Tại sao công nghệ băng tần siêu rộng có thể trở thành ngôi sao tương lai của định vị trong nhà?

Công nghệ siêu băng rộng (UWB), một công nghệ được đề xuất vào những năm 1960, đã lấy lại được sự ưa chuộng trong những năm gần đây. Ban đầu, UWB được ra mắt theo hướng công nghệ ứng dụng truyền thông, nhưng hiện nay nó cũng được ứng dụng trong công nghệ định vị chính xác cao, đặc biệt là định vị trong nhà, tức là công nghệ định vị không gian không tiếp xúc. Nó tích hợp chức năng định vị và truyền thông vào một thiết bị duy nhất, khiến nó trở nên đặc biệt hiện đại, dễ nhìn và hấp dẫn. Đặc biệt, vào tháng 9 năm 2019, tại buổi họp báo ra mắt iPhone 11 của Apple, hãng đã công bố thiết bị này được trang bị chip U1. UWB đã lặng lẽ gia nhập thị trường tiêu dùng. Tại sao lại lặng lẽ? Bởi vì Apple không hề giới thiệu con chip bí ẩn này tại buổi họp báo. Tuy nhiên, đây có thể là một sự kiện mang tính bước ngoặt đối với định vị trong nhà. Người ta ước tính rằng UWB sẽ thể hiện được tiềm năng của mình trong vòng 5 đến 10 năm tới.

Định vị siêu băng rộng là gì? Dưới đây là một giới thiệu ngắn gọn. UWB (Ultra Wide Band) là công nghệ siêu băng rộng. Đây là công nghệ truyền thông không sóng mang, sử dụng các xung hẹp không hình sin ở mức nano giây để truyền dữ liệu, do đó nó chiếm một dải phổ rộng. Định vị UWB sử dụng công nghệ truyền thông xung băng rộng, có khả năng chống nhiễu mạnh và giảm thiểu sai số định vị. Sự xuất hiện của công nghệ định vị trong nhà UWB đã lấp đầy khoảng trống trong lĩnh vực định vị độ chính xác cao. Nó có những ưu điểm như không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng suy hao kênh, mật độ phổ công suất tín hiệu truyền thấp, khả năng bị chặn thấp, độ phức tạp hệ thống thấp và có thể cung cấp độ chính xác định vị 0.1 mét.

Khác với các phương thức truyền thông không dây truyền thống, UWB không sử dụng sóng mang mà truyền dữ liệu bằng cách gửi và nhận tín hiệu xung năng lượng thấp. Phương pháp đo khoảng cách được thực hiện bằng cách đo thời gian truyền tín hiệu, tức là xác định khoảng cách bằng cách tính toán sự khác biệt về thời gian truyền tín hiệu giữa hai thiết bị. Do đó, trong một khu vực nhỏ, UWB có thể cung cấp kết quả định vị chính xác hơn so với Wi-Fi và Bluetooth. Apple cũng gọi nó là "hệ thống GPS để sử dụng trong phòng khách" trên trang giới thiệu sản phẩm bằng tiếng Anh của mình.

Hệ thống định vị trong nhà UWB thường bao gồm ba thành phần: Thứ nhất, thẻ định vị UWB. Thẻ định vị là các thẻ hoạt động có thể được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau và được gắn trên vật thể, phương tiện hoặc đeo trên người. Chúng rất linh hoạt trong các môi trường ứng dụng khác nhau. Độ chính xác định vị của nó có thể đạt tới 5-10cm. Tín hiệu xung UWB do thẻ phát ra được trạm gốc định vị (cảm biến định vị) thu và truyền đi. Mỗi thẻ có một số ID duy nhất, và các vật thể được định vị có thể được liên kết thông qua số ID này, do đó trạm gốc định vị (cảm biến định vị) có thể tìm ra vị trí thực tế thông qua thẻ. Thời gian truyền tín hiệu của thẻ rất ngắn, cho phép định vị đồng thời hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn thẻ; thứ hai là trạm gốc định vị UWB. Trạm gốc định vị (cảm biến định vị) có thể xác định vị trí của thẻ thông qua công nghệ đo chênh lệch thời gian đến (TDOA) và truyền dữ liệu đến bộ điều khiển mạng và phần mềm công cụ định vị. Độ chính xác đo định vị đạt mức centimet; thứ ba là phần mềm ứng dụng. Phần mềm ứng dụng chủ yếu thể hiện ở các chức năng của hệ thống. Các chức năng cơ bản của hệ thống định vị trong nhà UWB bao gồm: phân bổ nhân sự, hiển thị sự phân bố của những người đeo thẻ định vị; theo dõi quỹ đạo di chuyển của nhân sự, hiển thị thời gian thực quỹ đạo di chuyển của một hoặc nhiều nhân sự thông qua bản đồ điện tử; theo dõi nhân sự được chỉ định, bản đồ tự động chuyển đổi theo chuyển động của thẻ, và trạng thái hiện tại của thẻ có thể được xem bằng cách di chuyển chuột qua thẻ; hàng rào điện tử, hiển thị trạng thái vị trí báo động của người thông qua các màu sắc và hình dạng khác nhau trên bản đồ điện tử phẳng.

Quy trình định vị trong nhà bằng UWB: Đầu tiên, mỗi thẻ định vị liên tục gửi các khung dữ liệu bằng xung UWB; thứ hai, chuỗi xung UWB do thẻ định vị gửi đi được trạm gốc định vị thu nhận; thứ ba, mỗi trạm gốc định vị sử dụng bộ dò xung ngắn độ nhạy cao để đo thời gian đến của khung dữ liệu từ mỗi thẻ định vị tại ăng-ten thu; thứ tư, bộ xử lý định vị tham chiếu dữ liệu hiệu chuẩn do thẻ gửi đi, xác định sự khác biệt về thời gian giữa thời điểm thẻ đến các trạm gốc định vị khác nhau, và sử dụng công nghệ định vị ba điểm cùng các thuật toán tối ưu hóa để tính toán vị trí của thẻ; thứ năm, khi sử dụng định vị một trạm gốc, thường sử dụng thuật toán AOA (Góc đến). Khi sử dụng định vị nhiều trạm gốc, thuật toán TDOA (Thời gian chênh lệch đến) thường được sử dụng.

Các lĩnh vực ứng dụng chính của định vị trong nhà UWB là: Thứ nhất, đường hầm/hành lang ống/tàu điện ngầm. Thực hiện theo dõi tự động theo thời gian thực công nhân xây dựng, theo dõi vị trí và quỹ đạo hoạt động của từng nhân viên trong đường hầm, cũng như sự phân bố vị trí của toàn bộ nhân viên trong đường hầm. Khi gặp sự cố khẩn cấp, thông tin vị trí đáng tin cậy của những người bị mắc kẹt có thể được tìm thấy nhanh chóng để nâng cao hiệu quả cứu hộ và đảm bảo an toàn; thứ hai là kho bãi xe. Theo dõi tài sản và hàng tồn kho theo thời gian thực, cải thiện quy trình, tăng hiệu quả tìm kiếm và giảm lãng phí tài nguyên; thứ ba là ngành công nghiệp hóa dầu. Xác định chính xác vị trí theo thời gian thực của người, phương tiện và vật thể với độ trễ bằng không, phản ánh trực quan và kịp thời tình trạng tại chỗ và tình trạng nhân viên của ngành công nghiệp hóa chất, và nâng cao an toàn và hiệu quả của ngành công nghiệp hóa dầu; thứ tư, bệnh viện/nhà dưỡng lão. Quản lý và kiểm soát thông minh 24/7, bảo vệ an ninh mọi thời tiết, phân tích hành vi của người chăm sóc, khách thăm, bệnh nhân/người cao tuổi theo thời gian thực, nâng cao hiệu quả quản lý tinh gọn của bệnh viện/nhà dưỡng lão; thứ năm là nhà tù/công an/tư pháp. Hệ thống định vị trong nhà UWB có thể thực hiện quản lý ra vào của nhân viên, truy vấn vị trí thời gian thực, giám sát khu vực hạn chế, kiểm soát khoảng cách cách ly, lập kế hoạch nhân sự, và có thể giám sát và thu thập số liệu thống kê về vị trí, lộ trình di chuyển, khoảng cách và tốc độ của nhân viên. Trên thực tế, các ứng dụng và dịch vụ định vị chính xác UWB còn vượt xa các khía cạnh trên. Nhờ khả năng định vị và theo dõi chính xác tất cả mọi người, động vật, tài sản, vật thể và các quá trình sự kiện, nó có triển vọng phát triển rất lớn trong các ngành công nghiệp Internet công nghiệp, hàng tiêu dùng đại chúng và IoT dữ liệu. UWB về cơ bản có thể trở thành một cảm biến không gian-thời gian và là đối tác không thể thiếu cho Internet vạn vật và dữ liệu lớn. Nó mang trong mình hào quang của một ngôi sao đang lên trong nhiều lĩnh vực định vị trong nhà độ chính xác cao, định vị tích hợp trong nhà và ngoài trời, và đổi mới tích hợp điều hướng và truyền thông.