From augmented reality games to automatic car locks: gauging the location of devices is becoming increasingly important in modern life. Except that the precision we demand is far beyond the reach of GPS or Bluetooth. With ultra-wideband (UWB) micro-location technology from imec, the location of objects in a space can be pinpointed in minute detail. "Over the coming years, the use of this technology is set to increase dramatically," said Christian Bachmann, imec at Holst Centre’s Program Manager Ultra-Wideband and Bluetooth Secure Proximity.
Imec is a research and innovation center in nanoelectronics and digital technology. It is part of the FiRa consortium, which is committed to the development and application of user experiences with UWB technologies. Among other things, imec developed a UWB radio chip that can be mass-produced at low cost.
With the help of imec's ultra-wideband technology, the location of objects can be determined down to a detailed level. This UWB technology is an extremely accurate and energy-efficient solution for positioning. Imec has been working on the technology for more than fifteen years. Bachmann sees the excitement surrounding the technology, that seemed to be ‘out of fashion’ for a while, coming back again. "The algorithms that the technology uses are getting better and better, and the costs of implementing it into products are getting lower and lower."
From GPS/Bluetooth to ultra-wide band
At present, wireless devices are often still controlled by GPS or Bluetooth, but that's not always ideal, as Jason Hillyard, Vice President at Packetcraft, explains. “Imec and Packetcraft are currently working together to integrate Packetcraft's UWB protocol software on imec's next-generation UWB chip technology. I myself drive a Tesla and it has an automatic and wireless lock based on Bluetooth and GPS. If I'm three or four meters away, the lock already opens automatically and my daughter, who might be standing next to the car, can open the car door using the handle. Of course, that’s not always ideal. UWB is much more accurate in such a situation and consequently safer."
But UWB contains more unique features. At specific locations, such as indoors, GPS will not work, but ultra-wideband does. "For example, think about a restricted, secure, keyless entry," adds Bachmann. "That's where technology can make a big difference. Even controlling speakers and other smart devices in your living room is possible, down to a precise level." In augmented reality gaming and in robotics, where humans and robots have to work together, the technology is also making inroads. Consider the application of UWB in future robotics, applications such as safe human-robot collaboration (co-bots) or automatic navigation for smart indoor farming.
UWB technology is already being used on a large scale for a few selected applications. Apple first introduced the technology in the iPhone 11 series. Via UWB, the iPhone can accurately search for objects using the AirTag as soon as the UWB module in the iPhone is enabled.
Social distancing
The technology has also been used over the past year and a half for purposes that Bachmann and Hillyard had never foreseen. "During the corona crisis, wireless technology made a significant contribution where social distancing is concerned," says Bachmann. For example, the deployment of social distancing devices working with UWB was already tested in the Johan Cruijff Arena stadium.
The COVID buzzer from the Dutch telecom company KPN is a device that vibrates and flashes when someone comes within 1.5 meters of it. "Applications like this would never have crossed my mind before 2020," Hillyard says "Here again, you see that the accuracy of the technology is incredibly important. With GPS or Bluetooth, we would never have been able to tell whether people were keeping one or two meters away from each other."
‘We're going to be caught up in a whirlwind of accelerated development’
According to Hillyard, UWB will gather a lot of momentum in the coming years. "From a technological point of view, it will start to resemble what we witnessed with Bluetooth: excitement for the technology will be followed by an explosion of new products. We're going to be caught up in a whirlwind of accelerated development," Bachmann is also optimistic about large-scale use of UWB in the future. Although he does have one reservation: There is still plenty of room for optimization of the technology, e.g., in terms of energy efficiency. "In comparison, Bluetooth uses a few milliwatts, where UWB uses a few dozen to hundred milliwatts. There are definitely still some gains to be made there.”
Over the coming period, imec will continue its efforts at Holst Centre to develop new innovations that are key to further improving the technology. Bachmann explains: "For example, we are working on new low-power radio receivers and on new algorithms, including techniques to further enhance accuracy. This may pave the way for future applications, such as micro-drones or co-bots that use UWB."
For the time being, UWB technology remains relatively unknown to the general public. According to Hillyard, that's not necessarily a bad thing. "Lots of people just want a gadget or specific application that’s cool and works well," says Hillyard. "As long as they are experiencing the positive benefits of UWB, it doesn't matter. It's incredibly rewarding to see the technology you've worked on for so long being used in products that improve people's lives. I'm looking forward to UWB developing even further and to the market widely adopting the technology." Bachmann adds, "And so, we are definitely open to more collaborations with industrial partners.
Van augmented-realitygames tot een automatisch autoslot: het meten van de locatie van apparaten wordt steeds belangrijker in het moderne leven. De precisie die we verlangen ligt alleen ver buiten het bereik van GPS of Bluetooth. Met de ultra-wide band (UWB) micro-locationtechnologie van imec, kan de locatie van objecten in de ruimte tot in detail wordt bepaald. “Komende jaren zal het gebruik van de technologie drastisch toenemen”, zegt Christian Bachmann, Program Manager Ultra-Wideband en Bluetooth Secure Proximity bij imec at Holst Centre.
Imec is een onderzoeks- en innovatiecentrum op het gebied van nano-elektronica en digitale technologie. Het maakt deel uit van het FiRa-consortium, dat zich inzet voor de ontwikkeling en toepassing van gebruikerservaringen met UWB-technologieën. Het bedrijf ontwikkelde onder andere een UWB-radiochip die tegen lage kosten in massa geproduceerd kan worden.
De ultra-wide bandtechnologie van imec is een uiterst nauwkeurige en energiezuinige technologie voor positiebepaling. Bachmann doet met zijn team onderzoek naar UWB. Hij ziet de interesse rondom de technologie, die een tijd lang ‘uit de mode’ leek te zijn, weer terugkomen. “De algoritmes waar de technologie gebruik van maakt worden steeds beter en de kosten om het te implementeren in producten worden steeds lager."
Van GPS/Bluetooth naar ultra-wideband
Nu worden wireless apparaten vaak nog aangestuurd met GPS of Bluetooth, maar dat is niet altijd ideaal. Jason Hillyard, vicepresident bij Packetcraft, legt het uit. “Imec en Packetcraft werken momenteel samen om de UWB-software van Packetcraft te integreren en uit te voeren op de UWB-chiptechnologie van imec. Ik heb zelf een Tesla en die heeft een automatisch en draadloos slot op basis van Bluetooth en GPS. Als ik op drie of vier meter afstand ben, dan opent het slot al automatisch en kan mijn dochter, die al naast de auto staat, met de hendel de deur van de auto opendoen. Dat is natuurlijk niet de bedoeling. UWB is in zo’n situatie veel accurater en daardoor ook veiliger.”
Maar UWB bevat nog meer unieke eigenschappen. Op specifieke locaties, zoals binnenshuis, werkt GPS niet, maar ultra-wide band wel. “Denk bijvoorbeeld aan een beveiligde, sleutelloze toegang”, vult Bachmann aan. “Daar kan de technologie veel in betekenen. Ook het aansturen van speakers en andere slimme apparaten in de woonkamer is mogelijk, tot op precisieniveau.“ Andere toepassingen waarbij de techniek indoor kan worden ingezet is bij augmented-realitygaming en in de robotics, waarbij mensen en robots moeten samenwerken. Ook kan de techniek worden gebruikt voor indoor farming.
Op de markt wordt de UWB-technologie hier en daar al grootschalig toegepast. Apple introduceerde de technologie voor het eerst in de iPhone 11-serie. Door middel van UWB kan de iPhone nauwkeurig zoeken naar objecten met de AirTag, zodra de UWB-module in de iPhone ingeschakeld wordt.
Social distancing
Afgelopen anderhalf jaar werd de technologie ook voor doeleinden gebruikt die Bachmann en Hillyard nooit van tevoren voorspeld hadden. “Tijdens de coronacrisis heeft de draadloze technologie een belangrijke bijdrage geleverd op het gebied van social distancing”, zegt Bachmann. Zo werd de inzet van social distancing-apparaten die werken met UWB getest in de Johan Cruijff Arena. De COVID Buzzer van KPN is een apparaatje dat gaat trillen en knipperen als iemand binnen 1,5 meter afstand komt. “Toepassingen als deze waren voor 2020 nooit bij me opgekomen.” Hillyard voegt daaraan toe: “Hier zie je ook weer dat de nauwkeurigheid van de technologie ontzettend belangrijk is. Met GPS of Bluetooth hadden we nooit kunnen zien of mensen nou een of twee meter afstand tot elkaar bewaren.”
‘We komen in een stroomversnelling terecht’
Volgens Hillyard zal belangstelling naar UWB komende jaren nog meer toenemen. “Vanuit technologisch oogpunt zal het gaan lijken op wat we gezien hebben met Bluetooth: een explosie van producten gaat gepaard met interesse vanuit de technologische sector. We komen in een enorme stroomversnelling terecht.” Ook Bachmann is optimistisch over grootschalig gebruik van UWB in de toekomst. Hij plaatst daarbij een kanttekening: Er valt nog te een en ander te optimaliseren aan de technologie, zoals de energiezuinigheid. “Ter vergelijking, Bluetooth verbruikt een paar milliwatt, waar UWB een paar honderd milliwatt gebruikt. Daar valt zeker nog winst te behalen.”
Bij imec at Holst Centre wordt er komende tijd gewerkt aan nieuwe innovaties die van belang zijn om de technologie verder te verbeteren. Bachmann licht toe: “Zo werken we aan nieuwe radio-ontvangers met laag vermogen en aan nieuwe algoritmen, waaronder technieken om de nauwkeurigheid verder op te voeren. Dit kan toekomstige toepassingen mogelijk maken, zoals drones die UWB gebruiken.”
De UWB-techniek blijft vooralsnog voor het grote publiek relatief onbekend. Volgens Hillyard is dat niet per se negatief. “Veel mensen willen gewoon een gadget of applicatie die cool is en ze willen dat het goed werkt”, zegt Hillyard. “Maar zolang zij de positieve effecten van UWB ervaren maakt dat niets uit. Het is ontzettend mooi om te zien dat de technologie waar je zo lang aan gewerkt hebt, gebruikt wordt in producten die het leven van mensen verbeteren. Ik kijk ernaar uit dat UWB zich nog verder ontwikkelt en dat de markt de technologie veelvuldig gaat toepassen.” Bachmann voegt toe: “En we staan dan ook zeker open voor meer samenwerkingen met industriële partners.”
