یکی از قابلیت‌های کمتر شناخته شده گوشی گلکسی نوت 20 اولترا و مدل‌های جدیدتری مانند گلکسی اس 21 پلاس و اس 21 اولترا، فناوری به اسم UWB (اولترا واید بند) یا باند فوق وسیع- و در بعضی از متون باند فوق عریض- است. گوشی های آیفون 11 و آیفون 12 نیز همانند گوشی های عنوان شده به این فناوری مجهز اند و البته میتوان گفت که جزو اولین تلفن های همراه هوشمندی بودند که باند فوق وسیع در آنها تعبیه شد.

در واقع همه چیز از سپتامبر 2019 شروع شد که اپل اعلام کرد آیفون 11 دارای تراشه‌ای به اسم «U1» با فناوری اولترا واید بند خواهد بود.

اهالی کوپرتینو همچنین بعدا با رونمایی از ایرتگ اعلام کردند این فناوری این پتانسیل را دارد که نحوه استفاده ما از بعضی از دستگاه‌ها را در دراز مدت تغییر دهد و چنین تغییراتی محدود به تنها گوشی‌های هوشمند نخواهد بود؛ بلکه وسایل روزمره ما را نیز در بر می‌گیرد.

این فناوری که جدیدا به بازار موبایل آمده است، در کنار استانداردهای بی‌سیم جا افتاده دیگری مانند NFC و Bluetooth Low Energy قرار می‌گیرد که هر کدام تفاوت‌هایی دارند.

UWB نوید قابلیت‌های مشابهی را می‌دهد اما در مقایسه با استانداردهای فعلی مزایا و معایب خود را دارد. با توجه به این که در آینده این فناوری بیشتر مورد استفاده قرار خواهد گرفت، در این مطلب قصد داریم به‌طور جامع فناوری باند فوق وسیع را با یکدیگر بررسی کنیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

UWB چیست و چطور عمل می‌کند؟

اولترا واید بند عملکردی کاملا متفاوت با سایر روش‌های انتقال بی‌سیم داده‌ها دارد. اولترا واید بند یک فناوری الگوی پالسی مبتنی بر رادیو است که داده‌ها را در دامنه زمان با یک محدوده طیف از 3.1 تا 10.6 گیگاهرتز، می‌فرستد.

انتقال‌های رایج بی‌سیم به جای پالس‌های ساده از توان، فرکانس و یا فاز موج سینوسی متفاوتی برای رمزنگاری داده‌ها استفاده می‌کنند.

روش پالسی به طیف نسبتا بیشتری برای عملکرد قابل اطمینان خود نیاز دارد و به همین علت نام این فناوری را باند فوق وسیع گذاشتند.

یک تک باند معمولا 500 مگاهرتز وسعت دارد و اگر بخواهیم مقایسه کنیم، در برابر باند 20 مگاهرتز شبکه‌های 4G LTE یا 20 مگاهرتز تا 80 مگاهرتز وای فای قرار می‌گیرد.

به علت این طیف وسیع، داده‌های پالس شده را می‌توان بدون از دست دادن دقت بسیار سریع فرستاد. فناوری UWB می‌تواند براساس فرکانس، سرعت انتقال داده 4 مگابیت بر ثانیه تا 675 مگابیت بر ثانیه داشته باشد.

این سرعت به مراتب بیشتر از 424 کیلوبایت بر ثانیه NFC و سرعت‌ 2.1 مگابیت بر ثانیه استاندارد بلوتوث است. البته به سرعت 2 گیگابیت بر ثانیه استاندارد وای ای 6 نمی‌رسد.

معمولا، فناوری‌های بی‌سیم محدود به باندهای بسیار محدود هستند تا جلوی تداخل آن‌ها با یکدیگر گرفته شود. اولترا واید بند در سطوح بسیار پایین توان عمل می‌کند که معمولا در حد کف نویز (noise floor) یا سایر کاربردهای بی‌سیم دیگر قرار می‌گیرد. به همین علت است که میتواند جلوی مشکل تداخل بالا را بگیرد.

به عبارت دیگر، این طیف به‌قدری وسیع است که به‌سادگی کشف می‌شود اما از آن طرف سطح توان و انرژی به اندازه کافی پایین است تا با سایر سیگنال‌ها تداخل نکند.

یک مزیت دیگر انتقال مبتنی بر پالس امکان محاسبه اطلاعات زمان پرواز از داده‌های دریافت شده است. اگر زمان سپری شده و سرعت انتقال داده‌ها را بدانید، به‌راحتی می‌توانید فاصله بین دریافت‌کننده (رسیور) و ترانسمیتر را حساب کنید.

گرچه به دست آوردن داده‌های دقیق‌تر موقعیت 2 یا 3 بعدی به پیش‌نیازهای به مراتب بیشتری نیاز دارد. دقت اندازه‌گیری فناوری UWB به اندازه 10 سانتی‌متر یا کمتر است که یک پیشرفت قابل توجه را در مقایسه با دقت یک متری بلوتوث یا وای‌ فای نشان می‌دهد (بلوتوث 5.1 در بعضی موارد می‌تواند به دقیقی باند فوق عریض باشد).

چنین دقت بالایی در حوزه‌های امنیتی می‌تواند بسیار کاربردی باشد. در بخش‌های بعدی، کاربردهای فناوری باند فوق وسیع را توضیح خواهیم داد.

در حال حاضر بعضی از گوشی‌های گلکسی سامسونگ و ایردراپ اپل از این فناوری برای انتقال فایل‌های بزرگ به‌صورت بی‌سیم استفاده می‌کنند، اما این نمونه کوچکی از قابلیت‌های این فناوری است.

سامسونگ به فکر ساختن یک کلید دیجیتال است که در خانه و در ماشین شما را همان‌طور که به آن نزدیک می‌شوید، باز کند. این شرکت از همکاری کلید دیجیتال با شرکت‌های آئودی، BMW، فورد و جنسیس موتور هیوندای پرده برداشته است.

انواع دیگر شرکت‌های تراشه‌سازی، طراحان گجت‌ها و چندین کنسرسیوم در حال بررسی موارد استفاده و استانداردهای باند فوق وسیع هستند. امیدواریم هرچه زودتر شاهد شیوع گسترده آن در بازار باشیم.

دقت UWB چقدر است؟

سیگنال‌هایی با توان پایین از این فناوری می‌توانند تداخل اندکی را با سایر انتقال‌های رادیویی به وجود آورند. همچنین می‎توانند دقت اندازه‌گیری را تا 10 سانتی‌متر (3.9 اینچ) فراهم کنند.

چیپ UWB شرکت Decawave حتی نوید دقت حداکثر 2 سانتی‌متری (0.78 اینچ) را در محیط‌های بسته می‌دهد. همان‌طور که اشاره کردیم، اگر مانعی وجود نداشته باشد، دقت وای ای و بلوتوث تنها حداکثر 1 متر (39 اینچ) است.

محدوده باند فوق وسیع چقدر است؟

Ultra-Wideband می‌تواند موقعیت نسبت دستگاه‌های دیگر را در خط دید حتی تا فاصله 200 متر براساس استاندارد IEEE 802.15.4a مشخص کند.

چه تفاوتی بین UWB، بلوتوث، وای فای و RFID وجود دارد؟

زمانی که فناوری‌های ارتباط بی‌سیم متعددی وجود دارد، به هنگام انتخاب میان آن‌ها ممکن است کمی گیج ‌شوید. حتی ممکن است از خودتان بپرسید استفاده از فناوری باند فوق وسیع واقعا برای نیاز مورد نظر شما بهتر است یا نه.

بنابراین در ادامه این فناوری را با بلوتوث، وای فای و RFID مقایسه خواهیم کرد.

باند فوق وسیع در مقابل بلوتوث

در ابتدا دو فناوری UWB و بلوتوث ممکن است بسیار شبیه به یکدیگر به نظر برسند. بلوتوث ال ای (BLE) یک سیستم رادیویی با توان پایین است که از آن برای سنجش موقعیت یا برقراری ارتباط استفاده می‌کنند.

فناوری BLE نسبتا ارزان است و به‌سادگی اجرا می‌شود. مشکل این جا است که با بلوتوث واقعا نمی‌توانید فاصله را اندازه بگیرید.

کاری که می‌توانید انجام دهید تشخیص این موضوع است که دستگاهی مانند یک گوشی هوشمند در محدوده دستگاه دیگر قرار دارد یا نه. شاید بپرسید چرا؟ چون با بلوتوث تنها می‌توانید تشخیص دهید یک سیگنال ضعیف یا قوی است و آن را برای نتیجه‌گیری دور یا نزدیک بودن به یک دستگاه ترجمه کنید.

بلوتوث از نظر دقت اندازه‌گیری یا پیگیری موقعیت در حد اولترا واید بند نیست. در واقع تبدیل شدت سیگنال یک شاخص ضعیف برای بررسی فاصله است. چون اگر سیگنال ضعیف باشد الزاما به این معنا نیست که یک دستگاه از دستگاه دیگر دور است، بلکه شاید این بین یک مانع قرار داشته باشد.

از طرفی بلوتوث و وای فای در فرکانس مشابه 2.4 گیگاهرتز کار می‌کنند و بنابراین سیگنال‌های آن‌ها کاملا مستعد تداخل نویز هستند و به‌راحتی می‌توانند جذب یا منعکس شوند که نتیجه آن دقت پایین داده‌ها و واکنش‌پذیری پایین است.

یک راهکار برای این مشکل استفاده از تدابیری برای اندازه‌گیری سیگنال در فواصل چند متر به چند متر است تا مشکل تداخل و دقت پایین اندکی بهتر شود. اما این نوع اندازه‌گیری‌ها هزینه‌بر، وقت‌گیر و با دقت پایین هستند.

UWB در مقایسه با بلوتوث دقت بالاتری را فراهم می‌کند. از طرفی فاصله‌ای که این فناوری اندازه می‌گیرد براساس شدت سیگنال نیست؛ بلکه مدت زمانی است که طول می‌کشد سیگنال از نقطه A (گوشی هوشمند) به نقطه B (تگ Ultra-Wideband) برسد.

محدوده باند فوق عریض در مقایسه با بلوتوث کوتاه‌تر است. به علت فرکانس 3.1 تا 10.6 گیگاهرتز باند فوق عریض، برعکس BLE کمتر ممکن است مشکل تداخل سیگنال رخ دهد.

اگرچه، باید بگوییم BLE همچنان راه‌حل ترجیح‌ داده شده است. این راه‌حل‌ها مزایایی مانند قیمت پایین و نحوه اجرای آسان در هر سیستم رایج را دارند. تمام گوشی‌های هوشمند از فناوری بلوتوث داخلی استفاده می‌کنند که هنوز این اتفاق برای Ultra-Wideband نیافتاده است.

UWB در مقابل RFID (NFC)

NFC یک فناوری RFID نسبتا ارزان است که در باند 13.56 مگاهرتز کار می‌کند و به علت هزینه و اندازه آن به مراتب محبوبیت بیشتری به دست آورده است. NFC محدوده فقط 4 سانتی‌متری (کمتر از 2 اینچ) را دارد و بنابراین از آن تنها می‌توان تحت شرایط خاصی استفاده کرد که به دست آوردن موقعیت دقیق، یکی از آن‌ها نیست.

RFID نمی‌تواند فاصله را تخمین بزند که یکی از مهم‌ترین مزایای فناوری UWB در مقایسه با سایر فناوری‌ها است. کاری که NFC می‌تواند انجام دهد این است که فقط به شما بگوید دو شیء در فاصله 4 سانتی‌متری هم قرار دارند.

تگ‌های پسیو (منفعل) NFC به باتری نیاز ندارند و اغلب در کارت‌های پرداخت یا دستگاه‌ها قرار می‌گیرند. یکی از محبوب‌ترین کاربردهای NFC استفاده از آن برای پرداخت‌های بدون تماس با یک گوشی هوشمند است.

یک تگ NFC که در یک گوشی هوشمند به وجود می‌آید، توسط یک NFCخوان در یک پوز (POS) خوانده می‌شود تا یک ارتباط امن شکل گیرد و قیمت یک محصول پرداخت شود. این احتمال وجود دارد که باند فوق وسیع در آینده بتواند جای NFC را در بسیاری از زمینه‌ها بگیرد؛ چون تمام مزایای آن را دارد.

تنها عیب آن این است که باید یک سیگنال باند فوق وسیع را پخش کنید؛ بنابراین تگ‌های اولترا واید بند در مقایسه با تگ‌های پسیو RFID قیمت بالاتری دارند.

اولترا واید بند در مقابل وای فای

وای فای رایج‌ترین فناوری موقعیت‌یابی در محیط بسته پیش از معرفی پروتکل iBeacon اپل در سال 2013 بود. مزیت اصلی وای فای در مقایسه با فناوری UWB دسترس‌پذیری به آن در مکان‌های عمومی و خصوصی در سراسر جهان است.

تمام گوشی‌های هوشمند دنیا قابلیت اتصال به شبکه‌های وای فای را دارند تا یک انتخاب نسبتا ساده برای بسیاری از شرکت‌ها باشد.

عیب اصلی وای فای در مقایسه با این فناوری مجددا شیوه رایج تخمین فاصله یا موقعیت با اندازه‌گیری تنها شدت سیگنال است. همان‌طور که در بخش بلوتوث گفتیم، شدت سیگنال یک شاخص ضعیف از فاصله است.

دقت وای فای محدود به تنها چند متر است تا در بسیاری از زمینه‌ها غیرقابل استفاده باشد. شما می‌توانید اتاقی را که یک کارگر در یک کارخانه در آن حضور دارد تشخیص دهید، ولی نمی‌توانید موقعیت دقیق او را مشخص کنید.

وای فای به توان بیشتری از باند فوق عریض نیاز دارد و به همین دلیل تمام روترها باید همیشه به یک پریز برق وصل باشند. مودم‌های وای فای همچنین در مقایسه با تگ‌های امروزی این فناوری قیمت بالاتری دارند.

با آن که وای فای راه طولانی را برای اجازه به موقعیت‌یابی دقیق‌تر سایر دستگاه‌ها و کاهش هزینه‌ها طی کرده است، اما باند فوق وسیع دقت بیشتری دارد، از توان کمتری استفاده می‌کند و هزینه آن به مراتب کمتر است.

آیا اولترا واید بند امن است؟

به هنگام بررسی امنیت فناوری باند فوق عریض باید چند موضوع را مد نظر قرار داد. اول از هر چیزی باید به توان پالس‌های UWB اشاره کنیم که 1/10000 تا 1/100000 سیگنال‌های ساطع شده توسط گوشی‌های موبایل است؛ بنابراین استفاده از آن برای هیچ کسی خطری ندارد.

Ultra-Wideband توانایی اندازه‌گیری موقعیت نسبی دستگاه‌ها را با دقتی دارد که هیچ فناوری وایرلس دیگری هنوز به آن نرسیده است. ترکیب این موضوع با امنیت بالا و شناساگرهای بی‌همتا باعث می‌شود توسط این فناوری بتوان جلوی دسترسی ناخواسته به وسایل نقلیه را با استفاده از احراز هویت دو عاملی گرفت.

ماشین مجهز به فناوری اولترا واید بند می‌تواند حضور مالک خود را تشخیص دهد، هویت او را تایید کند و این اطمینان را به وجود آورد که ارتباط بین دو شیء مانند ماشین و کلید آن اگر فاصله بین آن‌ها از یک حد مشخص فراتر برود، رد شود. به عبارت دیگر دسترسی غیرقانونی به یک ماشین یا سرقت آن فوق‌العاده سخت است؛ البته اگر نگوییم غیرممکن خواهد بود.

همچنین بسیاری از کاربران آیفون و سایر گوشی‎های مجهز به این فناوری نگران استفاده از UWB برای ردیابی موقعیت آن‌ها در پس‌زمینه هستند. باید گفت مدیریت استفاده اولترا واید بند از داده‌های موقعیت کاملا روی دستگاه انجام می‌شود.

داده‌های موقعیت دستگاه توسط اپل یا شرکت‌های دیگر جمع‌آوری نشده و این کار به‌صورت لوکال روی خود گوشی انجام خواهد شد.

کاربردهای فناوری اولترا واید بند

با توجه به مزیتی که فناوری باند فوق وسیع از نظر دقت و امنیت در مقایسه با بلوتوث و وای فای دارد، از این مزیت‌ها می‌توان در زمینه‌های متعدد و متفاوتی استفاده کرد.

براساس کنسرسیوم FiRa (FiRa Consortium) تمرکز ابتدایی روی سه دسته اصلی: کنترل دسترسی بدون نیاز به دخالت دست، سرویس‌های مبتنی بر موقعیت و کاربردهای دستگاه به دستگاه است. اجازه دهید با مثال بیشتر توضیح دهیم.

دسترسی به ماشین هوشمند

به محض نزدیک شدن به یک ماشین بدون نیاز به کلید، با یک گوشی هوشمند قفل در آن را باز کنید و از راه دور استارت بزنید.

پرداخت‌های امن وایرلس

امنیت فناوری UWB از NFC بیشتر است و می‌توانید گوشی هوشمند خود را در جیبتان بگذارید.

دسترسی امن به ساختمان

برای امن‌سازی یک ناحیه در یک ساختمان در حین نزدیک شدن به آن، خودکار درها را باز کنید.

فروش هوشمند

فراهم‌سازی اطلاعات مفید در مورد یک محصول به محض برداشتن آن یا ارائه یک پیشنهاد ویژه برای خرید.

ردیابی دارایی

شرکت بوئینگ از تگ‌های اولترا واید بند برای ردیابی بیش از 10 هزار ابزار و آیتم‌های دیگر در محوطه وسیع کارخانه‌های خود استفاده می‌کند.

ردیابی تناسب اندام و ورزش

NFL (لیگ ملی فوتبال آمریکا) با استفاده از ترانسیمترهای Ultra-Wideband داخل پدهای شانه‌ای، بازیکنان داخل میدان را برای انیمیشن‌های پاسخ فوری، ردیابی می‌کند. یک موقعیت فوتبال 2 هزار مرتبه در هر ثانیه به‌روزرسانی می‌شود.

حسگرهای سلامت پوشیدنی

دستبندهای بیومتریک باند فوق وسیع که دمای بدن، سطح اکسیژن اشباع خون، حرکت بدن و ضربان قلب را در هر ساعت از شبانه‌روز پیگیری می‌کنند.

رادارهای پزشکی

از پالس‌های UWB می‌توان برای بررسی ضربان قلب و تنفس یک فرد از راه دور با ترجمه سیگنال‌های منعکس شده اولترا واید بند استفاده کرد.

مسیریابی در محیط بسته

به‌طور دقیق فاصله خود را تا گیت در فرودگاه یا یک محصول در یک قفسه فروشگاهی مسیریابی کنید.

اسمارت هوم (خانه‌های هوشمند)

چراغ‌ها، اسپیکرها و هر دستگاه متصل دیگر با این فناوری، این قابلیت را دارند که کاربران را از یک اتاق به اتاق دیگر دنبال کنند تا به‌عنوان مثال براساس موقعیت او صدای بلندگو را تغییر دهند.

مزایای فناوری UWB

اجازه دهید مزایای فناوری باند فوق وسیع را با یکدیگر بررسی کنیم.

مصرف توان پایین

باند فوق عریض یک سیستم توان پایین است که ویژگی مهمی برای دستگاه‌های موبایل از نظر کاربردپذیری و عمر باتری محسوب می‌شود.

حسگری که یک پالس را هر چند ثانیه می‌فرستد، انتظار می‌رود با تنها استفاده از یک باتری سکه‌ای تا 7 سال دوام داشته باشد.

دقت بالا

باند فوق عریض به جای وابستگی به شدت سیگنال از تکنیک‌های زمان پرواز (ToF)، مسافت‌یابی دو طرفه (TWR)، اختلاف زمان رسیدن (TDoA)، زاویه رسیدن (AoA) سیگنال برای تشخیص فاصله از یک دستگاه به دستگاه دیگر استفاده می‌کند.

UWB با استفاده از چندین آنتن همچنین می‌تواند زاویه‌ای را که سیگنال از آن رسیده است، محاسبه کند. کنار هم گذاشتن زاویه دقیق و فاصله دقیق به این معنا است که گوشی شما می‌تواند موقعیت یک شیء را به یک مکان در فضا مشخص کند.

عدم تداخل سیگنال

اولترا واید بند از فرکانس 3.1 تا 10.6 گیگاهرتز استفاده می‌کند؛ بنابراین احتمال خیلی کمی وجود دارد که تداخل سیگنال برخلاف وای فای و بلوتوث، رخ دهد.

فوق سریع

تثبیت موقعیت به کمک بلوتوث حداقل چند ثانیه طول می‌کشد. اما باند فوق عریض هزاران برابر سریع‌تر است و به همین علت تجربه کاربری بدی را به وجود نمی آورد و تاخیر یا لگ در آن رخ نخواهد داد.

معایب فناوری UWB

بزرگ‌ترین مزیتی که اولترا واید بند در مقایسه با سایر فناوری‌ها مانند وای فای یا بلوتوث دارد، عدم توانایی آن در تعامل با تمام تبلت‌ها و گوشی‌های هوشمند امروزی است.

اما از آن جایی که اپل چیپ UWB را با آیفون 11 معرفی کرد، در حقیقت انتظار می‌رود این فناوری به‌سرعت مورد پذیرش عموم قرار گیرد.

سایر شرکت‌های تولیدکننده گوشی هوشمند در تقلید از اپل از اولترا واید بند در دستگاه‌های خود استفاده می‌کنند و مهم‌تر از آن شاهد ترکیب این فناوری در دستگاه‌های پوشیدنی، وسایل الکترونیکی آگاه از موقعیت و محصولات متعدد دیگر هستیم.

گوشی‌ها و گجت‌هایی که از فناوری باند فوق عریض پشتیبانی میکنند

در زمان نوشتن این مطلب سیستم Ultra-Wideband در گوشی‌های هوشمند زیر استفاده شده است:

از بین گجت‌های سازگار با این فناوری همچنین می‌توانیم نمونه‌های زیر را نام ببریم:

ایرتگ اپل
هوم پاد مینی اپل
اپل واچ سری 6
اسمارت تگ پلاس سامسونگ

ظاهرا نسل بعدی سری پیکسل‌های گوگل نیز باید از فناوری UWB بهره ببرند. سایر شرکت‌هایی که عضوی از کنسرسیوم FiRa به شمار می‌روند شامل سونی، شیائومی، موتورولا، اوپو و ویوو هستند.

علاوه بر این برندهای گوشی هوشمند، شرکت‌هایی مانند هیوندای، ST-Electronics و شرکت تولیدکننده ردیاب Tile عضوی از این گروه محسوب می‌شوند.

از طرفی شیائومی نیز دوست دارد از این جمع عقب نماند و اخیرا استفاده از فناوری اولترا واید بند را در اکوسیستم خود به نمایش گذاشته است.

سخن نهایی

ممکن است چندین سال طول بکشد تا فناوری باند فوق عریض همه‌گیر شود و دستگاه‌های زیادی از آن پشتیبانی کنند.

اما بدون تردید با توجه به گام‌هایی که برندهای بزرگ در این زمینه برداشته‌اند، انتظار داریم شرکت‌های تولیدکننده گوشی هوشمند و سایر شرکت‌ها در پرچمدارهای بعدی خود از این فناوری استفاده نمایند. با این حال با زمان حضور UWB در گوشی‌ها و محصولات میان‌رده و ارزان‌تر همچنان فاصله زیادی داریم.

فناوری UWB چیست و چگونه کار می‌کند؟

UWB چیست و چطور عمل می‌کند؟

دقت UWB چقدر است؟

محدوده باند فوق وسیع چقدر است؟