به کارگیری ردیابی و موقعیتیابی بهنگام (RTLS) به عنوان یکی از الزامات ورود به انقلاب صنعتی نسل چهارم از اهمیت ویژهای برخوردار است. در میان روشهای متداول مکانیابی در فضاهای باز و بسته، در حال حاضر فناوری فراپهن باند (UWB) به عنوان یک شیوه متداول صنعتی RTLS توسط بسیاری از سازندگان و صاحبان فناوری از جمله شرکت زیمنس شناخته و به کار گرفته شده است.
RTLS: Real Time Locating System
فناوری «فراپهن باند[1]» (UWB) یک پروتکل رادیویی براساس استاندارد IEEE 802.15.4a و IEEE 802.15.4z است که در هوشمندسازی انقلاب صنعتی نسل چهارم[2] به منظور اندازهگیری فاصله و موقعیتیابی تجهیزات در فضاها و اماکن سرپوشیده و داخلی با دقت بسیار زیاد (در حد سانتی متر)، استفاده میشود. بهعلاوه، این فناوری قابلیت انتقال داده تا سقف 27 Mbps با مصرف انرژی بسیار ناچیز با بهکارگیری باتری سکهای[3]، بدون نیاز به شارژ مجدد یا تعویض را دارا میباشد. ترکیب این دو ویژگی منحصر به فرد یعنی موقعیتیابی دقیق و تبادل داده با مصرف انرژی پایین، UWB را تبدیل به یک فناوری بینظیر بیسیم امن جهت هوشمندسازی و ورود به انقلاب صنعتی نسل چهارم نموده است.
امروزه بهکارگیری تراشههای UWB در تلفنهای همراه از جمله تراشهی U1 در گوشیهای اپل، کاربران را قادر ساخته است لوازم و وسایل خود را که مجهز به تگهای AirTag هستند به سادگی موقعیتیابی و ردیابی کنند.
در واقع میتوان گفت که فناوری UWB اساس ردیابی تجهیزات توسط تگهای AirTag اپل و SmartTag+ سامسونگ هستند که میتوانند به یافتن وسایل و تجهیزات از جمله دسته کلید، کیف پول یا حیوان خانگی گم شده شما کمک کنند.
همچنین در برخی مواقع بهکارگیری این فناوری در خانههای هوشمند (شکل 1) یا خودروهای مجهز به سامانههای کمک راننده پیشرفته نظیر BMW ix (شکل 2)، شما را قادر خواهد ساخت در حالی که با تلفن همراه به خودرو یا خانه خود نزدیک میشوید، در خودرو یا خانه را باز نموده یا خودرو را روشن نمایید و سپس با دور شدن از آن، آنها را قفل کنید.
شرکت اپل یکی از پیشتازان و طرفداران فناوری UWB است که با طراحی تراشه U1 و بهکارگیری آن در گوشیهای جدید iPhone، تگهای AirTag و ساعتهای هوشمند Apple Watch زمینهی موقعیتیابی و یافتن محل دقیق لوازم مجهز به شناسهی AirTag را فراهم نموده است. شرکتهای خودروسازی از جمله Audi، BMW، Hyundai و Ford نیز از طرفداران پر و پا قرص این فناوری نوظهور هستند.
تعبیهی فناوری UWB در تلفنهای همراه، درهای ورود این فناوری بی سیم را به روی سایر لوازم هوشمند گشوده است به طوری که وسایل هوشمند مجهز به تراشههای UWB از 150 میلیون دستگاه در سال 2020 به یک میلیارد در سال 2025 افزایش یافته است.
کاربرد UWB
فناوری مکانیابی مبتنی بر ماهواره یعنی GPS برای تعیین موقعیت در فضاهای باز مناسب است و همواره با دو مشکل اساسی دقت پایین و محدودیت استفاده در فضاهای بسته و داخلی مواجه بوده است. در صورتی که فناوری UWB این دو ایراد موقعیتیابی بر اساس GPS را مرتفع نموده است. فناوری موقعیتیابی مبتنی بر بلوتوث نیز حداقل 2 ثانیه طول میکشد تا موقعیت دقیق شما را اعلام نماید، در حالی که موقعیتیابی UWB یک هزار برابر سریعتر از بلوتوث است.
همچنین بر خلاف سایر فناوریهای متداول از قبیل بلوتوث کم انرژی[1] (BLE) و WiFi که جهت کاربری ردیابی، بازتطبیق شدهاند، فناوری UWB به صورت اختصاصی از آغاز جهت کاربرد در تعیین موقعیت و تبادل داده با ویژگیهای استثنایی بیدرنگ[2]، دقت بسیار بالا و امنیت بالا ابداع شده است. در شکل 3 فناوری UWB با سایر فناوریهای ردیابی و موقعیتیابی متداول مقایسه شده است.
این فناوری در لوازم خانگی از جمله تلویزیونهای هوشمند به منظور انتخاب و شخصیسازی برنامههای مورد علاقه با توجه به مخاطب، بلندگوهای هوشمند به منظور هشدار و اعلام صوتی برنامهی کاری به مخاطب و یا روشن و آماده به کار نمودن رایانه هنگام ورود کاربر به اتاق استفاده میگردد. این سناریو را تصور کنید: شما دفتر کارتان را ترک میکنید و در حالی که نزدیک خودروتان میشوید، تلفن همراهتان در خودرو را باز میکند. با رسیدن به خانه و ترک خودرو، درهای خودرو قفل شده و UWB بازگشت شما را به منزل تشخیص داده، روشنایی مسیر را برقرار نموده، در خانه را باز کرده و روشنایی و موسیقی را با عبور شما از هر یک از اتاقهای خانه تغییر میدهد.
UWB امنیت و اطمینان بیشتری را برای خودروهای مجهز به این فناوری در مقایسه با سایر روشهای بدون کلید [1] متداول از جمله بلوتوث به ارمغان میآورد. مواردی از هک شدن خودروهای مجهز به بلوتوث از قبیل تسلا مدل 3 با روش حملهی رلهای[2] گزارش شده است. برای انجام حملهی رلهای معمولاً نیاز به دو نفر میباشد. همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است، در این روش یک نفر در نزدیکی خودروی مورد نظر میایستد، در حالی که دیگری در نزدیکی خانهی صاحب خودرو با در دست داشتن تجهیزی که سیگنال را از ریموت کلید[3] خودرو دریافت میکند، قرار میگیرد. برخی از این تجهیزات قادرند سیگنال را تا فاصله حدود 100 متر دریافت کنند. این تجهیز واسطه، با تقویت سیگنال دریافتی از ریموت کلید خودرو، آن را به خودرو ارسال نموده و شخص نزدیک خودرو پس از باز شدن در، خودرو را سرقت میکند.
بر اساس تستهای انجام شده توسط مؤسسهی آلمانی ADAC برخی از برندهای معروف خودرو از قبیل Ford، پژو و BMW بهسادگی مستعد حملهی رلهای هستند.
در مقابل، خودروهای مجهز به فناوری UWB به جهت استفاده از شیوه نامههای رمزگذاری[1] و زمانبندی و موقعیتیابی دقیق[2] در برابر این قبیل مشکلات امنیتی مصونیت دارند. همچنین این فناوری به منظور افزایش امنیت، از روشهای هویتسنجی زیست شناسه[3] نیز میتواند راننده را شناسایی نمایند. در شکل 5 مزایا و مشخصههای اصلی UWB که این فناوری را نسبت به سایر روشها متمایز ساخته است، بیان شده است.
گوگل چگونه از فناوری UWB پشتیبانی میکند؟
پشتیبانی گوگل از فناوری UWB در سال 2021 با گوشیهای پیکسل 6[1] آغاز گردید. اما بیشتر تأثیرگذاری این شرکت در این زمینه، بر روی نرمافزار گوشیهای اندرویدی بوده است. گوگل در سال 2021 پشتیبانی محدودی از UWB را بر روی اندروید ویرایش 12 اضافه کرد و این پشتیبانی در سال 2022 با انتشار نسخهی 13 اندروید بهبود پیدا کرد. در این نسخه، گوگل با رفع انحصار خدمت UWB از نرمافزارهای گوگل، زمینهی برخورداری سایر برنامههای کاربردی[2] از UWB را فراهم نموده است. گوگل همچنین با افزودن فناوری UWB به پروژهی Mainline خود، قابلیت بهروزرسانی گوشیهای قدیمیتر جهت پشتیبانی از UWB را نیز فراهم نموده است. علاوه بر این گوگل پشتیبانی از کلید دیجیتال[3] خودرو مبتنی بر UWB را نیز فعال نموده است. اندروید اطلاعات این کلید دیجیتال را در Wallet گوگل ذخیره میکند. انتظار میرود سایر خودروسازان نیز در سالهای آینده به فناوری کلید دیجیتال بر اساس UWB روی آورند.
اپل چگونه از فناوری UWB پشتیبانی میکند؟
گوشیهای هوشمند جدید اپل از قبیل iPhone 11، iPhone 12 و iPhone 13 مجهز به تراشههای UWB اپل موسوم به U1 هستند. پردازندههای شرکت اپل از قبیل سری A که بر روی گوشیهای iPhone و iPad به کار رفته است، پردازنده M1 که قلب تپندهی یارانههای
Mac جدید هستند، همچنین سری T که وظیفهی پردازش TouchID و سایر فعالیتهای امنیتی Mac را به عهده دارند، همگی از پشتیبانی UWB برخوردار هستند.
تگهای AirTag اپل (شکل 6) نیز از طریق تبادل اطلاعات با گوشیهای هوشمند iPhone راه حل مناسبی به منظور ردیابی لوازم و تجهیزات محسوب میشوند. در این روش در مواقعی که UWB در محدودهی تحت پوشش نباشد، بلوتوث بستر لازم را برای ارتباط AirTag با سامانهی اپل FindMy فراهم میسازد. در این شیوه، تجهیزات مجهز به بلوتوث سایر افراد که در محدودهی پوشش هستند، موقعیت AirTag شما را به صورت خصوصی و محرمانه شناسایی نموده و سپس در اختیار گوشی شما قرار میدهند.
کاربرد دیگر UWB علاوه بر ورود بدون کلید با استفاده از کلید دیجیتال و ردیابی وسایل و تجهیزات، اشتراگ گذاری داده با سرعت بالا و پرداخت الکترونیکی ایمن میباشد.
در گوشیهای اپل مجهز به تراشهی U1 و سیستم عامل iOS13 ، با استفاده از فناوری UWB میتوانید جهت اشتراک گذاری فایلها و تبادل اطلاعات از AirDrop اپل استفاده کنید.
در میان محصولات اپل، ساعتهای هوشمند سری 6 و سری 7 نیز مجهز به تراشهی داخلی UWB به منظور ردیابی و استفاده از سایر مزایای این فناوری میباشند.
شرکت اپل در حال حاضر ارتباط UWB را تنها بین تجهیزات ساخت خودش تضمین میکند. اما استانداردسازی فناوری UWB و بلوغ و بهبود نرم افزارهای مربوطه میتواند در آینده، درهای ارتباطی را به روی سایر محصولات مبتنی بر این فناوری نیز بگشاید.
سامسونگ چگونه از فناوری UWB پشتیبانی میکند؟
شرکت سامسونگ نیز فناوری UWB را در گوشیهای جدید خود از قبیل خانوادههای Galaxy Note 20 Ultra، Galaxy S21 Plus، Galaxy S21 Ultra و Galaxy S22 پشتیبانی میکند. توسط فناوری کلید دیجیتالی سامسونگ نیز، شما میتوانید این کلید را برای دوستان یا اعضای خانواده خود به منظور اجازه دسترسی به خودروتان ارسال کنید. همچنین برنامهی کاربردی AR Finder سامسونگ میتواند شما را به محل پارک خودروتان در پارکینگها یا محلهای شلوغ هدایت نماید.
شرکت سامسونگ در زمینهی فناوری کلید دیجیتالی بر پایه UWB با شرکتهایی از قبیل BMW، Audi، Ford و Hyundai برای خودروهای Genesis همکاری دارد.
چه کسان دیگری به فناوری UWB علاقهمند هستند؟
علاوه بر دو شرکت مطرح اپل و سامسونگ، سایر شرکتهایی که به فناوری UWB تمایل نشان دادهاند، شامل شرکتهای الکترونیکی عظیم همانند Sony، تراشهسازان از قبیل Decawave، Qualcomm، NXP و STMicroelectronics، خودروسازان Volkswagen، Hyundai و Jaguar Land Rover و سازندگان قطعات الکترونیک خودرویی همانند Bosch میباشند.
از دیگر بازیگران مطرح در این زمینه، شرکت Tile است که سالیان سال تگهای فراوانی را جهت ردیابی لوازم از قبیل دسته کلید و کیف پول عرضه کرده است. تگهای بر پایهی فناوری UWB این شرکت به نام Tile Ultra قرار بود که در اوایل سال 2022 به بازار عرضه گردید. ولی با توجه به ادغام و واگذاری این شرکت به Life360، زمان عرضهی این محصول فعلاً به تعویق افتاده است.
شرکتهای مطرح در زمینهی UWB، در دو دستهی صنعتی با نامهای ائتلاف UWB[1] که در دسامبر 2018 شکل گرفت و مشارکت Fira [2] (اختصار Fine Range به معنی فاصلهیابی دقیق) که در آگوست 2019 ایجاد گردید، فعالیت دارند. شرکت سامسونگ عضو Fira است. ولی شرکت اپل در هیچ کدام از این دو گروه صنعتی، عضویت ندارد.
در رأس این دو گروه، مشارکت خودروی متصل[3] قرار گرفته است که در زمینهی فناوری کلیدهای دیجیتال خودرو فعالیت دارد. در واقع شرح فعالیتها و وظایف این سه گروه کاری به گونهای تعریف شده است که از تداخل کاری و فعالیتهای موازی شرکتها جلوگیری نماید. مشارکت FiRa بر روی استانداردها کار میکند تا اطمینان حاصل نماید که تجهیزات UWB با یکدیگر بهدرستی کار میکنند. در حالی که ائتلاف UWB در زمینهی رفع مشکلات و ایرادات UWB و به حداقل رساندن تداخل سیگنال با WiFi که هر دو از باند مشترک 6 GHz استفاده میکنند، فعالیت دارد. در شکل 7، نماد این سه گروه کاری و ائتلاف در زمینه UWB نشان داده شده است.
UWB چگونه کار میکند؟
ایدهی فناوری UWB به دههها پیش باز میگردد. در واقع در ابتدا این فناوری به نام Ultra در سال 1996 در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی[1] پایه گذاری گردید.
تجهیزات UWB پالسهای خیلی کوتاه و کم توان را در اطراف خود منتشر میکنند که حداقل تداخل را با فرستندههای رادیویی دیگر خواهند داشت. سرعت ارسال این پالسها یک میلیارد پالس در ثانیه و به عبارت دیگر یک پالس در هر یک نانو ثانیه است. در فناوری UWB سرعت تبادل داده بین 7 تا 27 مگا بیت در ثانیه است. مؤسسه IEEE نیز بیش از 15 سال پیش، استاندارد 802.15.4 را برای این فناوری وضع نموده است ولی در واقع به اهداف اصلی و اولیهی آن یعنی ارسال سریع داده دست نیافت.
برخی از شرکتها از جمله Spark Microsystems از فناوری UWB برای انتقال داده استفاده میکنند. اما علاقهمندی بیشتر شرکتها به استفاده از این فناوری به منظور موقعیتیابی دقیق است.
گرچه IEEE 802.15.4 سالیان پیش یک استاندارد شکست خورده محسوب میگردید، ولی نوزایی و تجدید حیات[2] این استاندارد بهواسطهی برخورداری از پالسهای رادیویی فوق کوتاه جهت بهکارگیری در محاسبه دقیق مسافت بوده است.
در حال حاضر فناوری UWB دوبارهب در مسیر توسعه است. رای مثال استاندارد 802.15.42 جهت افزایش و بهبود امنیت کلیدهای دیجیتالی و پرداختهای الکترونیکی و افزایش دقت موقعیتیابی به کمتر از 1 سانتی متر توسعه یافته است.
حل مشکل حملهی رلهای یکی از اولویتهای اصلی IEEE برای استاندارد 802.15.42 بوده است. با اجرای زمانبندی دقیق در پروتکل UWB و قابلیت تعیین موقعیت دقیق کلید دیجیتال، در عمل امکان حملهی رلهای از طریق شخص میانی برطرف گردیده است. از طرف دیگر برنامهی توسعهی جاری UWB، بهبود شیوهی پرداخت الکترونیکی توسط این فناوری از طریق گوشیهای هوشمند است. امواج رادیویی با سرعتی در حدود 30 سانتی متر در یک میلیاردم ثانیه حرکت میکنند. اما تجهیزات دارای فناوری UWBاز طریق پالسهای کوتاه میتوانند سنجش بسیار دقیق فاصله را از تجهیز دیگری که به آن پاسخ میدهد، با محاسبهی ToF اندازهگیری کنند.
با بهکارگیری آنتنهای متعدد در نقاط مختلف، فناوری UWB قادر خواهد بود علاوه بر فاصله، جهت حرکت تجهیز را نیز محاسبه نماید. فناوری UWB همچنین در کاربردهای اینترنت اشیاء[3] برای شبکهسازی تجهیزات هوشمند دیگر از قبیل زنگ در منزل، بلندگوهای هوشمند، چراغهای هوشمند و غیره به راحتی سازگاری و تطابق دارد.
در فوتبال نیز NFL[4] با بهکارگیری تگهای UWB در شانهی لباس بازیکنان و همچنین توپ فوتبال، قادر است موقعیت دقیق بازیکنان و توپ را با زمان بهروزرسانی 2000 بار در ثانیه تشخیص دهد.
شرکت بوئینگ نیز با بهکارگیری بیش از 1000 برچسبUWB در ابزارها، چرخهای دستی و تجهیزات دیگر توانسته است موقعیتیابی دقیقی از لوازم خود در سطح کارخانه داشته باشد. UWB همچنین مصرف توان بسیار ناچیزی دارد. حسگری که تنها یک پالس در هر ثانیه ارسال میکند، با یک باتری سکهای قادر خواهد بود در حدود 7 سال کار کند.
روش اختلاف زمانی ورود (TDoA)
روش اختلاف زمانی ورود[1] (TDoA)شباهت بسیار زیادی به شیوهی موقعیتیابی GPS دارد. نقاط مرجع متعدد که از نظر زمانی همزمان هستند و اصطلاحاً لنگر[2] نامیده میشوند، در یک مکان کار گذاشته میشوند. مطابق شکل 8، یک تجهیز متحرک دارای برچسبUWB سیگنال ارسال میکند و وقتی که یک لنگر سیگنال را دریافت میکند، آن را برچسب زمانی[3] میزند. سپس برچسبهای زمانی از لنگرهای متعدد به یک پردازندهی موقعیتیاب مرکزی ارسال میشوند و با اجرای الگوریتم سهبری یا چندبری[4] بر پایهی TDoA مختصات X، Y و Z تجهیز متحرک را محاسبه مینماید.
مزایا:
- طول عمر برچسبتا 7 سال؛
- قابلیت استفاده برای مکانهای با چگالی تعداد بالای تجهیزات (تا هزاران دستگاه)؛
معایب:
- لنگرها باید از نظر زمانی همزمان باشند؛
- الگوریتم اجرایی پیچیده؛
موارد کاربرد:
- یافتن افراد خانواده، دوستان و همکاران در اماکن شلوغ (برای مثال استادیوم، مراکز خرید بزرگ و نمایشگاهها)؛
- ردیابی کارکنان در انبارهای بزرگ؛
- ردیابی کودکان در مدرسه (به منظور اطمینان از عدم خروج آنها در ساعات مدرسه)؛
روش مسافتیابی دو سویه
روش مسافتیابی دوسویه[1] (TWR) مبتنی بر تبادل دو طرفهی سیگنال بین دو دستگاه است. در حین تبادل داده، دو دستگاه زمان پرواز[2](ToF) سیگنال بین خودشان را نیز اندازهگیری میکنند. از حاصل ضرب زمان طی شده رفت و برگشت سیگنال در سرعت نور و تقسیم آن بر 2، میتوان فاصلهی دقیق بین دو دستگاه را محاسبه نمود. بر پایهی طرح TWR میتوان مختصات دو بعدی یا حتی 3 بعدی موقعیت را با اندازهگیری مسافت بین تگهای متحرک و لنگرهای ثابت با الگوریتم سهکنجی یا چندکنجی[3] محاسبه نمود (شکل 9).
مزایا:
- عدم نیاز به همزمانی بین لنگرها؛
- اجرای ساده الگوریتم؛
- امکان تبادل همزمان سیگنال علاوه بر موقعیت یابی؛
معایب:
- مصرف توان بالاتر به علت استفاده از تبادل دوسویه (طول عمر باتری چند ماه تا یک سال)
- تعداد محدودتر دستگاههای متحرک (تا صدها دستگاه)
موارد کاربرد:
- یافتن اشیای گمشده در خانه؛
- قفل کردن یا باز کردن دسترسی به رایانه یا لپ تاپ با توجه به نزدیکی به آن؛
- موقعیتیابی یا کنترل تجهیزات IoT با یک دستگاه راه دور یا تلفن همراه؛
روش اختلاف فاز ورود
روش اختلاف فاز ورود[1] (PDoA)، مطابق شکل 10، ترکیبی از روش TWR که فاصله بین دو نقطه را ارائه میدهد و اندازهگیری راستا و زاویه بین دو نقطه میباشد. با داشتن مسافت و زاویه بین دو نقطه میتوان به موقعیت نسبی دو تجهیز بدون هیچ زیرساخت دیگری دست یافت.
برای این منظور یکی از تجهیزات باید مجهز به آنتن دوگانه باشد تا بتواند اختلاف فاز ورود (PDoA) سیگنال رادیویی را اندازهگیری نماید.
مزایا:
- کاهش و ساده شدن زیرساختهای موقعیتیابی؛
- یافتن موقعیت نسبی بین دو دستگاه؛
معایب:
- خطای موقعیتیابی در این روش ثابت نیست و تابعی از فاصله بین دو دستگاه است.
موارد کاربرد:
- شخصیسازی لوازم (صوتی، تصویری، روشنایی و غیره) خانهی هوشمند براساس حضور افراد مختلف در محل؛
- امنیت ورود به خانه یا محل کار بدون استفاده از کلید؛
- ردیابی افراد یا اشیای بیرون از یک محدودهی تعریف شده؛
فهرست منابع
Apple’s U1 Chip, Android Boost UWB Tech That Lets Your Phone Unlock Your Car, Stephen Shankland, May 25, 2022
https://www.cnet.com/tech/mobile/apples-u1-chip-and-android-brings-uwb-location-tech-to-your-car-or-home/
What is Relay Theft and How Can I Prevent It?, Abby Nuttall, May 31, 2019
https://www.qorvo.com/innovation/ultra-wideband/technology
Everything about the Relay attack.
https://smartkeylessprotector.com/en/everything-about-the-relay-attack/
What Is Ultra-Wideband?
https://www.qorvo.com/innovation/ultra-wideband?
Why UWB Is the Premier Location Technology.
https://www.qorvo.com/innovation/ultra-wideband/technology
