村田：什么是UWB無(wú)線(xiàn)通信？使用UWB的定位方法有哪些應(yīng)用 ?

UWB是Ultra-Wide Band的縮寫(xiě)，意思是超寬帶。UWB無(wú)線(xiàn)通信是使用超寬帶的頻率帶寬的無(wú)線(xiàn)通信，其主要特征是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位。近年來(lái)，已普及至智能手機(jī)防丟失、高階汽車(chē)智能鑰匙等民用設(shè)備。預(yù)計(jì)未來(lái)將在多個(gè)領(lǐng)域普及。

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有哪些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?技術(shù)發(fā)展歷史如何?有什么主要用途呢?

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信的特征

　　IEEE802.15.4z是UWB無(wú)線(xiàn)通信的代表性標(biāo)準(zhǔn)，其中有使用Impulse Radio的方式，Impulse Radio使用持續(xù)時(shí)間短的脈沖信號(hào)。該標(biāo)準(zhǔn)的主要特征如下：

　　高精度測(cè)距和定位

　　安全性高

　　對(duì)其他通信干擾弱

　　低功耗

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信如何展現(xiàn)這些特征?

　　在UWB無(wú)線(xiàn)通信中，如圖1所示，將寬度為2ns(納秒，10-9秒)左右的脈沖作為數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。這種短持續(xù)時(shí)間脈沖具有能進(jìn)行高分辨率的測(cè)距和定位的特性。

　　另一方面，時(shí)域中的脈沖寬度小意味著頻域中的功率譜占據(jù)很寬的頻帶(通信中的時(shí)域和頻域?qū)⒃诤笪慕庹f(shuō))。

　　圖2定性地顯示了該頻域中UWB無(wú)線(xiàn)通信的傳輸功率(功率譜密度)。例如，如果同第2代手機(jī)和Wi-Fi以及第3代手機(jī)等傳統(tǒng)通信所使用的頻率帶寬相比較，可以看到UWB無(wú)線(xiàn)通信的頻率帶要寬得多。

　　此外，UWB無(wú)線(xiàn)通信的傳輸功率峰值不僅低于其他通信方式，而且其設(shè)定值低于FCC(Federal Communication Commission：美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))*1規(guī)定的無(wú)線(xiàn)電波輻射數(shù)字設(shè)備的噪聲水平規(guī)定值-輻射電磁噪聲規(guī)定值?41.3dBm/MHz*2(75nW/MHz)。

　　由于UWB無(wú)線(xiàn)通信具有以上所述的使用頻率帶寬、傳輸功率等級(jí)低于噪聲等級(jí)的通信特性，因此對(duì)其他通信的干擾較弱，且通信本身不為第三方所知，所以其安全性高，而且，還具有能進(jìn)行低功耗通信的特點(diǎn)。

　　*1 FCC(Federal Communication Commission：美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))：在美國(guó)參與管理和監(jiān)管美國(guó)全部通信(無(wú)論是無(wú)線(xiàn)還是有線(xiàn))的政府機(jī)構(gòu)。

　　*2 dBm/MHz：每1MHz頻率寬度的功率等級(jí)(功率譜密度)。dBm是將功率轉(zhuǎn)換為常用對(duì)數(shù)時(shí)的單位。在通信領(lǐng)域中，需要處理的數(shù)值范圍很廣，直接處理很不方便。所以通常使用對(duì)數(shù)表示來(lái)縮小其范圍。

　　UWB技術(shù)的歷史和法規(guī)

　　自1960年代以來(lái)，UWB技術(shù)在美國(guó)主要作為軍用雷達(dá)進(jìn)行研究。直到1994年左右，它還是一種被視為軍事機(jī)密的通信技術(shù)。從1998年左右開(kāi)始，美國(guó)FCC開(kāi)始考慮將UWB用于民用，并于2002年獲得批準(zhǔn)，此后，UWB芯片套件等的研究不斷向前推進(jìn)。文章來(lái)源：http://www.ameya360.com/hangye/110446.html

　　到2019年之后，UWB才廣為公眾所知。引發(fā)這一現(xiàn)象的是配備UWB模塊的智能手機(jī)的問(wèn)世。由此，在過(guò)去未將UWB用于民用目的的國(guó)家，使用許可也取得了進(jìn)展。

　　UWB技術(shù)就是這樣發(fā)展起來(lái)的，如果特別關(guān)注頻率帶寬規(guī)定的話(huà)，會(huì)發(fā)現(xiàn)FCC分配的UWB無(wú)線(xiàn)電頻率帶寬是3.1GHz-10.6GHz之間的7.5GHz。另一方面，歐盟、歐亞大陸、東亞、大洋洲等國(guó)家和地區(qū)分配的帶寬與此略有不同，其規(guī)定是在室內(nèi)和室外主要能使用6.0GHz-9.0GHz左右的帶寬。

　　然而，目前大多數(shù)UWB模塊遵守的是IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers：電氣與電子工程師協(xié)會(huì))*3在 2007年采用的短距離無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4a中指定UWB優(yōu)先使用通道號(hào)9(中心頻率：7987.2MHz，頻率帶寬：499.2MHz)的規(guī)格。

　　*3 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers：電氣與電子工程師協(xié)會(huì))：世界上最大的電氣領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究組織。也是該領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織。

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信的用途

　　這里，我們對(duì)UWB無(wú)線(xiàn)通信在民用和工業(yè)中的主要用途以及今后可期待的用途進(jìn)行介紹：

　　民用UWB無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備和服務(wù)

　　- 防范丟失

　　通過(guò)在物品上貼上UWB標(biāo)簽，可以防范其丟失。例如，將UWB標(biāo)簽貼在包、錢(qián)包、鑰匙等上面，使用配備有UWB模塊的智能手機(jī)，可以以cm級(jí)精度定位UWB標(biāo)簽的位置，并找到這些物品。此外，雖然UWB標(biāo)簽的電池是紐扣電池，但由于功耗低，所以被認(rèn)為可以使用1年左右。

　　自2019年以來(lái)，UWB模塊不僅越來(lái)越多地配備在智能手機(jī)中，而且還配備在平板電腦、智能手表和智能音箱等民用設(shè)備中。今后，隨著使用UWB無(wú)線(xiàn)通信的各式產(chǎn)品和服務(wù)的出現(xiàn)，預(yù)計(jì)將成長(zhǎng)為一個(gè)大規(guī)模的市場(chǎng)。

　　- 安全地入退館和入退室

　　通過(guò)使用配備UWB模塊的智能手機(jī)，可以構(gòu)建不用手且安全地入退館和入退室的系統(tǒng)。

　　利用UWB的高精度測(cè)距和高安全性的特征，可以在迄今為止使用密碼、物理鑰匙、IC卡等的公寓等住宅以及處理機(jī)密信息的辦公室和工廠(chǎng)等處不需要取出鑰匙以及IC卡，將智能手機(jī)等放在口袋或包里即可安全地解鎖入口。能夠順利入退館和入退室的應(yīng)用程序有望得到普及。

　　- 免提支付和計(jì)費(fèi)

　　通過(guò)使用配備UWB模塊的智能手機(jī)，可以在超市、便利店、餐館等商業(yè)設(shè)施構(gòu)建不用手且安全的支付系統(tǒng)，此外，還能在車(chē)站檢票口、娛樂(lè)設(shè)施、住宿設(shè)施、停車(chē)場(chǎng)等處構(gòu)建計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

　　利用UWB的高精度測(cè)距和高安全性的特征，不需要拿出錢(qián)包、IC卡、智能手機(jī)等即可不用手、順利地進(jìn)行支付和計(jì)費(fèi)的應(yīng)用程序有望得到實(shí)用化和普及。

　　汽車(chē)用UWB無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備及應(yīng)用

　　- 智能鑰匙

　　作為利用UWB無(wú)線(xiàn)的高精度測(cè)距和定位的用途之一的是汽車(chē)智能鑰匙。例如，可以配備以下操作功能：通過(guò)在汽車(chē)附近使用UWB進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信在約1m以?xún)?nèi)判斷車(chē)主并解鎖，或者在車(chē)主位于數(shù)十厘米以?xún)?nèi)時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　此外，由于UWB無(wú)線(xiàn)的傳輸功率很低，是一種具有高度保密性的通信，因此可以防范中繼攻擊(第三方中繼傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)鑰匙持續(xù)輸出的電波并解鎖的盜竊手段)等，強(qiáng)化安全性。

　　- 車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)化

　　如今，配備各式各樣的傳感器、雷達(dá)、AI系統(tǒng)等并讓它們相互合作的汽車(chē)IoT化不斷發(fā)展，作為CAN(Controller Area Network)等車(chē)載網(wǎng)絡(luò)使用的線(xiàn)束(由電線(xiàn)和連接端子組成的車(chē)載部件)據(jù)說(shuō)在某些車(chē)型上的總長(zhǎng)度已達(dá)到10km，總重量已達(dá)到50kg。作為聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)也在并行發(fā)展，在這種情況下，與其他通信之間的干擾較弱的UWB無(wú)線(xiàn)技術(shù)被認(rèn)為在實(shí)現(xiàn)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)化中非常有效。

　　工業(yè)用UWB無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備和系統(tǒng)

　　- 工廠(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)等的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

　　使用多個(gè)UWB錨點(diǎn)和UWB標(biāo)簽*4，可以構(gòu)建高精度、實(shí)時(shí)掌握放置在工廠(chǎng)和物流現(xiàn)場(chǎng)等處的部件和包裹等的位置的系統(tǒng)-實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(RTLS：Real Time Location System)。

　　*4 在使用UWB無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行定位時(shí)，標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)被多個(gè)錨點(diǎn)接收，并能通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行處理來(lái)準(zhǔn)確確定標(biāo)簽的位置(參見(jiàn)專(zhuān)欄)。工業(yè)UWB錨點(diǎn)通常與定位引擎、應(yīng)用服務(wù)器等結(jié)合使用。

　　UWB中的定位方法

　　UWB中的定位方法

　　作為使用UWB無(wú)線(xiàn)通信的定位方法，代表性的方法是將配備UWB功能的智能手機(jī)等終端或工業(yè)用UWB 錨點(diǎn)、通過(guò)UWB標(biāo)簽之間的ToF(Time of Flight)進(jìn)行的測(cè)距以及通過(guò)AoA(Angle of Arrival)進(jìn)行的測(cè)量角度進(jìn)行組合。

　　以下，我們對(duì)每種方法分別進(jìn)行解說(shuō)。

　　通過(guò)ToF進(jìn)行的測(cè)距

　　通過(guò)使用UWB無(wú)線(xiàn)通信的ToF(Time of Flight)技術(shù)進(jìn)行測(cè)距的原理是：通過(guò)測(cè)量從消息(信號(hào))發(fā)送到接收的時(shí)間來(lái)計(jì)算到物體的距離。具體而言就是UWB****發(fā)送短脈沖信號(hào)，接收器接收該信號(hào)。從發(fā)送到接收所需的時(shí)間稱(chēng)為T(mén)oF。

　　使用ToF技術(shù)的UWB測(cè)距可以根據(jù)電磁波的速度(光速)和所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算距離。具體而言就是用所需時(shí)間和光速的乘積求出距離。可以通過(guò)UWB的超寬帶特性利用短脈沖信號(hào)，因此，可以獲得很高的時(shí)間分辨率和測(cè)量精度。由此，在傳感和定位應(yīng)用中可有望得高精度的測(cè)量結(jié)果，因此已被應(yīng)用于各式各樣的領(lǐng)域。

　　UWB測(cè)距技術(shù)主要有2種手法：SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)和DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging)。這些手法采用不同的方法通過(guò)信號(hào)往返進(jìn)行距離測(cè)量。

　　- SS-TWR：

　　SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)是一種僅由一方的設(shè)備測(cè)量往返時(shí)間的方法。在這種手法中，設(shè)備A向設(shè)備B發(fā)送信號(hào)，設(shè)備B收到該信號(hào)后，向設(shè)備A發(fā)送回復(fù)信號(hào)。設(shè)備A測(cè)量從發(fā)送到接收所花費(fèi)的時(shí)間并計(jì)算往返時(shí)間。此方法僅使用設(shè)備A就能進(jìn)行測(cè)量，但需要兩個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘同步。

　　- DS-TWR：

　　DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging)是一種用兩臺(tái)設(shè)備測(cè)量往返時(shí)間并共享結(jié)果的方法。在這種手法中，設(shè)備A向設(shè)備B發(fā)送信號(hào)，設(shè)備B收到該信號(hào)后，向設(shè)備A發(fā)送回復(fù)信號(hào)。設(shè)備 A和設(shè)備B分別測(cè)量各自從發(fā)送到接收所需要的時(shí)間，并使用這些結(jié)果計(jì)算往返時(shí)間。這種方法不需要時(shí)鐘同步，因此測(cè)量更容易，精度更高。

　　通過(guò)AoA進(jìn)行的角度測(cè)量

　　AoA(Angle of Arrival)是一種計(jì)算從設(shè)備A看到的設(shè)備B放置方向的角度的方法。如圖4所示，UWB無(wú)線(xiàn)中通過(guò)AoA進(jìn)行的角度測(cè)量的原理是：設(shè)備B****的電波被設(shè)備A的多根天線(xiàn)接收，并且根據(jù)接收的電波的相位差計(jì)算角度。使用這種方法，能通過(guò)用2根天線(xiàn)進(jìn)行的角度測(cè)量(2D AoA)進(jìn)行平面定位，以及通過(guò)用3根天線(xiàn)進(jìn)行的角度測(cè)量(3D AoA)進(jìn)行三維定位。

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