UWB (Ultra-Wideband) là gì?

UWB (Ultra Wideband) là công nghệ RF khoảng cách ngắn dùng cho truyền thông không dây, có thể cảm nhận vị trí của người, thiết bị và tài sản với độ chính xác vượt trội về mặt lý thuyết. Giống như các giao thức truyền thông khác như Bluetooth và Wi-Fi, UWB có thể truyền dữ liệu giữa các thiết bị thông qua sóng vô tuyến. Để làm được điều này, nó sử dụng các xung nano giây ngắn để giao tiếp trong dải tần số "siêu rộng Công nghệ UWB truyền hàng tỷ xung vô tuyến theo các mẫu mỗi nano giây trên một phổ tần số rộng (ít nhất 500 MHz hoặc 20% tần số trung tâm). Tín hiệu này được truyền từ máy phát đến máy thu hoặc giữa các máy thu. Thiết bị thu phân tích các mẫu nhận được và chuyển đổi chúng thành dữ liệu. Điều này không chỉ giúp các thiết bị truyền dữ liệu nhanh chóng trong khoảng cách ngắn mà tín hiệu UWB này còn có thể được sử dụng để cảm nhận chính xác vị trí của thiết bị. Nhờ đó, các thiết bị tích hợp tính năng UWB (như điện thoại thông minh hoặc cảm biến và mỏ neo) có thể định vị chính xác các thiết bị phát khác như điện thoại thông minh hoặc thẻ theo dõi tài sản, cho phép truyền thông và dịch vụ nhận biết vị trí trong các ứng dụng cụ thể. Mặc dù gần đây mới được áp dụng trên các điện thoại thông minh hiện đại và các công nghệ khác, tạo cảm giác như một công nghệ tiên tiến mới, nhưng công nghệ UWB đã được ứng dụng trong nhiều thập kỷ. Trong nhiều năm, việc sử dụng nó bị hạn chế hoặc chủ yếu thấy trong các ứng dụng radar quân sự và truyền thông dưới tên gọi "radio xung". Sau khi FCC phê duyệt việc sử dụng không cần giấy phép vào năm 2002, công nghệ UWB đã không ngừng đổi mới và phát triển, trở thành điểm khởi đầu để giải phóng các tính năng dựa trên vị trí mang tính cách mạng.

Sự gia tăng áp dụng UWB

Nhiều công ty lớn đã nhận ra các khả năng đa dạng của UWB và bắt đầu phát triển hoặc tung ra các giải pháp tích hợp UWB. Một trong những cái tên đáng chú ý nhất là Apple, hãng đã bắt đầu triển khai công nghệ UWB bằng cách tích hợp chip siêu rộng U1 mới cùng với sự ra mắt của iPhone 11. Các công ty khác như Samsung cũng đã bắt đầu triển khai công nghệ UWB trên một số điện thoại thông minh và thiết bị mới nhất của họ. Google cũng đang bắt tay vào phát triển API cho phép các ứng dụng sử dụng UWB trên thiết bị Android. Giờ đây, nó là một lựa chọn hiệu quả về chi phí với các thành phần phần cứng đủ nhỏ để tích hợp vào nhiều loại thiết bị. NFL thậm chí còn sử dụng công nghệ siêu rộng để theo dõi vị trí và chuyển động theo thời gian thực của các cầu thủ. Bằng cách gắn chip UWB vào đệm vai của cầu thủ, liên đoàn có thể phân tích cách các cầu thủ di chuyển trong trận đấu. NXP và Volkswagen đang khám phá khả năng sử dụng UWB trên ô tô để mang lại trải nghiệm xe an toàn và thuận tiện hơn. Cùng với đó, trong số những người dẫn đầu về phát triển công nghệ UWB có các liên minh như UWB Alliance và FiRA, cùng nhiều nhà cung cấp phần cứng UWB khác nhau. Họ cung cấp nhiều loại chip UWB, mỏ neo và thẻ tùy theo từng trường hợp sử dụng cụ thể. Một số chuyên gia dự đoán rằng công nghệ UWB sẽ sớm được sử dụng phổ biến như Bluetooth và Wi-Fi, và một số cho rằng nó sẽ thay thế BLE để trở thành tiêu chuẩn chính cho truyền thông khoảng cách ngắn và định vị.

Đặc điểm nổi bật của UWB

Nhiều công ty lớn đã nhận ra các khả năng đa dạng của UWB và bắt đầu phát triển hoặc tung ra các giải pháp tích hợp UWB. Một trong những cái tên đáng chú ý nhất là Apple, hãng đã bắt đầu triển khai công nghệ UWB bằng cách tích hợp chip siêu rộng U1 mới cùng với sự ra mắt của iPhone 11. Các công ty khác như Samsung cũng đã bắt đầu triển khai công nghệ UWB trên một số điện thoại thông minh và thiết bị mới nhất của họ. Google cũng đang bắt tay vào phát triển API cho phép các ứng dụng sử dụng UWB trên thiết bị Android. Giờ đây, nó là một lựa chọn hiệu quả về chi phí với các thành phần phần cứng đủ nhỏ để tích hợp vào nhiều loại thiết bị. NFL thậm chí còn sử dụng công nghệ siêu rộng để theo dõi vị trí và chuyển động theo thời gian thực của các cầu thủ. Bằng cách gắn chip UWB vào đệm vai của cầu thủ, liên đoàn có thể phân tích cách các cầu thủ di chuyển trong trận đấu. NXP và Volkswagen đang khám phá khả năng sử dụng UWB trên ô tô để mang lại trải nghiệm xe an toàn và thuận tiện hơn. Cùng với đó, trong số những người dẫn đầu về phát triển công nghệ UWB có các liên minh như UWB Alliance và FiRA, cùng nhiều nhà cung cấp phần cứng UWB khác nhau. Họ cung cấp nhiều loại chip UWB, mỏ neo và thẻ tùy theo từng trường hợp sử dụng cụ thể. Một số chuyên gia dự đoán rằng công nghệ UWB sẽ sớm được sử dụng phổ biến như Bluetooth và Wi-Fi, và một số cho rằng nó sẽ thay thế BLE để trở thành tiêu chuẩn chính cho truyền thông khoảng cách ngắn và định vị.

Cơ chế hoạt động của định vị UWB

UWB cho phép xác định vị trí thông qua ToF. Điều này cho phép đo chính xác khoảng cách giữa máy phát và máy thu bằng cách tính thời gian tín hiệu di chuyển giữa các thiết bị. Trong một số kịch bản, tọa độ X, Y và Z của vị trí thiết bị cũng có thể được phát hiện, điều này thêm một chiều bổ sung cho việc định vị mà UWB cung cấp. Tùy thuộc vào trường hợp sử dụng hoặc ứng dụng, phương pháp tính toán ToF có thể khác nhau. Trong đo lường vị trí UWB, có thể sử dụng hai kỹ thuật cơ bản là Time Difference of Arrival (TDoA) và Two-Way Ranging (TWR).

Time Difference of Arrival (TDoA)

TDoA sử dụng các mỏ neo hoặc cảm biến UWB được đặt tại các vị trí cố định trong toàn bộ không gian trong nhà. Các cảm biến này phát hiện và xác định vị trí của các thiết bị UWB như thẻ theo dõi. Các mỏ neo cố định phải được đồng bộ hóa chính xác và hoạt động trên cùng một xung nhịp. Thẻ UWB hoặc thiết bị khác định kỳ gửi tín hiệu. Các tín hiệu này được nhận bởi tất cả các mỏ neo trong phạm vi giao tiếp và được gắn mốc thời gian tại mỏ neo. Sau đó, tất cả dữ liệu mốc thời gian được gửi đến IPS hoặc RTLS trung tâm. Công cụ định vị phân tích dữ liệu từ mỗi mỏ neo và sự khác biệt về thời gian đến để vẽ các đường hyperbol và sử dụng các điểm giao nhau của các đường hyperbol để tính toán tọa độ của thẻ. Tọa độ này có thể được sử dụng để trực quan hóa vị trí của thiết bị trên bản đồ trong nhà hoặc được sử dụng cho các mục đích khác tùy theo ứng dụng cụ thể.

Two-Way Ranging (TWR)

TWR là công nghệ đo khoảng cách bằng cách sử dụng giao tiếp hai chiều giữa hai thiết bị. Ví dụ, khi các thiết bị như điện thoại thông minh ở gần nhau, hai thiết bị bắt đầu đo khoảng cách lẫn nhau. Thời gian tín hiệu truyền giữa hai thiết bị được nhân với tốc độ ánh sáng để xác định vị trí tương đối. Công nghệ này thường được sử dụng để cho phép truyền thông nhận biết vị trí. Trong khi TWR sử dụng giao tiếp hai chiều để cảm nhận khoảng cách giữa một thiết bị và thiết bị khác, vị trí được xác định giữa các thiết bị này được sử dụng tùy theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể. TWR cũng có thể được sử dụng với các mỏ neo cố định và thiết bị UWB, nhưng quy trình TWR chỉ có thể sử dụng một đối tác đo lường tại một thời điểm để xác định vị trí của thiết bị.

Định vị UWB chính xác đến mức nào?

Nhờ các xung nano giây nhanh có thể cảm nhận qua ToF và sự can thiệp hạn chế với các đường truyền RF khác, UWB có thể theo dõi vị trí trong nhà chính xác với độ chính xác dưới 50cm trong các điều kiện và cách bố trí tối ưu, đồng thời có thể theo dõi nhanh chóng các chuyển động và hành động của thiết bị với kết quả theo thời gian thực. So với các công nghệ định vị trong nhà khác, UWB cung cấp độ chính xác vị trí vượt trội. Các tiêu chuẩn khác thường sử dụng Chỉ số cường độ tín hiệu thu được (RSSI) để xác định vị trí và chỉ có thể hoạt động với độ chính xác như BLE (< 5m) và Wi-Fi (< 10m). Một số công nghệ UWB cũng có thể đo vị trí chính xác hơn thông qua phát hiện hướng, đòi hỏi các thiết bị đa anten có thể đo góc của tín hiệu nhận được.

Phạm vi giao tiếp của UWB là bao nhiêu?

UWB có thể cảm nhận vị trí của thiết bị trong phạm vi dưới 200 mét. Tuy nhiên, thông thường nó hoạt động hiệu quả nhất trong khoảng cách ngắn từ 1-50 mét và có thể đạt được kết quả tốt nhất khi tầm nhìn giữa thiết bị hoặc mỏ neo được đảm bảo. Ở khoảng cách ngắn, UWB cung cấp giao tiếp rất chính xác, nhanh chóng và an toàn, đồng thời có thể duy trì sự can thiệp tối thiểu.

UWB khác với các công nghệ định vị khác như thế nào?

Mỗi tiêu chuẩn RF đều có các đặc điểm và lợi ích riêng, có thể là một lựa chọn phù hợp tùy thuộc vào yêu cầu riêng lẻ, ngân sách, cơ sở vật chất và trường hợp sử dụng dựa trên vị trí cụ thể. Sự khác biệt quan trọng nhất giữa UWB và các công nghệ khác là phổ tần số rộng và mức độ chính xác mà nó có thể cung cấp. Độ chính xác của UWB là một lựa chọn đặc biệt hiệu quả trong các trường hợp sử dụng dựa trên vị trí trong nhà nâng cao, chẳng hạn như các kịch bản theo dõi tài sản nơi vị trí tuyệt đối và chuyển động theo thời gian thực là quan trọng.

UWB vs Bluetooth

UWB và BLE có nhiều điểm chung - tiêu thụ điện năng thấp, chi phí thấp, thế mạnh trong công nghệ theo dõi tài sản, v.v. Tuy nhiên, UWB có thể cung cấp độ chính xác vượt trội hơn nhiều so với Bluetooth. Điều này là do phương pháp xác định vị trí dựa trên khoảng cách chính xác thông qua ToF của UWB. Công nghệ định vị BLE thường xác định vị trí thiết bị thông qua RSSI và cung cấp độ chính xác ở mức khá thấp tùy thuộc vào việc thiết bị gửi tín hiệu mạnh hay yếu đến beacon hoặc cảm biến. BLE có phạm vi và tốc độ dữ liệu ngắn hơn nhiều so với UWB và dễ bị can thiệp tín hiệu hơn. Bluetooth có một hệ sinh thái khổng lồ và là một trong những công nghệ định vị rất phổ biến. Nó được sử dụng trong nhiều thiết bị không dây và có thể dễ dàng triển khai các tùy chọn phần cứng linh hoạt như BLE beacon.

UWB vs Wi-Fi

Wi-Fi đã trở thành công nghệ RF cốt lõi trong công nghệ định vị trong nhà do việc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị và không gian trong nhà của chúng ta. Trong các kịch bản dựa trên vị trí nâng cao, độ chính xác và tính linh hoạt của Wi-Fi có thể bị hạn chế. Trong các lĩnh vực ứng dụng nâng cao này, yêu cầu độ chính xác cao và công nghệ UWB vượt trội về điều này. Vì Wi-Fi đo cường độ tín hiệu chứ không phải khoảng cách, nên nó kém chính xác hơn so với UWB và dễ bị ảnh hưởng bởi can thiệp hơn. Ngược lại, UWB có khả năng miễn nhiễm mạnh mẽ nên ít gặp vấn đề về can thiệp. Ngoài ra, UWB yêu cầu ít điện năng hơn, vì vậy có thể tạo ra các công cụ hữu ích và rẻ tiền như thẻ theo dõi tài sản chạy bằng pin đồng xu. Tuy nhiên, vì có lợi thế là có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có như các thiết bị và điểm truy cập khác nhau hỗ trợ Wi-Fi, nên nó trở thành một công nghệ định vị trong nhà rất quan trọng khi không cần độ chính xác cao.

Hạng mục

UWB

BLE

Wi-Fi

Độ chính xác vị trí

10 - 50cm

Dưới 5m

Dưới 10m

Phạm vi tối ưu

0-50m

0-25m

0-50m

Phạm vi tối đa

200m

100m

500m

Thời gian trễ

1ms

3~5 giây

3~5 giây

Tiêu thụ điện năng

Thấp

Rất thấp

Bình thường

Chi phí

₩₩

₩₩

₩₩₩

Tần số

3.1~10.6GHz

2.4GHz

2.4GHz, 5GHz

Tốc độ dữ liệu

Tối đa 27Mbps

Tối đa 2Mbps

Tối đa 1GBps