UWB技術的內(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是當今最好、最先進的定位技術，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)和室外定位應用的技術有多種，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的理想選擇。

除了其定位功能，Qorvo UWB技術還符合IEEE 802.15.4a標準和近期發(fā)布的IEEE 802.15.4z標準。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。制定該標準時，還考慮了低功耗和低成本因素，以及支持大量互連設備的能力。工程師們在創(chuàng)建該標準時有一個愿景：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）。與其他無線電技術不同，UWB并不使用幅度或頻率調(diào)制來編碼其信號傳輸?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****

在當今的許多應用中，定位跟蹤采用接收信號強度指示器 (RSSI) 實現(xiàn)。在RSSI應用中，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標準一起使用。根據(jù)已知的發(fā)射端設備的發(fā)射功率，就可以預測設備之間的距離。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，在某些情況下很有效。信標主要用于接近檢測。它們會在設備（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很遠，還是意味著信標和電話之間存在一個巨大的柱子？如圖3所示，每個信標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：信標信號應用（圖中顯示了信標和移動設備）

設備A可以從會議室天花板上的信標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信號明顯減弱，而這兩個信標與設備A的距離大致相同。設備B不在任何信標的LOS范圍內(nèi)，因此，所有信號都明顯減弱，而設備C處于開放式辦公室中多個信標的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測量已知位置其他信標的信號強度。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，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準的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)絡中添加更多信標，可以在一定程度上提高RSSI指紋識別的準確性。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）比標準窄帶信號（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準只能實現(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，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，比標準信標低3,000倍。

審核編輯：劉清