UWB-technologie verhoogt de nauwkeurigheid met digitale RF- en ML-gebaseerde correctie

Imec zei deze week dat het de volgende generatie ultrabreedband (UWB)-technologie heeft ontwikkeld die digitale RF en machine learning gebruikt om een ​​nauwkeurigheid van minder dan 10 cm te bereiken in uitdagende omgevingen, terwijl het 10 keer minder stroom verbruikt dan de huidige implementaties.

De onderzoeks- en innovatiehub kondigde twee nieuwe innovaties aan van zijn veilige nabijheidsonderzoeksprogramma voor veilige en zeer hoge nauwkeurigheidsbereiktechnologie. Een daarvan is op hardware gebaseerd, met een RF-circuitontwerp in digitale stijl, zoals de volledig digitale fasevergrendelde lus (PLL), om een ​​laag stroomverbruik van minder dan 4mW/20mW (Tx/Rx) te bereiken, waarvan het beweert dat het hoger is. tot 10 keer beter dan de huidige implementaties. De tweede zijn op software gebaseerde verbeteringen die gebruikmaken van op machine learning gebaseerde foutcorrectie-algoritmen om een ​​nauwkeurigheid van minder dan 10 cm mogelijk te maken in uitdagende omgevingen.

Imec legt de context uit en zei dat ultrabreedbandtechnologie momenteel zeer geschikt is om een ​​verscheidenheid aan zeer nauwkeurige en veilige draadloze toepassingen te ondersteunen, zoals de 'smart lock'-oplossingen die vaak worden toegepast in de auto-industrie; het ontgrendelt automatisch de deuren van een auto wanneer de eigenaar nadert, terwijl de auto wordt vergrendeld wanneer de eigenaar wegrijdt.

UWB voordelen en uitdagingen (Afbeelding:imec)

Ondanks de voordelen, zoals het feit dat het inherent moeilijker is om compromissen te sluiten dan sommige alternatieven, is het potentieel grotendeels onbenut gebleven vanwege het hogere stroomverbruik en de grotere voetafdruk. Vandaar dat imec zei dat de hardware- en software-innovaties die het heeft geïntroduceerd een belangrijke stap zijn om het volledige potentieel van de technologie te ontsluiten, en de mogelijkheid openen voor micro-lokalisatiediensten die verder gaan dan de veilige sleutelloze toegang waarvoor het tot nu toe algemeen werd gepromoot, voor AR/VR gaming, asset tracking en robotica.

Christian Bachmann, de programmamanager bij imec, zei:"UWB's stroomverbruik, chipgrootte en bijbehorende kosten zijn belemmerende factoren geweest voor de acceptatie van de technologie, vooral als het gaat om de inzet van draadloze toepassingen. “De gloednieuwe UWB-chipontwikkelingen van Imec resulteren in een aanzienlijke vermindering van de voetafdruk van de technologie op basis van digitale RF-concepten:we zijn in staat geweest om een ​​volledige transceiver – inclusief drie ontvangers voor hoekmetingen – in een gebied te integreren van minder dan 1 mm².”

Hij voegde eraan toe dat dit het geval is wanneer het wordt geïmplementeerd op geavanceerde halfgeleiderprocesknooppunten die van toepassing zijn op IoT-sensorknooppunten. De nieuwe chip voldoet ook aan de nieuwe IEEE 802.15.4z-standaard die wordt ondersteund door industriële consortia met een hoge impact, zoals het Car Connectivity Consortium (CCC) en Fine Ranging (FiRa).

Als aanvulling op de hardware-ontwikkelingen hebben onderzoekers van IDLab (een imec-onderzoeksgroep aan de Universiteit Gent) op software gebaseerde verbeteringen bedacht die de draadloze bereikprestaties van UWB in uitdagende omgevingen aanzienlijk verbeteren. Dit is met name het geval in fabrieken of magazijnen waar mensen en machines constant in beweging zijn, en met metalen obstakels die enorme reflectie veroorzaken - die allemaal van invloed zijn op de kwaliteit van de lokalisatie- en afstandsmetingen van UWB.

Met behulp van machine learning heeft het slimme algoritmen voor ankerselectie gemaakt die de (niet) zichtlijn detecteren tussen UWB-ankers en de mobiele apparaten die worden gevolgd. Voortbouwend op die kennis wordt de meetkwaliteit geschat en worden meetfouten gecorrigeerd. De aanpak wordt ook geleverd met machine learning-functies die adaptieve afstemming van de fysieke laagparameters van het netwerk mogelijk maken, waardoor passende stappen kunnen worden ondernomen om die variërende fouten te verminderen, bijvoorbeeld door de radio's van de ankers af te stemmen.

Obstakels en niet-zichtlijneffecten kunnen de kwaliteit van de lokalisatie en afstandsmetingen van UWB beïnvloeden. On-chip ML (machine learning) kan fouten corrigeren, zoals in deze twee voorbeelden wordt getoond. (Afbeelding:imec)

Professor Eli De Poorter van IDLab zei:"We hebben al een UWB-bereiknauwkeurigheid van meer dan 10 cm aangetoond in zulke zeer uitdagende industriële omgevingen, wat een factor twee verbetering is in vergelijking met bestaande benaderingen. Hoewel de use-cases voor UWB-lokalisatie doorgaans op maat worden gemaakt en vaak afhankelijk zijn van handmatige configuratie, werkt onze slimme ankerselectiesoftware in elk scenario - omdat het in de applicatielaag wordt uitgevoerd."

Door deze adaptieve configuraties kunnen de volgende generatie low-power en zeer nauwkeurige UWB-chips worden gebruikt in een groot aantal andere toepassingen, zoals verbeterde contacttracering tijdens epidemieën met behulp van kleine en privacybewuste apparaten.

Imec heeft de technologie zelfs al in licentie gegeven aan zijn spin-off Lopos, die een wearable heeft uitgebracht waarmee de sociale afstand van Covid-19 kan worden gehandhaafd door werknemers te waarschuwen via een hoorbaar of haptisch alarm wanneer ze de richtlijnen voor veilige afstand overtreden terwijl ze elkaar naderen. .

Door UWB te kiezen in plaats van Bluetooth, werkt de SafeDistance wearable van Lopos als een op zichzelf staande oplossing die 75 g weegt en een batterijduur van 2-5 dagen heeft. Het op UWB-technologie gebaseerde apparaat maakt veilige, zeer nauwkeurige (<15 cm foutmarge) afstandsmeting mogelijk. Wanneer twee wearables elkaar naderen, wordt de exacte afstand tussen de apparaten (die instelbaar is) gemeten en wordt er een alarm geactiveerd wanneer een minimale veiligheidsafstand niet wordt gerespecteerd.

Omdat het standalone is, worden er geen persoonlijke gegevens vastgelegd en is er geen gateway, server of andere infrastructuur nodig. Lopos heeft de productie al opgevoerd om aan de marktvraag te voldoen, met meerdere grootschalige bestellingen die de afgelopen weken zijn ontvangen van bedrijven die actief zijn in een breed scala van verschillende sectoren.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times.