Perché la banda ultralarga potrebbe essere la stella del futuro del posizionamento indoor?

La tecnologia Ultra-Wideband (UWB), proposta negli anni '1960, ha riguadagnato popolarità negli ultimi anni. Inizialmente sviluppata per le applicazioni di comunicazione, l'UWB viene ora impiegata anche in tecnologie di posizionamento ad alta precisione, in particolare per il posizionamento indoor, ovvero per ambienti non esposti. L'integrazione di funzioni di posizionamento e comunicazione in un'unica soluzione la rende particolarmente elegante, piacevole e attraente. In particolare, a settembre 2019, durante la presentazione dell'iPhone 11, Apple ha annunciato la presenza del chip U1. L'UWB è entrato silenziosamente nel mercato consumer. Perché silenziosamente? Perché Apple non ha fornito alcuna anticipazione su questo misterioso chip durante la conferenza stampa. Tuttavia, questo potrebbe rivelarsi un evento epocale per il posizionamento indoor. Si prevede che l'UWB mostrerà tutto il suo potenziale nei prossimi cinque-dieci anni.

Cos'è il posizionamento a banda ultralarga? Ecco una breve introduzione. UWB (Ultra Wide Band) è una tecnologia a banda ultralarga. Si tratta di una tecnologia di comunicazione senza portante che utilizza impulsi stretti non sinusoidali a livello di nanosecondi per trasmettere dati, occupando quindi un'ampia gamma di frequenze. Il posizionamento UWB utilizza la tecnologia di comunicazione a impulsi a banda larga, che ha una forte capacità anti-interferenza e riduce gli errori di posizionamento. L'avvento della tecnologia di posizionamento indoor UWB ha colmato una lacuna nel campo del posizionamento ad alta precisione. Presenta i vantaggi di essere insensibile all'attenuazione del canale, bassa densità spettrale di potenza dei segnali trasmessi, bassa capacità di intercettazione, bassa complessità del sistema e può fornire una precisione di posizionamento di 0.1 metri.

A differenza delle tradizionali comunicazioni wireless, l'UWB non utilizza onde portanti, ma trasmette dati inviando e ricevendo segnali a impulsi a bassa energia. Il metodo di misurazione della distanza si basa sul tempo di trasmissione del segnale, ovvero sulla differenza di tempo di trasmissione tra due dispositivi per determinare la distanza. Pertanto, in un'area ristretta, l'UWB può fornire risultati di posizionamento più precisi rispetto al Wi-Fi e al Bluetooth. Apple lo definisce anche un "sistema GPS per l'uso in salotto" nella pagina di presentazione del prodotto in inglese.

Un sistema di posizionamento indoor UWB è generalmente composto da tre componenti: innanzitutto, il tag di posizionamento UWB. I tag di posizionamento sono tag attivi che possono essere realizzati in diverse forme e fissati su oggetti, veicoli o indossati dalle persone. Sono versatili e adatti a diversi ambienti applicativi. La loro precisione di posizionamento può raggiungere i 5-10 cm. Il segnale a impulsi UWB emesso dal tag viene ricevuto e trasmesso tramite la stazione base di posizionamento (sensore di posizionamento). Ogni tag ha un numero ID univoco e gli oggetti posizionati possono essere collegati tramite questo numero ID, in modo che la stazione base di posizionamento (sensore di posizionamento) possa individuare la posizione effettiva tramite il tag. La durata del segnale di trasmissione del tag è molto breve, consentendo il posizionamento simultaneo di centinaia o addirittura migliaia di tag; in secondo luogo, la stazione base di posizionamento UWB. La stazione base di posizionamento (sensore di posizionamento) è in grado di determinare la posizione del tag tramite la tecnologia di misurazione della differenza di tempo di arrivo (TDOA) e di trasmettere i dati al controller di rete e al software del motore di posizionamento. La precisione di misurazione del posizionamento raggiunge il livello centimetrico; infine, il software applicativo. Il software applicativo si concentra principalmente sulle funzionalità del sistema. Le funzioni di base del sistema di posizionamento indoor UWB possono includere: distribuzione del personale, visualizzazione della distribuzione delle persone che indossano tag di posizionamento; traiettorie di movimento del personale, visualizzazione in tempo reale di una o più traiettorie di movimento del personale tramite una mappa elettronica; tracciamento del personale designato, la mappa si aggiorna automaticamente con il movimento del tag e lo stato attuale del tag può essere visualizzato spostando il mouse sul tag; recinzione elettronica, visualizzazione dello stato di allarme della persona tramite diversi colori e forme sulla mappa elettronica.

Processo di posizionamento indoor UWB: Innanzitutto, ogni tag di posizionamento invia ripetutamente e ininterrottamente frame di dati con impulsi UWB; in secondo luogo, il treno di impulsi UWB inviato dal tag di posizionamento viene ricevuto dalla stazione base di posizionamento; in terzo luogo, ogni stazione base di posizionamento utilizza un rilevatore di impulsi brevi ad alta sensibilità per misurare il tempo di arrivo del frame di dati di ciascun tag di posizionamento all'antenna ricevente; in quarto luogo, il motore di posizionamento fa riferimento ai dati di calibrazione inviati dal tag, determina la differenza di tempo tra il tag che raggiunge le diverse stazioni base di posizionamento e utilizza la tecnologia di posizionamento a tre punti e algoritmi di ottimizzazione per calcolare la posizione del tag; in quinto luogo, l'uso del posizionamento con una singola stazione base utilizza generalmente l'algoritmo AOA (Angle of Arrival). Quando si utilizza il posizionamento con più stazioni base, viene spesso utilizzato l'algoritmo TDOA (Time Difference of Arrival).

Le principali aree di applicazione del posizionamento indoor UWB sono: in primo luogo, gallerie/corridoi di condotte/metropolitane. Eseguire il tracciamento automatico in tempo reale degli operai edili e tenere traccia della posizione e della traiettoria di attività di ciascun dipendente nella galleria, nonché della distribuzione della posizione di tutto il personale della galleria. In caso di emergenza, è possibile trovare rapidamente informazioni affidabili sulla posizione delle persone intrappolate per migliorare l'efficienza e la sicurezza del soccorso; in secondo luogo, i magazzini di veicoli. Tracciare beni e inventario in tempo reale, migliorare i processi, aumentare l'efficienza di ricerca e ridurre lo spreco di risorse; in terzo luogo, l'industria petrolchimica. Localizzare con precisione la posizione in tempo reale di persone, veicoli e oggetti senza ritardi, riflettere in modo intuitivo e tempestivo le condizioni in loco e lo stato del personale dell'industria chimica e migliorare la sicurezza e l'efficienza dell'industria petrolchimica; in quarto luogo, ospedali/case di cura. Gestione e controllo intelligenti 24 ore su 24, sorveglianza di sicurezza in qualsiasi condizione atmosferica, analisi in tempo reale del comportamento di operatori sanitari, visitatori, pazienti/anziani, migliorando l'efficienza della gestione di ospedali/case di cura; Il quinto ambito di applicazione è quello delle carceri/sicurezza pubblica/giudiziario. Il sistema di posizionamento indoor UWB può gestire gli ingressi e le uscite del personale, effettuare ricerche di posizione in tempo reale, sorvegliare aree riservate, controllare la distanza di isolamento, pianificare i turni del personale e monitorare e raccogliere statistiche su posizione, percorso, distanza e velocità del personale. In realtà, le applicazioni e i servizi di posizionamento di precisione UWB vanno ben oltre gli aspetti sopra menzionati. Grazie al suo posizionamento e tracciamento preciso di persone, animali, beni, oggetti e processi, ha grandi prospettive di sviluppo nei settori dell'Internet industriale, dei beni di consumo di massa e dell'IoT dei dati. L'UWB può essenzialmente diventare un sensore spazio-temporale e un partner indispensabile per l'Internet delle cose e i big data. Ha l'aura di una stella nascente in molteplici campi del posizionamento indoor ad alta precisione, del posizionamento integrato indoor e outdoor e dell'innovazione nell'integrazione di navigazione e comunicazione.