อัลตร้าไวด์แบนด์ ( UWB , ultra wideband , ultra-wide bandและultraband ) เป็นเทคโนโลยีวิทยุที่สามารถใช้ระดับพลังงานต่ำมากสำหรับการสื่อสารระยะสั้นที่มีแบนด์วิดท์สูงครอบคลุมสเปกตรัมวิทยุส่วนใหญ่^{[ 1 ]} UWB มีการใช้งานแบบดั้งเดิมใน การสร้างภาพเรดาร์แบบไม่ร่วมมือกันการใช้งานล่าสุดมุ่งเป้าไปที่การรวบรวมข้อมูลเซ็นเซอร์ การระบุตำแหน่งที่แม่นยำ^{[ 2 ]}และการติดตาม^{[ 3 ] [ 4 ]}การสนับสนุน UWB ปรากฏครั้งแรกในสมาร์ทโฟน ระดับไฮเอนด์ในปี 2019 สำหรับรายการโดยละเอียดของอุปกรณ์มือถือที่รองรับอั ล ตร้าไวด์แบนด์ โปรดดูที่รายการอุปกรณ์มือถือที่เปิดใช้งาน UWB

เทคโนโลยีอัลตร้าไวด์แบนด์ (Ultra-wideband) คือเทคโนโลยีสำหรับการส่งข้อมูลในช่วงความถี่กว้าง (>500  MHz ) ซึ่งช่วยให้สามารถส่งพลังงานสัญญาณจำนวนมากได้โดยไม่รบกวนการส่งสัญญาณแบบแคบ (narrowband ) และ การส่งสัญญาณคลื่นพาหะ (carrier wave)ในย่านความถี่เดียวกัน ข้อจำกัดทางกฎหมายในหลายประเทศอนุญาตให้ใช้แบนด์วิดท์วิทยุได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยให้สามารถ เชื่อมต่อ เครือข่ายส่วนบุคคล (PAN) แบบไร้สายที่มีอัตราการส่งข้อมูลสูง ใช้งานแอปพลิเคชันที่มีอัตราการส่งข้อมูลต่ำในระยะไกล และทำให้ระบบเรดาร์และระบบถ่ายภาพสามารถทำงานร่วมกับระบบสื่อสารที่มีอยู่ได้อย่างราบรื่น

อัลตร้าไวด์แบนด์เคยรู้จักกันในชื่อวิทยุพัลส์แต่ปัจจุบัน FCC และ สหภาพ โทรคมนาคมระหว่างประเทศ ( ITU-R ) กำหนด UWB ว่าเป็นการส่งสัญญาณผ่านเสาอากาศซึ่งแบนด์วิดท์ของสัญญาณที่ปล่อยออกมาเกินกว่า 500 MHz หรือ 20% ของความถี่ศูนย์กลางทางคณิตศาสตร์ แล้วแต่ว่าค่าใดน้อยกว่า^{[ 5 ]}ดังนั้น ระบบแบบพัลส์—ซึ่งแต่ละพัลส์ที่ส่งจะครอบครองแบนด์วิดท์ UWB (หรือผลรวมอย่างน้อย 500 MHz ของคลื่นพาหะแบบแถบความถี่แคบ ตัวอย่างเช่นการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่เชิงตั้งฉาก (OFDM))—สามารถเข้าถึงสเปกตรัม UWB ได้ภายใต้กฎดังกล่าว

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการส่งสัญญาณวิทยุแบบดั้งเดิมและ UWB คือ ระบบแบบดั้งเดิมส่งข้อมูลโดยการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงาน ความถี่ หรือเฟส (หรือการผสมผสานของสิ่งเหล่านี้) ของคลื่นไซน์ ในขณะที่การส่งสัญญาณ UWB ส่งข้อมูลโดยการสร้างพลังงานวิทยุในช่วงเวลาที่กำหนดและใช้แบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ ทำให้สามารถปรับ การมอดูเลชั่น ตามตำแหน่งพัลส์หรือเวลาได้ นอกจากนี้ยังสามารถปรับการมอดูเลชั่นข้อมูลบนสัญญาณ UWB (พัลส์) ได้โดยการเข้ารหัสขั้วของพัลส์ แอมพลิจูด และ/หรือโดยการใช้พัลส์ตั้งฉาก พัลส์ UWB สามารถส่งได้เป็นระยะๆ ด้วยอัตราพัลส์ที่ค่อนข้างต่ำเพื่อรองรับการมอดูเลชั่นตามเวลาหรือตำแหน่ง แต่ยังสามารถส่งได้ในอัตราที่สูงถึงค่าผกผันของแบนด์วิดท์พัลส์ UWB ระบบ Pulse-UWB ได้รับการสาธิตแล้วที่อัตราพัลส์ต่อช่องสัญญาณเกิน 1.3 พันล้านพัลส์ต่อวินาทีโดยใช้กระแสพัลส์ UWB ต่อเนื่อง (Continuous Pulse UWB หรือC-UWB ) ในขณะที่รองรับอัตราข้อมูลที่เข้ารหัสแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้าได้มากกว่า 675 เมกะบิตต่อวินาที^{[ 6 ]}

ระบบวิทยุ UWB สามารถใช้เพื่อกำหนด "เวลาในการเดินทาง" ของการส่งสัญญาณที่ความถี่ต่างๆ ซึ่งช่วยเอาชนะการแพร่กระจายแบบหลายเส้นทางเนื่องจากความถี่บางส่วนมี เส้นทาง ที่มองเห็นได้โดยตรงในขณะที่เส้นทางอ้อมอื่นๆ มีความล่าช้ามากกว่า ด้วยเทคนิคการวัดแบบสองทางสมมาตรแบบร่วมมือกัน ระยะทางสามารถวัดได้ด้วยความละเอียดและความแม่นยำสูง^{[ 7 ]}

UWB มีประโยชน์สำหรับระบบระบุตำแหน่งแบบเรียลไทม์และความสามารถในการระบุตำแหน่งที่แม่นยำและการใช้พลังงานต่ำทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่ไวต่อคลื่นความถี่วิทยุ เช่น โรงพยาบาล นอกจากนี้ UWB ยังมีประโยชน์สำหรับการวัดระยะทางอย่างละเอียดแบบ peer-to-peer ซึ่งช่วยให้สามารถใช้งานในแอปพลิเคชันต่างๆ มากมายโดยอาศัยระยะทางสัมพัทธ์ระหว่างสองวัตถุ

UWB ใช้เทคนิคหลายอย่างในการตรวจจับตำแหน่ง: ^{[ 8 ]}

• เวลาในการเดินทาง (Time of flight หรือ ToF)
• ความแตกต่างของเวลาในการมาถึง (TDoA)
• การวัดระยะแบบสองทาง (TWR)
• ความแตกต่างของเฟสการมาถึง (PDoA)

ในขณะที่ ToF และ TWR เน้นการวัดระยะทางPDoAช่วยให้ระบบสามารถประมาณมุมตกกระทบ (AoA) โดยการคำนวณการเปลี่ยนแปลงเฟสของคลื่นพาหะในเสาอากาศหลายตัว เมื่อรวมกับข้อมูลการวัดระยะทางแล้ว จะช่วยให้สามารถระบุตำแหน่ง 2 มิติหรือ 3 มิติได้อย่างแม่นยำโดยใช้จุดอ้างอิงเพียงจุดเดียว ซึ่งเป็นรากฐานทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับแอปพลิเคชัน "ติดตามฉัน" บนมือถือ และโซลูชันการติดตามที่ไม่ต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานมากนัก

Apple เปิดตัวโทรศัพท์สามรุ่นแรกที่มีความสามารถอัลตร้าไวด์แบนด์ในเดือนกันยายน 2019 ได้แก่iPhone 11 , iPhone 11 Proและ iPhone 11 Pro Max ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Apple ยังเปิดตัว Apple Watch Series 6 ในเดือนกันยายน 2020 ซึ่งมีคุณสมบัติ UWB ^{[ 12 ]}และAirTagที่มีเทคโนโลยีนี้ได้รับการเปิดเผยในงานแถลงข่าวเมื่อวันที่ 20 เมษายน 2021 ^{[ 13 ] [ 4 ]} Samsung Galaxy Note 20 Ultra, Galaxy S21+ และ Galaxy S21 Ultra ก็เริ่มรองรับ UWB เช่นกัน^{[ 14 ]}รวมถึงSamsung Galaxy SmartTag+ด้วย^{[ 15 ]} Xiaomi MIX 4ที่วางจำหน่ายในเดือนสิงหาคม 2021 รองรับ UWB และมีความสามารถในการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์AIoT บางรุ่น ^{[ 16 ]}

กลุ่มFiRa Consortiumก่อตั้งขึ้นในเดือนสิงหาคม 2019 เพื่อพัฒนาระบบนิเวศ UWB ที่สามารถทำงานร่วมกันได้ รวมถึงโทรศัพท์มือถือ ปัจจุบัน Samsung, Xiaomi และ Oppo เป็นสมาชิกของกลุ่ม FiRa Consortium ^{[ 17 ]}ในเดือนพฤศจิกายน 2020 โครงการ Android Open Sourceได้รับแพตช์แรกที่เกี่ยวข้องกับ API UWB ที่กำลังจะมาถึง การสนับสนุน UWB ที่ "สมบูรณ์" (เฉพาะกรณีการใช้งานเดียวคือการวัดระยะทางระหว่างอุปกรณ์ที่รองรับ) ได้รับการเผยแพร่ใน Android เวอร์ชัน 13 ^{[ 18 ]}

UWB ถูกนำมาใช้มากขึ้นใน ระบบ ติดตามอัตโนมัติและระบบติดตามฉันสำหรับหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ (AMR) และยานพาหนะอัจฉริยะ ด้วยการผสานรวมการวัดระยะที่มีความแม่นยำสูงเข้ากับการประมาณค่า AoA/PDoA แพลตฟอร์มเคลื่อนที่สามารถติดตามและติดตามแท็กเป้าหมายได้โดยอัตโนมัติแบบเรียลไทม์ วิธีการนี้ให้ความน่าเชื่อถือที่เหนือกว่าในสภาพแวดล้อมภายในอาคารที่ซับซ้อน ซึ่งการติดตามด้วยภาพอาจถูกกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของแสง การบดบัง หรือคุณลักษณะเป้าหมายที่เหมือนกัน^{[ 19 ]}

อัลตร้าไวด์แบนด์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในการนำไปใช้ใน เทคโนโลยี เรดาร์สังเคราะห์รูรับแสง (SAR)เนื่องจากความสามารถในการให้ความละเอียดสูงโดยใช้ความถี่ต่ำ UWB SAR จึงได้รับการวิจัยอย่างมากในด้านความสามารถในการทะลุทะลวงวัตถุ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1990 ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบกสหรัฐฯ (ARL)ได้พัฒนาแพลตฟอร์มเรดาร์แบบอยู่กับที่และแบบเคลื่อนที่ต่างๆ ที่สามารถทะลุทะลวงพื้นดิน ใบไม้ และกำแพง เพื่อตรวจจับและระบุ IED ที่ฝังอยู่ใต้ดินและศัตรูที่ซ่อนตัวอยู่ในระยะที่ปลอดภัย ตัวอย่างเช่นrailSAR , boomSAR , เรดาร์ SIREและเรดาร์SAFIRE ^{[ 23 ] [ 24 ]} ARL ยังได้ตรวจสอบความเป็นไปได้ว่าเทคโนโลยีเรดาร์ UWB สามารถรวมการประมวลผลแบบดอปเปลอร์เพื่อประมาณความเร็วของเป้าหมายที่เคลื่อนที่เมื่อแพลตฟอร์มอยู่กับที่ได้หรือไม่^{[ 25 ]}แม้ว่ารายงานในปี 2013 จะเน้นย้ำถึงปัญหาในการใช้รูปคลื่น UWB เนื่องจากการเคลื่อนตัวของช่วงเป้าหมายระหว่างช่วงเวลาการรวม แต่การศึกษาล่าสุดได้แนะนำว่ารูปคลื่น UWB สามารถแสดงประสิทธิภาพที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับการประมวลผล Doppler แบบดั้งเดิม ตราบใดที่ใช้ตัวกรองที่ตรงกัน อย่างถูกต้อง ^{[ 26 ]}

เรดาร์แบบพัลส์ดอปเปลอร์อัลตร้าไวด์แบนด์ยังถูกนำมาใช้ในการตรวจสอบสัญญาณชีพของร่างกายมนุษย์ เช่น อัตราการเต้นของหัวใจและสัญญาณการหายใจ รวมถึงการวิเคราะห์การเดินของมนุษย์และการตรวจจับการล้ม ถือเป็นทางเลือกที่มีศักยภาพแทนระบบเรดาร์แบบคลื่นต่อเนื่องเนื่องจากมีการใช้พลังงานน้อยกว่าและมีความละเอียดสูง อย่างไรก็ตาม อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนต่ำทำให้มีความเสี่ยงต่อข้อผิดพลาด^{[ 27 ] [ 28 ]}

อัลตร้าไวด์แบนด์ยังใช้ในเทคโนโลยีเรดาร์ถ่ายภาพความแม่นยำสูงแบบ "มองทะลุกำแพง" ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}การระบุตำแหน่งและการติดตามที่แม่นยำ (โดยใช้การวัดระยะทางระหว่างวิทยุ) และวิธีการระบุตำแหน่งที่แม่นยำตามเวลาที่มาถึง^{[ 32 ]}เรดาร์ UWB ได้รับการเสนอให้เป็นส่วนประกอบเซ็นเซอร์แบบแอคทีฟใน แอปพลิเคชัน การจดจำเป้าหมายอัตโนมัติซึ่งออกแบบมาเพื่อตรวจจับมนุษย์หรือวัตถุที่ตกลงบนรางรถไฟใต้ดิน^{[ 33 ]}

คุณลักษณะอัลตร้าไวด์แบนด์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานระยะสั้น เช่นอุปกรณ์ต่อพ่วงพีซีจอภาพไร้สาย กล้องวิดีโอการพิมพ์ไร้สายและการถ่ายโอนไฟล์ไปยังเครื่องเล่นสื่อพกพา [ ^{34 ] UWB}ได้รับการเสนอให้ใช้ในเครือข่ายพื้นที่ส่วนบุคคลและปรากฏในร่างมาตรฐาน PAN ของ IEEE 802.15.3a อย่างไรก็ตาม หลังจากติดขัดมาหลายปี กลุ่มงาน IEEE 802.15.3a ^{[ 35 ]}ก็ถูกยุบ^{[ 36 ]}ในปี 2549 งานนี้เสร็จสมบูรณ์โดย WiMedia Alliance และ USB Implementer Forum ความคืบหน้าที่ช้าในการพัฒนามาตรฐาน UWB ต้นทุนในการใช้งานเริ่มต้น และประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าที่คาดไว้ในตอนแรกอย่างมาก เป็นเหตุผลหลายประการสำหรับการใช้งาน UWB ในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคอย่างจำกัด (ซึ่งทำให้ผู้จำหน่าย UWB หลายรายต้องยุติการดำเนินงานในปี 2551 และ 2552) ^{[ 37 ]}

ความสามารถในการกำหนดตำแหน่งและการวัดระยะที่แม่นยำของ UWB ช่วยให้สามารถหลีกเลี่ยงการชนและมีความแม่นยำในการระบุตำแหน่งระดับเซนติเมตร ซึ่งเหนือกว่าระบบ GPS แบบดั้งเดิม ยิ่งไปกว่านั้น อัตราการส่งข้อมูลสูงและความหน่วงต่ำยังช่วยให้การสื่อสารระหว่างยานพาหนะเป็นไปอย่างราบรื่น ส่งเสริมการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบเรียลไทม์และการดำเนินการที่ประสานงานกัน UWB ยังช่วยให้การสื่อสารระหว่างยานพาหนะกับโครงสร้างพื้นฐานมีประสิทธิภาพ โดยบูรณาการกับองค์ประกอบโครงสร้างพื้นฐานเพื่อพฤติกรรมที่เหมาะสมที่สุดโดยอาศัยเวลาที่แม่นยำและข้อมูลที่ซิงโครไนซ์ นอกจากนี้ ความหลากหลายของ UWB ยังรองรับแอปพลิเคชันที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เช่น การถ่ายภาพเรดาร์ความละเอียดสูงสำหรับระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง การเข้าถึงแบบไร้กุญแจที่ปลอดภัยผ่านไบโอเมตริกหรือการจับคู่อุปกรณ์ และระบบตรวจสอบผู้โดยสาร ซึ่งอาจช่วยเพิ่มความสะดวกสบาย ความปลอดภัย และความปลอดภัยของผู้โดยสาร^{[ 38 ]}

ในสหรัฐอเมริกาอัลตร้าไวด์แบนด์หมายถึงเทคโนโลยีวิทยุที่มีแบนด์วิดท์เกินกว่า 500 MHz หรือ 20% ของความถี่ศูนย์กลางทาง คณิตศาสตร์ แล้วแต่ว่าค่าใดน้อยกว่า ตามที่คณะกรรมการการสื่อสารแห่ง สหรัฐอเมริกา (FCC) กำหนด รายงานและคำสั่งของ FCC เมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ 2545 ^{[ 55 ]}อนุญาตให้ใช้ UWB โดยไม่ต้องมีใบอนุญาตในช่วงความถี่ตั้งแต่ 3.1 ถึง 10.6  GHz ขีดจำกัดการปล่อยคลื่น ความหนาแน่นสเปกตรัมกำลัง (PSD) ของ FCC สำหรับเครื่องส่งสัญญาณ UWB คือ −41.3 dBm/MHz ขีดจำกัดนี้ยังใช้กับตัวปล่อยคลื่นที่ไม่ตั้งใจในย่านความถี่ UWB ( ขีดจำกัด "ส่วนที่ 15" ) อย่างไรก็ตาม ขีดจำกัดการปล่อยคลื่นสำหรับตัวปล่อยคลื่น UWB อาจต่ำกว่ามาก (ต่ำสุดที่ −75 dBm/MHz) ในส่วนอื่นๆ ของสเปกตรัม

การพิจารณาใน ภาควิทยุสื่อสาร ของสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ ( ITU-R ) ส่งผลให้มีรายงานและข้อเสนอแนะเกี่ยวกับ UWB ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2548 หน่วยงานกำกับดูแลของสหราชอาณาจักรOfcomประกาศการตัดสินใจที่คล้ายกัน^{[ 56 ]}เมื่อวันที่ 9 สิงหาคม พ.ศ. 2550

มีความกังวลเกี่ยวกับการรบกวนระหว่างสัญญาณแคบแบนด์และ UWB ที่ใช้สเปกตรัมเดียวกัน ก่อนหน้านี้ เทคโนโลยีวิทยุเพียงอย่างเดียวที่ใช้พัลส์คือเครื่องส่งสัญญาณแบบช่องว่างประกายไฟซึ่งสนธิสัญญาระหว่างประเทศห้ามใช้เพราะรบกวนเครื่องรับคลื่นกลาง อย่างไรก็ตาม UWB ใช้พลังงานในระดับที่ต่ำกว่ามาก หัวข้อนี้ได้รับการกล่าวถึงอย่างกว้างขวางในกระบวนการที่นำไปสู่การนำกฎ FCC มาใช้ในสหรัฐอเมริกา และในการประชุมของ ITU-R ที่นำไปสู่รายงานและข้อเสนอแนะเกี่ยวกับเทคโนโลยี UWB เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้กันทั่วไปปล่อยเสียงรบกวนแบบพัลส์ (ตัวอย่างเช่น เครื่องเป่าผม) และผู้สนับสนุนได้โต้แย้งอย่างประสบความสำเร็จว่าระดับเสียงรบกวนจะไม่เพิ่มขึ้นมากเกินไปจากการใช้งานเครื่องส่งสัญญาณบรอดแบนด์กำลังต่ำในวงกว้าง^{[ 57 ]}

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2545 คณะกรรมการการสื่อสารแห่งสหรัฐอเมริกา (FCC) ได้ออกการแก้ไขเพิ่มเติม (ส่วนที่ 15) ซึ่งระบุถึงกฎเกณฑ์ของการส่งและรับ UWB ตามการประกาศนี้ สัญญาณใดๆ ที่มีแบนด์วิดท์เศษส่วนมากกว่า 20% หรือมีแบนด์วิดท์มากกว่า 500 MHz จะถือว่าเป็นสัญญาณ UWB กฎของ FCC ยังกำหนดการเข้าถึงสเปกตรัมที่ไม่ต้องขออนุญาต 7.5 GHz ระหว่าง 3.1 และ 10.6 GHz ซึ่งมีไว้สำหรับระบบการสื่อสารและการวัด^{[ 58 ]}

สัญญาณแถบความถี่แคบที่มีอยู่ในช่วง UWB เช่น การส่งสัญญาณ IEEE 802.11aอาจแสดง ระดับ PSD สูง เมื่อเทียบกับสัญญาณ UWB ที่รับสัญญาณ UWB ส่งผลให้คาดว่าจะเกิดการลดประสิทธิภาพของอัตราข้อผิดพลาดบิต UWB ^{[ 59 ]}

• IEEE 802.15.4a ประกอบด้วย เลเยอร์ทางกายภาพ C-UWBสามารถรับได้จาก[1]
• มาตรฐาน ECMA-368 High Rate Ultra Wideband PHY และ MAC
• อินเทอร์เฟซ MAC-PHY มาตรฐาน ECMA-369 สำหรับ ECMA-368
• มาตรฐาน ISO/IEC 26907:2009
• มาตรฐาน ISO/IEC 26908:2009
• ข้อแนะนำ ITU-R – ชุด SMดู: ข้อแนะนำ ITU R SM.1757 ผลกระทบของอุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยีอัลตร้าไวด์แบนด์ต่อระบบที่ทำงานภายในบริการวิทยุสื่อสาร
• FCC (GPO) หัวข้อ 47 มาตรา 15 แห่งประมวลกฎหมายรัฐบาลกลาง เก็บถาวรเมื่อ 2011-06-05 ที่Wayback Machineส่วนย่อย F: อัลตร้าไวด์แบนด์
• การใช้เทคนิค MIMO สำหรับ UWB
• ลิงก์และแหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์มากมายเกี่ยวกับระบบทดสอบอัลตร้าไวด์แบนด์และ UWB – กลุ่ม WCSP – มหาวิทยาลัยเซาท์ฟลอริดา (USF)
• ห้องปฏิบัติการวิทยุอัลตร้าไวด์แบนด์แห่งมหาวิทยาลัยเซาท์เทิร์นแคลิฟอร์เนีย