【導(dǎo)讀】要知道：超寬帶技術(shù) (UWB) 是最佳定位跟蹤技術(shù)，您應(yīng)該使用這項技術(shù)。沒了，感謝閱讀本書。當(dāng)然，只是開個玩笑。我們可以說 UWB 是當(dāng)今最好、最先進的定位技術(shù)，但證據(jù)呢？要回答這個問題，我們需要透過現(xiàn)象看本質(zhì)。
本章探討了 UWB 技術(shù)的內(nèi)部工作原理，并概述了 UWB 和窄帶定位方法之間的差異。此外，本章還說明了如何針對不同的應(yīng)用或用例場景選擇最佳的系統(tǒng)架構(gòu)。
UWB 與窄帶進行比較
適用于室內(nèi)和室外定位應(yīng)用的技術(shù)有多種，但 UWB 最精確、最可靠且最具成本效益；通常也更具可擴展性。將 UWB 技術(shù)與最流行的窄帶方法進行比較，可以清楚地說明這一點，這也是我們在本節(jié)要做的。
一切都取決于帶寬
從一開始，脈沖無線電 UWB 的設(shè)計目的就是實現(xiàn)高精度測距估計，同時進行雙向通信。這樣它就可以收集傳感器數(shù)據(jù)，并控制執(zhí)行器。
脈沖無線電是 UWB 信號的一種形式，它的特性使其成為密集多徑環(huán)境中定位和通信服務(wù)的理想選擇。
除了其定位功能，Qorvo UWB 技術(shù)還符合 IEEE 802.15.4a 標(biāo)準(zhǔn)和近期發(fā)布的 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)。因此，除了厘米級測距精度，開發(fā)人員還強調(diào)要確保該技術(shù)穩(wěn)定且不受各種干擾的影響，從而實現(xiàn)更高的可靠性。制定該標(biāo)準(zhǔn)時，還考慮了低功耗和低成本因素，以及支持大量互連設(shè)備的能力。工程師們在創(chuàng)建該標(biāo)準(zhǔn)時有一個愿景：讓每個互連對象都具有“定位感知”能力。
聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 將 UWB 無線電頻率范圍定義為 3.1 GHz 至 10.6 GHz，最低信號帶寬為 500 MHz（參見圖 2-1）。與其他無線電技術(shù)不同，UWB 并不使用幅度或頻率調(diào)制來編碼其信號傳輸?shù)男畔?。相反，UWB 采用非常窄的短脈沖序列，利用二進制相移鍵控 (BPSK) 和/或脈位調(diào)制 (BPM) 對數(shù)據(jù)進行編碼。使用窄脈沖導(dǎo)致傳輸表現(xiàn)出寬帶寬特性，從而可以擴大范圍，降低對窄帶干擾的敏感度，并且能夠在存在多路徑反射的情況下運行。
RSSI 的限制
在當(dāng)今的許多應(yīng)用中，定位跟蹤采用接收信號強度指示器 (RSSI) 實現(xiàn)。在 RSSI 應(yīng)用中，無線電信號的強度隨自由空間中與發(fā)射機距離的平方反比而變化，如圖 2-2 所示。當(dāng)信號遠(yuǎn)離信號源時，信號強度就會減弱。
將 RSSI 配合 Wi-Fi 和藍(lán)牙 802.11 標(biāo)準(zhǔn)一起使用。根據(jù)已知的發(fā)射端設(shè)備的發(fā)射功率，就可以預(yù)測設(shè)備之間的距離。然而，這些類型的測量也存在缺陷，我們接下來會進行討論。
使用藍(lán)牙的定位跟蹤
藍(lán)牙定位跟蹤，如藍(lán)牙低功耗 (BLE) 信標(biāo)，在某些情況下很有效。信標(biāo)主要用于接近檢測。它們會在設(shè)備（如電話）處于覆蓋范圍內(nèi)時進行檢測，并通過區(qū)分信號強度 (RSSI) 的強弱來估算距離。
這種方法的問題在于，信號強度并不能很好地反映距離。如果信號強度低，是意味著電話離信標(biāo)很遠(yuǎn)，還是意味著信標(biāo)和電話之間存在一個巨大的柱子？如圖 2-3 所示，每個信標(biāo)與接收電話之間的視線 (LOS) 有好有壞；每個障礙物都會改變距離測量的整體精度。
設(shè)備 A 可以從會議室天花板上的信標(biāo)接收到非常強的信號，但墻壁使會議室外部附近角落的信標(biāo)信號明顯減弱，而這兩個信標(biāo)與設(shè)備 A 的距離大致相同。設(shè)備 B 不在任何信標(biāo)的 LOS 范圍內(nèi)，因此，所有信號都明顯減弱，而設(shè)備 C 處于開放式辦公室中多個信標(biāo)的 LOS 范圍內(nèi)。所以信號強度更強，因為衰減更少。
解決這個問題的變通方案就是使用一種叫做“指紋識別”的方法。先利用安裝在幾米遠(yuǎn)固定位置的信標(biāo)測量已知位置其他信標(biāo)的信號強度。將這些信號強度信息保存在指紋識別數(shù)據(jù)庫中。然后，信標(biāo)通過比較其信號強度與指紋識別數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，就可以確定設(shè)備的距離和位置。根據(jù)最接近的匹配即可獲得位置測量結(jié)果。
指紋識別有許多版本，它們使用各種各樣復(fù)雜的算法。請記住，這些系統(tǒng)只是變通方案。它們并不能以 UWB 等技術(shù)的精度真正解決距離測量問題。
使用 Wi-Fi 的定位跟蹤
Wi-Fi 是室內(nèi)定位應(yīng)用最常用的無線電信號。它仍然是使用最廣泛的室內(nèi)定位技術(shù)，并且經(jīng)常與 BLE 結(jié)合使用。Wi-Fi 的主要優(yōu)勢在于，大多數(shù)公共或私人場所都提供 Wi-Fi。
然而，使用 Wi-Fi 信號強度估算距離會面臨與藍(lán)牙相同的挑戰(zhàn)。一些公司已經(jīng)開發(fā)出替代算法，試圖使用 Wi-Fi 信號的飛行時間 (ToF) 或到達時間 (ToA) 來更精確地測量距離，但這無法直接使用標(biāo)準(zhǔn)的 Wi-Fi 硬件實現(xiàn)。
ToF 是一種通過將信號的 ToF 乘以光速來測量兩個無線電收發(fā)器之間距離的方法。ToA 是無線電信號從發(fā)射機到達遠(yuǎn)程接收機的時間點。
通過在網(wǎng)絡(luò)中添加更多信標(biāo)，可以在一定程度上提高 RSSI 指紋識別的準(zhǔn)確性。盡管精度可能會提高一點，但卻無法提高測量的整體可靠性。此外，如果平面圖有任何變化，指紋識別數(shù)據(jù)庫也需要更新，這可能既耗費成本又耗時。
為什么說 UWB 最適合室內(nèi)定位跟蹤
UWB 的固有特性意味著，它可以實現(xiàn)比其他技術(shù)更精確的室內(nèi)定位和距離測量。
如圖 2-4 所示，UWB 脈沖（中間和右側(cè)圖）只有 2 納秒 (ns) 寬，因此不受反射信號（多路徑）干擾和噪聲的影響。UWB 射頻 (RF) 脈沖邊緣清晰，因此在存在日常環(huán)境中常見的信號反射和多路徑效應(yīng)的情況下仍能精確測定到達時間和距離。
將 UWB 作為解決方案時，反射信號（灰色）不會影響直接信號（藍(lán)色）。IR-UWB 信號（中間和右側(cè)）的上升和下降時間（邊沿）比標(biāo)準(zhǔn)窄帶信號（左側(cè)）更短，因此可以精確地測量信號的到達時間。這也有助于 UWB 信號在存在噪聲和多徑效應(yīng)的情況下保持其完整性和結(jié)構(gòu)。
即使在噪聲條件下，如圖 2-4（右側(cè)）所示，2ns 寬的脈沖無線電 UWB 脈沖的到達時間幾乎未受影響。相比之下，如圖 2-5 所示，窄帶信號受到噪聲的影響比較明顯。
我們已使用窄帶無線電技術(shù)對基于 ToF 的方法進行了試驗。如圖 2-6 所示，窄帶信號對多路徑非常敏感，因為反射信號（深灰色）可與直達經(jīng)信號（淺灰色）進行具有破壞性的結(jié)合，從而在接收機端生成最終信號（藍(lán)色）。這會影響信號超越閾值（用于測量 ToA）的時間，從而降低精度。
UWB 的精度優(yōu)勢非常明顯。UWB 完全能夠以 5 至 10 厘米的精度測量距離和位置。相比之下，藍(lán)牙、Wi-Fi 以及其他窄帶無線電標(biāo)準(zhǔn)只能實現(xiàn)米級精度。此外，由于 UWB 無線電脈沖極短，多徑效應(yīng)下，直達徑信號不會與多徑信號重疊，因此不會損壞信號完整性和強度。
這表明，UWB 具有以下特性
● 超精準(zhǔn)，提供厘米級精度，比 BLE 和 Wi-Fi 精確 100 倍
● 超可靠，在存在多徑反射的情況下能夠保持信號完整性
● 實時，延遲比全球定位系統(tǒng) (GPS) 低 50 倍，比標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)低 3,000 倍
UWB 系統(tǒng)考慮因素回顧
在本節(jié)中，我們來簡要介紹一下 UWB 的系統(tǒng)組件，以及硬件和軟件選擇如何影響系統(tǒng)的性能。
錨點和標(biāo)簽
要了解 UWB 系統(tǒng)，您需要理解錨點和標(biāo)簽這兩個術(shù)語。錨點通常就是固定的 UWB 設(shè)備。標(biāo)簽通常是指移動的 UWB 設(shè)備。錨點和標(biāo)簽可交換信息，以便確定兩者之間的距離。標(biāo)簽的確切位置可通過與多個錨點通信來確定。
一些設(shè)備即可作為錨點，也可作為標(biāo)簽。例如，當(dāng)兩個移動手機使用 UWB 來計算相互之間的距離時，它們可以在計算過程中轉(zhuǎn)化角色，交替地用作標(biāo)簽和錨點。
存儲單元和處理能力
典型的 UWB 設(shè)備需要具備一定程度處理能力和特定功能。對于簡單的標(biāo)簽，要求處理器具有少量的閃存（可編程非易失性存儲器）和數(shù)據(jù)存儲器（易失性隨機存取存儲器，或 RAM）。對于錨點應(yīng)用，比如到達時間差 (TDoA) 中使用的錨點，可能需要具有更多閃存和 RAM 的處理器，在許多情況下還需要數(shù)據(jù)回傳。
圖 2-7 顯示了標(biāo)簽（具有運動檢測）或錨點（具有回傳接口，如以太網(wǎng)或 Wi-Fi 接口）的常見架構(gòu)。對于錨點，可能需要不同類型的處理器，具體取決于系統(tǒng)規(guī)模和工作負(fù)載/吞吐量需求。
天線
另一個系統(tǒng)考慮因素就是天線。不同的應(yīng)用會需要不同的天線。例如，標(biāo)簽通常使用小型全向性天線。錨點則可能要使用定向天線，具體取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
軟件棧
UWB 通信組件和應(yīng)用之間的重要互連就是 UWB 軟件棧，如圖 2-8 所示。軟件棧有助于協(xié)調(diào)與外部設(shè)備的互操作性和共存。此外，軟件可實現(xiàn) UWB 通信組件和內(nèi)部微控制器之間的通信。例如，在控制智能手機和汽車之間的連接時，軟件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)通信。
軟件還可以同時管理多個應(yīng)用和用例。例如，某個解決方案可能是控制揚聲器、照明裝置、加熱系統(tǒng)等智能家居生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。它可以與所有 UWB 標(biāo)簽和 UWB 支持設(shè)備通信，同時利用位置信息控制環(huán)境、鎖門和開門、啟用和禁用報警系統(tǒng)等。UWB 軟件?？赏瑫r處理所有這些不同的情況。
使用 UWB 軟件?？纱_保 UWB 通信組件滿足不同應(yīng)用的需求。此外，從最終用戶和整體系統(tǒng)設(shè)計角度來說，利用該軟件的許多功能可以讓事情變得更簡單。
功能優(yōu)先級排序
在一些應(yīng)用場景下，不同功能需要進行優(yōu)先級排序。例如，假設(shè)在某個應(yīng)用中，電源管理和電池使用壽命很重要，比位置更新速率或數(shù)據(jù)吞吐量更重要。在這種情況下，可使用軟件優(yōu)化功耗，將設(shè)備設(shè)置為不用時關(guān)閉，需要通信時開啟。
另一種情況就是，傳感器 LOS 信號不理想或是來自不同的方向。此時，可使用軟件將結(jié)果平均，以獲得精確的距離信息；軟件還可以平滑處理比其他信號更嘈雜的信號。為了獲得更精確的結(jié)果（尤其是在快速移動應(yīng)用中），或為了添加有關(guān)設(shè)備方向的信息，軟件還可以將來自 UWB 芯片組的數(shù)據(jù)與來自慣性測量裝置（包括加速計、陀螺儀和磁力計等）的數(shù)據(jù)整合在一起。
UWB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較和選擇
UWB 利用 ToF 的概念，這是一種通過將信號的 ToF 乘以光速來測量兩個無線電收發(fā)器之間距離的方法。基于這個基本原理，可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需求以不同的方式實現(xiàn) UWB 定位技術(shù)。
最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用決定。這也就是說，設(shè)計工程師首先要將應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配?？晒┻x擇的方法有：
● 雙向測距 (TWR)：如圖 2-9 所示，TWR 方法可通過測定 UWB 射頻信號的 ToF，然后將該時間乘以光速來計算標(biāo)簽與錨點之間的距離。汽車無鑰門禁系統(tǒng)就是使用 TWR 方法的一個應(yīng)用示例 TWR 可生成一個安全空間，類似于一個安全氣泡，同時確保在應(yīng)用的時候，這個氣泡保持高精度的安全控制。
如果您在兩個設(shè)備之間實施 TWR 方案，則可以獲得設(shè)備之間的距離信息。在 TWR 方案的基礎(chǔ)上，您還可以在移動標(biāo)簽和固定錨點之間實現(xiàn) 2D 甚至 3D 位置測量；稱為“三邊測量法”。
采用 TWR 方法，可交換三條消息。標(biāo)簽通過發(fā)送一條含已知錨點地址的輪詢消息啟動 TWR。錨點記錄輪詢接收時間，并回復(fù)響應(yīng)消息。在收到響應(yīng)消息后，標(biāo)簽記錄時間并編寫最后一條消息。錨點可利用最后一條消息中的信息確定 UWB 信號的 ToF。
TWR 方法也可用于圖 2-10 和圖 2-11 所示的 2D/3D 資產(chǎn)場景。圖 2-10 顯示使用監(jiān)聽器的雙向測距，而圖 2-11 顯示使用數(shù)據(jù)標(biāo)簽回程的 TWR。如圖 2-11 所示，數(shù)據(jù)回傳可以使用多種方法（如 Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M 等）實現(xiàn)，通過這些方法將數(shù)據(jù)傳輸至云。
● 到達時間差 (TDoA) 和反向 TDoA：TDoA 和反向 TDoA 方法類似于 GPS。在已知的固定場所部署了多個參考點，稱為“錨點”，且這些錨點在時間方面實現(xiàn)了緊密同步。如果為 TDoA，移動設(shè)備將閃爍（也就是定期發(fā)送信息），當(dāng)錨點接收到信標(biāo)信號時，將基于共同的同步時基標(biāo)記時間戳。然后，多個錨點的時間戳將轉(zhuǎn)發(fā)至中央定位引擎，中央定位引擎將根據(jù)每個錨點的信標(biāo)信號 TDoA 運行多點定位算法。最后將得到移動設(shè)備的 2D 或 3D 位置，如圖 2-12 所示。反向 TDoA 更像 GPS。在該系統(tǒng)中，錨點發(fā)送同步信標(biāo)（具有固定/已知偏移，以避免發(fā)生碰撞），移動設(shè)備利用 TDoA 和多點定位算法來計算其位置，如圖 2-13 所示。
● 到達相位差 (PDoA)：另一個 UWB 拓?fù)渚褪?PDoA。PDoA 可將兩個設(shè)備之間的距離與兩者之間的方位測量結(jié)合在一起，如圖 2-14 所示。利用距離和方位的組合信息，可在沒有任何其他基礎(chǔ)設(shè)施的情況下計算出兩個設(shè)備的相對位置。為此，其中一個設(shè)備必須配備至少 2 根天線，并且能夠測量每根天線處到達信號載波的相位差。相位完全不受天線變形的影響，并且可實現(xiàn)優(yōu)于 10°的測量精度，從而可以在不到 5°的情況下確定發(fā)射器的方位。
對于每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別最適合哪種應(yīng)用？這些用例主要側(cè)重于三個不同的領(lǐng)域：感應(yīng)式門禁、定位服務(wù)和設(shè)備對設(shè)備（點對點）應(yīng)用。圖 2-15 詳細(xì)介紹了 TWR、TDoA、反向 TDoA 和 PDoA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最佳應(yīng)用。
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