可穿戴設(shè)備的無(wú)線應(yīng)用

隨著可穿戴設(shè)備需要更多的吞吐量，以及更準(zhǔn)確的位置定位和距離測(cè)量變得非常重要，UWB將成為可穿戴設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施的基石。這種更高的定位精度和吞吐量將使可穿戴設(shè)備能夠真正進(jìn)行計(jì)算。

在過(guò)去的兩年里，可穿戴計(jì)算已經(jīng)從一個(gè)不切實(shí)際的星際迷航般的幻想，變成了每個(gè)人都試圖進(jìn)入的下一個(gè)熱門(mén)市場(chǎng)。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(shè)備推向了世界關(guān)注的最前沿。2012年價(jià)值7億美元的智能手表市場(chǎng)在2014年已成為25億美元的市場(chǎng)。最近，我們看到一股新的健身追蹤器腕帶，藍(lán)牙戒指，LifeBlogging設(shè)備和其他更深?yuàn)W的可穿戴設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)。

第一代可穿戴設(shè)備在很大程度上使用藍(lán)牙與佩戴者的智能手機(jī)進(jìn)行通信。鑒于藍(lán)牙在市場(chǎng)上的普遍性，這是有道理的 - 可穿戴設(shè)備的制造商可以通過(guò)藍(lán)牙連接到市場(chǎng)上幾乎任何智能手機(jī)。

早期的可穿戴設(shè)備使用無(wú)線來(lái)傳輸簡(jiǎn)短和低帶寬的內(nèi)容，例如SMS大小的消息或更新，來(lái)電通知等。但隨著可穿戴設(shè)備的進(jìn)步，消費(fèi)者希望他們的設(shè)備做得更多，其他無(wú)線技術(shù)在滿(mǎn)足無(wú)線可穿戴設(shè)備需求方面可能比藍(lán)牙更強(qiáng)大。

隨著可穿戴設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)，它們與用戶(hù)智能手機(jī)的連接是逐一處理的。這是完全合理的，因?yàn)樵O(shè)備正在進(jìn)入一個(gè)空的市場(chǎng)。但是，如果可穿戴設(shè)備按預(yù)期起飛，將需要更復(fù)雜的連接，例如大量設(shè)備動(dòng)態(tài)連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。這在標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙（BLE，又名藍(lán)牙4.0）中是不可能的，盡管它是由一些BLE芯片制造商以專(zhuān)有方式開(kāi)發(fā)的。當(dāng)用戶(hù)擁有一部智能手機(jī)和一臺(tái)可穿戴設(shè)備時(shí)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并不重要，但隨著用戶(hù)開(kāi)始擁有更多的可穿戴設(shè)備，例如智能手表，眼鏡顯示器和健身手環(huán)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將變得更加重要。此外，隨著這些設(shè)備開(kāi)始連接到智能家居和智能辦公室，用于安全、環(huán)境個(gè)性化等應(yīng)用，以網(wǎng)狀方式動(dòng)態(tài)連接到許多設(shè)備將變得更加重要。

無(wú)線技術(shù)在可穿戴設(shè)備上的另一個(gè)重要用途是位置跟蹤?？纱┐髟O(shè)備可以根據(jù)自己的位置與環(huán)境進(jìn)行交互，例如在進(jìn)入房間或接近房間的特定區(qū)域時(shí)打開(kāi)燈。當(dāng)您離智能手機(jī)或錢(qián)包太遠(yuǎn)時(shí)，可穿戴設(shè)備可以通知您。可穿戴設(shè)備可以根據(jù)可穿戴設(shè)備的確切位置和方向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)?？纱┐髟O(shè)備可以在您四處走動(dòng)時(shí)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(dāng)我離智能手機(jī)超過(guò)5米時(shí)，我不會(huì)希望每次某種障礙物導(dǎo)致我的手機(jī)認(rèn)為它離無(wú)線接入點(diǎn)比實(shí)際位置更遠(yuǎn)時(shí)都發(fā)出假警報(bào)。如果我想知道我什么時(shí)候靠近一個(gè)朋友，我需要知道它，因?yàn)槲医咏莻€(gè)朋友，而不是5分鐘后，也不是在我還很遠(yuǎn)的時(shí)候。

不幸的是，許多人在使用藍(lán)牙進(jìn)行位置跟蹤時(shí)遇到了麻煩，在準(zhǔn)確性，延遲和一致性方面存在可衡量的問(wèn)題?；贐LE的位置接近系統(tǒng)可能需要長(zhǎng)達(dá)20秒的時(shí)間才能注意到您已經(jīng)進(jìn)入了關(guān)鍵區(qū)域，而基于BLE的位置跟蹤通常只能精確到3-6米以?xún)?nèi)。兩個(gè)設(shè)備之間的距離越遠(yuǎn)，精度就越差。

位置定位缺乏準(zhǔn)確性和速度，阻礙了可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)上基于位置的應(yīng)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(yīng)用程序在移動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備上真正起飛，”灰熊分析分析師Bruce Krulwich博士說(shuō)。

藍(lán)牙缺乏定位精度的原因很明顯。幾乎所有基于藍(lán)牙的位置和距離都是通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量的。從邏輯上講，這是有道理的 - 兩個(gè)設(shè)備之間的距離越遠(yuǎn)，它們之間的信號(hào)就越弱。不幸的是，反之則不然。如果信號(hào)強(qiáng)度低，是因?yàn)榈诙€(gè)設(shè)備很遠(yuǎn)，還是因?yàn)閮蓚€(gè)設(shè)備之間存在障礙物？許多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，包括障礙物、反射、折射、多路徑接收等，都使信號(hào)強(qiáng)度成為不可靠的距離指標(biāo)。

當(dāng)然，還有許多其他無(wú)線測(cè)量距離和位置的方法，例如測(cè)量到達(dá)時(shí)間（ToA）或到達(dá)時(shí)差（TDoA），它們往往比信號(hào)強(qiáng)度更準(zhǔn)確。但窄帶無(wú)線電，如藍(lán)牙和Wi-Fi信號(hào)，往往很難用于ToA。窄帶傳輸?shù)男螤顬橹饾u開(kāi)始和結(jié)束的長(zhǎng)脈沖。這非常適合高帶寬和彈性傳輸，但這意味著無(wú)線電波沒(méi)有一個(gè)可以精確和一致地測(cè)量的明確開(kāi)始和停止。這也意味著反射和折射等無(wú)線效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重?fù)p害無(wú)線電波的清晰度。

目前進(jìn)入市場(chǎng)的這一挑戰(zhàn)的一個(gè)解決方案，特別是在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和可穿戴設(shè)備中，是超寬帶（UWB）無(wú)線電。UWB 無(wú)線電的設(shè)計(jì)方式可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、一致且有彈性的位置和距離測(cè)量。下圖顯示了 UWB 與藍(lán)牙等窄帶系統(tǒng)的比較：

圖 1：藍(lán)牙與 UWB 脈沖比較。

UWB的窄而清晰的無(wú)線電脈沖使得測(cè)量到達(dá)時(shí)間變得更加容易，與藍(lán)牙相比，距離測(cè)量要準(zhǔn)確得多。

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

圖 2：藍(lán)牙與 UWB 反射處理比較。

窄帶無(wú)線電最終被反射損壞，因此其內(nèi)容仍然被傳輸，但其信號(hào)較弱，不能用于距離測(cè)量。另一方面，UWB仍然非常適應(yīng)到達(dá)時(shí)間測(cè)量。

UWB也可以在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中輕松實(shí)現(xiàn)。與藍(lán)牙針對(duì)兩個(gè)設(shè)備之間配對(duì)通信的設(shè)計(jì)不同，UWB 支持多對(duì)多網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信。

UWB的數(shù)據(jù)速率不如Wi-Fi高，但在6-7 Mbps時(shí)高于藍(lán)牙，并且足以用于可穿戴設(shè)備之間的無(wú)線通信。大多數(shù)可穿戴設(shè)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(qǐng)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(duì)于小型設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的UWB無(wú)線單芯片實(shí)現(xiàn)，為可穿戴設(shè)備打開(kāi)了UWB的大門(mén)。其他公司在設(shè)備或印刷電路板（PCB）模塊中提供UWB，但單芯片實(shí)現(xiàn)更適合可穿戴設(shè)備集成。SK電信使用DecaWave的UWB芯片在2014年世界移動(dòng)通信大會(huì)上提供了非常精確的位置跟蹤演示，清楚地表明，改進(jìn)位置測(cè)量的基本原理實(shí)際上在實(shí)踐中已經(jīng)出現(xiàn)。

目前，UWB已用于聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，但在配備UWB的智能手機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)之前無(wú)法與智能手機(jī)交互。支持UWB的智能手機(jī)已經(jīng)得到演示，許多手機(jī)制造商正在評(píng)估UWB芯片，以便集成到未來(lái)的型號(hào)中。

審核編輯：郭婷