Hoe ultrabreedband werkt
Dit artikel maakt deel uit van de Pozyx Academy en is het tweede in een reeks van vijf artikelen waarin wordt uitgelegd hoe de Pozyx-technologie werkt en waar moet je rekening mee houden bij de installatie van het Pozyx-systeem.
- Hoe positionering werkt
- Hoe ultrabreedband werkt
- TDOA en TWR Positioneringsprotocollen uitgelegd
- Ultrabreedband en obstakels
- Waar plaats je de ankers
Reizen aan de snelheid van het licht
Het vorige Pozyx Academy-artikel, 'Hoe positionering werkt', legde uit hoe je een positie kunt verkrijgen door de afstand tot referentiepunten te meten. Ultrabreedbandtechnologie werkt anders en meet hoe lang een radiogolf onderweg is tussen twee radiotoestellen (tag en anker). Dit wordt vluchttijd (TOF) genoemd.
Omdat radiogolven met de snelheid van het licht reizen, wordt de vliegtijd met deze snelheid gemeten om de afstand te bepalen. De snelheid van het licht is snel. In een enkele nanoseconde, wat een miljardste van een seconde is, heeft een golf bijna 30 cm afgelegd. Dit betekent dat de timing zeer nauwkeurig moet worden gemeten om een centimeternauwkeurig bereik te bekomen.
Het draait allemaal om de bandbreedte
Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg stelt dat het onmogelijk is om zowel de frequentie als de timing van een signaal te kennen. Denk bijvoorbeeld aan een sinusoïde; een signaal met een bekende frequentie maar een zeer slecht bepaald tijdstip: het signaal heeft geen begin of einde. Meerdere sinusvormige signalen met een iets andere frequentie zorgen echter samen voor een puls met een meer gedefinieerde timing, meer bepaald, een scherpe piek van de puls. Dit is te zien in de volgende afbeelding van Wikipedia die achtereenvolgens sinusoïden aan een signaal toevoegt om een scherpere puls te krijgen:
Het frequentiebereik dat voor dit signaal wordt gebruikt, wordt de bandbreedte Δf genoemd. Met behulp van Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg kan de breedte Δt van de puls worden bepaald, gegeven een bepaalde bandbreedte Δf*:
ΔFΔt ≥ 1/4π
Deze formule laat zien dat er een grote bandbreedte nodig is om een smalle puls te creëren, wat nodig is voor een nauwkeurige timing. Door bijvoorbeeld de bandbreedte van Δf = 20 MHz (beschikbaar voor WiFi-systemen) te gebruiken, wordt een pulsbreedte verkregen die groter is dan Δt ≥ 4ns. Door de hoge snelheid van het licht komt dit neer op een puls van 1,2 m 'lang', wat te veel is voor een nauwkeurige afstandsbepaling. We kunnen concluderen dat Wi-Fi-systemen onnauwkeurig zijn voor nauwkeurige positionering, ten eerste omdat het moeilijk is om de piek van zo'n brede puls nauwkeurig te bepalen, en ten tweede vanwege reflecties.
Reflecties zijn signalen die weerkaatsen op objecten (muren, plafonds, bureaus, enz..) in de omgeving. Deze reflecties worden opgevangen door de ontvanger en kunnen met elkaar overlappen, waardoor het moeilijk is om de werkelijke piek van de puls te meten. Bij pulsen van 4 ns breed veroorzaakt elk object binnen 1,2 m van de ontvanger of de zender een overlappende puls. Daarom is het positioneren bij wifi met behulp van time-of-flight niet geschikt voor binnentoepassingen.
De ultrabreedbandsignalen die worden gebruikt in het Pozyx-systeem hebben een bandbreedte van 500 MHz, wat resulteert in pulsen van 0,16 ns breed. Deze timingresolutie is zo fijn dat we bij de ontvanger verschillende reflecties van het signaal kunnen onderscheiden. Daarom blijft het mogelijk om nauwkeurig te kunnen positioneren, zelfs op plaatsen met veel reflectoren, zoals binnenomgevingen.
Waar vind je bandbreedte
Kortom, nauwkeurige positionering via UWB vereist een bandbreedte van 500 MHz, wat veel is. Helaas wil iedereen veel bandbreedte, want in draadloze communicatiesystemen betekent meer bandbreedte snellere downloads. Als iedereen echter signalen op dezelfde frequentie zou uitzenden, zouden alle signalen interfereren en zou niemand iets zinnigs kunnen ontvangen. Hierdoor is het gebruik van het frequentiespectrum sterk gereguleerd.
Dus hoe is het mogelijk dat UWB 500 MHz bandbreedte krijgt en de meeste andere systemen tevreden moeten zijn met veel minder? Welnu, de UWB-systemen mogen alleen met een zeer laag vermogen uitzenden (de dichtheid van het vermogensspectrum moet lager zijn dan -41,3 dBm/MHz). Deze zeer strikte vermogensbeperking betekent dat een enkele puls niet ver reikt: bij de ontvanger zal de puls waarschijnlijk onder het ruisniveau liggen. Om dit probleem op te lossen, stuurt de zender een reeks pulsen (meestal 128 van de 1024) om een enkel stukje informatie weer te geven. De ontvangen pulsen worden vervolgens bij de ontvanger verzameld en met voldoende pulsen zal het vermogen van de 'geaccumuleerde puls' boven het ruissniveau stijgen en is ontvangst mogelijk.
De IEEE 802.15.4-standaard voor Low-Rate Wireless Personal Area Networks heeft een aantal UWB-kanalen gedefinieerd met een bandbreedte van minstens 500 MHz. Afhankelijk van het land zijn bepaalde kanalen toegestaan. De lagere bandkanalen (1 tot 4) kunnen in de meeste landen worden gebruikt onder bepaalde beperkingen wat betreft de updatesnelheid (met behulp van mitigatietechnieken). Kanaal 5 wordt in de meeste delen van de wereld zonder enige beperking geaccepteerd, met uitzondering van Japan en recent ook China. Puur uit de natuurkunde geldt: hoe lager de middenfrequentie van het kanaal, hoe beter het bereik.
Het gebruik van de sterkte van het ontvangen signaal (RSS)
De ontvangen signaalsterkte (RSS) is een andere manier om de afstand tussen twee punten te meten met behulp van radiogolven. Hoe verder de twee punten zijn, hoe kleiner de ontvangen signaalsterkte zal zijn. Uit deze RSS-waarde zouden we dus de afstand moeten kunnen afleiden. Het is echter niet zo eenvoudig. De ontvangen signaalsterkte zal een combinatie zijn van de kracht van alle reflecties en niet alleen van de gewenste gezichtslijn. Hierdoor wordt het moeilijk om de RSS-waarde te relateren aan de werkelijke afstand, zoals blijkt uit onderstaande afbeelding.
In deze figuur wordt de RSS-waarde van een Bluetooth-signaal op bepaalde afstanden gemeten. Op elke afstand laten de foutbalken zien hoe de RSS-waarde zich gedraagt op de gegeven afstand. Het is duidelijk dat de variatie in de RSS-waarde erg groot is, waardoor RSS niet geschikt is voor nauwkeurige bereikbaarheid of positionering.
Lees het volgende artikel op positioneringsprotocollen om meer te weten te komen over Pozyx's technologie.
