可穿戴設備的無線應用

隨著可穿戴設備需要更多的吞吐量，以及更準確的位置定位和距離測量變得非常重要，UWB將成為可穿戴設備基礎設施的基石。這種更高的定位精度和吞吐量將使可穿戴設備能夠真正進行計算。

在過去的兩年里，可穿戴計算已經(jīng)從一個不切實際的星際迷航般的幻想，變成了每個人都試圖進入的下一個熱門市場。在短短兩年內(nèi)，谷歌眼鏡，我是手表，索尼智能手表，三星Galaxy Gear，以及最近的Apple Watch都已將可穿戴設備推向了世界關注的最前沿。2012年價值7億美元的智能手表市場在2014年已成為25億美元的市場。最近，我們看到一股新的健身追蹤器腕帶，藍牙戒指，LifeBlogging設備和其他更深奧的可穿戴設備進入市場。

第一代可穿戴設備在很大程度上使用藍牙與佩戴者的智能手機進行通信。鑒于藍牙在市場上的普遍性，這是有道理的 - 可穿戴設備的制造商可以通過藍牙連接到市場上幾乎任何智能手機。

早期的可穿戴設備使用無線來傳輸簡短和低帶寬的內(nèi)容，例如SMS大小的消息或更新，來電通知等。但隨著可穿戴設備的進步，消費者希望他們的設備做得更多，其他無線技術(shù)在滿足無線可穿戴設備需求方面可能比藍牙更強大。

隨著可穿戴設備進入市場，它們與用戶智能手機的連接是逐一處理的。這是完全合理的，因為設備正在進入一個空的市場。但是，如果可穿戴設備按預期起飛，將需要更復雜的連接，例如大量設備動態(tài)連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡。這在標準低功耗藍牙（BLE，又名藍牙4.0）中是不可能的，盡管它是由一些BLE芯片制造商以專有方式開發(fā)的。當用戶擁有一部智能手機和一臺可穿戴設備時，網(wǎng)狀網(wǎng)絡并不重要，但隨著用戶開始擁有更多的可穿戴設備，例如智能手表，眼鏡顯示器和健身手環(huán)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡將變得更加重要。此外，隨著這些設備開始連接到智能家居和智能辦公室，用于安全、環(huán)境個性化等應用，以網(wǎng)狀方式動態(tài)連接到許多設備將變得更加重要。

無線技術(shù)在可穿戴設備上的另一個重要用途是位置跟蹤?？纱┐髟O備可以根據(jù)自己的位置與環(huán)境進行交互，例如在進入房間或接近房間的特定區(qū)域時打開燈。當您離智能手機或錢包太遠時，可穿戴設備可以通知您?？纱┐髟O備可以根據(jù)可穿戴設備的確切位置和方向增強現(xiàn)實?？纱┐髟O備可以在您四處走動時跟蹤您的健康狀況。

但所有這些功能都需要精確和快速的位置感知。如果我想知道當我離智能手機超過5米時，我不會希望每次某種障礙物導致我的手機認為它離無線接入點比實際位置更遠時都發(fā)出假警報。如果我想知道我什么時候靠近一個朋友，我需要知道它，因為我接近那個朋友，而不是5分鐘后，也不是在我還很遠的時候。

不幸的是，許多人在使用藍牙進行位置跟蹤時遇到了麻煩，在準確性，延遲和一致性方面存在可衡量的問題?；贐LE的位置接近系統(tǒng)可能需要長達20秒的時間才能注意到您已經(jīng)進入了關鍵區(qū)域，而基于BLE的位置跟蹤通常只能精確到3-6米以內(nèi)。兩個設備之間的距離越遠，精度就越差。

位置定位缺乏準確性和速度，阻礙了可穿戴設備和智能手機上基于位置的應用?！笆覂?nèi)定位需要提供更高精度，快速和更可靠的功能，以便室內(nèi)定位應用程序在移動設備和可穿戴設備上真正起飛，”灰熊分析分析師Bruce Krulwich博士說。

藍牙缺乏定位精度的原因很明顯。幾乎所有基于藍牙的位置和距離都是通過信號強度測量的。從邏輯上講，這是有道理的 - 兩個設備之間的距離越遠，它們之間的信號就越弱。不幸的是，反之則不然。如果信號強度低，是因為第二個設備很遠，還是因為兩個設備之間存在障礙物？許多無線網(wǎng)絡效應，包括障礙物、反射、折射、多路徑接收等，都使信號強度成為不可靠的距離指標。

當然，還有許多其他無線測量距離和位置的方法，例如測量到達時間（ToA）或到達時差（TDoA），它們往往比信號強度更準確。但窄帶無線電，如藍牙和Wi-Fi信號，往往很難用于ToA。窄帶傳輸?shù)男螤顬橹饾u開始和結(jié)束的長脈沖。這非常適合高帶寬和彈性傳輸，但這意味著無線電波沒有一個可以精確和一致地測量的明確開始和停止。這也意味著反射和折射等無線效應會嚴重損害無線電波的清晰度。

目前進入市場的這一挑戰(zhàn)的一個解決方案，特別是在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和可穿戴設備中，是超寬帶（UWB）無線電。UWB 無線電的設計方式可實現(xiàn)準確、一致且有彈性的位置和距離測量。下圖顯示了 UWB 與藍牙等窄帶系統(tǒng)的比較：

圖 1：藍牙與 UWB 脈沖比較。

UWB的窄而清晰的無線電脈沖使得測量到達時間變得更加容易，與藍牙相比，距離測量要準確得多。

更重要的是，下圖顯示了每個無線電系統(tǒng)在存在反射的情況下的表現(xiàn)：

圖 2：藍牙與 UWB 反射處理比較。

窄帶無線電最終被反射損壞，因此其內(nèi)容仍然被傳輸，但其信號較弱，不能用于距離測量。另一方面，UWB仍然非常適應到達時間測量。

UWB也可以在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中輕松實現(xiàn)。與藍牙針對兩個設備之間配對通信的設計不同，UWB 支持多對多網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信。

UWB的數(shù)據(jù)速率不如Wi-Fi高，但在6-7 Mbps時高于藍牙，并且足以用于可穿戴設備之間的無線通信。大多數(shù)可穿戴設備傳輸短消息，傳感器數(shù)據(jù)，位置跟蹤等，但到目前為止幾乎不需要更高帶寬的通信。（請注意，較舊的 UWB 協(xié)議具有更高的吞吐量，高于 100 Mbps，但由于電源要求，這些協(xié)議對于小型設備并不成功。現(xiàn)代 UWB 系統(tǒng)可提供 6-7 Mbps 的速率。

迪卡波最近推出了符合IEEE 802.15.4標準的UWB無線單芯片實現(xiàn)，為可穿戴設備打開了UWB的大門。其他公司在設備或印刷電路板（PCB）模塊中提供UWB，但單芯片實現(xiàn)更適合可穿戴設備集成。SK電信使用DecaWave的UWB芯片在2014年世界移動通信大會上提供了非常精確的位置跟蹤演示，清楚地表明，改進位置測量的基本原理實際上在實踐中已經(jīng)出現(xiàn)。

目前，UWB已用于聯(lián)網(wǎng)設備，但在配備UWB的智能手機進入市場之前無法與智能手機交互。支持UWB的智能手機已經(jīng)得到演示，許多手機制造商正在評估UWB芯片，以便集成到未來的型號中。

審核編輯：郭婷