一篇文章帶你了解UWB

UWB技術(shù)因?yàn)樘O果手機(jī)中的應(yīng)用而站到了聚光燈下，與近期的光刻機(jī)一樣接受著吃瓜群眾們好奇的眼光。其實(shí)UWB并不是一個(gè)新技術(shù)，早在軍工領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)候還要追溯到上個(gè)世紀(jì)，那時(shí)候美蘇還在冷戰(zhàn)，國內(nèi)還在改開；工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也有了小20年的時(shí)間，各技術(shù)服務(wù)商在市場上已經(jīng)拼殺了好幾個(gè)回合了；而去年才放出的商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用消息，卻終于讓UWB走上了臺(tái)前（可喜可賀）。

本篇文章將全方位介紹UWB技術(shù)，讓大家對(duì)UWB有更深刻的了解。

什么是UWB

UWB指Ultra Wide-Band（超寬帶），是一種新型的無線通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很大，盡管使用無線通信，但其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百兆比特每秒以上。

UWB技術(shù)利用頻譜極寬的超寬基帶脈沖進(jìn)行通信，故又稱為基帶通信技術(shù)、無線載波通信技術(shù)，主要用于軍用雷達(dá)、定位和低截獲率/低偵測率的通信系統(tǒng)中。

UWB的發(fā)展歷史

UWB技術(shù)誕生于1960年代，應(yīng)用一直局限于軍事、雷達(dá)定位及測距等方面。直到2002年2月，UWB才獲得FCC批準(zhǔn)，用于民用和商用通信，緊隨其后日本于2006年8月開放了超寬帶頻段，2007年3月，ISO正式通過了WiMedia聯(lián)盟提交的MB-OFDM標(biāo)準(zhǔn)，正式成為了UWB技術(shù)的第一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)。

目前已有超過20多家廠商開發(fā)推出了UWB技術(shù)芯片、應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)和相關(guān)設(shè)備。其中走在前列的主要是美國的制造商，另外，也包括一些以色列、日本、英國、歐洲和中國臺(tái)灣的企業(yè)。

與國外先進(jìn)國家相比，我國的UWB研發(fā)起步相對(duì)較晚。從1999年開始，我國研究者開始關(guān)注UWB技術(shù)的發(fā)展。2001年，國家“863”計(jì)劃啟動(dòng)了高速UWB實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)的研發(fā)項(xiàng)目，經(jīng)過遴選，由東南大學(xué)、清華大學(xué)、中國科技大學(xué)分別進(jìn)行研發(fā)，各自提出方案，分別于2005年12月和2006年4月完成并通過驗(yàn)收。在2011年的中國國際信息通信展覽會(huì)上，深圳國人通信有限公司推出了超寬帶數(shù)字光纖分布系統(tǒng)（UW-DDS ），這是可實(shí)現(xiàn)多制式多業(yè)務(wù)共同接入、協(xié)同發(fā)展以及共建共享的最新解決方案，已在國家大劇院等處應(yīng)用并獲得巨大成功。

隨著室內(nèi)定位商業(yè)模式的初步浮現(xiàn)以及主流芯片廠家、位置服務(wù)提供商、集成商等在產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)上的大力推動(dòng)，目前UWB技術(shù)在國內(nèi)甚至全球市場都已經(jīng)有著大量的行業(yè)應(yīng)用案例。

技術(shù)特點(diǎn)

UWB在應(yīng)用上主要有兩大作用：測距與定位。支撐這兩個(gè)作用的因素在于以下技術(shù)特點(diǎn)：

1. 高精度

具有厘米級(jí)的高精度定位能力。UWB信號(hào)時(shí)域?qū)挾葮O窄，接收端在測量時(shí)，能獲得極高的時(shí)間分辨率，簡單講就是時(shí)間測量準(zhǔn)，這是實(shí)現(xiàn)高精度定位的基礎(chǔ)。

同時(shí)它還具有很強(qiáng)的抗多徑能力，不同方向到達(dá)的信號(hào)很難出現(xiàn)疊加干擾，這對(duì)高精度定位也非常有好處。

2. 低功耗

UWB系統(tǒng)使用周期性的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，一般在0.20ns～1.5ns之間，占空比非常低，省去了發(fā)送連續(xù)載波的大量功耗，因此功耗可以做到很低。

3. 高安全

UWB通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能，其帶寬大，****功率譜密度比噪聲還要低，承載的信息淹沒在噪聲中，被截獲和干擾的概率非常低。反之，影響其他無線通信（如WIFI）的概率也非常低?？偨Y(jié)起來，就是自己既不干擾別人，別人也很難干擾自己。

4. 低成本

部署UWB定位系統(tǒng)，有一定的硬件采購成本，但UWB****覆蓋范圍大，典型半徑達(dá)50-150米，同樣面積下，需部署的設(shè)備更少。同時(shí)，UWB系統(tǒng)一旦部署調(diào)試完畢，幾乎不用再改動(dòng)，一次投入，可用10年，運(yùn)營成本極低。

測距與定位原理

UWB的測距原理

TOF

飛行時(shí)間法（Time of flight，TOF）是一種雙向測距技術(shù)，它通過測量UWB信號(hào)在****與標(biāo)簽之間往返的飛行時(shí)間來計(jì)算距離。根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，一點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離為常數(shù)，那么這點(diǎn)一定在以已知點(diǎn)為圓心，以該常數(shù)為半徑的圓上。有兩個(gè)已知點(diǎn)，就有兩個(gè)交點(diǎn)。以三個(gè)已知點(diǎn)和距離作三個(gè)圓，他們交于同一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。

基于TOF的定位方法測距不依賴****與標(biāo)簽的時(shí)間同步，故沒有時(shí)鐘同步偏差帶來的誤差，但TOF測距方法的時(shí)間取決于時(shí)鐘精度，時(shí)鐘偏移會(huì)帶來誤差。為了減少時(shí)鐘偏移量造成的測距誤差，通常采用正反兩個(gè)方向的測量方法，即遠(yuǎn)端****發(fā)送測距信息，標(biāo)簽接收測距信息并回復(fù)，然后再由標(biāo)簽發(fā)起測距信息，遠(yuǎn)端****回復(fù)，通過求取飛行時(shí)間平均值，減少兩者之間的時(shí)間偏移，從而提高測距精度。

TDOA

到達(dá)時(shí)間差（Time Differenceof Arrival，TDOA）是一種利用到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位的方法又稱為雙曲線定位。標(biāo)簽卡對(duì)外發(fā)送一次UWB信號(hào)，在標(biāo)簽定位距離內(nèi)的所有****都會(huì)收到無線信號(hào)，如果有兩個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)的****收到信號(hào)，標(biāo)簽和****的距離間隔不同，因此這兩個(gè)收到信號(hào)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是不一樣的，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，到已知兩點(diǎn)為常數(shù)的點(diǎn)，一定處于以這兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線上。那么有四個(gè)已知點(diǎn)（四個(gè)定位****）就會(huì)有四條雙曲線，四條雙曲線交于一點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。

TDOA算法并不是直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間，而是利用多個(gè)****接收到信號(hào)的時(shí)間差來確定移動(dòng)目標(biāo)的位置。因此與TOA相比并不需要加入專門的時(shí)間戳來進(jìn)行時(shí)鐘同步，定位精度相對(duì)有所提高。

UWB的定位原理

知道了UWB的測距原理，再來了解UWB的室內(nèi)定位原理就很容易了。UWB的室內(nèi)定位功能和衛(wèi)星原理很相似，就是通過室內(nèi)布置4個(gè)已知坐標(biāo)的定位****，需要定位的人員設(shè)備攜帶定位標(biāo)簽，標(biāo)簽按照一定的頻率發(fā)送脈沖，不斷和4個(gè)已知位置的****進(jìn)行測距，通過一定的精確算法定出標(biāo)簽的位置。

應(yīng)用場景

UWB應(yīng)用主要適用于三大場景，出入管理、位置服務(wù)和設(shè)備間交流。

三大應(yīng)用場景主要針對(duì)智能家居和智能辦公、智慧城市、智慧交通、消費(fèi)電子、新零售、消費(fèi)和醫(yī)療等領(lǐng)域。

無障礙出入管理（Hands-Free Access Control）是利用UWB技術(shù)，實(shí)現(xiàn)出入門禁管理，當(dāng)人物靠近門禁時(shí)，自動(dòng)感應(yīng)、識(shí)別完成解鎖，替代傳統(tǒng)需互動(dòng)接觸的指紋、密碼的應(yīng)用場景；

位置服務(wù)（Location-Based Services）是基于UWB在多重路徑下高穿透力的穩(wěn)定傳輸性能， 實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位和大數(shù)據(jù)分析；

設(shè)備互聯(lián)互通（P2P Applications）則主要用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，如視頻電話會(huì)議、自動(dòng)駕駛V2X、AR/VR游戲、遠(yuǎn)程支付等。

定位方案

目前在UWB定位服務(wù)市場中，各類服務(wù)商如雨后春筍，紛紛跑步進(jìn)場，想分一杯定位市場的鮮湯，筆者通過對(duì)比各家的定位方案，總結(jié)出了各定位方案較通用的部分，其他針對(duì)特定場景的特定技術(shù)服務(wù)不做論述，主要功能如下：

1、實(shí)時(shí)定位與人員分布

唯一標(biāo)簽綁定人員信息，實(shí)時(shí)位置跟蹤，統(tǒng)計(jì)人員位置和分布熱度圖，隨時(shí)隨地掌握人員動(dòng)態(tài)，便于實(shí)現(xiàn)人員管理。

2、人員跟蹤與行為監(jiān)測

可對(duì)區(qū)域內(nèi)各種行為監(jiān)測：區(qū)域超時(shí)、區(qū)域聚眾、長時(shí)間不動(dòng)等，隨時(shí)滿足安全管理要求，保障人身安全。并可標(biāo)記重點(diǎn)人員，進(jìn)行行為分析監(jiān)控。

3、電子圍欄與高危區(qū)域

系統(tǒng)可隨時(shí)設(shè)置電子圍欄，進(jìn)行人員權(quán)限控制，確保高危區(qū)域有權(quán)限人員才能進(jìn)入。圍欄管理實(shí)現(xiàn)進(jìn)出限制，確保生產(chǎn)安全。

4、歷史軌跡存儲(chǔ)與查詢

系統(tǒng)可以無限時(shí)間存儲(chǔ)人員歷史軌跡，用于查詢分析人員行為，為事件分析提供依據(jù)并可以分析人員行為，進(jìn)行重點(diǎn)人員監(jiān)控。

5、門禁視頻聯(lián)動(dòng)

系統(tǒng)進(jìn)行門禁聯(lián)動(dòng)，比對(duì)確定人卡一致；并對(duì)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行視頻跟蹤，可隨時(shí)觀察區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場情況，方便進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，有效保障人員資產(chǎn)安全。

6、到崗到位

可滿足安全業(yè)務(wù)中，安全監(jiān)察人員到崗到位監(jiān)察，保證安全生產(chǎn)，并可結(jié)合人員密度以及高危提醒為安全監(jiān)察人員提供便捷的監(jiān)察路線，提高安全監(jiān)察管理效率。

小結(jié)

想要利用UWB，就要對(duì)其有最根本的了解，UWB的應(yīng)用空間非常廣闊，良性的市場競爭與技術(shù)研究的深入能夠激發(fā)出技術(shù)無限的潛力，在可見的未來，UWB技術(shù)必將還有更多、更廣的應(yīng)用，拭目以待。