UWB技術(shù)前沿

• Ultrawide bandwidth(UWB)技術(shù)前沿
• • 技術(shù)概述
  • 定位特性
  • • 室內(nèi)定位系統(tǒng)的性能評判指標(biāo)
    • LOS與NLOS
    • 定位方法
    • • 1.到達(dá)角度（AOA）
      • 2.到達(dá)時間（TOA）
      • 3.到達(dá)時間差（TDOA）
      • 4.信號強(qiáng)度（RSS）
    • 算法優(yōu)勢與不足
  • 應(yīng)用落地
  • 存在的不足與機(jī)遇
  • 參考文獻(xiàn)

Ultrawide bandwidth(UWB)技術(shù)前沿

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技術(shù)概述

? 超寬帶（Ultra-wideband，以下簡稱UWB）是一種具備低耗電與高速傳輸?shù)臒o線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，適合需要高質(zhì)量服務(wù)的無線通信應(yīng)用，可以用在無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）、家庭網(wǎng)路連接和短距離雷達(dá)等領(lǐng)域。它不采用連續(xù)的正弦波（sine waves），而是利用脈沖信號來傳送數(shù)據(jù)，利用納秒（ns）至皮秒（ps）級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，而時間調(diào)變技術(shù)令其傳送速度可以大大提高，而且耗電量相對地低，并有較精確的定位能力。因為使用的是極短脈沖，在高速通信的同時，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，僅僅只有目前的連續(xù)載波系統(tǒng)的幾百分之一。¹

? UWB是最新，準(zhǔn)確和有前途的技術(shù)之一。UWB的前驅(qū)技術(shù)稱為基帶，脈沖和無載波技術(shù)。 美國國防部是第一個使用“UWB”一詞的機(jī)構(gòu) ，UWB在1990年代末開始逐漸商業(yè)化。UWB無線電是一種頻譜訪問方法，可以在個人局域網(wǎng)空間上提供高速數(shù)據(jù)速率通信?；诎l(fā)射極短的脈沖，并以極低的功率頻譜密度引起無線電能量的擴(kuò)展。 這種高帶寬為通信提供了高數(shù)據(jù)吞吐量。 UWB脈沖的低頻使信號能夠有效地穿過障礙物，例如墻壁和物體。 使用UWB有三個主要的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）通信和傳感器；（2）定位與跟蹤；（3）雷達(dá)。實際上，UWB定位技術(shù)可以為多種應(yīng)用提供實時的室內(nèi)精確跟蹤，例如應(yīng)急服務(wù)的移動清單和定位信標(biāo)，盲人和視力障礙者的室內(nèi)導(dǎo)航，人員或儀器的跟蹤以及軍事偵察。超寬帶信號為室內(nèi)環(huán)境提供準(zhǔn)確的位置和位置估計。

? 綜上所述,UWB技術(shù)有著定位精度高、功率低、通信速度高的特性，在室內(nèi)短距離、低功耗場景的通訊和定位應(yīng)用中，有著不可比擬的優(yōu)越性。

定位特性

無線定位技術(shù)與定位測量方法關(guān)聯(lián)示意圖

室內(nèi)定位系統(tǒng)的性能評判指標(biāo)

由于UWB特殊的屬性，目前已獲悉的大部研究，都傾向于使用UWB技術(shù)作為室內(nèi)定位系統(tǒng)的重要構(gòu)成。 評判室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要通過判斷準(zhǔn)確性、可用性、覆蓋區(qū)域、擴(kuò)展性、花費(fèi)和隱私性指標(biāo)，有關(guān)于這些指標(biāo)的說明見下表。

室內(nèi)定位系統(tǒng)的性能指標(biāo)

? 對于UWB的評估，同樣將圍繞上述指標(biāo)展開，相關(guān)對比可見下圖。

各主流定位方法的特性比較

? 結(jié)果顯示，與近年來流行的定位技術(shù)相比，UWB定位精度高、實時度高、多徑分辨率高，在優(yōu)質(zhì)算法加持下，定位精度可達(dá)10cm，但是也存在定位距離短、成本高、對算法要求高等短板。

LOS與NLOS

? 室內(nèi)定位與室外定位有很多不同的特征。 與室外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境似乎更復(fù)雜，因為存在多個物體（例如設(shè)備，墻壁和人）反射信號并導(dǎo)致多徑和延遲問題。 同樣，由于存在各種物體，室內(nèi)環(huán)境通常依賴于非視距（NLoS）傳播，在這種傳播中，信號無法直接在從發(fā)射器到接收器的直線路徑中傳播，從而導(dǎo)致接收器的時間延遲不一致。此外，物體的存在會導(dǎo)致高衰減和信號散射。 由于我們周圍存在許多干擾源，例如移動設(shè)備，藍(lán)牙設(shè)備，Zigbee設(shè)備，WiMAX設(shè)備，無線設(shè)備，移動電話，微波爐和熒光燈，因此信號強(qiáng)度往往容易波動，因此室內(nèi)定位會受到信號穩(wěn)定性的影響。

(a)LOS視距 (b)NLOS非視距 示意圖²

定位方法

? 在室內(nèi)定位的系統(tǒng)中，往往采用如下幾種方法來計算目標(biāo)的位置

1.到達(dá)角度（AOA）

? 在AOA技術(shù)中，將來自至少兩個源的信號接收角度的估計與跨多個天線的信號幅度或載波相位進(jìn)行比較。 可以從每個信號源的角度線的交點(diǎn)找到位置。

AOA示意圖

? AOA估計算法對許多因素都非常敏感，這可能會導(dǎo)致目標(biāo)位置估計錯誤。 此外，與其他方法相比，AOA估計算法具有更高的復(fù)雜度。 例如天線陣列的幾何形狀在估計算法中起主要作用，增加發(fā)送者和接收者之間的距離可能會降低準(zhǔn)確性。

2.到達(dá)時間（TOA）

? TOA基于多個發(fā)射器的圓的交點(diǎn)。這些圓的半徑是發(fā)射器和接收器之間的距離。 該距離是通過計算它們之間的單向傳播時間而獲得的。 所有發(fā)射機(jī)的時間同步是必需的，而接收機(jī)沒有必要進(jìn)行同步。在計算正確距離時，必須考慮任何明顯延遲的可能性。

TOA示意圖

3.到達(dá)時間差（TDOA）

? 基于TDOA的定位系統(tǒng)不依賴節(jié)點(diǎn)對之間的絕對距離估計。這樣的系統(tǒng)通常采用以下兩種方案之一，首先，從位于已知位置的同步固定節(jié)點(diǎn)（稱為錨）廣播多個信號，代理測量TDOA（GPS使用類似技術(shù)）。在第二種方案中，參考信號由代理廣播，并由多個錨點(diǎn)接收。錨共享其估計的TOA并計算TDOA。通常，錨點(diǎn)通過有線網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行同步。要計算代理的位置，至少需要三個已知位置的錨和兩個TDOA測量值。每個TDOA測量值可以在幾何上解釋為雙曲線，它是由兩個點(diǎn)之間具有恒定范圍差（時間差）的一組點(diǎn)形成的錨點(diǎn)。

? TDOA基于測量對象發(fā)送并由三個或更多接收器接收的信號到達(dá)的時間差。通過這種方式，將確定對象（發(fā)送器）的位置。 同樣場景可以翻轉(zhuǎn)，因此單個接收器可以通過測量兩個發(fā)射信號到達(dá)時間的增量來確定目標(biāo)位置。 通常，只有一個發(fā)射器可用，它需要多個接收器共享數(shù)據(jù)并協(xié)作確定發(fā)射器的位置。 這需要很大的帶寬來處理數(shù)據(jù)。

TDOA示意圖

4.信號強(qiáng)度（RSS）

? RSS測距基于以下原理：兩個節(jié)點(diǎn)之間的距離越大，它們的相對接收信號越弱。 由于與基于時間的技術(shù)相比，硬件要求和成本可能更低，因此該技術(shù)通常用于諸如WSN的低成本系統(tǒng)中。在基于RSS的系統(tǒng)中，接收節(jié)點(diǎn)B通過測量來自A的RSS來估計到傳輸節(jié)點(diǎn)A的距離。 然后使用理論和/或經(jīng)驗路徑損耗模型將RSS轉(zhuǎn)換為距離估算值。 這些模型極大地影響了測距精度。⁴

? RSS對多徑干擾很敏感，并且小規(guī)模的信道效應(yīng)會引起平均接收信號強(qiáng)度的隨機(jī)偏差，它經(jīng)常在不切實際的假設(shè)下使用。例如，發(fā)射功率和路徑損耗指數(shù)是已知的，并且發(fā)射器天線是各向同性的。

算法優(yōu)勢與不足

UWB各種算法的比較

? 以目前的綜合表現(xiàn)來看，采用TDOA算法的定位技術(shù)在定位精度和定位容差上的表現(xiàn)是四種算法中最好的，無論是視距抑或是非視距定位應(yīng)用都表現(xiàn)出色，目前的大部分定位應(yīng)用也大量采用以TDOA算法為主的算法主體，可以將定位精度控制在分米級。而通過使用混合算法，綜合各種算法的優(yōu)勢，可以進(jìn)一步提高精度，但是對算法編寫者的水平也提出了更高的要求。

應(yīng)用落地

? 隨著UWB技術(shù)的不斷發(fā)展，其廣闊的前景也日益顯現(xiàn)，以下是筆者在搜集資料的過程中，在互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)的一些關(guān)于UWB重要的或者有趣的產(chǎn)品與應(yīng)用方案，而透過這些解決方案，可以了解UWB技術(shù)的優(yōu)越性和發(fā)展前景，筆者將對這些方案做一些簡單的分析。

APPLE公司“AirTag⁴”與“U1芯片”

? 作為最大科技巨頭企業(yè)之一，蘋果總是能將新技術(shù)的引入做得如此得體，19年在iPone11中加入U1芯片，為UWB技術(shù)落地開路，兩年后，又正式推出了AirTag，通過UWB的定位特性來實現(xiàn)使用iPhone進(jìn)行物品標(biāo)記和查找。

? 技術(shù)方面，筆者推測是采用了AOA技術(shù)（也有混合使用RSS、TDOA的可能）實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)定向與測距，在使用過程中，雖然有時會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)的情況，但是也能滿足用戶對于遺失物品尋找的基本功能。而U1芯片既然可以作為基站尋找標(biāo)簽，也可以作為標(biāo)簽被基站所定位，以蘋果手機(jī)的巨大保有量，未來蘋果公司可以整合第三方企業(yè)為用戶提供基于UWB技術(shù)的室內(nèi)定位服務(wù)，也可以被其他手機(jī)或者智能便攜設(shè)備制造商所效仿。

“DW1000”芯片⁵及其模組

? 這款由DecaWave公司設(shè)計生產(chǎn)的UWB芯片對商用UWB領(lǐng)域的建設(shè)有著卓越的貢獻(xiàn)，由于UWB的特性，使得其難以被設(shè)計與測試，從而阻礙了其應(yīng)用的步伐。而DW1000芯片及其模組的出現(xiàn)，在很大程度上改善了這一問題，其片上集成了高速開關(guān)和波形發(fā)生器，可以以很少的外圍器件搭建UWB應(yīng)用電路。

UWB的一些開發(fā)板

筆者手中的兩塊基于DW1000芯片的UWB開發(fā)板

? 基于DW1000芯片，市面上有很多相關(guān)模組和開發(fā)板，我手上的是其中一款，特點(diǎn)是其模組采用了專利設(shè)計的“笑臉天線”，天線模組與前面提到的信號發(fā)生是UWB解決方案在Layout時的兩大技術(shù)難點(diǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，可以很好的解決射頻天線設(shè)計這一技術(shù)難點(diǎn)，廠商可發(fā)布天線生成工具以匹配不同解決方案的個性化需求。此外，市面上還有UWB的陶瓷天線模組，體積較小，可以進(jìn)一步減少UWB模組的體積，市售的DWM1000模組就使用了陶瓷天線模組。

? DW1000芯片采用SPI接口與外界MCU進(jìn)行通信，開發(fā)板上還集成了陀螺儀和溫度傳感器，可以通過AT指令進(jìn)行調(diào)用，還集成了SWD接口可以進(jìn)行二次開發(fā)。目前筆者對其進(jìn)行了簡單測距測試，總體的表現(xiàn)正常，簡易測試條件下誤差在正20到正10厘米左右，暫未發(fā)現(xiàn)負(fù)向誤差。簡單遮擋會影響測距準(zhǔn)確性，但是總體保持在可接受誤差范圍內(nèi)。超近距離（20cm之內(nèi)）測距存在問題，且對天線朝向有一定要求，天線正對時誤差最小。更多測試細(xì)節(jié)后續(xù)可能會出一篇文章對市售產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)比較和代碼的解讀。

一些有趣的應(yīng)用

• 汽車免鑰匙啟動 NXP對于UWB技術(shù)的應(yīng)用

• 一指連智能家居系統(tǒng) 小米一指連

• 醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域 DW1000醫(yī)療應(yīng)用程序

• LinkTrack局部定位系統(tǒng) LinkTrack

存在的不足與機(jī)遇

? 目前UWB技術(shù)依舊有提升的空間， 例如，由于配置錯誤，可能干擾附近工作于超寬頻譜的系統(tǒng)。 在美國，用于通信應(yīng)用的UWB頻率范圍是3.1至10.6 GHz，其工作頻率與流行的通信產(chǎn)品（如微波訪問全球互操作性（WiMAX）和數(shù)字電視）的頻率相同。 在某些國家/地區(qū)，它也可能會干擾諸如3G無線系統(tǒng)之類的系統(tǒng)。 令人擔(dān)憂的是，一些UWB設(shè)備可能會對GPS和飛機(jī)導(dǎo)航無線電設(shè)備造成有害干擾。還有例如在定位精度、安全性、成本、射頻性能等方面還需要針對應(yīng)用場景進(jìn)行研發(fā)優(yōu)化，總體距離完備技術(shù)解決方案還是有不小的差距。

? 需要說明的是，UWB技術(shù)誕生于上世紀(jì)六十年代，經(jīng)歷了多年的發(fā)展和演化，最早被用于高速率通信，后被發(fā)現(xiàn)其在定位方面的出色表現(xiàn)，自此之后展開了對其定位方法的探索與發(fā)現(xiàn)。前人對于UWB的各種算法均有充分的研究，而UWB技術(shù)發(fā)展至今所呈現(xiàn)的各種技術(shù)特點(diǎn)，無不體現(xiàn)著前人對于該技術(shù)的耕耘。面對UWB技術(shù)可能出現(xiàn)爆發(fā)式增長的需求，以及目前正處于的研發(fā)與布局窗口時期，應(yīng)該充分認(rèn)識到其巨大的技術(shù)潛力與市場空間，且由于其龐大的細(xì)分市場，對于個人或者中小型企業(yè)相對友好。

?

參考文獻(xiàn)

• [1] wiki_UWB
• [2] Abdulrahman A , Abdulmalik A S , Mansour A , et al. Ultra Wideband Indoor Positioning Technologies: Analysis and Recent Advances[J]. Sensors, 2016, 16(5):1-36.
• [3] D Dardari, Conti A , Ferner U , et al. Ranging With Ultrawide Bandwidth Signals in Multipath Environments[J]. Proceedings of the IEEE, 2009, 97(2):404-426.
• [4] Apple official website AirTag
• [5] Decawave official wevsite DW1000 Radio IC - Decawave

其他技術(shù)問題可聯(lián)系414482116@qq.com

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Ultrawide bandwidth(UWB)技术前沿的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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