Cosa significa ultra wideband e perché lo useremo sempre di più

Cosa vuol dire ultra wideband (UWB), e perché si incontra sempre più di frequente negli articoli dei siti di tecnologia come il nostro? Spesso ne parliamo a proposito di AirTag e dei loro usi, anche inquietanti, dei pochi smartphone che ne sono dotati, di auto che dovrebbero utilizzarlo per l'apertura delle portiere, assumendone l'esistenza alla stregua di un concetto ontologico. 

In poche parole, ultra wideband è un protocollo di comunicazione wireless a corto raggio, proprio come i più noti Bluetooth e Wi-Fi, che opera attraverso le onde radio. A differenza delle sue controparti però, è caratterizzato da un ampio spettro di frequenze, il che gli permette di acquisire dati spaziali e direzionali altamente accurati. E fin qui possiamo avere una vaga idea di cosa stiamo parlando. Ma qual è il collegamento con un iPhone 13 o con una Volkswagen ID.4? Questo articolo vuole essere un approfondimento sulla tecnologia, spiegarne il significato, descriverne le applicazioni attuali e gettare uno sguardo, per quanto possibile, al futuro. 

Cenni storici

I primi contributi allo sviluppo di un campo dell'UWB sono iniziati alla fine degli anni '60 da parte di diversi scienziati, negli Stati Uniti e in Unione Sovietica. Tra gli anni '70 e '80 sono apparsi i primi brevetti, sia per quanto riguarda applicazioni mediche (oscilloscopi) che per le telecomunicazioni (Gerald F. Ross del 17 aprile 1973), ma è negli anni 90 che è stato fatto il vero salto di qualità. Nel 1994 è infatti arrivato il primo UWB operante a bassissima potenza, compatto ed economico, il MIR (Micropower Impulse Radar, McEwan). Il dispositivo era un "microradar throat microfone" (foto sopra), un microfono che monitorava il movimento delle corde vocali per mezzo del radar UWB e produceva suoni. Da allora il termine ultra wideband (usato per come lo conosciamo dal 1989, prima la tecnologia era nota come radio a impulsi) è stato usato per definire applicazioni nel campo dei radar militari, della medicina e delle comunicazioni. 

Significato e implicazioni dell'ultra wideband

Ma cosa significa ultra wideband? UWB (banda ultralarga) è, come dice il nome, una tecnologia per la trasmissione di informazioni su un'ampia larghezza di banda, ma rappresenta una differenza sostanziale con le trasmissioni radio convenzionali. Mentre queste trasmettono informazioni variando il livello di potenza, la frequenza e/o la fase di un'onda sinusoidale, le trasmissioni UWB trasmettono informazioni generando energia radio a intervalli di tempo specifici e occupando un'ampia larghezza di banda, consentendo così la posizione dell'impulso o la modulazione del tempo. Per modulare l'informazione, i segnali UWB codificano la polarità dell'impulso, la sua ampiezza e/o utilizzano impulsi ortogonali.

L'approccio UWB è quindi uno spostamento dell'enfasi rispetto all'uso del prodotto (moltiplicazione) tra potenza/larghezza di banda/tempo usato per le onde radio, scambiando la brevità degli impulsi in favore di altre due variabili: larghezza di banda (che aumenta) e potenza del segnale (che diminuisce). Ed è questo il punto, ultra wideband è una strategia, una sorta di compromesso, perché un maggiore utilizzo della larghezza di banda richiede l'approvazione dell'FCC (Federal Communications Commission, l'ente statunitense per le comunicazioni) e il conseguente uso di licenze, mentre una potenza troppo bassa in pratica riduce eccessivamente la capacità di trasmissione delle informazioni.

A questo punto possiamo capire perché UWB si riferisca a tecnologie radio caratterizzate da brevissimi impulsi (da poche decine di picosecondi a qualche nanosecondo), che occupano un'ampia larghezza di banda. Secondo la FCC degli Stati Uniti, questa deve essere superiore a 500 MHz (in valore assoluto) o al 20% della frequenza centrale aritmetica (in valore relativo). Un rapporto e un ordine FCC del 14 febbraio 2002 autorizzava l'uso senza licenza di UWB nella gamma di frequenza da 3,1 a 10,6 GHz e il limite di emissione della densità spettrale di potenza per trasmettitori UWB a -41,3 dBm/MHz. Tuttavia, il limite di emissione per gli emettitori UWB può essere significativamente inferiore (fino a -75 dBm/MHz) in altri segmenti dello spettro.

Due sono i punti centrali della tecnologia, conseguenti all'ampiezza di banda:

• alta immunità alle interferenze multipath (che si verificano quando un'onda proveniente da una sorgente viaggia verso un rivelatore attraverso percorsi multipli che interferiscono in modo costruttivo o distruttivo) dovute alla riflessione dell'onda radio sugli ostacoli
• alta capacità di penetrazione attraverso i muri.

Relativamente al primo punto, un aiuto a risolvere il problema è dato dalla capacità dei sistemi radio UWB di determinare il Time of Flight, o "tempo di volo" (ToF) della trasmissione a varie frequenze. Ma non solo, una implicazione incredibilmente interessante (e rilevante, come vedremo in seguito) è la possibilità di misurare le distanze con alta risoluzione e precisione grazie a una tecnica di misurazione simmetrica cooperativa a due vie.

C'è infine un'ultima questione da considerare, soprattutto dal punto di vista storico: l'interferenza dell'ultra wideband con i segnali convenzionali a banda stretta e di onda portante nella stessa banda di frequenza. La preoccupazione era che interferisse con le onde medie come i trasmettitori a spinterometro (sempre a impulsi), vietati dai trattati internazionali. Il punto qui è la potenza in gioco. Anche apparecchi elettrici di uso comune come gli asciugacapelli generano rumore a impulsi, quindi un uso maggiore di trasmettitori a impulsi a banda larga e bassa potenza non avrebbe causato un aumento del rumore di fondo. 

Ora che abbiamo capito cosa sia e come funziona l'ultra wideband possiamo entrare più nel dettaglio delle tecnologie che la sfruttano. Come abbiamo detto in apertura, le caratteristiche della tecnologia UWB sono adatte per trasferire molti dati a corto raggio, come periferiche per PC, monitor wireless, videocamere, stampa wireless e trasferimento di file a lettori multimediali portatili.

Un trasmettitore UWB invia miliardi di impulsi ad alta frequenza, impulsi che vengono raccolti da un ricevitore e tradotti in dati, e come abbiamo visto l'alta frequenza permette un'estrema precisione in tempo reale. Grazie all'analisi del ToF, si possono quindi ottenere distanze molto accurate. Il problema è la potenza, che limita il raggio.

UWB è stato proposto per l'uso nelle reti di area personale ed è apparso nella bozza dello standard PAN IEEE 802.15.3a. Tuttavia, dopo diversi anni di stallo, il gruppo di lavoro IEEE 802.15.3a è stato sciolto nel 2006. Il lavoro è stato completato da WiMedia Alliance e USB Implementer Forum e ora si basa sullo standard IEEE 802.15.4a, che ha aggiunto un sistema di antenne distribuite di tipo MIMO (multiple-input e multiple-output) e abilita le reti a corto raggio. Ora un ricevitore UWB può determinare la posizione relativa di dispositivi fino a 200 metri (in campo libero), secondo il consorzio FiRa. Lo stesso consorzio sta aggiungendo un'estensione di sicurezza, specificata nello standard IEEE 802.15.4z, per renderla una "tecnologia sicura e di precisione".

A livello applicativo, come abbiamo visto sono due i dispositivi UWB, trasmettitore e ricevitore. Il dispositivo trasmettitore fornisce una posizione precisa relativa al trasmettitore, e le applicazioni spaziano dai telecomandi, alle chiavi dell'auto, agli oggetti da trovare, ma anche al trasferimento di dati.

UWB è una tecnologia di comunicazione a corto raggio, proprio come Bluetooth e Wi-Fi, ma in cosa si differenzia? La tecnologia UWB consente prestazioni di gran lunga superiori grazie a precise caratteristiche:

• maggiore penetrazione degli ostacoli: soffre molto meno del Bluetooth la presenza di pareti oppure ostacoli, caratteristica che lo rende particolarmente adatto ed essere usato all'interno di luoghi chiusi come abitazioni, uffici o dispersivi come i centri commerciali
• maggiore portata: un dispositivo Bluetooth ha una portata massima di circa 10 metri, mentre UWB arriva a 70 metri (fino a 200 in campo aperto)
• più informazioni in poco tempo: contando su una larghezza di banda di molto superiore, rispetto al Bluetooth può trasportare grandissime quantità di informazioni nello stesso tempo. Si pensi inoltre che la velocità di trasmissione di UWB è vicina al Gigabit.
• precisione e capacità di posizionamento: grazie all'analisi del ToF, può misurare la distanza tra i due oggetti in comunicazione con uno scarto misurabile in centimetri se non in millimetri.
• ridotta quantità di energia: UWB impiega energie nell'ordine del milliwatt
• sicurezza: grazie alla porzione aggiuntiva del livello fisico (PHY), utilizzata per inviare e ricevere pacchetti di dati, specificata nello standard IEEE 802.15.4z, è possibile sfruttare un'estensione di sicurezza critica non disponibile in altre tecnologie, consentendo tecniche di sicurezza come la crittografia e la generazione di numeri casuali che dissuadono gli aggressori dall'accesso alle comunicazioni UWB. La sicurezza della tecnologia UWB è quindi almeno pari dell'NFC, ma con maggiore distanza operativa. Inoltre la bassa potenza rappresenta un'intrinseca sicurezza, in quanto il segnale si confonde con altri emissioni elettromagnetiche (rendendolo molto difficile da intercettare). A questo proposito, la tecnologia UWB può essere usata per contrastare gli attacchi relay o man-in-the-middle, in cui i malintenzionati monitorano un'area come un parcheggio nel tentativo di intercettare e quindi memorizzare i messaggi di autenticazione tra due dispositivi, come un portachiavi e un auto. Il segnale del dispositivo UWB ignorerebbe tutti gli altri dispositivi in ​​un'area.
• nessuna interferenza: opera lontano da bande congestionate raggruppate intorno a 2,4 GHz e può coesistere con altre popolari tecnologie wireless come Wi-Fi, Bluetooth e Near Field Communication (NFC).

A questo punto appare chiaro che le applicazioni sono praticamente infinite. UWB può essere utilizzato per sbloccare un'auto come un portachiavi, per consentire l'ingresso a un'area sicura all'interno di un edificio o per consentire l'accesso a un conto bancario tramite un bancomat. Il consorzio FiRa ritiene che UWB trasformerà le esperienze di connettività con l'IoT e le industrie automobilistiche, ma anche industria 4.0 e sanità.

Apple è stata una delle prime aziende a introdurre la tecnologia UWB nei propri dispositivi. La casa di Cupertino ha annunciato il proprio chip UWB, chiamato U1, in contemporanea con i nuovi iPhone 11 (che infatti ne sono provvisti) il 10 settembre 2019. Il chip utilizza (come tutti praticamente) lo standard HRP e opera nella banda di frequenza 6–8.5 GHz. Successivamente, nell'aprile 2021, Apple ha lanciato i discussi AirTag, sempre dotati dello stesso chip, per sfruttare le incredibili potenzialità di localizzazione della tecnologia. Andiamo a scoprire i prodotti e i casi d'uso.

iPhone

Inserito negli iPhone a partire dalla serie 11, il chip UWB permette, come abbiamo, visto una localizzazione tra dispositivi in un determinato raggio spaziale molto più precisa di quella possibile con il Bluetooth. Le applicazioni sono:

• miglioramento di AirDrop, che permette il trasferimento di file tra iPhone in maniera velocissima e accurata, con suggerimenti direzionali e in modo più sicuro
• miglioramento di Dov'è, che consente di sapere precisamente dove si trova lo smartphone, creando una rete anche con gli altri dispositivi della mela che ne sono dotati
• apertura auto. Come abbiamo visto, il sistema keyless per apertura delle auto e avviamento del motore è poco sicuro, ma i chip UWB permettono una maggiore protezione. Dal 2020 alcuni modelli BMW sono compatibili con Apple CarKey, che sfrutta questa tecnologia per l'apertura dei veicoli, ma anche Hyundai con il marchio Genesis è in trattative.

AirTag

Gli AirTag, dischetti che è possibile applicare a chiavi e ogni altro oggetto che non vorremmo perdere, sono l'applicazione più nota della tecnologia UWB. Introdotti nel 2021, interagiscono con l'app Dov'è per il tracciamento di precisione. Non essendo dotati di GPS, la loro localizzazione è possibile solo in riferimento ai dispositivi a cui si collega, ma è di estrema precisione. Nel tempo sono stati segnalati utilizzi indesiderati (stalking) e Apple ha introdotto una serie di misure, come l'avviso in caso un AirTag associato a un ID Apple sia vicino a un altro utente. 

Apple Watch

A partire da Apple Watch 6, Apple ha introdotto il chip U1 anche negli Apple Watch, per creare una rete di dispositivi che si parlano tra loro, oltre che per l'apertura delle auto.

Il futuro

Apple ha brevettato iBeacon (partito con il Bluetooth ma ora migliorato), una rete di sensori alimentati a batteria in alcuni edifici (aeroporti o centri commerciali) che possono monitorare il percorso di un pedone e dare indicazioni. Ma questo è solo l'inizio. La società potrebbe mettere in piedi un sistema di IoT orientato al comando a distanza dei vari dispositivi, una sorta di domotica ancora più evoluta (standard Matter permettendo), oltre ovviamente ad ampliare la compatibilità per l'apertura dei veicoli.

Anche Samsung è salita sul treno UWB, annunciando pochi giorni dopo Apple (17 settembre 2019) l'introduzione della tecnologia nei suoi telefoni con il chip SR100T di NXP. Questo chip utilizza sempre lo standard HRP e opera nella banda 6–9 GHz. Si è però dovuto attendere ben un anno per la prima applicazione pratica, con l'introduzione del Galaxy Note 20 Ultra, ad agosto 2020.

Come Apple, Samsung ha introdotto dei tag, i Galaxy SmartTag+, irrobustito la propria rete "Trova il mio dispositivo" e definito alcuni casi d'uso. Il più interessante sembra riguardare l'apertura delle auto con sistema keyless. Il primo veicolo compatibile con la tecnologia di Samsung è l'auto elettrica GV60 Genesis di Hyundai.

Il futuro vede sicuramente un maggiore utilizzo della tecnologia, soprattutto in campo automobilistico. Il gigante di Seul ha continuato a inserire il chip NXP UWB nei suoi top di gamma (Galaxy S22, Z Fold 3), e si parla di una serie di soluzioni come l'apertura automatica di porte delle abitazioni o dei garage, anche con partner come ASSA ABLOY.

Non bisogna poi scordarsi Google, che ha inserito il chip UWB nei suoi Pixel 6 e sta lavorando a un'API UWB pubblica che potrà essere utilizzata da app di terze parti che richiedono un posizionamento preciso. Questo ovviamente non potrà che convincere altri produttori di telefoni a introdurre il chip nei loro dispositivi e stimolare sempre più applicazioni.