فناوری UWB؛ آینده مکان‌یابی و ارتباطات بی‌سیم

اگه بخوایم ساده‌تر بگیم، UWB یه تکنولوژی رادیوییه که تمرکزش روی اندازه‌گیری دقیق فاصله (رنجینگ) بین دو تا دستگاهه و میتونه این کار رو با دقت حدود ۱۰ سانتیمتر انجام بده. پهنای باندش بیشتر از ۵۰۰ مگاهرتزه که خیلی زیاده.

جالبه بدونید که این تکنولوژی خیلی هم جدید نیست. تحقیقات روی UWB از دهه ۱۹۶۰ میلادی، بیشتر برای کاربردهای نظامی مثل رادار توی آمریکا شروع شد. تا حدود سال ۱۹۹۴ یه تکنولوژی محرمانه نظامی به حساب میومد. از حدود سال ۱۹۹۸، کمیسیون ارتباطات فدرال آمریکا (FCC) شروع به بررسی استفاده عمومی ازش کرد و بالاخره سال ۲۰۰۲ این اجازه رو صادر کرد. اما تا سال ۲۰۱۹ که پاش به گوشی‌های هوشمند باز شد، خیلی‌ها اصلا اسمش رو نشنیده بودن. همین ورود به گوشی‌ها باعث شد کشورهای دیگه‌ای هم که قبلا استفاده عمومی ازش رو مجاز نکرده بودن، به فکر بیفتن.

UWB چه جوری کار میکنه؟ یه نگاه به پشت صحنه

خب، بیاید ببینیم این دقت بالا از کجا میاد. برخلاف سیستم‌های رادیویی معمولی که اطلاعات رو با تغییر دادن قدرت، فرکانس یا فاز یه موج سینوسی میفرستن، UWB اطلاعات رو با تولید انرژی رادیویی توی فاصله‌های زمانی مشخص و با پالس‌های خیلی کوتاه میفرسته. این پالس‌ها خیلی کوتاهن، مثلا حدود دو نانوثانیه (هر نانوثانیه یک میلیاردم ثانیه است).

وقتی یه دستگاه مجهز به UWB (مثل گوشی، ساعت هوشمند یا یه تگ هوشمند) به یه دستگاه UWB دیگه نزدیک میشه، این دو تا شروع به یه کاری به اسم «رنجینگ» یا فاصله‌یابی میکنن. رنجینگ یعنی محاسبه کردن «زمان پرواز» یا Time of Flight (ToF) بین دستگاه‌ها. یعنی چی؟ یعنی مدت زمانی که طول میکشه یه بسته اطلاعاتی از دستگاه اول بره به دستگاه دوم و جوابش برگرده.

چون UWB از پهنای باند کانال خیلی بزرگی (۵۰۰ مگاهرتز) و پالس‌های خیلی کوتاه (دو نانوثانیه) استفاده میکنه، به دقت خیلی بالایی میرسه. فرایند مکان‌یابی UWB به صورت لحظه‌ای حرکات دستگاه رو در لحظه ردیابی میکنه. اینجوری دستگاه‌های UWB هم حرکت رو میفهمن و هم موقعیت نسبی خودشون نسبت به هم رو درک میکنن.

یه جورایی مثل اینه که شما توی یه اتاق تاریک داد بزنید و از روی مدت زمانی که طول میکشه تا صدای اکوی شما از دیوار برگرده، فاصله خودتون تا دیوار رو حساب کنید. UWB هم همین کار رو با امواج رادیویی میده، فقط با سرعتی نزدیک به سرعت نور. مفهومش ساده است: زمان سفر سیگنال رو در سرعت نور ضرب میکنیم تا فاصله به دست بیاد. نکته جالبش اینه که هیچکس نمیتونه زمان یا سرعت نور رو هک کنه.

این تکنولوژی میتونه موقعیت یه شی رو تا کمتر از ۱۰ سانتیمتر تشخیص بده، چه مانعی بینشون باشه (non-line-of-sight یا nLoS) و چه نباشه (line-of-site یا LoS). علاوه بر این، با استفاده از تکنولوژی دیگه‌ای به اسم «زاویه ورود» یا Angle of Arrival (AoA)، دستگاه‌ها میتونن بفهمن که یه شی ثابته، داره بهشون نزدیک میشه یا داره ازشون دور میشه.

برای مثال، یه سیستم مجهز به UWB میفهمه که شما دارید به یه در قفل نزدیک میشید، میتونه تشخیص بده که شما داخل هستید یا بیرون و تصمیم بگیره که وقتی به یه موقعیت خاص رسیدید، قفل رو باز کنه یا نه. توی دنیای واقعی، UWB میتونه در گاراژ رو وقتی ماشینتون نزدیک میشه باز کنه و در خونه رو هم وقتی به ورودی نزدیک میشید براتون باز کنه.

مقایسه UWB با رفیق‌های قدیمیش: وای‌فای، بلوتوث و NFC

وقتی حرف از اتصال بی‌سیم میشه، اولین چیزایی که به ذهنمون میرسه وای‌فای و بلوتوثه. اما این تکنولوژی‌ها اون دقت و قابلیت‌های مکان‌یابی و امنیت فرکانس رادیویی که UWB ارائه میده رو ندارن. درسته که اکثر تکنولوژی‌های بی‌سیم از نظر فنی میتونن فاصله‌یابی کنن، اما عملکرد UWB توی این زمینه خیلی بهتره.

بیاید تفاوت‌ها رو دقیق‌تر ببینیم:

• دقت: این بزرگترین برتری UWB هست. UWB میتونه یه شی رو با دقت ۳.۹ اینچ (۱۰ سانتیمتر) پیدا کنه، در حالی که دقت بلوتوث و GPS حدود یکی دو متره.
• امنیت: خیلی از تکنولوژی‌ها برای تخمین فاصله به قدرت سیگنال تکیه میکنن. یعنی هر چی سیگنال قوی‌تر باشه، یعنی شی نزدیک‌تره. هکرها میتونن با یه روش به اسم «حمله ایستگاه رله» سیگنال‌ها رو تقویت کنن و سیستم رو گول بزنن که فکر کنه شی نزدیک‌تر از چیزیه که هست و مثلا در ماشین رو باز کنن. اما UWB به جای قدرت سیگنال، از ToF استفاده میکنه. اگه یه هکر بخواد از حمله رله استفاده کنه، UWB به خاطر زمان طولانی‌تر رفت و برگشت سیگنال، نتیجه میگیره که شی دورتر شده، نه نزدیک‌تر، و در نتیجه در رو قفل نگه میداره.
• طیف فرکانسی: UWB توی یه بخش جدا از طیف رادیویی کار میکنه، دور از باندهای شلوغی مثل باند ۲.۴ گیگاهرتز که وای‌فای و بلوتوث توش هستن. این یعنی تداخل کمتری با سیگنال‌های دیگه داره. جالبه که UWB میتونه همزمان با وای‌فای، بلوتوث و NFC بدون مشکل کار کنه.
• سرعت: سرعت انتقال داده UWB میتونه از ۴ مگابیت بر ثانیه تا ۶۷۵ مگابیت بر ثانیه یا حتی بیشتر باشه. این سرعت از ۴۲۴ کیلوبیت بر ثانیه NFC و ۲.۱ مگابیت بر ثانیه بلوتوث خیلی بیشتره، ولی به پای سرعت ۲ گیگابیت بر ثانیه‌ای وای‌فای ۶ نمیرسه.
• مصرف انرژی: چون UWB از پالس‌های سیگنال کوتاه و فرکانس‌های رادیویی کم‌توان استفاده میکنه، انرژی کمتری مصرف میکنه و هزینه‌اش هم کمتره.
• مقاومت در برابر اثر چندمسیری (Multipath Effect): به خاطر پهنای باند وسیع و پالس‌های کوتاه، UWB کمتر تحت تاثیر اثر چندمسیری قرار میگیره. این اثر وقتی اتفاق میفته که سیگنال از مسیرهای مختلف (مثلا بعد از برخورد به دیوار) به گیرنده میرسه و باعث خطا میشه.

یه جدول مقایسه سریع ببینیم:

ویژگی	UWB	بلوتوث	NFC
دقت مکانی	خیلی بالا (حدود ۱۰ سانتیمتر)	متوسط (حدود ۱ تا ۲ متر)	خیلی کم (چند سانتیمتر)
برد	متوسط (۱۰ تا ۲۰۰ متر)	متوسط تا زیاد	خیلی کوتاه (کمتر از ۴ سانتیمتر)
امنیت	خیلی بالا (مقاوم به حمله رله)	متوسط	خوب برای پرداخت
سرعت داده	بالا (تا ۶۷۵ مگابیت بر ثانیه)	متوسط (تا ۲.۱ مگابیت بر ثانیه)	پایین (تا ۴۲۴ کیلوبیت بر ثانیه)
تداخل	خیلی کم	مستعد تداخل در باند ۲.۴ گیگاهرتز	تقریبا بدون تداخل
هزینه	نسبتا بالاتر	پایین	پایین

پس UWB قرار نیست جایگزین کامل این تکنولوژی‌ها بشه، بلکه برای کاربردهایی که به دقت، سرعت و امنیت بالا نیاز دارن، یه گزینه خیلی بهتره.

کاربردهای واقعی UWB: این تکنولوژی به چه دردی میخوره؟

خب، تا اینجا کلی تئوری گفتیم. حالا بیاید ببینیم توی دنیای واقعی UWB چه کارایی ازش برمیاد. کاربردهاش واقعا زیاده و هر روز هم بیشتر میشه.

1. کنترل دسترسی بدون دخالت دست (Hands-free Access)
   • کلید دیجیتال ماشین: یکی از هیجان‌انگیزترین کاربردها همینه. شرکت‌هایی مثل BMW، آئودی، فورد و هیوندای دارن از UWB برای ساختن کلیدهای دیجیتال امن استفاده میکنن. با این قابلیت، شما میتونید درهای ماشینتون رو بدون اینکه حتی کلید یا گوشی رو از جیبتون در بیارید، باز کنید. ماشین دقیقا میفهمه شما کجایید. مثلا وقتی به فاصله یک متری ماشین رسیدید درها رو باز میکنه و وقتی چند ده سانتیمتریش بودید اجازه استارت زدن موتور رو میده. این قابلیت توی گوشی‌های آیفون و ساعت‌های اپل به اسم Car Key وجود داره و سامسونگ هم روی پلتفرم Digital Key خودش کار میکنه.
   • ورود به ساختمان: همین ایده برای درهای خونه، آپارتمان یا دفتر کار هم قابل پیاده‌سازیه. دیگه نیازی به کلید فیزیکی، کارت یا وارد کردن رمز نیست. همین که نزدیک در بشید، باز میشه.
2. ردیابی دارایی و وسایل شخصی (Asset Tracking)
   • جلوگیری از گم شدن وسایل: این کاربرد رو احتمالا با دستگاه‌هایی مثل Apple AirTag و Samsung Galaxy SmartTag+ دیدید. این تگ‌های کوچیک که به UWB مجهزن رو به دسته کلید، کیف پول یا هر وسیله دیگه‌ای وصل میکنید. بعد با استفاده از گوشی هوشمندتون و اپلیکیشن‌هایی مثل SmartThings Find سامسونگ، میتونید با واقعیت افزوده (AR) و جهت‌های خیلی دقیق، وسیله گمشده‌تون رو پیدا کنید.
   • کاربردهای صنعتی: شرکت‌های بزرگ مثل بوئینگ از تگ‌های UWB برای ردیابی هزاران ابزار، قطعه و تجهیزات گرون‌قیمت توی کارخونه‌هاشون استفاده میکنن. این کار باعث کاهش هزینه‌های ناشی از گم شدن وسایل و بهینه‌سازی فرایندها میشه.
3. خانه هوشمند (Smart Home)
   
4. ورزش و آمار دقیق
   
5. کاربردهای صنعتی و لجستیک
   • فاصله‌گذاری اجتماعی: توی دوران کرونا، یه کاربرد جالب برای UWB پیدا شد. با سنسورهای پوشیدنی مجهز به UWB، میشد به کارمندها هشدار داد که بیش از حد به هم نزدیک شدن.
   • دیجیتالی کردن انبارها: توی کارخونه‌ها و انبارهای بزرگ، با استفاده از سیستم‌های موقعیت‌یابی لحظه‌ای (RTLS) که از چندین لنگر (anchor) و تگ UWB استفاده میکنن، میشه موقعیت دقیق قطعات، بسته‌ها و کارگرها رو در لحظه ردیابی کرد. این کار به بهینه‌سازی تولید و افزایش بهره‌وری کمک میکنه.
6. پرداخت‌های بی‌سیم امن
   

جنبه فنی ماجرا برای کنجکاوها

اگه دوست دارید کمی فنی‌تر بدونید، UWB چند تا مفهوم کلیدی داره:

• نقش‌ها: کنترلر و کنترلی (Controller/Controlee): ارتباط UWB بین دو دستگاه اتفاق میفته. یکی نقش کنترلر (یا آغازگر) رو داره و اون یکی کنترلی (یا پاسخ‌دهنده). کنترلر کانال ارتباطی رو مشخص میکنه و شروع‌کننده است. یه کنترلر میتونه با چندتا کنترلی کار کنه، ولی یه کنترلی فقط میتونه به یه کنترلر وصل باشه.
• تبادل پارامترها: قبل از شروع فاصله‌یابی، دو تا دستگاه باید همدیگه رو بشناسن و یه سری پارامترها مثل آدرس محلی، کانال و کلید جلسه رو با هم رد و بدل کنن. این کار معمولا از طریق یه مکانیزم امن دیگه مثل بلوتوث کم‌مصرف (BLE) انجام میشه.
• امنیت با STS: برای امن کردن هر جلسه فاصله‌یابی، از یه کلید جلسه استفاده میشه که با یه چیزی به اسم «دنباله مُهر زمانی درهم‌ریخته» (Scrambled Timestamp Sequence یا STS) کار میکنه. دو نوع STS داریم: استاتیک و Provisioned. نوع Provisioned که توی اندروید ۱۴ به بالا پشتیبانی میشه، خیلی امن‌تره و جلوی حمله‌هایی مثل Replay/relay رو میگیره.
• استانداردها: یه استاندارد مهم برای UWB، استاندارد IEEE 802.15.4z هست. همچنین یه کنسرسیوم به اسم FiRa (که مخفف Fine Ranging هست) وجود داره که شرکت‌های بزرگی مثل سامسونگ، شیائومی و اوپو عضوش هستن و هدفشون اینه که دستگاه‌های UWB از برندهای مختلف بتونن با هم کار کنن.

چه دستگاه‌هایی الان UWB دارن؟

با اینکه UWB چند سالی هست که وجود داره، هنوز به اندازه وای‌فای یا بلوتوث فراگیر نشده و بیشتر توی دستگاه‌های پرچمدار و گرون‌قیمت پیدا میشه. ولی هر سال تعدادشون بیشتر میشه. اینجا یه لیست از دستگاه‌های معروفی که UWB دارن رو میبینید:

• گوشی‌های اپل: تمام مدل‌های آیفون از سری ۱۱ به بعد (به جز مدل‌های SE).
• گوشی‌های گوگل: سری پیکسل پرو (از ۶ پرو به بعد)، پیکسل فولد.
• گوشی‌های سامسونگ: گلکسی نوت ۲۰ اولترا، سری گلکسی اس پلاس و اولترا (از S21 به بعد)، سری گلکسی زد فولد (از فولد ۲ به بعد).
• گوشی‌های موتورولا: موتورولا اج ۵۰ اولترا.
• ساعت‌های هوشمند: اپل واچ سری ۶ و جدیدتر، گوگل پیکسل واچ ۳.
• تگ‌های هوشمند: اپل ایرتگ (AirTag)، سامسونگ گلکسی اسمارت‌تگ پلاس (SmartTag+).

اینم جدولی از بعضی از شرکت‌های اصلی که چیپست‌های UWB تولید میکنن:

تامین‌کننده	نام محصول	استاندارد	باند فرکانسی
Apple Inc.	U1, U2	HRP	۶–۸.۵ GHz
NXP	NCJ29D5, SR100T	HRP	۶–۹ GHz
Qorvo	DW1000, DW3000	HRP	۳.۵–۸.۵ GHz
Samsung Electronics	Exynos Connect U100	نامشخص	۶.۴-۸.۹ GHz
Microchip Technology	ATA8350, ATA8352	LRP	۶.۲–۸.۳ GHz

آیا UWB هیچ نقطه ضعفی نداره؟

واقعیت اینه که UWB تکنولوژی خیلی خوبیه: کم‌مصرفه، کاربردهای متنوعی داره و در برابر حملات و تداخل خیلی مقاومه. اما دو تا نگرانی در موردش وجود داره که باید بهشون توجه کرد:

1. نگرانی‌های مربوط به حریم خصوصی:
   
2. پذیرش کند و محدود:
   

پس فعلا اگه توی صنایع لجستیک، تولیدی یا خودروسازی کار میکنید، دلیل بیشتری برای هیجان‌زده شدن دارید، ولی بقیه ما باید یه کم دیگه صبر کنیم تا پتانسیل واقعی استاندارد اولترا وایدبند رو ببینیم.

---

پرسش و پاسخ‌های سریع

اینجا به چند تا سوال رایج در مورد UWB جواب میدیم.

سوال: آیا UWB برای سلامتی ضرر داره؟
جواب: نه. درست مثل بلوتوث، وای‌فای و بقیه استانداردهای ارتباطی رادیویی، UWB کاملا امنه و سطح توان امواجش خیلی پایینه، حتی پایین‌تر از سطح نویز دستگاه‌های دیجیتال معمولی.

سوال: آیا سیگنال‌های UWB میتونن از دیوار رد بشن؟
جواب: بله، سیگنال‌های UWB میتونن از بعضی دیوارها بسته به ضخامت و جنسشون عبور کنن. البته دقت مکان‌یابی وقتی مانعی مثل دیوار وجود داشته باشه کمتر میشه، ولی حتی در این حالت هم UWB از بلوتوث دقیق‌تر عمل میکنه. به عبارت دیگه، برای کار کردن حتما به «خط دید مستقیم» نیازی نداره.

سوال: UWB چقدر قدمت داره؟
جواب: این تکنولوژی از زمان پیدایش رادیو وجود داشته. اولین بار به صورت عملی توسط ارتش آمریکا استفاده شد و از اواخر دهه ۲۰۱۰ میلادی وارد محصولات مصرفی شد.

سوال: آیا UWB توی همه آیفون‌ها هست؟
جواب: بله، UWB توی همه مدل‌های آیفون، آیفون پرو و آیفون پرو مکس از زمان عرضه سری ۱۱ در سال ۲۰۱۹ به بعد وجود داره. فقط مدل‌های آیفون SE این قابلیت رو ندارن.