我們可以說UWB是當(dāng)今最好、最先進的定位技術(shù)，但證據(jù)呢？要回答這個問題，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；通常也更具可擴展性。將UWB技術(shù)與最流行的窄帶方法進行比較，可以清楚地說明這一點，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)計目的就是實現(xiàn)高精度測距估計，同時進行雙向通信。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，除了厘米級測距精度，開發(fā)人員還強調(diào)要確保該技術(shù)穩(wěn)定且不受各種干擾的影響，從而實現(xiàn)更高的可靠性。制定該標(biāo)準(zhǔn)時，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)時有一個愿景：讓每個互連對象都具有“定位感知”能力。

聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 將UWB無線電頻率范圍定義為3.1GHz至10.6GHz，最低信號帶寬為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)制來編碼其信號傳輸?shù)男畔ⅰＯ喾矗?*UWB采用非常窄的短脈沖序列，利用二進制相移鍵控 (BPSK) 和/或脈位調(diào)制 (BPM) 對數(shù)據(jù)進行編碼。**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強度指示器 (RSSI) 實現(xiàn)。在RSSI應(yīng)用中，無線電信號的強度隨自由空間中與發(fā)射機距離的平方反比而變化，如圖2 所示。當(dāng)信號遠離信號源時，信號強度就會減弱。

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圖1：UWB頻譜



圖2：信號源電場

將RSSI配合Wi-Fi和藍牙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，我們接下來會進行討論。

****使用藍牙的定位跟蹤****

藍牙定位跟蹤，如藍牙低功耗 (BLE) 信標(biāo)，在某些情況下很有效。信標(biāo)主要用于接近檢測。它們會在設(shè)備（如電話）處于覆蓋范圍內(nèi)時進行檢測，并通過區(qū)分信號強度 (RSSI) 的強弱來估算距離。

這種方法的**問題在于，信號強度并不能很好地反映距離。**如果信號強度低，是意味著電話離信標(biāo)很遠，還是意味著信標(biāo)和電話之間存在一個巨大的柱子？如圖3所示，每個信標(biāo)與接收電話之間的視線 (LOS) 有好有壞；每個障礙物都會改變距離測量的整體精度。

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圖3：信標(biāo)信號應(yīng)用（圖中顯示了信標(biāo)和移動設(shè)備）

設(shè)備A可以從會議室天花板上的信標(biāo)接收到非常強的信號，但墻壁使會議室外部附近角落的信標(biāo)信號明顯減弱，而這兩個信標(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，所有信號都明顯減弱，而設(shè)備C處于開放式辦公室中多個信標(biāo)的LOS范圍內(nèi)。所以信號強度更強，因為衰減更少。

解決這個問題的變通方案就是使用一種叫做“指紋識別”的方法。先利用安裝在幾米遠固定位置的信標(biāo)測量已知位置其他信標(biāo)的信號強度。將這些信號強度信息保存在指紋識別數(shù)據(jù)庫中。然后，信標(biāo)通過比較其信號強度與指紋識別數(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。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信號強度估算距離會面臨與藍牙相同的挑戰(zhàn)。一些公司已經(jīng)開發(fā)出替代算法，試圖**使用Wi-Fi信號的飛行時間 (ToF) 或到達時間 (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硬件實現(xiàn)。**

ToF是一種通過將信號的ToF乘以光速來測量兩個無線電收發(fā)器之間距離的方法。ToA是無線電信號從發(fā)射機到達遠程接收機的時間點。

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指紋識別的準(zhǔn)確性。盡管精度可能會提高一點，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，指紋識別數(shù)據(jù)庫也需要更新，這可能既耗費成本又耗時。

****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（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)境中常見的信號反射和多路徑效應(yīng)的情況下仍能精確測定到達時間和距離。

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圖4：窄帶信號與脈沖超寬帶直達徑信號（藍色）和反射徑信號（紅色）的比較。

將UWB作為解決方案時，反射信號（灰色）不會影響直接信號（藍色）。IR-UWB信號（中間和右側(cè)）的上升和下降時間（邊沿）比標(biāo)準(zhǔn)窄帶信號（左側(cè)）更短，因此可以精確地測量信號的到達時間。這也有助于UWB信號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脈沖的到達時間幾乎未受影響。相比之下，如圖5所示，窄帶信號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

我們已使用窄帶無線電技術(shù)對基于ToF的方法進行了試驗。如圖6所示，窄帶信號對多路徑非常敏感，因為反射信號（深灰色）可與直達經(jīng)信號（淺灰色）進行具有破壞性的結(jié)合，從而在接收機端生成最終信號（藍色）。這會影響信號超越閾值（用于測量ToA）的時間，從而降低精度。

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圖6：具有反射的窄帶信號

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，藍牙、Wi-Fi以及其他窄帶無線電標(biāo)準(zhǔn)只能實現(xiàn)米級精度。此外，由于UWB無線電脈沖極短，多徑效應(yīng)下，直達徑信號不會與多徑信號重疊，因此不會損壞信號完整性和強度。

這表明，UWB具有以下特性：

a.超精準(zhǔn)，提供厘米級精度，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完整性；

c.實時，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