深度探討UWB技術(shù)的工作原理

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(xiàng)技術(shù)。沒了，感謝閱讀本書。

當(dāng)然，只是開個(gè)玩笑。我們可以說 UWB 是當(dāng)今最好、最先進(jìn)的定位技術(shù)，但證據(jù)呢？要回答這個(gè)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(duì)不同的應(yīng)用或用例場(chǎng)景選擇最佳的系統(tǒng)架構(gòu)。

UWB 與窄帶進(jìn)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(kuò)展性。將 UWB 技術(shù)與最流行的窄帶方法進(jìn)行比較，可以清楚地說明這一點(diǎn)，這也是我們?cè)诒竟?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(jì)目的就是實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距估計(jì)，同時(shí)進(jìn)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(hào)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(jí)測(cè)距精度，開發(fā)人員還強(qiáng)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(shí)現(xiàn)更高的可靠性。制定該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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?cè)趧?chuàng)建該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)有一個(gè)愿景：讓每個(gè)互連對(duì)象都具有“定位感知”能力。

聯(lián)邦通信委員會(huì) （FCC） 將 UWB 無線電頻率范圍定義為 3.1 GHz 至 10.6 GHz，最低信號(hào)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(hào)傳輸?shù)?a target="_blank">信息。相反，UWB 采用非常窄的短脈沖序列，利用二進(jìn)制相移鍵控 （BPSK） 和/或脈位調(diào)制 （BPM） 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(kuò)大范圍，降低對(duì)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(yùn)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(hào)強(qiáng)度指示器 （RSSI） 實(shí)現(xiàn)。在 RSSI 應(yīng)用中，無線電信號(hào)的強(qiáng)度隨自由空間中與發(fā)射機(jī)距離的平方反比而變化，如圖 2-2 所示。當(dāng)信號(hào)遠(yuǎn)離信號(hào)源時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)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(cè)設(shè)備之間的距離。然而，這些類型的測(cè)量也存在缺陷，我們接下來會(huì)進(jìn)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(cè)。它們會(huì)在設(shè)備（如電話）處于覆蓋范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，并通過區(qū)分信號(hào)強(qiáng)度 （RSSI） 的強(qiáng)弱來估算距離。

這種方法的問題在于，信號(hào)強(qiáng)度并不能很好地反映距離。如果信號(hào)強(qiáng)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(gè)巨大的柱子？如圖 2-3 所示，每個(gè)信標(biāo)與接收電話之間的視線 （LOS） 有好有壞；每個(gè)障礙物都會(huì)改變距離測(cè)量的整體精度。

設(shè)備 A 可以從會(huì)議室天花板上的信標(biāo)接收到非常強(qiáng)的信號(hào)，但墻壁使會(huì)議室外部附近角落的信標(biāo)信號(hào)明顯減弱，而這兩個(gè)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(hào)都明顯減弱，而設(shè)備 C 處于開放式辦公室中多個(gè)信標(biāo)的 LOS 范圍內(nèi)。所以信號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng)，因?yàn)樗p更少。

解決這個(gè)問題的變通方案就是使用一種叫做“指紋識(shí)別”的方法。先利用安裝在幾米遠(yuǎn)固定位置的信標(biāo)測(cè)量已知位置其他信標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度。將這些信號(hào)強(qiáng)度信息保存在指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫中。然后，信標(biāo)通過比較其信號(hào)強(qiáng)度與指紋識(shí)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(cè)量結(jié)果。

指紋識(shí)別有許多版本，它們使用各種各樣復(fù)雜的算法。請(qǐng)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(cè)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(hào)。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(shì)在于，大多數(shù)公共或私人場(chǎng)所都提供 Wi-Fi。

然而，使用 Wi-Fi 信號(hào)強(qiáng)度估算距離會(huì)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(hào)的飛行時(shí)間 （ToF） 或到達(dá)時(shí)間 （ToA） 來更精確地測(cè)量距離，但這無法直接使用標(biāo)準(zhǔn)的 Wi-Fi 硬件實(shí)現(xiàn)。

ToF 是一種通過將信號(hào)的 ToF 乘以光速來測(cè)量?jī)蓚€(gè)無線電收發(fā)器之間距離的方法。ToA 是無線電信號(hào)從發(fā)射機(jī)到達(dá)遠(yuǎn)程接收機(jī)的時(shí)間點(diǎn)。

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(shí)別的準(zhǔn)確性。盡管精度可能會(huì)提高一點(diǎn)，但卻無法提高測(cè)量的整體可靠性。此外，如果平面圖有任何變化，指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫也需要更新，這可能既耗費(fèi)成本又耗時(shí)。

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(shí)現(xiàn)比其他技術(shù)更精確的室內(nèi)定位和距離測(cè)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(hào)（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(hào)反射和多路徑效應(yīng)的情況下仍能精確測(cè)定到達(dá)時(shí)間和距離。

將 UWB 作為解決方案時(shí)，反射信號(hào)（灰色）不會(huì)影響直接信號(hào)（藍(lán)色）。IR-UWB 信號(hào)（中間和右側(cè)）的上升和下降時(shí)間（邊沿）比標(biāo)準(zhǔn)窄帶信號(hào)（左側(cè)）更短，因此可以精確地測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。這也有助于 UWB 信號(hào)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(dá)時(shí)間幾乎未受影響。相比之下，如圖 2-5 所示，窄帶信號(hào)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(duì)基于 ToF 的方法進(jìn)行了試驗(yàn)。窄帶信號(hào)對(duì)多路徑非常敏感，因?yàn)榉瓷湫盘?hào)（深灰色）可與直達(dá)經(jīng)信號(hào)（淺灰色）進(jìn)行具有破壞性的結(jié)合，從而在接收機(jī)端生成最終信號(hào)（藍(lán)色）。這會(huì)影響信號(hào)超越閾值（用于測(cè)量 ToA）的時(shí)間，從而降低精度。

UWB 的精度優(yōu)勢(shì)非常明顯。UWB 完全能夠以 5 至 10 厘米的精度測(cè)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(shí)現(xiàn)米級(jí)精度。此外，由于 UWB 無線電脈沖極短，多徑效應(yīng)下，直達(dá)徑信號(hào)不會(huì)與多徑信號(hào)重疊，因此不會(huì)損壞信號(hào)完整性和強(qiáng)度。

這表明，UWB 具有以下特性

超精準(zhǔn)，提供厘米級(jí)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(hào)完整性

實(shí)時(shí)，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(jiǎn)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(diǎn)和標(biāo)簽

要了解 UWB 系統(tǒng)，您需要理解錨點(diǎn)和標(biāo)簽這兩個(gè)術(shù)語。錨點(diǎn)通常就是固定的 UWB 設(shè)備。標(biāo)簽通常是指移動(dòng)的 UWB 設(shè)備。錨點(diǎn)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(gè)錨點(diǎn)通信來確定。

一些設(shè)備即可作為錨點(diǎn)，也可作為標(biāo)簽。例如，當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)手機(jī)使用 UWB 來計(jì)算相互之間的距離時(shí)，它們可以在計(jì)算過程中轉(zhuǎn)化角色，交替地用作標(biāo)簽和錨點(diǎn)。

存儲(chǔ)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(duì)于簡(jiǎn)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(chǔ)器）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，或 RAM）。對(duì)于錨點(diǎn)應(yīng)用，比如到達(dá)時(shí)間差 （TDoA） 中使用的錨點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)檢測(cè)）或錨點(diǎn)（具有回傳接口，如以太網(wǎng)或 Wi-Fi 接口）的常見架構(gòu)。對(duì)于錨點(diǎn)，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(gè)系統(tǒng)考慮因素就是天線。不同的應(yīng)用會(huì)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(diǎn)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(shí)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(jī)和汽車之間的連接時(shí)，軟件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)通信。

軟件還可以同時(shí)管理多個(gè)應(yīng)用和用例。例如，某個(gè)解決方案可能是控制揚(yáng)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(shí)利用位置信息控制環(huán)境、鎖門和開門、啟用和禁用報(bào)警系統(tǒng)等。UWB 軟件?？赏瑫r(shí)處理所有這些不同的情況。

使用 UWB 軟件棧可確保 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(jì)角度來說，利用該軟件的許多功能可以讓事情變得更簡(jiǎn)單。

功能優(yōu)先級(jí)排序

在一些應(yīng)用場(chǎng)景下，不同功能需要進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。例如，假設(shè)在某個(gè)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(shí)關(guān)閉，需要通信時(shí)開啟。

另一種情況就是，傳感器 LOS 信號(hào)不理想或是來自不同的方向。此時(shí)，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(hào)更嘈雜的信號(hào)。為了獲得更精確的結(jié)果（尤其是在快速移動(dòng)應(yīng)用中），或?yàn)榱颂砑佑嘘P(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(cè)量裝置（包括加速計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)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(hào)的 ToF 乘以光速來測(cè)量?jī)蓚€(gè)無線電收發(fā)器之間距離的方法。基于這個(gè)基本原理，可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需求以不同的方式實(shí)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(jì)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(cè)距 （TWR）：如圖 2-9 所示，TWR 方法可通過測(cè)定 UWB 射頻信號(hào)的 ToF，然后將該時(shí)間乘以光速來計(jì)算標(biāo)簽與錨點(diǎn)之間的距離。汽車無鑰門禁系統(tǒng)就是使用 TWR 方法的一個(gè)應(yīng)用示例 TWR 可生成一個(gè)安全空間，類似于一個(gè)安全氣泡，同時(shí)確保在應(yīng)用的時(shí)候，這個(gè)氣泡保持高精度的安全控制。

如果您在兩個(gè)設(shè)備之間實(shí)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(dòng)標(biāo)簽和固定錨點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn) 2D 甚至 3D 位置測(cè)量；稱為“三邊測(cè)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(diǎn)地址的輪詢消息啟動(dòng) TWR。錨點(diǎn)記錄輪詢接收時(shí)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(shí)間并編寫最后一條消息。錨點(diǎn)可利用最后一條消息中的信息確定 UWB 信號(hào)的 ToF。

TWR 方法也可用于 2D/3D 資產(chǎn)場(chǎng)景。顯示使用監(jiān)聽器的雙向測(cè)距，顯示使用數(shù)據(jù)標(biāo)簽回程的 TWR。數(shù)據(jù)回傳可以使用多種方法（如 Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M 等）實(shí)現(xiàn)，通過這些方法將數(shù)據(jù)傳輸至云。

到達(dá)時(shí)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(chǎng)所部署了多個(gè)參考點(diǎn)，稱為“錨點(diǎn)”，且這些錨點(diǎn)在時(shí)間方面實(shí)現(xiàn)了緊密同步。如果為 TDoA，移動(dòng)設(shè)備將閃爍（也就是定期發(fā)送信息），當(dāng)錨點(diǎn)接收到信標(biāo)信號(hào)時(shí)，將基于共同的同步時(shí)基標(biāo)記時(shí)間戳。

然后，多個(gè)錨點(diǎn)的時(shí)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(gè)錨點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào) TDoA 運(yùn)行多點(diǎn)定位算法。最后將得到移動(dòng)設(shè)備的 2D 或 3D 位置。反向 TDoA 更像 GPS。在該系統(tǒng)中，錨點(diǎn)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(dòng)設(shè)備利用 TDoA 和多點(diǎn)定位算法來計(jì)算其位置，如圖 2-13 所示。

到達(dá)相位差 （PDoA）：另一個(gè) UWB 拓?fù)渚褪?PDoA。PDoA 可將兩個(gè)設(shè)備之間的距離與兩者之間的方位測(cè)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(jì)算出兩個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置。

為此，其中一個(gè)設(shè)備必須配備至少 2 根天線，并且能夠測(cè)量每根天線處到達(dá)信號(hào)載波的相位差。相位完全不受天線變形的影響，并且可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 10°的測(cè)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(duì)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(gè)不同的領(lǐng)域：感應(yīng)式門禁、定位服務(wù)和設(shè)備對(duì)設(shè)備（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）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。

編輯：jq