探索超宽带UWB技术

#Ultra-Wideband For Dummies

编者按：Qorvo 推出了一系列的技术科普文档，在本系列中，我们将带大家聊一下最近火热的 UWB。在本章，我们介绍了定位技术是如何起步的，以及新的发展进步如何持续改变我们的世界。您将了解 UWB 的基本信息及其优势，以及能够充分利用 UWB 技术的行业和设备信息。

定位技术如何改变世界

不管您相信与否，就在 20 年前，公众还无法轻易获取位置信息！2000 年 5 月，公众开始使用全球定位系统 （GPS） 的定位和导航功能，例如用于寻找最近的 ATM 机或加油站。在 2000 年之前，人们使用传统的方法游走世界，如查看地图、找人问路或者在反复迷路中摸索出正确的路线。

10 年前，室内导航应运而生。大家可以想一想覆盖购物中心、机场以及其他大型建筑的谷歌地图。由于出现了基于位置的新型服务，可帮助人们找到商店并实现定向营销等，定位数据变得更加有价值。

很难想象在世界任何地方，无论是在室内还是室外，如果没有便捷的导航，生活会是什么样子。大家可以想象一下，如果没有 GPS 技术，各大电商要实现高效送货会有多困难。如果没有 GPS 技术，亚马逊还能跻身成为价值万亿美元的公司吗？而这只是一个行业。

如今，我们正在目睹新一代定位技术的崛起：精准微定位系统。这些系统能够以前所未有的方式实现精准定位。定位技术为什么会有这些发展？因为公众和企业希望以更可靠且更精确的方式定位几乎任何东西，例如钥匙、遥控器或当地杂货店第九排货架上无麸质面包的确切位置等。

企业对企业 （B2B） 以及消费类零售行业都认识到更可靠且更精确的室内定位系统可带来的附加价值。例如，它可以帮助消费者导航室内场所，增加住宅和商业建筑的智能自动化水平，并且可以帮助企业实时了解运营、资产和员工动态，从而提高企业的运营效率。

定位的价值

现有的嵌入式技术能够让设备确定内容和时间，并向其用户报告此类信息。传感器用于提供内容信息，精确的系统时钟用于提供时间信息，而设备之间通过无线射频 （RF） 连接传输信息。

在设备的功能中添加位置维度就像是赋予它第六感一样。位置信息可提供惊人的新见解，并使开发人员能够创建情境感知产品和服务，这在以前是不可能实现的。

以下是能够感知“位置”的潜在优势：

效率：在工厂和仓库中，实时了解资产的位置可以提高利用率，减少寻找时间，并且能够进一步提高“适时制”流程效率。

安全性：实时获知人员、自动导引车和机器人的位置，即可控制他们之间的互动，避免发生意外，而且可以让人员远离非安全区域。

决策支持：实时了解人员或物体的位置还支持根据环境做出决策，比如当您在不同房间走动时自动调节立体声，或者让您可以通过简单地指向物体来控制它们。

安全：实时了解人员和资产的位置还可以提高安全性。如果人员的位置是无法伪造的，其位置就可以用作新的安全凭证。这些信息可用于限制对特定区域的访问，并保护物理资产、数据和通信。

如图 1-1 中所示，在医疗保健、安防、智能家居、健身、智慧城市、汽车、工业等领域，了解位置信息开启了许多应用。通过 UWB 技术所支持的实时定位功能，越来越多的应用有助于激发我们的创新思维，因此实际用例将会不断增长。

为什么需要新的实时定位技术

技术。提高精度是明显需求：物体和人员定位和导航，需要厘米级精度，而传统的定位技术（如 GPS）的测量精度为几米。但是，单凭精度是不够的。该技术还必须：

在严苛的环境下具有出色的可靠性

具有可扩展性，足以满足大型场所中数千人员和资产的定位需求

功耗很小

经济实惠

可嵌入任何东西中，从高端复杂设备（如智能手机）到低端简

单设备（如资产标签）

实时操作，因为位置与运动有关

蓝牙低功耗 （BLE） 和 Wi-Fi 技术非常有用，已经用于定位系统中。然而，它们并不是针对实时精准微定位服务而设计。例如，BLE 技术适用于涉及低功耗数据通信的应用。然而，尽管工程界尽了最大努力，但BLE 和 Wi-Fi 仍无法满足精确、可靠、实时定位服务的需求。例如，BLE 精度在几米范围内，其可靠性在很大程度上取决于其所在环境。

但是，由于其已经普及多年，所以人们首先想到的就是 Wi-Fi 和 BLE 技术。在过去几年，它们还用于信标和接入点。

信标是一种小型无线发射器，采用蓝牙技术向附近的智能设备发送信号，同时还可以连接和传输信息，使定位搜索和交互变得更加容易、更加精确。

然而，它们在定位应用方面的价值有限，因为它们需要进行大量处理和测量才能获得一个有用的位置点。使用这些技术需要时间，不具实时性，而且还会增加功耗。

由于上述这些因素，现在是时候推出 UWB 技术了，而且市场也已经准备就绪。UWB 是专为满足实时定位应用需求而开发的技术标准。

超宽带技术简介

UWB 是一种 IEEE 802.15.4a/z 标准技术，针对安全的精准微定位应用进行了优化。它完全满足上一节中的所有要求。像 GPS 技术一样，UWB 能够通过大幅提高定位信息的价值，在全球范围内产生重大影响。

如图 1-2 中所示，UWB 具有以下特性：

极其精确：UWB 可以准确定位人和物的位置，精度达到几厘米之内。比 Wi-Fi 和 BLE 精确 100 倍。当跟踪/定位小型物体时，非常重要。

安全可靠：UWB 不易受多路径和干扰影响。由于存在反射和其他干扰，室内位置测量对于射频系统来说极具挑战性。

低延迟：UWB 比 GPS 快 50 倍，更新速度高达 1，000 次/秒。UWB 比 BLE 标准信标快 3，000 倍！低延迟性使 UWB 非常适合快速移动对象应用（如无人机），并且能够实现许多非常棒的用例。

经济实惠，功耗低：与其他主流电子技术相比，UWB 不仅经济实惠，而且功耗低。许多 UWB 设备采用纽扣电池供电，既方便又实惠。

单点定向：UWB 只需单点测量即可精确可靠地确定您的位置，而其他射频技术需要多个样本和滤波才能获得定位结果。

安全：UWB 利用 IEEE 定义的传输距离限制通信技术实现一种极难破解的安全性。

UWB 与其他标准进行比较

设计室内定位系统时，需要考虑许多因素。您需要根据不同的应用选择最符合其需求的定位技术。如表 1-1 中所示，可用技术的覆盖范围、精度、可靠性等其他方面都有所不同。

以下章节将回顾这些技术之间的一些差异。

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基础设施的范围和成本

这两个参数相互关联，因为工作范围决定了在建筑物等区域内部署实时基础设施的范围和成本定位系统所需的基础设施设备数量。范围越大，单位区域内的设备越少，而设备越少，成本就越低。

例如，UWB 的射频范围为 50 至 70 米，而蓝牙的定位应用范围仅为 10 至 20 米，Wi-Fi 为 40 至 50 米。另外，由于蓝牙和Wi-Fi中应用的定位技术都是基于接收信号强度。当设备远离基础设施时， 蓝牙和Wi-Fi的精度就会迅速下降。而与之对应，UWB 定位技术是基于信号的飞行时间的，因此其精度在工作范围内是恒定的。

理论距离和算法精度会共同影响各个锚点之间的实际部署间距。如图1-3 所示，使用 UWB（左）与蓝牙（右）和 Wi-Fi（右下）覆盖类似区域，使用 UWB 时，需要的无线锚点更少。这可显著降低基础设施、部署和维护成本。

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数据通信速度

与此同时，室内定位系统还必须能够同时从嵌入设备中的传感器收集数据。您肯定不想使用多项技术，因为这会导致系统过于复杂和昂贵。除了定位功能，UWB 还提供速率高达 27 Mbps 的数据通信管道，因此非常适合快速、高效地收集传感器数据。此外，工程师们正在与标准化组织合作，进一步将数据速率提高到 27 Mbps以上。

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可扩展性

大规模部署的一个重要考虑因素就是可在场所内同时运行的设备（即传可扩展性感器和执行器）数量。例如，工厂通常需要同时定位数千个资产才能构建自动化系统。由于其数据包非常短，所以 UWB 系统可处理数千个设备，而 Wi-Fi 和蓝牙只能处理几百个设备。

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延迟

无论您想为仓库构建一个实时定位系统，还是想要构建一个感应式门禁延迟系统，其中一个关键参数就是系统延迟，换句话说，就是定位报告之间的延迟，因为您要定位的设备很可能在移动。由于 UWB 的数据包非常短，且可实现精确可靠的位置测量，所以可实现不到 1 毫秒的延迟。这样就可以实现“真正的”实时定位检测，而其他技术则需要几秒钟才能获取和计算应用所需的位置信息。

超宽带技术运用描述

您可能不知道，但 UWB 已在 40 多个不同行业中部署实施，包括图1-4 中所示的以下应用：

消费类应用包括互联家居、零售、机器人、TV/机顶盒、人工现实 （AR） /虚拟现实 （VR）、运动和无人机。

汽车应用包括智能汽车的安全无钥门禁和无钥起动。

工业应用包括楼宇控制、健康医疗、农业、安全与安防、工厂自动化、机器人和采矿。

在制造业、工业物流、家居周边和汽车行业实现的工业 4.0 应用场景中，UWB 可以让物体和人员位置都清晰可见，因此可以提高运营效率、安全性和资产跟踪性能。

以下是 UWB 的一些有趣且有用的应用：

家居安全/互联家居：目前的报警系统需要用户来激活和停用系统。采用 UWB 之后，用户将获得无缝体验。您不再需要使用钥匙来开门，或使用触摸板来解除安全系统报警。当您把智能手机放在口袋里时，系统就会知道您走近或离开家的时间。其他应用包括智能遥控和智能手机，您只要指向想要控制的物体，并利用遥控的位置和方向来启用正确的功能，遥控器和智能手机就知道是哪个物体。

工业 4.0：UWB 可提供精确可靠的物体和人员位置信息，从而提高运营效率、安全性和资产跟踪性能。

工厂可利用 UWB 技术，在工人接近危险区域时发出警告，以提高安全性。如果发生紧急情况，UWB 可跟踪是否所有工人均已安全撤离。

UWB 还可用于“数字孪生”制造应用，这些应用使用物理对象或工艺的近实时数字图像来优化业务流程以提升绩效。（数字孪生是现实产品或资产的虚拟表示。它可用于管理制造商固定资产（如生产机器、生产线和工厂）的性能、有效性和质量。）UWB 标签可跟踪叉车和工具，以便实时查看工作进展，从而有助于提高工作流程的效率，并消除瓶颈。

汽车工业：采用 UWB 技术的密钥卡可实现安全通信和距离测量，以防止车辆被盗。UWB 采用飞行时间 （TOF） 概念，并结合了 IEEE 802.15.4z 标准要求的其他安全措施，是经过验证的防中继攻击技术。

机器人：UWB 可以实现非常精确的机器人导航系统。例如，您可以让剪草机自动、高效、精确、安全地割草。或者，您可以让自动导引车 （AGV） 将备件送到装配线上的特定工作站。个人运输机器人甚至可以跟着您走，帮您搬运任何需要移动的重型零件或设备。

运动：UWB 具有厘米级精度和低延迟，非常适合进行运动分析。您可以跟踪运动员快速运动过程中的统计数据，并且无需担心测量不准确。UWB 已经用于许多专业体育项目，帮助防止队员受伤，提高运动员的成绩。

企业：UWB 可实现可靠的社交距离解决方案，能够将工人安全运送到工作现场。由于其精确性、可靠性和实时性，UWB 成为企业应用的首选技术。

UWB 还可用于实现感应式门禁，这样员工就不再需要刷卡进出。这不仅便利，而且还提高了医院等环境的安全性。

UWB 是如何实现这些功能的？答案很简单 — 就是物理学！UWB 的性能优于 Wi-Fi 和蓝牙等其他定位技术，因为它的传输带宽非常宽（超过500 MHz），并且采用 ToF 来代替窄带通信和接收信号强度指示器（RSSI）。我们将在下一章详细地讨论这些内容。

编辑：jq