UWB (Ultra-Wideband)
UWB ist ein Nahfunk für kurze Distanzen, der die Position auf wenige Zentimeter genau misst.
Zwei UWB-Geräte. UWB dient nicht dem Datenfunk, sondern misst Entfernung und Position, und zwar sehr genau über die Laufzeit des Funksignals.
In 30 Sekunden
UWB (Ultra-Wideband, also Ultra-Breitband) ist eine Funktechnik, die nicht zum Daten-Verschicken gedacht ist, sondern zum sehr genauen Messen von Entfernungen. Der Trick: UWB sendet extrem kurze Funk-Pulse, jeder nur Bruchteile einer Milliardstel Sekunde lang. Funk breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Aus der Laufzeit eines solchen Pulses berechnet ein Gerät deshalb die Distanz zum anderen Gerät, auf rund 10 Zentimeter genau. Damit das so präzise geht, braucht UWB einen sehr breiten Funkkanal (mindestens 500 Megahertz breit). Vereinfacht gilt: je breiter der Kanal, desto kürzer und schärfer der Puls und desto genauer die Zeitmessung. Die Reichweite ist mit etwa 10 bis 50 Metern kurz, dafür ist UWB stromsparend und sehr fälschungssicher. Du steckst es heute im Apple U1-Chip (Apples UWB-Baustein, drin in jedem iPhone seit dem iPhone 11), in vielen Android-Handys wie Samsung Galaxy oder Google Pixel, im AirTag und im digitalen Autoschlüssel.
Stell dir vor, du willst wissen, wie weit ein Berghang von dir weg ist. Du rufst kurz und scharf „Hallo" und startest im selben Moment deine Stoppuhr. Das Echo kommt zurück, du stoppst. Weil du weisst, wie schnell Schall ist, rechnest du aus der gemessenen Zeit die Entfernung aus. Je kürzer und schärfer dein Ruf, desto genauer erwischst du den Moment des Echos. Genau so arbeitet UWB, nur mit Funk statt Schall und mit unvorstellbar kurzen Pulsen. Ein Unterschied: Gerät B ist kein passiver Berg, sondern ruft selbst zurück. Gerät A schickt einen ultrakurzen Funk-Puls, Gerät B antwortet mit einem eigenen Puls. Gerät A misst die Zeit für Hin und Zurück und rechnet über die Lichtgeschwindigkeit die Distanz aus. Dieses Frage-Antwort-Spiel heisst Two-Way Ranging, kurz TWR, auf Deutsch Zwei-Wege-Messung. Und jetzt der Clou: Ein einzelner Ruf sagt dir nur die Entfernung, nicht die Richtung. Stell dir aber drei feste Rufer an den Wänden eines Raums vor, jeder kennt seinen Abstand zu deinem Schlüsselanhänger mit AirTag. Wo sich diese drei Abstands-Kreise schneiden, dort steckt der Anhänger. Diese festen Rufer heissen Anker, das Suchen des Schnittpunkts heisst Trilateration. So wird aus reinem Entfernungs-Messen eine exakte Position.
Wo trifft man UWB (Ultra-Wideband) an?
Digitale Autoschlüssel
Dein Handy oder deine Uhr wird zum Autoschlüssel, etwa bei BMW. UWB misst genau, ob du wirklich direkt am Auto stehst, bevor es aufschliesst. Getragen wird das vom Car Connectivity Consortium (CCC) mit dem Standard CCC Digital Key.
Suchgeräte und Gegenstands-Ortung
Ein Apple AirTag mit dem U1-Chip lotst dich per Pfeil und Entfernungsangabe zentimetergenau zum verlorenen Schlüsselbund, statt nur grob die Richtung zu zeigen.
Ortung in Innenräumen
In Fabrikhallen, Spitälern oder Parkhäusern, wo GPS (die Satelliten-Ortung von draussen) nicht funktioniert, zeigen fest montierte UWB-Anker deine Position auf wenige Zentimeter genau an.
Präzises Asset-Tracking
Werkzeuge, Paletten oder Rollstühle bekommen einen kleinen UWB-Tag (Anhänger). So siehst du in Echtzeit und metergenau, wo im Betrieb sich jeder Gegenstand gerade befindet.
Zutritt und sicheres Freischalten
Eine Tür oder ein Laptop entriegelt erst, wenn du mit deinem UWB-Gerät nachweisbar direkt davor stehst. Weil sich die Laufzeit nicht fälschen lässt, sind Relay-Angriffe (getrickstes Verlängern des Funksignals) chancenlos.
Interaktion im Smart Home
Dein Handy erkennt per UWB, auf welches Gerät du zeigst, und öffnet zum Beispiel automatisch die Steuerung des Lautsprechers, an dem du gerade stehst.
Gut geeignet für
- Zentimetergenaue Position: Wenn du eine Entfernung oder Position auf wenige Zentimeter genau brauchst, weil UWB per Puls-Laufzeit genau dafür gebaut ist und rund 10 Zentimeter Genauigkeit schafft.
- Ortung drinnen: Wenn du orten willst, wo GPS (die Satelliten-Ortung) versagt, weil UWB-Anker im Gebäude die Position sauber bestimmen.
- Schutz gegen Relay-Angriffe: Wenn Sicherheit zählt, etwa beim Autoschlüssel, weil sich die Laufzeit eines Pulses nicht fälschen lässt.
- Lange Batterielaufzeit: Wenn ein kleiner Tag lange mit einer Knopfzelle durchhalten soll, weil UWB pro Messung nur sehr kurz funkt und dadurch stromsparend ist.
- Genaue Richtung: Wenn du die Richtung zu einem Gerät brauchst, etwa den Pfeil zum AirTag, weil UWB weit genauer ortet als eine Schätzung über die Signalstärke.
Weniger geeignet für
- Grosse Reichweiten: Für hunderte Meter oder Kilometer nicht geeignet, weil UWB nur etwa 10 bis 50 Meter schafft. Für weite Strecken passt Mobilfunk fürs IoT wie NB-IoT oder ein Weitfunk wie LoRaWAN besser.
- Grosse Datenmengen: Für das Übertragen von Musik oder Video nicht gedacht, weil UWB auf Entfernungs-Messung ausgelegt ist und keinen dicken Datenstrom liefert. Dafür ist WLAN (der schnelle Heim-Funk) oder Bluetooth die richtige Wahl.
- Nur grobe Nähe: Wenn es reicht zu wissen, ob ein Handy im Raum ist, ist UWB unnötig aufwendig. Ein Bluetooth-Beacon (ein einfacher Nahfunk-Sender) reicht hier und kostet weniger.
- Geräte ohne UWB-Chip: Wenn Geräte ohne UWB mitspielen sollen, geht es nicht, weil UWB spezielle Hardware braucht. Ohne diese funktioniert nur ein weiter verbreiteter Funk wie Bluetooth oder WLAN.
Fakten
- IEEE 802.15.4z (aus 2020), eine Erweiterung des älteren 802.15.4a
- 3,1 bis 10,6 GHz, also weit oberhalb von WLAN und Bluetooth
- mindestens 500 MHz breiter Funkkanal, daher extrem kurze Pulse und sehr genaue Zeitmessung
- im Zentimeterbereich, typisch rund 10 cm
- kurz, etwa 10 bis 50 Meter, dafür stromsparend
- Laufzeitmessung (Time of Flight): Two-Way Ranging (TWR) und Time Difference of Arrival (TDoA)
- sehr sicher gegen Relay-Angriffe, weil die Laufzeit nicht fälschbar ist; geschützt per verschlüsselter Zeitfolge (Scrambled Timestamp Sequence, STS)
- FiRa Consortium (Interoperabilität) und Car Connectivity Consortium (CCC Digital Key)
Im Detail
Two-Way Ranging: aus Zeit wird Entfernung
Der Kern von UWB ist die Laufzeitmessung, auf Englisch Time of Flight, also die Zeit, die ein Funksignal für eine Strecke braucht. Funk breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, rund 30 Zentimeter pro Milliardstel Sekunde. Wer diese winzige Zeit sauber messen kann, kennt die Distanz.
Beim Two-Way Ranging (TWR, Zwei-Wege-Messung) läuft es in drei Schritten: Erstens schickt Gerät A einen ultrakurzen Puls an Gerät B. Zweitens antwortet B mit einem eigenen Puls. Drittens misst A die gesamte Zeit für Hin und Zurück, zieht die kurze Bearbeitungszeit von B ab und teilt den Rest durch zwei. Aus dieser Zeit rechnet A über die Lichtgeschwindigkeit die Entfernung aus, auf wenige Zentimeter genau.
Damit das klappt, muss der Puls extrem kurz und scharf sein, sonst wäre der Moment des Empfangs verschwommen. Genau dafür braucht UWB seinen breiten Funkkanal von mindestens 500 Megahertz: Er macht die Pulse so kurz, dass sich der Ankunftszeitpunkt haargenau bestimmen lässt.
Von der Distanz zur Position: Anker und Trilateration
Eine einzelne Messung liefert nur eine Zahl: den Abstand zwischen zwei Geräten. Das sagt noch nicht, wo genau etwas ist, denn der Gegenstand könnte auf einem Kreis rund um dich überall liegen.
Deshalb montierst du für echte Ortung mehrere feste Geräte im Raum, sogenannte Anker (englisch anchors). Ein beweglicher Tag (Anhänger) misst seinen Abstand zu jedem Anker. Aus drei bekannten Abständen ergibt sich genau ein Schnittpunkt, und das ist die Position. Dieses Verfahren heisst Trilateration.
Neben TWR gibt es dafür eine zweite Methode, die Time Difference of Arrival (TDoA, Ankunftszeit-Differenz). Hier sendet der Tag nur kurze Signale, und die fest verbundenen Anker vergleichen, bei wem das Signal wann eintrifft. Aus den winzigen Zeitunterschieden berechnet ein Server die Position. Das ist stromsparend für den Tag und eignet sich, wenn sehr viele Tags gleichzeitig geortet werden.
Warum UWB so fälschungssicher ist
Ältere schlüssellose Systeme im Auto schätzen die Nähe über die Signalstärke. Genau das nutzen Diebe mit einem Relay-Angriff aus: Sie fangen das schwache Funksignal des Schlüssels im Haus ein, verstärken es und leiten es zum Auto weiter. Das Auto denkt, der Schlüssel sei direkt daneben, und öffnet.
UWB kontert das, weil es nicht die Stärke, sondern die Laufzeit misst. Und Zeit lässt sich kaum fälschen: Ein weitergeleitetes Signal braucht zwangsläufig länger und verrät damit die grössere Entfernung. Zusätzlich schützt der Standard die Messung mit einer verschlüsselten, zufälligen Zeitfolge, dem Scrambled Timestamp Sequence (STS), damit ein Angreifer die Pulse nicht nachbauen kann.
Deshalb setzt das Car Connectivity Consortium für den CCC Digital Key auf UWB. Das FiRa Consortium sorgt parallel dafür, dass UWB-Geräte verschiedener Hersteller sauber zusammenarbeiten, ähnlich wie ein Gütesiegel für Interoperabilität.
Abgrenzung: genauer als Bluetooth, aber kein Datenfunk
Bluetooth und WLAN können zwar auch grob orten, meist über die empfangene Signalstärke (fachlich RSSI). Das ist ungenau, oft nur auf mehrere Meter, weil Wände und Möbel das Signal dämpfen und die Schätzung verfälschen. UWB ist mit rund 10 Zentimetern um Grössenordnungen präziser, weil es die harte physikalische Grösse Zeit misst.
Der Preis dafür ist eine kürzere Reichweite und dass UWB kein Werkzeug ist, um grosse Datenmengen zu übertragen. UWB ist der Spezialist fürs genaue Messen und Orten, nicht der Alltags-Funk für Musik oder Datei-Übertragung. In der Praxis arbeiten die Techniken oft zusammen: Bluetooth weckt und findet die Geräte, und UWB übernimmt dann die präzise Entfernungs- und Positionsmessung.