Wir stellen den ST64UWB vor, den ersten monolithischen IEEE-802.15.4ab-Baustein mit Narrowband Assistance (NBA), mit dem Automobilhersteller deutlich zuverlässigere Freihand-Türschließsysteme auf den Markt bringen können. Tatsächlich stößt der neue Baustein in der laufenden Sampling-Phase auf so großes Interesse, dass wir bereits zahlreiche Tier-1-Zulieferer und große OEMs beliefern. Durch den Einsatz von NBA können wir den mit IEEE 802.15.4ab eingeführten Multi-Millisekunden-Modus nutzen, um das Link-Budget massiv zu erhöhen. Konkret bedeutet das eine erheblich größere Reichweite und eine präzisere Erkennung, also Funkschlüssel, die genauer und zuverlässiger arbeiten. Darüber hinaus ermöglichen die verbesserten Radarfähigkeiten die Präsenzerkennung im Fahrzeuginnenraum.
Warum IEEE 802.15.4ab?
Die Schwächen von 802.15.4z
Das Ultra-Wideband-Protokoll 802.15.4z ist nicht neu und hat der Branche unter anderem den Weg zu drahtlosen Autoschlüsseln geebnet. In der Praxis zeigten sich jedoch unerwartete Einschränkungen bei der Benutzerfreundlichkeit. Steckt das Smartphone beispielsweise in der Gesäßtasche oder liegt der Schlüsselanhänger in einer Tasche, wird das Signal so stark gestört, dass die Nutzererfahrung leidet. Ein weiteres Beispiel: Die Übergabe zwischen Bluetooth und dem UWB-Ranging verlief nicht so reibungslos wie erwartet, da die beiden Funktechnologien nicht eng gekoppelt sind und unterschiedliche Reichweiten haben.
Das führte zu einem erhöhten Stromverbrauch, weil die 802.15.4z-Ranging-Vorgänge bereits aktiviert wurden, wenn die Anker noch zu weit vom Sender entfernt waren. Zudem konnte 802.15.4z zwar theoretisch Reichweiten von mehreren Dutzend Metern erreichen, schnitt aber schlecht ab, sobald keine direkte Sichtverbindung bestand. Steckt das Smartphone beispielsweise in der Gesäßtasche oder liegt der Schlüsselanhänger in einer Tasche, wird das Signal so stark gestört, dass die Nutzererfahrung leidet.
Auch wenn dieser Blogbeitrag Ultra-Wideband vor allem aus der Perspektive drahtloser Autoschlüssel betrachtet, deckt die Technologie ein weitaus breiteres Spektrum an Anwendungsfällen ab. Und obwohl Forscher untersucht haben, wie sich die Leistung von 802.15.4z unter Interferenzen verbessern lässt, ging das stets auf Kosten der Reichweite1.
Die Lösung: 802.15.4ab
Um Ultra-Wideband voranzubringen, hat die Branche an einem aktualisierten Standard gearbeitet, 802.15.4ab, der einige Schwächen der Vorgängerversion beheben soll. Die wichtigste Verbesserung ist die deutlich größere Reichweite des neuen Protokolls, unter anderem dank Optimierungen wie Narrowband Assist und eines höheren Link-Budgets (dazu später mehr). Tatsächlich kann 802.15.4ab ähnliche Distanzen abdecken wie Bluetooth LE selbst, sodass Bluetooth in vielen Designs möglicherweise nicht mehr erforderlich ist. BLE kann dank seines sehr geringen Stromverbrauchs allerdings weiterhin für das Erkennen wertvoll sein. Für manche Anwendungen reicht jedoch eine reine UWB-Konfiguration aus, was die Systemkomplexität reduziert und die zusätzlichen Kosten einer Bluetooth-Integration vermeidet.
Neben der besseren Energieeffizienz macht die von 802.15.4ab ermöglichte höhere UWB-Leistung Anwendungsfälle wie drahtlose Autoschlüssel zuverlässiger und öffnet die Tür zu neuen Anwendungen.
Ingenieure könnten die Ranging-Fähigkeiten von 802.15.4ab beispielsweise für die Erkennung der Passagierposition in autonomen Fahrzeugen oder die Personenerkennung in großen Veranstaltungsstätten nutzen. Das war bisher unmöglich, weil der frühere Standard nicht die nötige Leistung bot. Um Teams dabei zu unterstützen, die Möglichkeiten des neuen Standards besser zu verstehen, haben wir ein Whitepaper veröffentlicht, das hilft, das wahre Potenzial von UWB zu erschließen. Ein ganzer Abschnitt des Papiers widmet sich Anwendungen „jenseits des digitalen Schlüssels“ in Smart Cities, industriellen Umgebungen, im Einzelhandel, im Smart Home und darüber hinaus. Da immer mehr Unternehmen als Erste Produkte in neuen Märkten platzieren wollen, kann das Wissen, wie sich die Ultra-Wideband-Technologie in originellen Anwendungsfällen einsetzen lässt, zu einem der wichtigsten Differenzierungsfaktoren werden.
John Lukez, President von LitePoint, einem führenden Anbieter von Wireless-Testlösungen, erklärte dazu:
„Die Ultra-Wideband-Technologie (UWB) ist zum Rückgrat moderner digitaler Erlebnisse geworden, von digitalen Autoschlüsseln und Diensten zum Wiederfinden persönlicher Gegenstände bis hin zum sicheren Zugang zum Zuhause und zur Indoor-Navigation. Mit der Einführung der IEEE-802.15.4ab-Erweiterung werden diese Anwendungen noch einen Schritt weitergehen. Der neue Standard hebt das präzise Ranging über große Entfernungen durch Narrowband Assisted Multi Millisecond Ranging (NBA MMS) deutlich an und ermöglicht bahnbrechende Verbesserungen für digitale Autoschlüssel und Asset-Tracking. Als führender Anbieter von Testlösungen für die weltweit führenden Hersteller von Funkmodulen und Unterhaltungselektronik sind wir überzeugt, dass das ST64UWB-Silizium von ST perfekt positioniert ist, um diese Fähigkeiten der nächsten Generation zu liefern und das volle Versprechen der UWB-Technologie einzulösen.“
Warum der ST64UWB?
MMS
Der ST64UWB ist der erste ST-Baustein mit Unterstützung für 802.15.4ab und der erste kommerziell verfügbare monolithische 802.15.4ab-Baustein mit Narrowband Assist. Um zu verstehen, warum das wichtig ist, müssen wir uns eine der großen Neuerungen des Standards ansehen: Multi-Millisekunden-Fragmente (MMS). Kurz gesagt sendet der neue Ultra-Wideband-Standard, wie der Name schon andeutet, wiederholte Fragmente in Abständen von einer Millisekunde, um das Link-Budget bereits ab dem ersten MMS um mindestens 18 dB zu erhöhen, und verlagert damit die gesamte Kommunikation ins Schmalband.
Das erhöht die für den Ranging-Frame eingesetzte Energie unter Einhaltung der regulatorischen Leistungsgrenzen und verbessert die Reichweite gegenüber 802.15.4z um etwa das 8-Fache. Statt eines einmaligen Handshakes fließt jede Millisekunde ein konstanter Strom von Frames zwischen Empfänger und Sender, was bei jeder Verdopplung der MMS-Frames weitere 3 dB bringt. Mit 16 MMS-Frames lässt sich die Reichweite so gegenüber dem vorherigen Protokoll um bis zu das 30-Fache steigern.
NBA
Es gibt potenziell viele Möglichkeiten, MMS zu implementieren, jeweils über unterschiedliche Kanäle. Out-of-Band-MMS kann beispielsweise Bluetooth LE für die Funkkommunikation und UWB-Kanäle für MMS nutzen, während UWB-Driven MMS den UWB-Kanal für alles verwendet. UWB-Driven MMS bringt jedoch kaum zusätzliche Reichweite, da die Kommunikationspakete weiterhin zulasten der insgesamt zulässigen Sendeleistung auf dem UWB-Kanal gehen. Die BLE-Implementierung erzielt zwar eine größere Reichweite, ist aber anfällig für Überlastung, was die Leistung in solchen Fällen erheblich mindert.
Für den ST64UWB haben wir uns für den Narrowband-Assisted-Ansatz (NBA) entschieden, der Schmalbandkanäle für die MMS-Steuerung und UWB für das MMS-Ranging nutzt. Es ist mit Abstand die überlegene Implementierung, also diejenige mit dem größten Zugewinn beim Link-Budget und dem stabilsten Betrieb. Zudem ist es die Lösung mit dem größten bereits vorhandenen Ökosystem, das sich sofort nutzen lässt. Deshalb ist ST, obwohl es bereits konkurrierende 802.15.4ab-Lösungen gibt, der erste Anbieter mit NBA-Unterstützung.
Radarmodus
Das 802.15.4ab-Protokoll führt außerdem einen Radarmodus ein, der UWB-Impulse aussendet und anschließend das reflektierte Signal analysiert, um die Anwesenheit, Position oder Bewegung von Personen oder Objekten zu bestimmen. Ein zweiter UWB-Baustein ist dafür nicht erforderlich, was den Nutzen weiter erhöht. Konkret erreicht die hochauflösende Radar-Engine des ST64UWB absolute Distanzmessungen von unter 7,5 cm und eine relative Bewegungserkennung bis in den Millimeterbereich. Damit lässt sich mit einem einzigen Chip erkennen, ob ein Baby unbeaufsichtigt im Fahrzeug zurückgelassen wurde, überprüfen, ob die Passagiere angeschnallt sind, oder eine Handgeste erfassen, um den Kofferraum zu öffnen, ohne einen Griff zu berühren.
Ein Maßstab für die Branche
Konkret bietet der ST64UWB bei Verwendung von 16 MMS-Frames einen Link-Budget-Zuwachs von bis zu 30 dB gegenüber einer vergleichbaren Lösung auf Basis von 802.15.4z. Darüber hinaus ist unser Baustein nicht nur konform mit dem 802.15.4ab-Standard, sondern soll auch mit bereits im Feld befindlichen Geräten zusammenarbeiten, sodass Automobilhersteller das bestehende Ökosystem nutzen können. Durch den Einsatz der FD-SOI-Technologie steigern wir zudem die Gesamtempfindlichkeit des ST64UWB um 3 dB und verlängern die Reichweite gegenüber bestehenden 802.15.4z-basierten Anwendungen um weitere 50 %. Designer können daher mit einer einzigen Antenne eine Leistung erreichen, die mit einer konkurrierenden Zwei-Antennen-Lösung vergleichbar ist.
Hinzu kommen zusätzliche Sicherheitsfunktionen, die Ultra-Wideband-Anwendungen widerstandsfähiger machen. Dank der verbesserten Ranging-Fähigkeiten von 802.15.4ab kann ein System beispielsweise genauer feststellen, ob sich ein Schlüssel wirklich in der Nähe des Fahrzeugs befindet oder ob Relays versuchen, ein bestimmtes Signal abzugreifen. Außerdem kann der ST64UWB Breitbandimpulse, Zeitstempel im Sub-Nanosekunden-Bereich und geschützte Frames nutzen, um zu verhindern, dass Hacker Nachrichten wiederholen oder einen Schlüssel ausnutzen, der bei jemandem zu Hause liegt. Das stärkere Link-Budget von 802.15.4ab bietet zudem einen besseren Schutz vor Störsendern, die Nutzer verwirren sollen, indem sie den Eindruck erwecken, der Schlüssel funktioniere nicht, obwohl er es tut.
Mehr über den ST64UWB erfahren
Tiemann, Janis et al. „Experimental Evaluation of IEEE 802.15.4z UWB Ranging Performance under Interference.“ Sensors (Basel, Switzerland) vol. 22,4 1643. 19 Feb. 2022, doi:10.3390/s22041643 ↩︎