ومن الأمثلة المعروفة حلول الدخول بدون استخدام اليدين للسيارات والمباني، وتحديد موقع الأصول في المستودعات والمستشفيات والمصانع، ودعم الملاحة في المساحات الكبيرة مثل المطارات ومراكز التسوق.
من سمات إرسال الإشارة اللاسلكية UWB إصدار نبضات قصيرة جدًا في المجال الزمني.
في تقنية UWB للراديو النبضي (IR)، يتم أخذ هذا إلى أقصى الحدود عن طريق إرسال نبضات من النانو ثانية أو حتى البيكو ثانية. وبالتالي، في مجال التردد، فإنها تشغل نطاقًا تردديًا أوسع بكثير من تقنيات الاتصال اللاسلكية “ضيقة النطاق” مثل Wi-Fi و بلوتوث.
تعمل تقنية UWB عبر نطاق ترددي واسع (يتراوح عادةً من 6 إلى 10 جيجا هرتز) وتستخدم نطاقات ترددية للقناة تبلغ حوالي 500 ميجا هرتز أو أعلى. ولهذا السبب، فإن دقة تحديد المدى أعلى بكثير من دقة تقنيات النطاق الضيق. اليوم، يمكن لتقنية UWB توفير معلومات موقع على مستوى سم وحتى ملم بين جهاز إرسال (TX) وجهاز استقبال (RX) تفصل بينهما عادةً مسافة 10-15 مترًا.
بالإضافة إلى ذلك، فإن التحسينات التي تم إدخالها على الطبقة المادية UWB – كجزء من اعتماد تعديل IEEE 802.15.4z لمعيار IEEE للشبكات اللاسلكية منخفضة المعدل – كانت مفيدة في تمكين قدرات النطاق الآمن.
الشكل 1 – تمثيل إرسال إشارات UWB والنطاق الضيق في التردد (العلوي) والمجال الزمني (السفلي).
على مر السنين، ساهمت imec بشكل كبير في تطوير تقنية UWB والتغلب على التحديات التي أعاقت اعتمادها على نطاق واسع: تقليل استهلاك الطاقة، وتعزيز معدل البت، وزيادة دقة النطاق، مما يجعل شريحة الاستقبال أكثر مرونة ضد التداخل من التقنيات اللاسلكية الأخرى العاملة في نفس نطاق التردد [1] وتمكين تطبيقات شرائح السيليكون CMOS الفعالة من حيث التكلفة.
قام باحثو Imec بتطوير أجيال متعددة من رقائق الراديو UWB، المتوافقة مع معيار IEEE 802.15.4z للمدى والاتصال. تعمل دوائر الإرسال الخاصة بشركة Imec من خلال تقنيات شكل النبض والتعديل المبتكرة، والتي يتم تمكينها بواسطة جهاز إرسال قطبي متقدم، وحلقة قفل الطور الرقمية (PLL)، والبنى القائمة على مذبذب الحلقة – مما يوفر دقة تتراوح بمقياس ملم عند استهلاك منخفض للطاقة.
وعلى جانب جهاز الاستقبال، ساهمت ابتكارات تصميم الدوائر في تحقيق مرونة رائعة في التداخل مع تقليل استهلاك الطاقة إلى الحد الأدنى. لقد تم تصنيع الأجيال المختلفة من شرائح الإرسال والاستقبال UWB النموذجية جميعها باستخدام تقنيات معالجة متوافقة مع CMOS فعالة من حيث التكلفة وتتميز بمناطق صغيرة من السيليكون.
وبتشجيع من الأداء المتميز لتكنولوجيا UWB، ظل الخبراء يزعمون منذ بعض الوقت أن إمكانات UWB أكبر بكثير من “النطاق الدقيق والآمن”. لقد كانوا يرون فرصًا في التطبيقات الشبيهة بالرادار والتي، بدلاً من المدى، تستخدم جهازًا واحدًا يصدر نبضات UWB ويحلل الإشارات المنعكسة للكشف عن الأجسام “السلبية”.
عند دمجها مع إمكانيات النطاق الدقيق لـ UWB، يمكن أن يؤدي ذلك إلى توسيع التطبيقات لتشمل حالات استخدام السيارات مثل اكتشاف التواجد داخل المقصورة ومراقبة إيماءات الركاب وتنفسهم – بهدف زيادة سلامتهم. أو فكر في المنازل الذكية، حيث يمكن استخدام أجهزة استشعار رادار UWB لضبط بيئة الإضاءة بناءً على وجود الأشخاص. وفي دور رعاية المسنين، يمكن نشر هذه التكنولوجيا لبدء تنبيه يعتمد على اكتشاف السقوط دون الحاجة إلى مراقبة الكاميرا المتطفلة.
سيتم تسهيل تمكين حالات استخدام UWB هذه من خلال IEEE 802.15.4ab، وهو معيار الجيل التالي للتكنولوجيا اللاسلكية، والذي من المتوقع أن يتم إصداره رسميًا في أوائل عام 2026. وسيقدم 802.15.4ab تحسينات متعددة، بما في ذلك وظائف الرادار في أجهزة IR-UWB – وتحويلها إلى أجهزة قادرة على الاستشعار.
في 2025 ندوة حول تقنية VLSI والدوائر (VLSI 2025)، قدمت imec جهاز الإرسال والاستقبال UWB من الجيل الرابع، المتوافق مع خط الأساس للاستشعار الراداري كما هو محدد في الإصدارات الأولية من 802.15.4ab [2].
وتشمل الخصائص الأساسية، من بين أمور أخرى، التشكيل المعزز المدعوم بمعدلات بيانات عالية. بالإضافة إلى ذلك، تطبق تقنية استشعار الرادار UWB الخاصة بشركة imec ميزات فريدة توفر قدرات محسنة لاستشعار الرادار (مثل النطاق الممتد) ومعدل بيانات قياسي مرتفع يبلغ 124.8 ميجابايت/ثانية – مدمج في نظام على شريحة. وبما أنه متوافق أيضًا مع معيار 802.15.4z الحالي، فإن الراديو الجديد يجمع بين قدرات الاستشعار الرادارية مع الاتصالات والمدى الآمن.
الشكل 2 – صورة لنظام الراديو Gen-4 IR-UWB الخاص بشركة imec.
الميزة الفريدة لنظام استشعار الرادار IR-UWB الخاص بـ imec هي بنية 2 × 2 MIMO، مع جهازي إرسال وجهازين استقبال تم تكوينهما في وضع الازدواج الكامل. في هذا التكوين، تتحكم وحدة الطباعة على الوجهين فيما إذا كان جهاز الإرسال والاستقبال يعمل في وضع الإرسال أو الاستقبال. أيضًا، يتم إقران TXs وRXs معًا (TX1-RX1، TX1-RX2، وTX2-RX2)، متصلين بواسطة وحدة الطباعة على الوجهين. يسمح ذلك للرادار بالعمل في وقت واحد في وضع الإرسال والاستقبال دون الحاجة إلى استخدام مفاتيح التردد اللاسلكي للتبديل من وضع إلى آخر.
تسمح طريقة العمل هذه بتقليل أقرب مسافة يمكن أن يعمل الرادار خلالها – وهو مقياس يقتصر تقليديًا على الوقت اللازم للتبديل بين كلا الوضعين. يمكن لرادار Imec ثنائي الاتجاه أن يعمل في نطاق يتراوح بين 30 سم و3 أمتار – وهو إنجاز كبير. في تكوين MIMO مزدوج الاتجاه هذا، تكون المسافة الأقرب مقيدة فقط بعرض النطاق الترددي للرادار البالغ 500 ميجاهرتز.
يقوم رادار IR-UWB 2TRX بتنفيذ عنصرين هوائيين، حيث يتم مشاركة كل هوائي بين واحد TX وواحد RX. ومع ذلك، فإن تكوين 2 × 2 MIMO مزدوج الاتجاه يسمح بمصفوفة بثلاثة هوائيات افتراضيًا، مما يحسن بشكل كبير الدقة الزاوية للرادار واستهلاك المنطقة. بالمقارنة مع الرادارات الحديثة أحادية الإدخال والإخراج (SISO)، يستهلك الرادار مساحة أصغر بمقدار 1.7 مرة مع هوائيات أقل بمقدار 2.5 مرة، مما يجعله حلاً عالي الأداء وصغير الحجم وفعال من حيث التكلفة. يتم استخدام تقنيات متقدمة لعزل إرسال TX عن إشارات RX، مما يؤدي إلى عزل >30 ديسيبل عبر عرض نطاق 500 ميجاهرتز.
الشكل 3 – بنية 2TRX (كما هو معروض في VLSI 2025).
يعتمد نقل الإشارة على جهاز إرسال قطبي تناظري/رقمي هجين، مما يقدم تأثيرات الترشيح في المجال التناظري لتعديل الإشارة. وينتج عن ذلك طيف إشارة إرسال نظيف، مما يدعم الأداء الجيد والتشغيل المنخفض للطاقة لمستشعر رادار UWB.
أخيرًا، بالإضافة إلى الجزء التناظري/الترددات اللاسلكية القائم على MIMO، يتميز جهاز استشعار رادار UWB بنطاق أساسي رقمي متقدم (أو مودم)، مسؤول عن معالجة الإشارات. يستخرج هذا المكون المعلومات ذات الصلة مثل المسافة بين الرادار والجسم وتقدير زاوية الوصول.
تعتبر ميزات تقنية الرادار المستندة إلى IR-UWB MIMO جذابة بشكل خاص لحالات استخدام السيارات، حيث يمكن استخدام رادار UWB ليس فقط لاكتشاف ما إذا كان شخص ما موجودًا في السيارة (على سبيل المثال، اكتشاف وجود طفل)، ولكن أيضًا لرسم خريطة لإشغال السيارة ومراقبة العلامات الحيوية مثل التنفس. هذه الإمكانية موجودة حاليًا على خريطة الطريق للعديد من مصنعي المعدات الأصلية للسيارات وموردي المستوى الأول. لكن اليوم، لا توجد تكنولوجيا رادارية يمكنها تقديم هذه الوظيفة بالدقة المطلوبة. يتمثل التحدي بشكل خاص في تحقيق الدقة الزاوية اللازمة لاكتشاف هدفين على نفس المسافة (القصيرة) من الرادار. بالإضافة إلى ذلك، لمراقبة التنفس، يجب تمييز الحركات الصغيرة للهدف خلال فترة بضع ثوانٍ.
الشكل 4 – العرض التوضيحي لرادار IR-UWB داخل المقصورة (كما هو معروض في PIMRC 2025).
في ندوة IEEE الدولية لعام 2025 حول الاتصالات اللاسلكية الشخصية والداخلية والمتنقلة (IEEE PIMRC 2025)، قدم باحثو imec أول إثبات للمفهوم، يُظهر قدرة أحدث نظام رادار IR-UWB MIMO من imec على أداء مهمتين للاستشعار داخل المقصورة: اكتشاف الإشغال وتقدير معدل التنفس [3]. تم إجراء القياسات داخل المقصورة داخل سيارة صغيرة. تم وضع منصة UWB أمام مجموعة من عنصرين هوائيين مطورين داخليًا موضوعين في وسط سقف السيارة، بالقرب من مرآة الرؤية الخلفية. وكانت المسافة من الهوائيات إلى منتصف مقعدي السائق والراكب الأمامي 55 سم. تؤكد النتائج التجريبية تحقيق دقة عالية لتقدير زاوية الوصول ومعدل التنفس. على سبيل المثال، بالنسبة للسيناريو الذي يكون فيه كل من مقاعد الركاب والسائق مشغولين، يحقق نظام رادار UWB الخاص بشركة imec انحرافًا معياريًا أقل من 1.90 درجة و2.95 نبضة في الدقيقة، لتقديرات زاوية الوصول ومعدل التنفس، على التوالي.
الشكل 5 – إشارات التنفس المستخرجة للسائق والراكب (كما هو معروض في PIMRC 2025).
في مساهمتهم، يسلط مؤلفو IMEC الضوء على فائدة إضافية لاستخدام تقنية UWB للمراقبة داخل المقصورة: يمكن إعادة استخدام بنية TRX المستخدمة بالفعل في بعض السيارات للدخول بدون مفتاح لتطبيقات الرادار – مما يقلل التكاليف الإجمالية.
بالإضافة إلى قدرات الاستشعار الرادارية الممتازة، يقدم أحدث جهاز إرسال واستقبال IR-UWB من شركة imec ميزة أخرى تميزه عن حلول UWB الحالية: فهو يوفر معدل بيانات قياسيًا يصل إلى 124.8 ميجابايت/ثانية – وهو أعلى معدل بيانات لا يزال متوافقًا مع معيار 802.15.4ab القادم [2]. وهذا أعلى بحوالي 20 مرة من معدل البيانات البالغ 6.8 ميجابايت/ثانية المستخدم حاليًا في تطبيقات تحديد المدى والاتصالات، وينتج عن تحسين كل من الواجهة الأمامية التناظرية والنطاق الأساسي الرقمي. يأتي معدل البيانات المرتفع أيضًا مع طاقة منخفضة لكل بت – أقل بكثير مما تستهلكه شبكة Wi-Fi على سبيل المثال – خاصة في جانب الإرسال.
ستفتح هذه الميزات تطبيقات جديدة في كل من تدفق بيانات الصوت والفيديو. حالات الاستخدام المحتملة هي النظارات الذكية من الجيل التالي أو أجهزة الواقع الافتراضي/الواقع المعزز، والتي يعد عامل الشكل الصغير لـ UWB TRX ميزة إضافية لها.
يدعم معيار IEEE 802.15.4ab ميزة أخرى: النطاق المتقدم. سيؤدي ذلك إلى تعزيز ميزانية الارتباط لنقل الإشارة، مما يترجم إلى زيادة بمقدار أربعة أضعاف في مسافة النطاق – تصل إلى 100 متر في حالة وجود خط رؤية حر. ومن المتوقع أن تعمل هذه الميزة على تحسين تجربة المستخدم بشكل كبير لحلول الدخول بدون مفتاح للسيارات والمباني الذكية. فهو لا يمكنه تحسين مسافة التشغيل فحسب، بل يمكنه أيضًا التعامل بشكل أفضل مع البيئات الصعبة، مثل عندما يتم حظر الإشارة بواسطة جسم آخر (على سبيل المثال، حجب الجسم).
يؤدي إدخال جهاز إرسال واستقبال جديد ضيق النطاق (NB) إلى فتح إمكانية النطاق المتقدمة هذه كميزة جديدة في الجيل الخامس من تكنولوجيا UWB الخاص بشركة imec. تتيح بنية جهاز الإرسال والاستقبال هذه تشغيل UWB بمساعدة NB مما يزيد من نطاق التشغيل العملي لـ UWB بما يصل إلى أربعة مقارنة بالأجيال السابقة.
في العقدين الماضيين، أثبتت تقنية UWB المتوافقة مع IEEE 802.15.4z قدرتها على دعم عمليات نشر النطاق الآمن والتعريب في السوق الشامل، مما يتيح حالات الاستخدام عبر أسواق السيارات والصناعة الذكية والمنزل الذكي والمباني الذكية. وبدعم من معيار IEEE 802.15.4ab القادم، يمكن الآن أيضًا تجهيز أجهزة UWB الناشئة بوظيفة الرادار.
يعد الجيل الرابع من تقنية IR-UWB من شركة Imec أول جهاز استشعار رادار متوافق مع 802.15.4ab (تم الإعلان عنه علنًا)، مما يُظهر قدرات استشعار رادارية ممتازة – مناسب لحالات الاستخدام في السيارات وكذلك في المنزل الذكي. ويُظهر معدل البيانات المرتفع أيضًا قدرة UWB على الاستفادة من أسواق جديدة: تدفق البيانات منخفض الطاقة للنظارات الذكية أو أجهزة AR/VR.
إن بنية جهاز الإرسال والاستقبال NB التي تم تقديمها في الجيل الخامس لا تفتح إمكانيات النطاق المتقدمة فحسب، بل تم تصميمها أيضًا مع وضع قابلية التوسعة في الاعتبار. في حين أن دورها الأساسي هو UWB بمساعدة NB بموجب IEEE 802.15.4ab، إلا أنها تضع الأساس لدعم المعايير الناشئة مثل Bluetooth Higher Bands [4]مما يمهد الطريق لحلول لاسلكية موحدة ومتعددة النطاقات ومتعددة المعايير ومنخفضة الطاقة.
يبدو المستقبل مشرقًا لتكنولوجيا UWB. ولا يقتصر الأمر على أن التطورات التكنولوجية تتبع بعضها البعض بوتيرة سريعة فحسب، بل تساعد جهود التقييس المستمرة في تشكيل تطبيقات UWB الحالية والمستقبلية.
