UWB - Novi čut v pametnih telefonih

Apple s telefoni iPhone 11, 11 Pro in 11 Pro max ponovno orje ledino, ko uvaja tehnologijo brezžičnega komuniciranja, ki je konkurenca še nima. Čeprav ultraširokopasovne brezžične povezave niso nov izum, so si v mobilne telefoni pot utrle šele zdaj. Zanje pa smo zares izvedeli šele po lažnem preplahu o vohunjenju po uporabnikovi lokaciji.

Zaradi nemalo varnostnih incidentov in spodrsljajev na področju zasebnosti so uporabniki pametnih naprav čedalje bolj sumničavi glede varovanja osebnih podatkov. Ko je varnostni strokovnjak Brian Krebs decembra lani pokazal, da novi iPhone ugotavljajo lokacijo, četudi so vse tovrstne storitve izključene, je to povzročilo preplah. Nič nenavadnega ne bi bilo, če bi Apple (ali katerokoli drugo podjetje) malce pozabil na dobrobit uporabnikov in v želji po zaslužku želel izvedeti in prodati še kaj več o njih. V resnici pa je Krebs naletel na nujni del nove tehnologije, ki jo je Apple premierno pokazal v iPhonih 11, konkurenca pa je še ni uvedla.

Apple se je dva dni po objavi odzval z izjavo, da novi telefoni resnično ugotavljajo lokacijo tudi ob izključenih lokacijskih storitvah, a tega nikamor ne sporočajo. Prvotno pojasnilo je bilo sila skopo, češ da gre za sistemske storitve, ki jih ni mogoče izključiti. Kasneje smo izvedeli več. Poznavanje lokacije je nujno, saj je uporaba nove tehnologije ultraširokopasovnih povezav (Ultra-Wideband, UWB) ponekod prepovedana, zato mora telefon vedeti, kje se nahaja. Podrobnejše raziskovanje je pokazalo, da to drži. UWB je prepovedan v Argentini, Indoneziji in Paragvaju, v nekaterih drugih državah (npr. v Avstraliji) pa zgolj na določenih strateških lokacijah. V Sloveniji (in v EU) je uporaba UWB dovoljena. Ne glede na vohljanje po lokaciji uporabnika pa je iPhone 11, čeprav jo mora poznati zaradi UWB, ne posreduje nikamor naprej.

Frekvenčni pasovi

V ZDA je FCC za nelicencirano uporabo UWB odprl del spektra med 3,1 in 10,6 GHz, za kar je predpisana meja spektralne gostote –41,3 dBm/MHz. V Sloveniji (in večini Evrope) je za UWB namenjen del spektra med 3,1 in 4,8 GHz ter med 6,0 in 9,0 GHz pri isti spektralni gostoti.

Po svoje je uvedba UWB zanimiva. UWB je edina novost v iPhonu 11, ki je ne bi mogli označiti kot običajno nadgradnjo, pa je Apple na tiskovni konferenci ob izidu telefona sploh ni izpostavil. Tudi mediji ga večinoma niso posebej izpostavili, čeprav je Apple UWB v dokumentaciji in navodilih za uporabo povsem jasno opisal in so ponekod o njem poročali.

Širina pasov

UWB ni nova tehnologija. Prva jo je že pred desetletji začela uporabljati vojska za »gledanje« skozi drevesa in druge ovire. Univerza v Južni Kaliforniji je laboratorij za preiskave UWB ustanovila že leta 1996, koncept pulznega radia pa je še bistveno starejši. Standard 802.15.4, ki ga je za UWB postavil IEEE, je star že več kot 15 let, a se do zdaj ni uveljavil.

Do domačih uporabnikov prihaja šele zdaj, čeprav sta ameriška Zvezna komisija za telekomunikacije (FCC) in Mednarodna telekomunikacijska zveza (ITU) že leta 2006 UWB definirali tudi za ta segment. FCC je uporabo UWB v potrošni elektroniki dovolil celo že leta 2002.

Po veljavni definiciji gre za način radijske komunikacije na kratkih razdaljah, kjer se uporablja širok spektralni pas. Ta mora biti širok vsaj 500 MHz ali vsaj 20 odstotkov frekvenčne vrednosti aritmetične sredine frekvence pasu. Za primerjavo: pri bluetoothu je pas širok 2 MHz, pri Wi-Fi pa 20 MHz.

Komunikacija v nasprotju z ozkopasovnimi načini pri UWB poteka pulzno. Pri običajnih načinih brezžične komunikacije se informacije prenašajo kot spreminjanje frekvence (frekvenčna modulacija), jakosti signala (amplitudna modulacija) ali faze (fazna modulacija). Pri UWB pa se uporablja časovna (imenovana tudi pulzna) modulacija, kjer se informacije kodirajo v sámo oddajanje v določenih časovnih intervalih. Spreminjajo se polariteta pulza, amplituda in usmerjenost. Nosilnega signala ne potrebujemo (zero-carrier), ker je vsa oddana moč informacija.

Kako je Apple implementiral UWB

V telefone družine iPhone 11 je Apple vgradil čip U1 TMKA75 Ultra Wideband. Trenutno U1 omogoča le komunikacijo med Applovimi napravami, a s standardizacijo pričakujemo, da se bodo na tak način pogovarjale vse pametne naprave. Čeprav čipe za UWB izdeluje več proizvajalcev, denimo NXP, je čip U1 Apple izdelal sam. Podpira najnovejše verzijo standarda 802.15.4z in za komunikacijo uporablja 500 MHz široka pasova okoli frekvenc 6,24GHz in 8,2368GHz, kar bo omogočalo določanje lokacije na 5–10 centimetrov natančno. Čip bo omogočal sodelovanje tudi z napravami, ki imajo čipe drugih proizvajalcev (NPX, Decawave ...).

Čip U1 TMKA75 Ultra Wideband v novih iPhonih 11. Slika: Techinsights.com

Pulzi v UWB so zelo kratki in trajajo od 10 do 1.000 pikosekund, torej jih je v sekundi več milijard. Po obliki so signali podobni neželenim sevanjem, ki jih ustvarjajo vse domače elektronske naprave, po jakosti pa nič močnejši. Ker so pulzi tako kratki, so lahko razmazani po širokem delu spektra (več kot 500 MHz, lahko celo nekaj gigahercev), pa ne motijo redne kontinuirne ozkopasovne komunikacije po istem spektru. To v praksi pomeni, da je spektralna gostota UWB izjemno majhna (pod 100 nW/MHz). Celotna jakost oddajanja je še vedno majhna (0,5 mW), medtem ko se za Wi-Fi troši 100 mW, za bluetooth pa 1 W.

To je posledica Shannovega teorema za kapaciteto prenosnega sistema, ki je sorazmerna pasovni širini in logaritmu razmerja med signalom in šumom. Z drugimi besedami: z večanjem prenosne kapacitete potrebna oddajna moč raste eksponentno. Pri konvencionalnih ozkopasovnih sistemih smo omejeni s pasovno širino, zato je za povečevanje kapacitete nujno eksponentno povečevanje prenosne moči. UWB ima bistveno večjo pasovno širino, zato tudi za velike hitrosti prenosa podatkov ne potrebujemo velikih oddajnih moči.

Ker ni nosilnega signala, ne potrebujemo kompleksnih vezij za Fourierjevo transformacijo niti ojačevalnikov. Majhna spektralna gostota pa pomeni, da je prispevek k onesnaženju spektra minimalen; UWB ne moti ostalih komunikacij. Z majhno močjo je mogoče dosegati hitrosti tudi do 100 Mb/s (na kratke razdalje), izničiti interferenco zaradi odbijanja signala (multipath interference), ker so pulzi dovolj kratki (krajši od časa potovanja, signal v 100 pikosekundah prepotuje 3 centimetre), in hkrati zagotoviti delovanje tudi ob ovirah.

Danes se UWB že uporablja, a večinoma v poslovne in industrijske namene. Različni senzorji, avtomobilski radarji, določanje lokacije v stavbah, krmiljenje viličarjev po halah, radarji za merjenje napolnjenosti cistern, »gledanje« skozi zid in v tla ter primitivne telekomunikacije so nekateri primeri obstoječe uporabe UWB. Zdaj pa je UWB prispel v najdražje pametne telefone.

UWB uporablja večjo pasovno širino, a manjše oddajne moči. Slika: Mohammed Husseini, univerza v Bejrutu

Danes AirDrop, v prihodnosti več

Apple je UWB v svoje telefone dodal, da je izboljšal delovanje sistema za prenos podatkov med Applovimi napravami AirDrop. Z UWB so namreč Applovi telefoni dobili »prostorsko zavedanje« (spatial awareness). To pomeni, da telefon ve, proti kateri in čigavi napravi ga usmerimo. Z UWB je moč določiti oddaljenost do približno 20 centimetrov, saj naprava izmeri, koliko časa potuje signal med dvema povezanima napravama. Današnji telefoni za razumevanje okolice uporabljajo bluetooth, s čimer lahko prepoznajo vse naprave v bližini, ne morejo pa vedeti, kateri bi dejansko želeli nekaj poslati. Z UWB bo iPhone vedel, da verjetno želimo komunicirati z najbližjo napravo, proti kateri smo ga obrnili.

UWB ima še vedno manjšo hitrost komunikacije kakor Wi-Fi, je pa boljši od bluetootha. Ni le hitrejši, temveč je tudi manj občutljiv na interferenco in druge motnje. Vsaj nekaj frekvenc iz širokega pasu bo namreč potovalo tudi skozi ovire, tako da se UWB v bistvu obnaša kakor radar kratkega dosega. Ker UWB odpravi nekaj težav interference, je mogoče z njim natančno določiti oddaljenost. Pri Wi-Fi in bluetoothu smo o razdalji do naprave lahko sklepali le na podlagi jakosti signala, kar seveda ni posebej natančno. UWB pa meri čas potovanja signala.

Da bi Apple v telefone dodal novi čip U1 in tehnologijo UWB zgolj za boljše delovanje AirDropa, ni precej verjetno. In res, pogled v dostopno kodo kaže, da ima Apple dolgoročnejše načrte. UWB je pripraven za iskanje izgubljenih ključev, denarnic in podobnega. Predvideva se, da Apple dejansko pripravlja nekaj podobnega (tracker tag).

Prednosti UWB in slabosti proti bluetoothu

+ večja hitrost prenosa podatkov (do 8 Mb/s)

+ hitrejša vzpostavitev povezave (100 ms)

+ natančnejša določitev lokacije (do 30 cm)

+ kriptografska zaščita komunikacije z upoštevanjem lokacije

+ večja odpornost na interferenco

– manj razširjen

– pomanjkanje standardizacije

– dražji čipi

Trenutno čipi za UWB stanejo okrog 20 dolarjev, kar je za proizvajalce pametnih telefonov preveč, da bi jih množično vgrajevali v modele nižjega ali srednjega cenovnega razreda. A ne pozabimo, da je bilo tudi z bluetoothom in Wi-Fi in začetku podobno, zdaj pa je zaradi množične proizvodnje cena bistveno nižja. Pričakovati je, da se bo z UWB zgodilo podobno. Samsung je na primer že član konzorcija FiR. Trenutno sicer obstajata kar dva konzorcija – poleg FiR še UWB Alliance. Oba imata že nekaj pomembni članov, tudi iz avtomobilskega sveta.

UWB bi lahko v prihodnosti ne le nadomestil bluetooth, ampak ga tudi razširil. Za brezžične ključe je UWB varnejši od bluetootha, ker ga je s šifriranjem mogoče narediti odpornega na posredniške napade (relay attacks). Ti ne bodo delovali, ker bo signal prišel z napačne lokacije. Integriramo ga lahko v vsako napravo, ki ima baterijo ali drug vir napajanja. Avtomobil se bo odklenil le, če bomo s ključem z UWB stali pred njim in tudi kazali proti njemu; Apple je to uporabo že patentiral. Pametna očala in pametne zapestnice bi na primer z UWB veliko pridobile, ker bi poleg zanesljive povezave s telefonom imeli v realnem času tudi podatek o razdalji in medsebojni orientaciji.

Naprave bodo lažje dobile informacijo o svojem položaju v stavbi (to tudi v praksi že obstaja: islandsko podjetje opremlja muzeje z lokacijskimi oddajniki UWB) in o drugih predmetih. Avtomobili se bodo samodejno zaklenili, ko bomo izstopili, ko bo lastnik vstopil v pisarno, se bo vključil računalnik, ko bomo vstopili v dnevno sobo, bo pametna pomočnica (Siri, Alexa …) prebrala novice za konkretno osebo, ki je vstopila. Možnosti so brezmejne, omejitve pa bo ponovno morala postaviti družba.

Apple je patentiral uporabo UWB za odklep avtomobila. Slika: Ameriški patentni urad