探索超寬帶UWB技術(shù)

#Ultra-Wideband For Dummies

編者按：Qorvo 推出了一系列的技術(shù)科普文檔，在本系列中，我們將帶大家聊一下最近火熱的 UWB。在本章，我們介紹了定位技術(shù)是如何起步的，以及新的發(fā)展進(jìn)步如何持續(xù)改變我們的世界。您將了解 UWB 的基本信息及其優(yōu)勢，以及能夠充分利用 UWB 技術(shù)的行業(yè)和設(shè)備信息。

定位技術(shù)如何改變世界

不管您相信與否，就在 20 年前，公眾還無法輕易獲取位置信息！2000 年 5 月，公眾開始使用全球定位系統(tǒng) （GPS） 的定位和導(dǎo)航功能，例如用于尋找最近的 ATM 機或加油站。在 2000 年之前，人們使用傳統(tǒng)的方法游走世界，如查看地圖、找人問路或者在反復(fù)迷路中摸索出正確的路線。

10 年前，室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)運而生。大家可以想一想覆蓋購物中心、機場以及其他大型建筑的谷歌地圖。由于出現(xiàn)了基于位置的新型服務(wù)，可幫助人們找到商店并實現(xiàn)定向營銷等，定位數(shù)據(jù)變得更加有價值。

很難想象在世界任何地方，無論是在室內(nèi)還是室外，如果沒有便捷的導(dǎo)航，生活會是什么樣子。大家可以想象一下，如果沒有 GPS 技術(shù)，各大電商要實現(xiàn)高效送貨會有多困難。如果沒有 GPS 技術(shù)，亞馬遜還能躋身成為價值萬億美元的公司嗎？而這只是一個行業(yè)。

如今，我們正在目睹新一代定位技術(shù)的崛起：精準(zhǔn)微定位系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠以前所未有的方式實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。定位技術(shù)為什么會有這些發(fā)展？因為公眾和企業(yè)希望以更可靠且更精確的方式定位幾乎任何東西，例如鑰匙、遙控器或當(dāng)?shù)仉s貨店第九排貨架上無麩質(zhì)面包的確切位置等。

企業(yè)對企業(yè) （B2B） 以及消費類零售行業(yè)都認(rèn)識到更可靠且更精確的室內(nèi)定位系統(tǒng)可帶來的附加價值。例如，它可以幫助消費者導(dǎo)航室內(nèi)場所，增加住宅和商業(yè)建筑的智能自動化水平，并且可以幫助企業(yè)實時了解運營、資產(chǎn)和員工動態(tài)，從而提高企業(yè)的運營效率。

定位的價值

現(xiàn)有的嵌入式技術(shù)能夠讓設(shè)備確定內(nèi)容和時間，并向其用戶報告此類信息。傳感器用于提供內(nèi)容信息，精確的系統(tǒng)時鐘用于提供時間信息，而設(shè)備之間通過無線射頻 （RF） 連接傳輸信息。

在設(shè)備的功能中添加位置維度就像是賦予它第六感一樣。位置信息可提供驚人的新見解，并使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建情境感知產(chǎn)品和服務(wù)，這在以前是不可能實現(xiàn)的。

以下是能夠感知“位置”的潛在優(yōu)勢：

效率：在工廠和倉庫中，實時了解資產(chǎn)的位置可以提高利用率，減少尋找時間，并且能夠進(jìn)一步提高“適時制”流程效率。

安全性：實時獲知人員、自動導(dǎo)引車和機器人的位置，即可控制他們之間的互動，避免發(fā)生意外，而且可以讓人員遠(yuǎn)離非安全區(qū)域。

決策支持：實時了解人員或物體的位置還支持根據(jù)環(huán)境做出決策，比如當(dāng)您在不同房間走動時自動調(diào)節(jié)立體聲，或者讓您可以通過簡單地指向物體來控制它們。

安全：實時了解人員和資產(chǎn)的位置還可以提高安全性。如果人員的位置是無法偽造的，其位置就可以用作新的安全憑證。這些信息可用于限制對特定區(qū)域的訪問，并保護(hù)物理資產(chǎn)、數(shù)據(jù)和通信。

如圖 1-1 中所示，在醫(yī)療保健、安防、智能家居、健身、智慧城市、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域，了解位置信息開啟了許多應(yīng)用。通過 UWB 技術(shù)所支持的實時定位功能，越來越多的應(yīng)用有助于激發(fā)我們的創(chuàng)新思維，因此實際用例將會不斷增長。

為什么需要新的實時定位技術(shù)

技術(shù)。提高精度是明顯需求：物體和人員定位和導(dǎo)航，需要厘米級精度，而傳統(tǒng)的定位技術(shù)（如 GPS）的測量精度為幾米。但是，單憑精度是不夠的。該技術(shù)還必須：

在嚴(yán)苛的環(huán)境下具有出色的可靠性

具有可擴展性，足以滿足大型場所中數(shù)千人員和資產(chǎn)的定位需求

功耗很小

經(jīng)濟(jì)實惠

可嵌入任何東西中，從高端復(fù)雜設(shè)備（如智能手機）到低端簡

單設(shè)備（如資產(chǎn)標(biāo)簽）

實時操作，因為位置與運動有關(guān)

藍(lán)牙低功耗 （BLE） 和 Wi-Fi 技術(shù)非常有用，已經(jīng)用于定位系統(tǒng)中。然而，它們并不是針對實時精準(zhǔn)微定位服務(wù)而設(shè)計。例如，BLE 技術(shù)適用于涉及低功耗數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用。然而，盡管工程界盡了最大努力，但BLE 和 Wi-Fi 仍無法滿足精確、可靠、實時定位服務(wù)的需求。例如，BLE 精度在幾米范圍內(nèi)，其可靠性在很大程度上取決于其所在環(huán)境。

但是，由于其已經(jīng)普及多年，所以人們首先想到的就是 Wi-Fi 和 BLE 技術(shù)。在過去幾年，它們還用于信標(biāo)和接入點。

信標(biāo)是一種小型無線發(fā)射器，采用藍(lán)牙技術(shù)向附近的智能設(shè)備發(fā)送信號，同時還可以連接和傳輸信息，使定位搜索和交互變得更加容易、更加精確。

然而，它們在定位應(yīng)用方面的價值有限，因為它們需要進(jìn)行大量處理和測量才能獲得一個有用的位置點。使用這些技術(shù)需要時間，不具實時性，而且還會增加功耗。

由于上述這些因素，現(xiàn)在是時候推出 UWB 技術(shù)了，而且市場也已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。UWB 是專為滿足實時定位應(yīng)用需求而開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

超寬帶技術(shù)簡介

UWB 是一種 IEEE 802.15.4a/z 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，針對安全的精準(zhǔn)微定位應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它完全滿足上一節(jié)中的所有要求。像 GPS 技術(shù)一樣，UWB 能夠通過大幅提高定位信息的價值，在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生重大影響。

如圖 1-2 中所示，UWB 具有以下特性：

極其精確：UWB 可以準(zhǔn)確定位人和物的位置，精度達(dá)到幾厘米之內(nèi)。比 Wi-Fi 和 BLE 精確 100 倍。當(dāng)跟蹤/定位小型物體時，非常重要。

安全可靠：UWB 不易受多路徑和干擾影響。由于存在反射和其他干擾，室內(nèi)位置測量對于射頻系統(tǒng)來說極具挑戰(zhàn)性。

低延遲：UWB 比 GPS 快 50 倍，更新速度高達(dá) 1，000 次/秒。UWB 比 BLE 標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)快 3，000 倍！低延遲性使 UWB 非常適合快速移動對象應(yīng)用（如無人機），并且能夠?qū)崿F(xiàn)許多非常棒的用例。

經(jīng)濟(jì)實惠，功耗低：與其他主流電子技術(shù)相比，UWB 不僅經(jīng)濟(jì)實惠，而且功耗低。許多 UWB 設(shè)備采用紐扣電池供電，既方便又實惠。

單點定向：UWB 只需單點測量即可精確可靠地確定您的位置，而其他射頻技術(shù)需要多個樣本和濾波才能獲得定位結(jié)果。

安全：UWB 利用 IEEE 定義的傳輸距離限制通信技術(shù)實現(xiàn)一種極難破解的安全性。

UWB 與其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較

設(shè)計室內(nèi)定位系統(tǒng)時，需要考慮許多因素。您需要根據(jù)不同的應(yīng)用選擇最符合其需求的定位技術(shù)。如表 1-1 中所示，可用技術(shù)的覆蓋范圍、精度、可靠性等其他方面都有所不同。

以下章節(jié)將回顧這些技術(shù)之間的一些差異。

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基礎(chǔ)設(shè)施的范圍和成本

這兩個參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，因為工作范圍決定了在建筑物等區(qū)域內(nèi)部署實時基礎(chǔ)設(shè)施的范圍和成本定位系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備數(shù)量。范圍越大，單位區(qū)域內(nèi)的設(shè)備越少，而設(shè)備越少，成本就越低。

例如，UWB 的射頻范圍為 50 至 70 米，而藍(lán)牙的定位應(yīng)用范圍僅為 10 至 20 米，Wi-Fi 為 40 至 50 米。另外，由于藍(lán)牙和Wi-Fi中應(yīng)用的定位技術(shù)都是基于接收信號強度。當(dāng)設(shè)備遠(yuǎn)離基礎(chǔ)設(shè)施時， 藍(lán)牙和Wi-Fi的精度就會迅速下降。而與之對應(yīng)，UWB 定位技術(shù)是基于信號的飛行時間的，因此其精度在工作范圍內(nèi)是恒定的。

理論距離和算法精度會共同影響各個錨點之間的實際部署間距。如圖1-3 所示，使用 UWB（左）與藍(lán)牙（右）和 Wi-Fi（右下）覆蓋類似區(qū)域，使用 UWB 時，需要的無線錨點更少。這可顯著降低基礎(chǔ)設(shè)施、部署和維護(hù)成本。

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數(shù)據(jù)通信速度

與此同時，室內(nèi)定位系統(tǒng)還必須能夠同時從嵌入設(shè)備中的傳感器收集數(shù)據(jù)。您肯定不想使用多項技術(shù)，因為這會導(dǎo)致系統(tǒng)過于復(fù)雜和昂貴。除了定位功能，UWB 還提供速率高達(dá) 27 Mbps 的數(shù)據(jù)通信管道，因此非常適合快速、高效地收集傳感器數(shù)據(jù)。此外，工程師們正在與標(biāo)準(zhǔn)化組織合作，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)速率提高到 27 Mbps以上。

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可擴展性

大規(guī)模部署的一個重要考慮因素就是可在場所內(nèi)同時運行的設(shè)備（即傳可擴展性感器和執(zhí)行器）數(shù)量。例如，工廠通常需要同時定位數(shù)千個資產(chǎn)才能構(gòu)建自動化系統(tǒng)。由于其數(shù)據(jù)包非常短，所以 UWB 系統(tǒng)可處理數(shù)千個設(shè)備，而 Wi-Fi 和藍(lán)牙只能處理幾百個設(shè)備。

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延遲

無論您想為倉庫構(gòu)建一個實時定位系統(tǒng)，還是想要構(gòu)建一個感應(yīng)式門禁延遲系統(tǒng)，其中一個關(guān)鍵參數(shù)就是系統(tǒng)延遲，換句話說，就是定位報告之間的延遲，因為您要定位的設(shè)備很可能在移動。由于 UWB 的數(shù)據(jù)包非常短，且可實現(xiàn)精確可靠的位置測量，所以可實現(xiàn)不到 1 毫秒的延遲。這樣就可以實現(xiàn)“真正的”實時定位檢測，而其他技術(shù)則需要幾秒鐘才能獲取和計算應(yīng)用所需的位置信息。

超寬帶技術(shù)運用描述

您可能不知道，但 UWB 已在 40 多個不同行業(yè)中部署實施，包括圖1-4 中所示的以下應(yīng)用：

消費類應(yīng)用包括互聯(lián)家居、零售、機器人、TV/機頂盒、人工現(xiàn)實 （AR） /虛擬現(xiàn)實 （VR）、運動和無人機。

汽車應(yīng)用包括智能汽車的安全無鑰門禁和無鑰起動。

工業(yè)應(yīng)用包括樓宇控制、健康醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、安全與安防、工廠自動化、機器人和采礦。

在制造業(yè)、工業(yè)物流、家居周邊和汽車行業(yè)實現(xiàn)的工業(yè) 4.0 應(yīng)用場景中，UWB 可以讓物體和人員位置都清晰可見，因此可以提高運營效率、安全性和資產(chǎn)跟蹤性能。

以下是 UWB 的一些有趣且有用的應(yīng)用：

家居安全/互聯(lián)家居：目前的報警系統(tǒng)需要用戶來激活和停用系統(tǒng)。采用 UWB 之后，用戶將獲得無縫體驗。您不再需要使用鑰匙來開門，或使用觸摸板來解除安全系統(tǒng)報警。當(dāng)您把智能手機放在口袋里時，系統(tǒng)就會知道您走近或離開家的時間。其他應(yīng)用包括智能遙控和智能手機，您只要指向想要控制的物體，并利用遙控的位置和方向來啟用正確的功能，遙控器和智能手機就知道是哪個物體。

工業(yè) 4.0：UWB 可提供精確可靠的物體和人員位置信息，從而提高運營效率、安全性和資產(chǎn)跟蹤性能。

工廠可利用 UWB 技術(shù)，在工人接近危險區(qū)域時發(fā)出警告，以提高安全性。如果發(fā)生緊急情況，UWB 可跟蹤是否所有工人均已安全撤離。

UWB 還可用于“數(shù)字孿生”制造應(yīng)用，這些應(yīng)用使用物理對象或工藝的近實時數(shù)字圖像來優(yōu)化業(yè)務(wù)流程以提升績效。（數(shù)字孿生是現(xiàn)實產(chǎn)品或資產(chǎn)的虛擬表示。它可用于管理制造商固定資產(chǎn)（如生產(chǎn)機器、生產(chǎn)線和工廠）的性能、有效性和質(zhì)量。）UWB 標(biāo)簽可跟蹤叉車和工具，以便實時查看工作進(jìn)展，從而有助于提高工作流程的效率，并消除瓶頸。

汽車工業(yè)：采用 UWB 技術(shù)的密鑰卡可實現(xiàn)安全通信和距離測量，以防止車輛被盜。UWB 采用飛行時間 （TOF） 概念，并結(jié)合了 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)要求的其他安全措施，是經(jīng)過驗證的防中繼攻擊技術(shù)。

機器人：UWB 可以實現(xiàn)非常精確的機器人導(dǎo)航系統(tǒng)。例如，您可以讓剪草機自動、高效、精確、安全地割草。或者，您可以讓自動導(dǎo)引車 （AGV） 將備件送到裝配線上的特定工作站。個人運輸機器人甚至可以跟著您走，幫您搬運任何需要移動的重型零件或設(shè)備。

運動：UWB 具有厘米級精度和低延遲，非常適合進(jìn)行運動分析。您可以跟蹤運動員快速運動過程中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并且無需擔(dān)心測量不準(zhǔn)確。UWB 已經(jīng)用于許多專業(yè)體育項目，幫助防止隊員受傷，提高運動員的成績。

企業(yè)：UWB 可實現(xiàn)可靠的社交距離解決方案，能夠?qū)⒐と税踩\送到工作現(xiàn)場。由于其精確性、可靠性和實時性，UWB 成為企業(yè)應(yīng)用的首選技術(shù)。

UWB 還可用于實現(xiàn)感應(yīng)式門禁，這樣員工就不再需要刷卡進(jìn)出。這不僅便利，而且還提高了醫(yī)院等環(huán)境的安全性。

UWB 是如何實現(xiàn)這些功能的？答案很簡單 — 就是物理學(xué)！UWB 的性能優(yōu)于 Wi-Fi 和藍(lán)牙等其他定位技術(shù)，因為它的傳輸帶寬非常寬（超過500 MHz），并且采用 ToF 來代替窄帶通信和接收信號強度指示器（RSSI）。我們將在下一章詳細(xì)地討論這些內(nèi)容。

編輯：jq