UWB技術(shù)的內(nèi)部工作原理和窄帶定位方法之間的差異概述

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)。本文將探討UWB技術(shù)的內(nèi)部工作原理，并概述UWB和窄帶定位方法之間的差異。

****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。工程師們在創(chuàng)建該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)有一個(gè)愿景：讓每個(gè)互連對象都具有“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3.1GHz至10.6GHz，最低信號(hào)帶寬為500MHz（參見圖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 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。

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圖1：UWB頻譜



圖2：信號(hào)源電場

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)測設(shè)備之間的距離。然而，這些類型的測量也存在缺陷，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。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，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)改變距離測量的整體精度。

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圖3：信標(biāo)信號(hào)應(yīng)用（圖中顯示了信標(biāo)和移動(dòng)設(shè)備）

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)勢在于，大多數(shù)公共或私人場所都提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乘以光速來測量兩個(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)定位和距離測量。

如圖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定到達(dá)時(shí)間和距離。

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圖4：窄帶信號(hào)與脈沖超寬帶直達(dá)徑信號(hào)（藍(lán)色）和反射徑信號(hào)（紅色）的比較。

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5所示，窄帶信號(hào)受到噪聲的影響比較明顯。

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圖5：噪聲如何影響窄帶信號(hào)

我們已使用窄帶無線電技術(shù)對基于ToF的方法進(jìn)行了試驗(yàn)。如圖6所示，窄帶信號(hào)對多路徑非常敏感，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（用于測量ToA）的時(shí)間，從而降低精度。

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圖6：具有反射的窄帶信號(hào)

UWB的精度優(yōu)勢非常明顯。UWB完全能夠以5至10厘米的精度測量距離和位置。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：

a.超精準(zhǔn)，提供厘米級(jí)精度，比BLE和Wi-Fi精確100倍；

b.超可靠，在存在多徑反射的情況下能夠保持信號(hào)完整性；

c.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。

審核編輯：劉清