來源：Qorvo半導體
定位技術如何改變世界

不管您相信與否，就在 20 年前，公眾還無法輕易獲取位置信息！2000 年 5 月，公眾開始使用全球定位系統(tǒng) (GPS) 的定位和導航功能，例如用于尋找最近的 ATM 機或加油站。在 2000 年之前，人們使用傳統(tǒng)的方法游走世界，如查看地圖、找人問路或者在反復迷路中摸索出正確的路線。

10 年前，室內(nèi)導航應運而生。大家可以想一想覆蓋購物中心、機場以及其他大型建筑的谷歌地圖。由于出現(xiàn)了基于位置的新型服務，可幫助人們找到商店并實現(xiàn)定向營銷等，定位數(shù)據(jù)變得更加有價值。

很難想象在世界任何地方，無論是在室內(nèi)還是室外，如果沒有便捷的導航，生活會是什么樣子。大家可以想象一下，如果沒有 GPS 技術，各大電商要實現(xiàn)高效送貨會有多困難。如果沒有 GPS 技術，亞馬遜還能躋身成為價值萬億美元的公司嗎？而這只是一個行業(yè)。

如今，我們正在目睹新一代定位技術的崛起：精準微定位系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠以前所未有的方式實現(xiàn)精準定位。定位技術為什么會有這些發(fā)展？因為公眾和企業(yè)希望以更可靠且更精確的方式定位幾乎任何東西，例如鑰匙、遙控器或當?shù)仉s貨店第九排貨架上無麩質(zhì)面包的確切位置等。企業(yè)對企業(yè) (B2B) 以及消費類零售行業(yè)都認識到更可靠且更精確的室內(nèi)定位系統(tǒng)可帶來的附加價值。例如，它可以幫助消費者導航室內(nèi)場所，增加住宅和商業(yè)建筑的智能自動化水平，并且可以幫助企業(yè)實時了解運營、資產(chǎn)和員工動態(tài)，從而提高企業(yè)的運營效率。

定位的價值

現(xiàn)有的嵌入式技術能夠讓設備確定內(nèi)容和時間，并向其用戶報告此類信息。傳感器用于提供內(nèi)容信息，精確的系統(tǒng)時鐘用于提供時間信息，而設備之間通過無線射頻 (RF) 連接傳輸信息。

在設備的功能中添加位置維度就像是賦予它第六感一樣。位置信息可提供驚人的新見解，并使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建情境感知產(chǎn)品和服務，這在以前是不可能實現(xiàn)的。

以下是能夠感知“位置”的潛在優(yōu)勢：

• 效率：在工廠和倉庫中，實時了解資產(chǎn)的位置可以提高利用率，減少尋找時間，并且能夠進一步提高“適時制”流程效率。

  
  

  
  

• 安全性：實時獲知人員、自動導引車和機器人的位置，即可控制他們之間的互動，避免發(fā)生意外，而且可以讓人員遠離非安全區(qū)域。

  
  

  
  

• 決策支持：實時了解人員或物體的位置還支持根據(jù)環(huán)境做出決策，比如當您在不同房間走動時自動調(diào)節(jié)立體聲，或者讓您可以通過簡單地指向物體來控制它們。

  
  

  
  

• 安全：實時了解人員和資產(chǎn)的位置還可以提高安全性。如果人員的位置是無法偽造的，其位置就可以用作新的安全憑證。這些信息可用于限制對特定區(qū)域的訪問，并保護物理資產(chǎn)、數(shù)據(jù)和通信。

  
  

如圖 1-1 中所示，在醫(yī)療保健、安防、智能家居、健身、智慧城市、汽車、工業(yè)等領域，了解位置信息開啟了許多應用。通過 UWB 技術所支持的實時定位功能，越來越多的應用有助于激發(fā)我們的創(chuàng)新思維，因此實際用例將會不斷增長。

為什么需要新的實時定位技術

技術。提高精度是明顯需求：物體和人員定位和導航，需要厘米級精度，而傳統(tǒng)的定位技術（如 GPS）的測量精度為幾米。但是，單憑精度是不夠的。該技術還必須：

• 在嚴苛的環(huán)境下具有出色的可靠性

  
  

• 具有可擴展性，足以滿足大型場所中數(shù)千人員和資產(chǎn)的定位需求

  
  

• 功耗很小

  
  

• 經(jīng)濟實惠

  
  

• 可嵌入任何東西中，從高端復雜設備（如智能手機）到低端簡

  
  

• 單設備（如資產(chǎn)標簽）

  
  

• 實時操作，因為位置與運動有關

  
  

藍牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 技術非常有用，已經(jīng)用于定位系統(tǒng)中。然而，它們并不是針對實時精準微定位服務而設計。例如，BLE 技術適用于涉及低功耗數(shù)據(jù)通信的應用。然而，盡管工程界盡了最大努力，但BLE 和 Wi-Fi 仍無法滿足精確、可靠、實時定位服務的需求。例如，BLE 精度在幾米范圍內(nèi)，其可靠性在很大程度上取決于其所在環(huán)境。

但是，由于其已經(jīng)普及多年，所以人們首先想到的就是 Wi-Fi 和 BLE 技術。在過去幾年，它們還用于信標和接入點。

信標是一種小型無線發(fā)射器，采用藍牙技術向附近的智能設備發(fā)送信號，同時還可以連接和傳輸信息，使定位搜索和交互變得更加容易、更加精確。

然而，它們在定位應用方面的價值有限，因為它們需要進行大量處理和測量才能獲得一個有用的位置點。使用這些技術需要時間，不具實時性，而且還會增加功耗。

由于上述這些因素，現(xiàn)在是時候推出 UWB 技術了，而且市場也已經(jīng)準備就緒。UWB 是專為滿足實時定位應用需求而開發(fā)的技術標準。

超寬帶技術簡介

UWB 是一種 IEEE 802.15.4a/z 標準技術，針對安全的精準微定位應用進行了優(yōu)化。它完全滿足上一節(jié)中的所有要求。像 GPS 技術一樣，UWB 能夠通過大幅提高定位信息的價值，在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生重大影響。

如圖 1-2 中所示，UWB 具有以下特性：

• 極其精確：UWB 可以準確定位人和物的位置，精度達到幾厘米之內(nèi)。比 Wi-Fi 和 BLE 精確 100 倍。當跟蹤/定位小型物體時，非常重要。

  
  

  
  

• 安全可靠：UWB 不易受多路徑和干擾影響。由于存在反射和其他干擾，室內(nèi)位置測量對于射頻系統(tǒng)來說極具挑戰(zhàn)性。

  
  

  
  

• 低延遲：UWB 比 GPS 快 50 倍，更新速度高達 1,000 次/秒。UWB 比 BLE 標準信標快 3,000 倍！低延遲性使 UWB 非常適合快速移動對象應用（如無人機），并且能夠?qū)崿F(xiàn)許多非常棒的用例。

  
  

  
  

• 經(jīng)濟實惠，功耗低：與其他主流電子技術相比，UWB 不僅經(jīng)濟實惠，而且功耗低。許多 UWB 設備采用紐扣電池供電，既方便又實惠。

  
  

  
  

• 單點定向：UWB 只需單點測量即可精確可靠地確定您的位置，而其他射頻技術需要多個樣本和濾波才能獲得定位結果。

  
  

  
  

• 安全：UWB 利用 IEEE 定義的傳輸距離限制通信技術實現(xiàn)一種極難破解的安全性。

  
  

UWB 與其他標準進行比較

設計室內(nèi)定位系統(tǒng)時，需要考慮許多因素。您需要根據(jù)不同的應用選擇最符合其需求的定位技術。如表 1-1 中所示，可用技術的覆蓋范圍、精度、可靠性等其他方面都有所不同。

以下章節(jié)將回顧這些技術之間的一些差異。

>>>>基礎設施的范圍和成本

這兩個參數(shù)相互關聯(lián)，因為工作范圍決定了在建筑物等區(qū)域內(nèi)部署實時基礎設施的范圍和成本定位系統(tǒng)所需的基礎設施設備數(shù)量。范圍越大，單位區(qū)域內(nèi)的設備越少，而設備越少，成本就越低。

例如，UWB 的射頻范圍為 50 至 70 米，而藍牙的定位應用范圍僅為 10 至 20 米，Wi-Fi 為 40 至 50 米。另外，由于藍牙和Wi-Fi中應用的定位技術都是基于接收信號強度。當設備遠離基礎設施時， 藍牙和Wi-Fi的精度就會迅速下降。而與之對應，UWB 定位技術是基于信號的飛行時間的，因此其精度在工作范圍內(nèi)是恒定的。

理論距離和算法精度會共同影響各個錨點之間的實際部署間距。如圖1-3 所示，使用 UWB（左）與藍牙（右）和 Wi-Fi（右下）覆蓋類似區(qū)域，使用 UWB 時，需要的無線錨點更少。這可顯著降低基礎設施、部署和維護成本。

>>>>數(shù)據(jù)通信速度

與此同時，室內(nèi)定位系統(tǒng)還必須能夠同時從嵌入設備中的傳感器收集數(shù)據(jù)。您肯定不想使用多項技術，因為這會導致系統(tǒng)過于復雜和昂貴。除了定位功能，UWB 還提供速率高達 27 Mbps 的數(shù)據(jù)通信管道，因此非常適合快速、高效地收集傳感器數(shù)據(jù)。此外，工程師們正在與標準化組織合作，進一步將數(shù)據(jù)速率提高到 27 Mbps以上。

>>>>可擴展性

大規(guī)模部署的一個重要考慮因素就是可在場所內(nèi)同時運行的設備（即傳可擴展性感器和執(zhí)行器）數(shù)量。例如，工廠通常需要同時定位數(shù)千個資產(chǎn)才能構建自動化系統(tǒng)。由于其數(shù)據(jù)包非常短，所以 UWB 系統(tǒng)可處理數(shù)千個設備，而 Wi-Fi 和藍牙只能處理幾百個設備。

>>>>延遲

無論您想為倉庫構建一個實時定位系統(tǒng)，還是想要構建一個感應式門禁延遲系統(tǒng)，其中一個關鍵參數(shù)就是系統(tǒng)延遲，換句話說，就是定位報告之間的延遲，因為您要定位的設備很可能在移動。由于 UWB 的數(shù)據(jù)包非常短，且可實現(xiàn)精確可靠的位置測量，所以可實現(xiàn)不到 1 毫秒的延遲。這樣就可以實現(xiàn)“真正的”實時定位檢測，而其他技術則需要幾秒鐘才能獲取和計算應用所需的位置信息。

超寬帶技術運用描述

您可能不知道，但 UWB 已在 40 多個不同行業(yè)中部署實施，包括圖1-4 中所示的以下應用：

• 消費類應用包括互聯(lián)家居、零售、機器人、TV/機頂盒、人工現(xiàn)實 (AR) /虛擬現(xiàn)實 (VR)、運動和無人機。

  
  

  
  

• 汽車應用包括智能汽車的安全無鑰門禁和無鑰起動。

  
  

  
  

• 工業(yè)應用包括樓宇控制、健康醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、安全與安防、工廠自動化、機器人和采礦。

  
  

在制造業(yè)、工業(yè)物流、家居周邊和汽車行業(yè)實現(xiàn)的工業(yè) 4.0 應用場景中，UWB 可以讓物體和人員位置都清晰可見，因此可以提高運營效率、安全性和資產(chǎn)跟蹤性能。

以下是 UWB 的一些有趣且有用的應用：

• 家居安全/互聯(lián)家居：目前的報警系統(tǒng)需要用戶來激活和停用系統(tǒng)。采用 UWB 之后，用戶將獲得無縫體驗。您不再需要使用鑰匙來開門，或使用觸摸板來解除安全系統(tǒng)報警。當您把智能手機放在口袋里時，系統(tǒng)就會知道您走近或離開家的時間。其他應用包括智能遙控和智能手機，您只要指向想要控制的物體，并利用遙控的位置和方向來啟用正確的功能，遙控器和智能手機就知道是哪個物體。

  
  

  
  

• 工業(yè) 4.0：UWB 可提供精確可靠的物體和人員位置信息，從而提高運營效率、安全性和資產(chǎn)跟蹤性能。

  
  

  
  

  工廠可利用 UWB 技術，在工人接近危險區(qū)域時發(fā)出警告，以提高安全性。如果發(fā)生緊急情況，UWB 可跟蹤是否所有工人均已安全撤離。

  
  

  
  

  UWB 還可用于“數(shù)字孿生”制造應用，這些應用使用物理對象或工藝的近實時數(shù)字圖像來優(yōu)化業(yè)務流程以提升績效。（數(shù)字孿生是現(xiàn)實產(chǎn)品或資產(chǎn)的虛擬表示。它可用于管理制造商固定資產(chǎn)（如生產(chǎn)機器、生產(chǎn)線和工廠）的性能、有效性和質(zhì)量。）UWB 標簽可跟蹤叉車和工具，以便實時查看工作進展，從而有助于提高工作流程的效率，并消除瓶頸。

  
  

  
  

• 汽車工業(yè)：采用 UWB 技術的密鑰卡可實現(xiàn)安全通信和距離測量，以防止車輛被盜。UWB 采用飛行時間 (TOF) 概念，并結合了 IEEE 802.15.4z 標準要求的其他安全措施，是經(jīng)過驗證的防中繼攻擊技術。

  
  

  
  

• 機器人：UWB 可以實現(xiàn)非常精確的機器人導航系統(tǒng)。例如，您可以讓剪草機自動、高效、精確、安全地割草?；蛘撸梢宰屪詣訉б?(AGV) 將備件送到裝配線上的特定工作站。個人運輸機器人甚至可以跟著您走，幫您搬運任何需要移動的重型零件或設備。

  
  

  
  

• 運動：UWB 具有厘米級精度和低延遲，非常適合進行運動分析。您可以跟蹤運動員快速運動過程中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并且無需擔心測量不準確。UWB 已經(jīng)用于許多專業(yè)體育項目，幫助防止隊員受傷，提高運動員的成績。

  
  

  
  

• 企業(yè)：UWB 可實現(xiàn)可靠的社交距離解決方案，能夠?qū)⒐と税踩\送到工作現(xiàn)場。由于其精確性、可靠性和實時性，UWB 成為企業(yè)應用的首選技術。

  
  

  
  

  UWB 還可用于實現(xiàn)感應式門禁，這樣員工就不再需要刷卡進出。這不僅便利，而且還提高了醫(yī)院等環(huán)境的安全性。

  
  

UWB 是如何實現(xiàn)這些功能的？答案很簡單 — 就是物理學！UWB 的性能優(yōu)于 Wi-Fi 和藍牙等其他定位技術，因為它的傳輸帶寬非常寬（超過500 MHz），并且采用 ToF 來代替窄帶通信和接收信號強度指示器(RSSI)。

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，這也是我們在本節(jié)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 3.1 GHz 至 10.6 GHz，最低信號帶寬為 500 MHz（參見圖 2-1）。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)男畔?。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 2-2 所示。當信號遠離信號源時，信號強度就會減弱。

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 2-3 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。

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供 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 2-4 所示，UWB 脈沖（中間和右側圖）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。

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）的上升和下降時間（邊沿）比標準窄帶信號（左側）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構。

即使在噪聲條件下，如圖 2-4（右側）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 2-5 所示，窄帶信號受到噪聲的影響比較明顯。

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 2-6 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。

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

• 超精準，提供厘米級精度，比 BLE 和 Wi-Fi 精確 100 倍

  
  

• 超可靠，在存在多徑反射的情況下能夠保持信號完整性

  
  

• 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

  
  

UWB 系統(tǒng)考慮因素回顧

在本節(jié)中，我們來簡要介紹一下 UWB 的系統(tǒng)組件，以及硬件和軟件選擇如何影響系統(tǒng)的性能。

>>>>錨點和標簽

要了解 UWB 系統(tǒng)，您需要理解錨點和標簽這兩個術語。錨點通常就是固定的 UWB 設備。標簽通常是指移動的 UWB 設備。錨點和標簽可交換信息，以便確定兩者之間的距離。標簽的確切位置可通過與多個錨點通信來確定。

一些設備即可作為錨點，也可作為標簽。例如，當兩個移動手機使用 UWB 來計算相互之間的距離時，它們可以在計算過程中轉化角色，交替地用作標簽和錨點。

>>>>存儲單元和處理能力

典型的 UWB 設備需要具備一定程度處理能力和特定功能。對于簡單的標簽，要求處理器具有少量的閃存（可編程非易失性存儲器）和數(shù)據(jù)存儲器（易失性隨機存取存儲器，或 RAM）。對于錨點應用，比如到達時間差 (TDoA) 中使用的錨點，可能需要具有更多閃存和 RAM 的處理器，在許多情況下還需要數(shù)據(jù)回傳。

圖 2-7 顯示了標簽（具有運動檢測）或錨點（具有回傳接口，如以太網(wǎng)或 Wi-Fi 接口）的常見架構。對于錨點，可能需要不同類型的處理器，具體取決于系統(tǒng)規(guī)模和工作負載/吞吐量需求。

>>>>天線

另一個系統(tǒng)考慮因素就是天線。不同的應用會需要不同的天線。例如，標簽通常使用小型全向性天線。錨點則可能要使用定向天線，具體取決于拓撲結構。

>>>>軟件棧

UWB 通信組件和應用之間的重要互連就是 UWB 軟件棧，如圖 2-8 所示。軟件棧有助于協(xié)調(diào)與外部設備的互操作性和共存。此外，軟件可實現(xiàn) UWB 通信組件和內(nèi)部微控制器之間的通信。例如，在控制智能手機和汽車之間的連接時，軟件負責協(xié)調(diào)通信。

軟件還可以同時管理多個應用和用例。例如，某個解決方案可能是控制揚聲器、照明裝置、加熱系統(tǒng)等智能家居生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。它可以與所有 UWB 標簽和 UWB 支持設備通信，同時利用位置信息控制環(huán)境、鎖門和開門、啟用和禁用報警系統(tǒng)等。UWB 軟件?？赏瑫r處理所有這些不同的情況。

使用 UWB 軟件?？纱_保 UWB 通信組件滿足不同應用的需求。此外，從最終用戶和整體系統(tǒng)設計角度來說，利用該軟件的許多功能可以讓事情變得更簡單。

>>>>功能優(yōu)先級排序

在一些應用場景下，不同功能需要進行優(yōu)先級排序。例如，假設在某個應用中，電源管理和電池使用壽命很重要，比位置更新速率或數(shù)據(jù)吞吐量更重要。在這種情況下，可使用軟件優(yōu)化功耗，將設備設置為不用時關閉，需要通信時開啟。

另一種情況就是，傳感器 LOS 信號不理想或是來自不同的方向。此時，可使用軟件將結果平均，以獲得精確的距離信息；軟件還可以平滑處理比其他信號更嘈雜的信號。為了獲得更精確的結果（尤其是在快速移動應用中），或為了添加有關設備方向的信息，軟件還可以將來自 UWB 芯片組的數(shù)據(jù)與來自慣性測量裝置（包括加速計、陀螺儀和磁力計等）的數(shù)據(jù)整合在一起。

UWB 拓撲結構比較和選擇

UWB 利用 ToF 的概念，這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?；谶@個基本原理，可根據(jù)目標應用的需求以不同的方式實現(xiàn) UWB 定位技術。

最佳拓撲結構主要由應用決定。這也就是說，設計工程師首先要將應用和拓撲結構匹配。可供選擇的方法有：

• 雙向測距 (TWR)：如圖 2-9 所示，TWR 方法可通過測定 UWB 射頻信號的 ToF，然后將該時間乘以光速來計算標簽與錨點之間的距離。汽車無鑰門禁系統(tǒng)就是使用 TWR 方法的一個應用示例 TWR 可生成一個安全空間，類似于一個安全氣泡，同時確保在應用的時候，這個氣泡保持高精度的安全控制。

  
  

  
  

  
  

  
  

  如果您在兩個設備之間實施 TWR 方案，則可以獲得設備之間的距離信息。在 TWR 方案的基礎上，您還可以在移動標簽和固定錨點之間實現(xiàn) 2D 甚至 3D 位置測量；稱為“三邊測量法”。

  
  

  
  

  采用 TWR 方法，可交換三條消息。標簽通過發(fā)送一條含已知錨點地址的輪詢消息啟動 TWR。錨點記錄輪詢接收時間，并回復響應消息。在收到響應消息后，標簽記錄時間并編寫最后一條消息。錨點可利用最后一條消息中的信息確定 UWB 信號的 ToF。

  
  

  
  

  TWR 方法也可用于圖 2-10 和圖 2-11 所示的 2D/3D 資產(chǎn)場景。圖 2-10 顯示使用監(jiān)聽器的雙向測距，而圖 2-11 顯示使用數(shù)據(jù)標簽回程的 TWR。如圖 2-11 所示，數(shù)據(jù)回傳可以使用多種方法（如 Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M 等）實現(xiàn)，通過這些方法將數(shù)據(jù)傳輸至云。

  
  

  
  

  
  

  
  

  
  

• 到達時間差 (TDoA) 和反向 TDoA：TDoA 和反向 TDoA 方法類似于 GPS。在已知的固定場所部署了多個參考點，稱為“錨點”，且這些錨點在時間方面實現(xiàn)了緊密同步。如果為 TDoA，移動設備將閃爍（也就是定期發(fā)送信息），當錨點接收到信標信號時，將基于共同的同步時基標記時間戳。然后，多個錨點的時間戳將轉發(fā)至中央定位引擎，中央定位引擎將根據(jù)每個錨點的信標信號 TDoA 運行多點定位算法。最后將得到移動設備的 2D 或 3D 位置，如圖 2-12 所示。反向 TDoA 更像 GPS。在該系統(tǒng)中，錨點發(fā)送同步信標（具有固定/已知偏移，以避免發(fā)生碰撞），移動設備利用 TDoA 和多點定位算法來計算其位置，如圖 2-13 所示。

  
  

  
  

  
  

• 到達相位差 (PDoA)：另一個 UWB 拓撲就是 PDoA。PDoA 可將兩個設備之間的距離與兩者之間的方位測量結合在一起，如圖 2-14 所示。利用距離和方位的組合信息，可在沒有任何其他基礎設施的情況下計算出兩個設備的相對位置。為此，其中一個設備必須配備至少 2 根天線，并且能夠測量每根天線處到達信號載波的相位差。相位完全不受天線變形的影響，并且可實現(xiàn)優(yōu)于 10°的測量精度，從而可以在不到 5°的情況下確定發(fā)射器的方位。

  
  

對于每種拓撲結構，分別最適合哪種應用？這些用例主要側重于三個不同的領域：感應式門禁、定位服務和設備對設備（點對點）應用。圖 2-15 詳細介紹了 TWR、TDoA、反向 TDoA 和 PDoA 拓撲結構的最佳應用。

將 UWB 技術用于智能手機

最近 UWB 技術引入智能手機領域是 UWB 在全球大規(guī)模普及的關鍵一步。智能手機本身就是一個主要市場，每年發(fā)貨量超過 13 億部。因此，智能手機將是 UWB 在人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛普及的切入點，同時有助于實現(xiàn)汽車門禁、零售交易和家居控制等活動，如圖 3-1 所示。UWB 手機將引發(fā)各種新設備和應用生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)，這是其他技術無法實現(xiàn)的。

預測 UWB 部署的確切未來極其困難，但歷史可以為我們提供一些可能的軌跡線索。例如，Wi-Fi 最初是專門針對收銀機的無線通信解決方案。1999 年，Apple 對 Wi-Fi 的認可是有力支持，使該技術迅速普及。這也刺激了各種設備生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)，并引發(fā)了網(wǎng)絡效應，從而導致每年發(fā)貨量達數(shù)十億部。藍牙的成功也很類似：藍牙早期用于手機和汽車的免提通話，最終導致了許多應用和市場的大規(guī)模采用。

UWB 也經(jīng)歷了同樣的市場普及，如圖 3-2 所示。手機、可穿戴產(chǎn)品和互聯(lián)家居設備發(fā)貨量的爆炸式增長可能會比 Wi-Fi 和藍牙的增長速度更快。甚至有人預測，未來幾年內(nèi)，其發(fā)貨量將突破 10 億大關。

聯(lián)盟和合作伙伴如何幫助普及 UWB

互操作性 （不同供應商的產(chǎn)品、系統(tǒng)、應用和服務以可預測的方式可靠協(xié)同工作的能力）是新技術大規(guī)模采用的另一個關鍵因素?；ゲ僮餍灾陵P重要，因為每個用戶都希望他們的電子設備能夠輕松連接和操作。UWB 行業(yè)的不同參與者（從半導體供應商到設備制造商和測試設備供應商）都已經(jīng)開始著手解決互操作性需求。

致力于確保 UWB 產(chǎn)品互操作性的主要聯(lián)盟包括：

• UWB 聯(lián)盟 (https://uwballiance.org)：UWB 聯(lián)盟正與全球監(jiān)管機構和組織合作，營造有利的監(jiān)管和頻譜管理環(huán)境，全力推動 UWB 市場增長。UWB 聯(lián)盟還參與了頻譜共享優(yōu)化，以最大限度地減少其他新標準和現(xiàn)有標準的干擾。

  
  

  
  

• 車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 (CCC; https://carconnectivity.org)：CCC 是一個跨行業(yè)組織，致力于推進針對智能手機到汽車連接解決方案的全球技術。CCC 包括許多利益相關者，如汽車原始設備制造商 (OEM)、一級供應商、手機制造商、半導體供應商和應用開發(fā)人員。CCC 正在開發(fā)“數(shù)字鑰匙”，一種全新的開放標準，允許將智能設備（如智能手機和智能手表）用作車鑰匙。利用這種標準化的生態(tài)系統(tǒng)，無論在哪里，移動設備都能夠以保護隱私的安全方式存儲、驗證和共享 UWB 車輛的數(shù)字密鑰。

  
  

  
  

• FiRa 聯(lián)盟 (www.firaconsortium.org)：FiRa 代表精密測距，強調(diào)了 UWB 技術在測量目標距離或確定位置時提供前所未有的精確性和安全性的獨特能力。作為行業(yè)聯(lián)盟，F(xiàn)iRa 認為 UWB 技術將改變?nèi)藗凅w驗連接的方式，并致力于 UWB 應用的廣泛普及。如圖 3-3 所示，F(xiàn)iRa 聯(lián)盟預計會出現(xiàn)許多用例。這些用例包括感應式門禁、室內(nèi)定位和導航以及點對點應用。

  
  

  
  

這些組織正在協(xié)作創(chuàng)建協(xié)議，確保汽車與手機、手機與門鎖以及手機與定位基礎設施之間能夠進行通信。

UWB 未來展望

得益于工程師和企業(yè)家的創(chuàng)造力和天賦，Wi-Fi 和藍牙已實現(xiàn)廣泛的服務和應用，這是大家都未預料到的。基于本書中描述的 UWB 的多方面價值，我們可以預見新應用和新服務的到來，而這些應用和服務是不可能用現(xiàn)有技術實現(xiàn)的。

如圖 3-4 所示，UWB 支持的智能家居包括：

• 到家時會自動打開的房門

  
  

• 無需敲擊鍵盤，進門就會關閉的報警器

  
  

• 知道您進入家中，從而為您提供個性化信息的個人助理

  
  

• 當您在不同房間之間走動時，最喜歡的音樂旋律將會如影隨行，追隨您的身影切換到相應的揚聲器

  
  

• 按照您的首選設置開啟的照明裝置

  
  

• 能夠提醒您出門時別忘記帶上網(wǎng)球包的無線節(jié)點

  
  

打造真正智能家居環(huán)境的潛力巨大！

>>>>個人導航

想象一下 UWB 如何改變建筑物導航體驗。您是否有過在商店里苦苦尋找特定商品的經(jīng)歷？在公司里找會議室？在人群中找朋友？或者尋找在機場排隊的出租車？UWB 可以準確地引導您前往目的地，將會終結所有這些不愉快、有時甚至讓人很緊張的經(jīng)歷。

將 UWB 與增強現(xiàn)實 (AR) 結合使用時，將不必根據(jù)智能手機中的地圖方位來設法判斷自己的確切位置以及應該前往的方向，UWB 可以將您的確切位置和正確的方向與現(xiàn)實世界覆蓋顯示。

>>>>現(xiàn)場交付

另一個非常棒的應用就是現(xiàn)場交付。在商場里感覺餓了，但沒有心情走到美食廣場？用手機下單，繼續(xù)購物，無論您走到何處，都可以將美食送到您手中！

>>>>安全交易

UWB 可能改變我們與環(huán)境交互方式的另一個領域就是無縫安全交易。例如，公共交通在實現(xiàn)便捷支付方面已經(jīng)取得了很大進步：現(xiàn)在通常都可以用交通卡或手機支付，而無需使用現(xiàn)金或車票。

試想一下，如果您無需從口袋中掏出手機，然后點擊支付讀卡器就可以自動支付，是不是更方便？這樣一來，在擁擠的地鐵站，排隊和等待將成為歷史。同樣，在商店里的自動結賬隊伍里等待時間可縮短，因為您不再需要拿出手機來付款了！

UWB 的潛力是無窮盡的。盡管我們無法想象未來的所有應用，但可以肯定的是，未來肯定會有一位工程師設計出新一代產(chǎn)品，再一次讓我們的生活變得更美好。

據(jù)市場分析機構 Techno Systems Research 的報告《2021 年超寬帶市場分析》所說，當前我們常討論的 UWB 市場由四個主要應用類別組成，分別是：實時定位系統(tǒng)（RTLS B2B），例如工業(yè)和零售室內(nèi)定位系統(tǒng)應用；手機（智能手機，可穿戴設備，消費者標簽）；汽車和智能家居。其他的應用則包括智能門，大門和付款等。

他們進一步指出，到 2021 年，全球 UWB 的出貨量預計將達到 2 億個以上，到 2027 年將超過 12 億個。按照其估計，智能手機將在 2027 年成為 UWB 的最大應用市場，其次則是汽車、智能家居設備、可穿戴設備、消費者標簽和 RTLS B2B。

UWB 市場預測

這個迅速崛起的市場，必然給擁有豐富且領先的 UWB 軟硬件積累的 Qorvo 帶來巨大的機會。Qorvo 方面也指出，超寬帶(UWB)可能將會改變我們的生活和工作方式。該技術能夠準確定位人和物的位置，實現(xiàn)厘米級精度，比藍牙低功耗(BLE)和 Wi-Fi 等現(xiàn)有定位技術精確 100 倍。UWB 賦予設備真正的感知能力，為手機, 汽車和物聯(lián)網(wǎng)應用帶來無限可能。

而這一切，除了受惠于公司本身的積累外，對 Dacawave 和 7Hugs Labs 的收購更是發(fā)揮了關鍵作用。

首先看 Decawave，這是一家是由 Ciaran Connell 和 Michael McLaughlin 于 2007 年在都柏林成立的企業(yè)。專注于超寬帶 ( UWB ) 實時定位服務，并開發(fā)了一系列名為 ScenSor 的集成電路產(chǎn)品，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應用及其他低功耗無線網(wǎng)絡應用。

在 Qorvo 看來，與 Decawave 達成的交易將增強公司在 UWB 產(chǎn)品和技術方面的領先地位，同時可以拓展公司在移動，汽車和物聯(lián)網(wǎng)領域的新機遇。在吸收了 Decawave 獨特的 UWB 功能和技術之后，它能夠幫助 Qorvo 公司拓展新的應用和業(yè)務。

至于總部位于巴黎的領先超寬帶 (UWB) 應用軟件供應商 7Hugs Labs，則一貫以來是 Decawave 的合作伙伴。

為了繼續(xù)推動公司 UWB 的發(fā)展，Qorvo 把 7Hugs Labs 團隊吸納了進來，展望其能為公司產(chǎn)品事業(yè)部帶來了新生力量，其卓越的軟件人才和專業(yè)知識將促進公司運用 UWB 獨特的精確定位功能。

據(jù)了解，7Hugs Labs 經(jīng)過驗證的軟件和軟件堆棧也將補充完善公司的 UWB 芯片組產(chǎn)品系列，有助于進一步增強公司面向智能手機和其他設備的 UWB 產(chǎn)品系列，提高一系列新的定位和通信服務的準確性，為移動、物聯(lián)網(wǎng)和汽車市場實現(xiàn)一系列全新的超寬頻應用創(chuàng)造了無限可能。

具體到每個細分市場，據(jù) Techno Systems Research 預測， 2021 年將是基于 UWB 的消費者標簽的重要一年；預測 2027 年 RTLS B2B 應用的超寬帶市場規(guī)模將比 2020 年增長 7 倍以上；到 2023 年，UWB 在智能家居設備領域的滲透率將下降，并且從 2024 年開始反彈，到 2027 年，智能家居設備市場中擁有 UWB 產(chǎn)品的份額約為 17％。

至于將 UWB 用于支付，據(jù)據(jù) Techno Systems Research 預估，在 2023 年至 2024 年間可能是閘門訪問應用的起點，2025 年下半年則將成為支付應用的起點。

UWB 十大關鍵要點

01
UWB 將是下一個重要的定位技術。它已經(jīng)為消費類、手機、交通運輸和工業(yè)應用等 40 多個垂直市場提供了解決方案。

02
聯(lián)盟也隨時準備提供幫助。UWB 行業(yè)正在通過與聯(lián)盟合作推動成功和互操作性，如 Fine Ranging (FiRa) 聯(lián)盟、車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 (CCC) 和 UWB 聯(lián)盟，并與電氣與電子工程師學會 (IEEE) 展開密切合作。

03
UWB 超精準。在距離和位置測量方面，它的精度是藍牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 的 100 倍，精度在幾厘米范圍內(nèi)。

04
推出 UWB 可開辟許多新的契機。它可為根據(jù)環(huán)境做出決策、流程效率和安全應用提供“位置”信息。

05
UWB 非?？煽俊Ｋ灰资芏嗦窂礁蓴_的影響，因而可靠性優(yōu)于其他方案。

06
UWB 具有低延遲性能，比全球定位系統(tǒng) (GPS) 快 50 倍。不同于 GPS，它還可以在室外和室內(nèi)工作。

07
UWB 符合標準要求。它符合 2020 年公布的 IEEE 802.15.4a 國際標準及其修訂版 IEEE 802.15.4z 的要求。

08
UWB 非常安全。它符合 802.15.4z 中規(guī)定的安全要求，通過附加的加密編碼選項和改進來增強 802.15.4a，以提高測距測量的完整性和精確性。

09
UWB 已經(jīng)準備就緒。這項技術已經(jīng)準備好廣泛普及，因為它外形小巧、功耗低且經(jīng)濟實惠，因此對設備制造商極具吸引力。

10
UWB 是目前所有位置和距離測量技術中最有前途的技術。這是因為它實現(xiàn)了精確性、速度、安全性和成本效益的獨特組合。UWB 正蓄勢待發(fā)，將會取代當今和未來的定位技術解決方案。

術語表

自動導引車 (AGV)：一種便攜式機器人，沿著地板上標記的線路行走，或使用無線電波、視覺攝像頭、磁鐵或激光進行導航。

錨點：實時定位系統(tǒng) (RTLS) 中的電子設備，用于檢測 UWB 標簽發(fā)出的 UWB 消息。如果有需要的話，還可將其轉發(fā)給定位服務器，以計算標簽位置。

增強現(xiàn)實 (AR)：將計算機生成的圖像疊加在用戶的真實世界視角上，從而形成復合視圖的技術。

企業(yè)對企業(yè) (B2B)：公司之間而不是公司和個人消費者之間進行的業(yè)務。

藍牙低功耗 (BLE)：藍牙無線標準的一種版本，專為低功耗應用而設計。

脈位調(diào)制 (BPM)：802.15.4a 中定義的調(diào)制方法，該方法忽略了決定脈位的卷積校驗位。

二進制相移鍵控 (BPSK)：一種雙相調(diào)制方案，其中二進制信息中的 0 和 1 用載波信號中兩種不同的相位狀態(tài)表示：二進制 1 和二進制 0。在數(shù)字調(diào)制技術中，為特定調(diào)制方案選擇了一組基本函數(shù)。

車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 (CCC)：一個跨行業(yè)組織，致力于推進針對智能手機到汽車連接解決方案的全球技術。

設備到設備（點對點）服務：一種分布式應用架構，它在點之間劃分任務或工作負載。

數(shù)字鑰匙：將智能設備用作鑰匙的一種功能。數(shù)字鑰匙的使用方式與物理鑰匙或遙控鑰匙相同。主要用于開門和關門。

以太網(wǎng)：將多個計算機系統(tǒng)連接起來形成一個局域網(wǎng) (LAN) 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用協(xié)議控制信息的傳遞并避免兩個或多個系統(tǒng)同時傳輸。

聯(lián)邦通信委員會 (FCC)：美國政府的一個獨立機構，負責管理全美無線電、 電視、有線、衛(wèi)星和電纜通信。

Fine Range 聯(lián)盟 (FiRa)：一個非營利組織，促進超寬帶技術 (UWB) 在門禁、定位服務和設備到設備服務等用例中的應用。

閃存：一種存儲器，可在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)（可編程非易失性存儲器）。

全球定位系統(tǒng) (GPS)：一種精確的全球?qū)Ш郊皽y量設施，基于接收到的軌道衛(wèi)星信號進行測量和定位。

感應式門禁：先進的解決方案，使員工能夠輕松便捷地進出整個建筑或設施的安全區(qū)域，而無需出示門禁卡。

電氣與電子工程師學會 (IEEE)：促進技術進步的技術專業(yè)組織。

工業(yè) 4.0：利用現(xiàn)代智能技術實現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)和工業(yè)實踐的持續(xù)自動化。通過集成大規(guī)模機器對機器通信 (M2M) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，提高自動化程度，改善通信和自我監(jiān)控，并生產(chǎn)出無需人工干預就能分析和診斷問題的智能機器。

互操作性：不同供應商的產(chǎn)品、系統(tǒng)、應用和服務以可預測的方式可靠協(xié)同工作的能力。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT)：由智能互聯(lián)設備組成的系統(tǒng)。

定位服務：利用地理數(shù)據(jù)和信息向用戶提供服務或信息的軟件服務。

視線 (LOS)：電磁輻射或聲波傳播的一種特性，即聲波采用直接路徑從聲源 傳播到接收器。

機器的長期演進 (LTE-M)：由第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 制定的高速無線通信用電信標準。

低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)：一種無線電信網(wǎng)絡，設計用于允許以低比特率在連接的電池供電傳感器和設備之間進行長距離通信。

兆赫茲 (MHz)：頻率的度量標準。1 兆赫茲等于 1 百萬赫茲。

窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)：一種 LPWAN 標準，可使用蜂窩通信頻段連接各種設備和服務。

納秒 (ns)：十億分之一秒。

原始設備制造商 (OEM)：利用從其他組織購買的部件制造設備的組織。

到達相位差 (PDoA)：已接收載波的相位差用于估算同幀的到達角度。

射頻 (RF)：20 kHz 到 300 GHz 左右頻率范圍內(nèi)，交流電流或電壓的振蕩頻率，或磁場、電場或電磁場或機械系統(tǒng)的振蕩頻率。

射頻識別 (RFID)：利用電磁場自動識別和跟蹤附在物體上的標簽。

隨機存取存儲器 (RAM)：一種計算機存儲器，可以按任何順序讀取和更改；通常用于存儲工作數(shù)據(jù)和機器代碼（易失性隨機存取存儲器）。

實時定位系統(tǒng) (RTLS)：一種實時自動識別并跟蹤物體或人的位置的系統(tǒng)，通 常用于建筑物或其它封閉區(qū)域內(nèi)。

接收信號強度指示器 (RSSI)：在電信技術中，接收到的無線電信號中的功率測量值。

標簽：一種附在待跟蹤物體上的小型電子設備。

到達時間差 (TDoA)：用于測向和導航的電子技術，利用精確同步的參考時間，來計算特定信號到達物理上獨立的各個接收站時間。

到達時間 (ToA)：無線電信號從發(fā)射機到達遠程接收機的絕對時間點。

飛行時間 (ToF)：物體、顆粒或聲波在介質(zhì)中傳播一段距離所用的時間的測量值。

雙向測距 (TWR)：一種測距方法。該方法測定 UWB 射頻信號的飛行時間 (ToF)，然后將該時間乘以光速來計算節(jié)點之間的距離。

超寬帶技術 (UWB)：一種 IEEE 802.15.4a/z 標準技術，針對安全的精準微定位應用進行了優(yōu)化，通過計算無線電信號在設備之間傳輸所需的時間，可實現(xiàn)前所未有的精度（在幾厘米范圍內(nèi)）。

UWB 聯(lián)盟：該聯(lián)盟致力于促進多個供應商的超寬帶 (UWB) 無線計算機網(wǎng)絡產(chǎn)品的互操作性。

虛擬現(xiàn)實 (VR)：計算機生成的單個對象或多個對象的三維 (3D) 圖像表示，用戶與該對象交互的方式類似于與現(xiàn)實對象交互的方式。

無線保真技術 (Wi-Fi)：一個通用術語，是指無線網(wǎng)絡的通信標準，可用作局域網(wǎng) (LAN)，無需使用電纜和任何類型的布線即可運行，亦稱為 WLAN。

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