定位、定位、定位：通往超寬帶之路

盡管超寬帶技術(shù) (UWB) 已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但仍被視為新興“定位技術(shù)”，并且目前發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。精準(zhǔn)定位功能是該技術(shù)與其他定位解決方案的不同之處，也是促成各種新用例的關(guān)鍵所在

定位技術(shù)經(jīng)過了漫長(zhǎng)的演變才發(fā)展到如今的 UWB，但我們是如何走到這一步的？為充分了解這一點(diǎn)，我們應(yīng)著眼于 UWB 技術(shù)的起源、作用、工作原理及其支持的使用案例。在本博文中，我們將回顧定位技術(shù)的歷史，并探討可實(shí)現(xiàn) UWB 技術(shù)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)性能的解決方案。

定位技術(shù)回顧

星星、地圖和指南針

定位技術(shù)可以追溯到時(shí)間的起源。長(zhǎng)期以來，天文導(dǎo)航就一直通過定位來進(jìn)行測(cè)向、尋路、轉(zhuǎn)向操控和駕駛。隨后，在 11 世紀(jì)初出現(xiàn)了磁羅盤。當(dāng)然，查看地圖、找人問路以及反復(fù)試驗(yàn)路線也有助于人們游走世界。

衛(wèi)星指引

早在 20 世紀(jì) 90 年代末和 21 世紀(jì)初，全球定位系統(tǒng) (GPS) 就已經(jīng)成為主流。GPS 是定位技術(shù)的一大進(jìn)步，為我們的生活帶來了更多便利，從而在許多方面改變了我們的生活。它允許用戶通過電子方式定位最近的加油站，跟蹤體能狀況，制定旅行計(jì)劃，以及找到回家的路。對(duì)于企業(yè)來說，它不僅可以帶來便利性，還可以提高效率，或者構(gòu)建可持續(xù)的業(yè)務(wù)模式。如果沒有 GPS，Amazon、FedEx和UPS 等公司如何才能高效地將貨物運(yùn)送到您的家門口？

從室外導(dǎo)航發(fā)展到室內(nèi)導(dǎo)航

十年后，我們見證了將導(dǎo)航技術(shù)引入室內(nèi)的另一項(xiàng)重大突破，也就是所謂的室內(nèi)導(dǎo)航或定位，例如大家在谷歌地圖上看到的商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)和其他大型建筑。從許多方面來說，室內(nèi)定位就是我們進(jìn)行室外導(dǎo)航時(shí)所依賴的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用程序的室內(nèi)版本，但它具有一個(gè)額外的特點(diǎn)，那就是可用于定位人和物。與 GPS 相似，室內(nèi)導(dǎo)航利用傳感器和通信技術(shù)（Wi-Fi、Bluetooth? Low Energy (LE)、ZigBee 和 Thread 支持設(shè)備）組成的定位系統(tǒng)來定位室內(nèi)環(huán)境中的物體。

微型化之路

再回到現(xiàn)在，我們看到，精準(zhǔn)微定位系統(tǒng)正不斷涌現(xiàn)。人們和企業(yè)都希望能夠?qū)崟r(shí)定位和發(fā)現(xiàn)幾乎任何事物，無論其大小如何。比如說：您在家里把車鑰匙放錯(cuò)地方了，或者在雜貨店找不到最喜歡的咖啡品牌?；蛘吣诠S工作，需要從倉庫中拿一個(gè)特定工具，或者您是一位正在處理緊急情況的現(xiàn)場(chǎng)管理人員，需要確保每個(gè)人都離開了大樓。從微觀層面上說，室內(nèi)定位適用于以上所有情況，因?yàn)樗梢远ㄎ晃锲凡⒁龑?dǎo)您找到它們。

為了實(shí)現(xiàn)足夠的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時(shí)性能，底層技術(shù)需要具備精準(zhǔn)定位功能。UWB 技術(shù)能夠在許多不同應(yīng)用中提供非常重要的位置信息，具有深遠(yuǎn)的意義。

滿足微觀層面需求

從微觀層面講，開發(fā)有效的室內(nèi)定位技術(shù)需要滿足以下幾個(gè)要求。首先，位置讀數(shù)需要非常精確，精確到盡可能小的區(qū)域。定位技術(shù)必須安全，因?yàn)槲恢眯畔⑼ǔＰ枰Ｃ?。此外，即使在惡劣環(huán)境下，定位技術(shù)也需要可靠且易于擴(kuò)展，這樣才能確定大型場(chǎng)所內(nèi)成千上萬人員和資產(chǎn)的位置。其他要求包括低功耗和經(jīng)濟(jì)適用性，這樣就可以將其嵌入從高端復(fù)雜設(shè)備（如智能手機(jī)）到低端簡(jiǎn)單設(shè)備（如資產(chǎn)標(biāo)簽）的任何物品中。當(dāng)然，定位技術(shù)還必須具有足夠低的延遲性，以便實(shí)時(shí)追蹤物體的動(dòng)向。

設(shè)計(jì)首款室內(nèi)定位系統(tǒng)時(shí)，工程師們采用現(xiàn)有技術(shù)，通常為 Wi-Fi 和藍(lán)牙低功耗 (BLE)。雖然這些技術(shù)非常適合數(shù)據(jù)通信（發(fā)明這些技術(shù)的初衷），但它們都不是為實(shí)時(shí)定位服務(wù) (RTLS) 而設(shè)計(jì)的，因此不能滿足所有的室內(nèi)微型定位要求。

Wi-Fi、藍(lán)牙和其他窄帶無線電系統(tǒng)只能達(dá)到幾米的精度。其可靠性并未達(dá)到構(gòu)建安全可靠系統(tǒng)所需的 99.9% 要求。由于沖突和干擾，成千上萬的設(shè)備無法同時(shí)報(bào)告其位置，并且在用于實(shí)時(shí)定位服務(wù)中時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。以 BLE 為例，雖然非常適合低功耗數(shù)據(jù)通信，但獲得一個(gè)“正確”定位點(diǎn)所需的測(cè)量和后處理工作量會(huì)使功耗達(dá)到峰值，并使延遲增加至數(shù)秒。

因此，本世紀(jì) 00 年代中期，IEEE 的工程師開始指定一種專為精確定位而設(shè)計(jì)的無線技術(shù)，可以滿足所有要求。這項(xiàng)技術(shù)被命名為超寬帶 (UWB) 技術(shù)，并且有可能改變我們完成各種日常工作的方式。

UWB：我們目前取得的成就

UWB 基于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.15.4a/z，該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)精準(zhǔn)定位和安全通信進(jìn)行了優(yōu)化。UWB 可將人和物定位到幾厘米范圍內(nèi)，其精度是當(dāng)前采用的藍(lán)牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 技術(shù)的 100 倍。

概括而言，UWB 非常適合 RTLS 應(yīng)用的原因如下：

UWB 不易受各種干擾（包括多路徑干擾）的影響，因此非?？煽浚ó?dāng)電波通過兩個(gè)或更多路徑從發(fā)射機(jī)傳輸至接收機(jī)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干擾）。

具有極低的延遲。更新速率高達(dá)每秒 1000 次，讀取速度比衛(wèi)星導(dǎo)航快 50 倍，因此可實(shí)現(xiàn)任何物體/人員的實(shí)時(shí)定位/追蹤。

采用主流 CMOS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，還針對(duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化。

除了其定位功能，UWB 還可實(shí)現(xiàn)高傳輸速率、高能效數(shù)據(jù)通信，目前速率高達(dá) 27 mbps，未來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂后可能會(huì)更高。

利用 IEEE 定義的傳輸距離限制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其安全性，使其成為一種極其安全的格式。

這些都是如何實(shí)現(xiàn)的？簡(jiǎn)而言之：物理學(xué)。UWB 可傳輸寬帶信號(hào) (500 MHz)，并利用飛行時(shí)間進(jìn)行定位，因此更適合精準(zhǔn)定位應(yīng)用。

為什么說 UWB 最適合精準(zhǔn)定位應(yīng)用

下面的圖 1 比較了窄帶技術(shù)和超寬帶技術(shù)。UWB 脈沖（中圖和右圖）只有 2 納秒 (ns) 寬，因此不易受反射信號(hào)（多路徑）干擾的影響。如中圖和右圖所示，反射信號(hào)（紅色）不會(huì)影響直接信號(hào)（藍(lán)色）。這些 UWB 信號(hào)的上升沿和下降沿也比窄帶信號(hào)（左圖）更快。即使存在噪聲和多路徑影響，UWB 信號(hào)仍能保持其完整性和結(jié)構(gòu)。此外，UWB 信號(hào)沿干凈，可精確地確定信號(hào)到達(dá)時(shí)間和距離。

圖 1：窄帶信號(hào)與含直接信號(hào)（藍(lán)色）和反射信號(hào)（橙色）的脈沖無線電的比較。

展望未來

目前，UWB 已經(jīng)為消費(fèi)類、汽車、工業(yè)和商業(yè)等四十多個(gè)垂直市場(chǎng)的產(chǎn)品和服務(wù)帶來了價(jià)值，從提高工廠和倉庫的運(yùn)營效率，提高工人安全性，支持機(jī)器人和無人機(jī)自主導(dǎo)航，到基于位置為消費(fèi)者提供新的用戶界面形式。此外，由于其安全有效的距離限制功能，它還可實(shí)現(xiàn)無需手動(dòng)操作即可安全地進(jìn)入汽車、前門、家和辦公室。

在當(dāng)前抗擊 COVID-19 疫情的戰(zhàn)役中，事實(shí)證明，UWB 是唯一能夠真正有助于追蹤接觸者和保持社交距離的技術(shù)，因?yàn)樵谛枰湃螖?shù)據(jù)的情況下，準(zhǔn)確性和可靠性是設(shè)計(jì)高效解決方案的關(guān)鍵特性。

隨著近期開始在智能手機(jī)中采用 UWB 技術(shù)，它也將成為我們?nèi)粘Ｉ钪邢乱粋€(gè)無處不在的無線連接用例（從家到辦公室，再到公共場(chǎng)所）。在智能手機(jī)中嵌入 UWB 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的重要第一步。此外，還必須確保所有設(shè)備之間的互操作性。發(fā)展迅速的行業(yè)聯(lián)盟 FiRa 對(duì)半導(dǎo)體、移動(dòng)、基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)類領(lǐng)域的 50 多家公司進(jìn)行了重組，目前正在積極開展協(xié)議定義工作，以確保此類互操作性。這樣，開發(fā)人員就能夠以各種全新方式運(yùn)用 UWB 技術(shù)，如室內(nèi)地圖和導(dǎo)航、智能家居應(yīng)用、車輛出入控制、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及移動(dòng)支付。最終，室內(nèi)定位的未來實(shí)際上僅受開發(fā)人員想象力的限制。

審核編輯：郭婷