommunikation fungerer, bør vi kigge på hvordan trådløs anvendes. I næsten alle scenarier bruges trådløs kommunikation til at sende og modtage data. Det kan enten være envejs-kommunikation som Radio eller gammeldags Flow-TV eller det kan være tovejs-kommunikation, hvor en enhed fungerer som sender og den anden som modtager. Det andet scenarie med tovejs-kommunikation bruges i satelitter, Trådløse routere og Access Points (AP’er) eller i mobilnetværk, eksempelvis 2G/3G/4G eller 5G teknologi, som mellemliggende punkter der sørger for at forbinde kommunikationen mellem sender og modtager.

Hvordan fungerer trådløs kommunikation?

For at trådløs kommunikation kan ske, skal vi have data der skal transporteres uden kabler. Disse data transportes i stedet gennem det der kaldet signaler (som består af elektromagnetiske bølger). Så hvordan skaber man et signal der kan sendes trådløst?

Det starter med transmitteren (senderen) hvor en oscillator skaber en periodisk bølge (signalet). Dette signal udbreder sig gennem interne kabler i enheden op til antennen. Da antennen er en leder, vil den elektriske strøm bevæge sig ud til enden af antennen. Antennen udstråler den skiftende spænding (den periodiske bølge af strøm) som en elektromagnetisk bølge. Her starter det trådløse, altså i det at antennen konverterer den elektriske spænding til bølger i luften.

Where does wireless start

Signalets frekvens.

Afhængigt af hvor hurtigt, signalet fra oscillatoren skifter, har de udgående bølger forskellige frekvenser. Disse frekvenser kan benyttes til forskellige formål. Man deler de forskellige frekvenser op i frekvensdomæner og samler disse i et frekvensspektrum. Anvendelseformål deles også op i frekvensdomæner. Eksempelvis kan der nævnes: Wi-Fi, TV-udsendelse, mobilkommunikation, Satelit, Radioudsendelse, ISM-båndet, GPS og mange flere. Det er regeringen i det enkelte land der er ansvarlige for tildele frekvensbånd til forskellige formål.

Grunden til at man opdeler frekvenser til forskellige formål er for at undgå kollision imellem domænerne. Ved at adskille forskellige teknologier til deres egne frekvensbånd, kan disse ikke “larme”. Når et signal “larmer” på samme frekvens bånd som et andet, kan ingen af de to signaler komme igennem eller også vil det som minimum betyde væsentlige forringelser af signalet.

Hvordan bevæger et signal sig?

Et signal bevæger sig typisk ikke direkte til modtageren efter at være blevet sendt. Antennen på transmitteren udstråler signal i flere retninger. Signalbølgen kan reflektere sig på bygninger, afbøjes på skarpe kanter eller splittes på mindre genstande og stadig nå modtageren. Undervejs vil bølgen lide tab i form af dæmpning og forsinkelse. Modtageren opfanger alle dele som et kombineret signal. Når der er mere end en rute mellem transmitter og modtager, kalder man dette for en “flérstis-kanal” (multipath channel).

Radio channel effects overview

Hvad sker der i transmitteren?

Vi ved at modtageren skal håndtere det forvrængede og blandede signal for at kunne afkode data. Dette er en kompliceret opgave, da signalet indeholder mange uønskede dele. For at gøre det lettere, for modtageren, tilføjes yderligere led i processen ved transmitteren. Før vi sender data afsted, koder vi data ind i pakker. Dette tilføjer yderligere bits til data, som som gør det lettere at genskabe data, under afkodningen, ved modtageren. Efter at dataene er indkodet i pakker, bliver bits placeret på symboler, moduleret til adskillelige signalformer og sendes ud gennem antennen.

Transmitter components