#Ultra-Wideband For Dummies

編者按：Qorvo 推出了一系列的技術科普文檔，在本系列中，我們將帶大家聊一下最近火熱的 UWB。在本章，我們介紹了定位技術是如何起步的，以及新的發展進步如何持續改變我們的世界。您將了解 UWB 的基本信息及其優勢，以及能夠充分利用 UWB 技術的行業和設備信息。

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 （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。由于出現了基于位置的新型服務，可幫助人們找到商店并實現定向營銷等，定位數據變得更加有價值。

很難想象在世界任何地方，無論是在室內還是室外，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。

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。這些系統能夠以前所未有的方式實現精準定位。定位技術為什么會有這些發展？因為公眾和企業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、遙控器或當地雜貨店第九排貨架上無麩質面包的確切位置等。

企業對企業 （B2B） 以及消費類零售行業都認識到更可靠且更精確的室內定位系統可帶來的附加價值。例如，它可以幫助消費者導航室內場所，增加住宅和商業建筑的智能自動化水平，并且可以幫助企業實時了解運營、資產和員工動態，從而提高企業的運營效率。

定位的價值

現有的嵌入式技術能夠讓設備確定內容和時間，并向其用戶報告此類信息。傳感器用于提供內容信息，精確的系統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，并使開發人員能夠創建情境感知產品和服務，這在以前是不可能實現的。

以下是能夠感知“位置”的潛在優勢：

效率：在工廠和倉庫中，實時了解資產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，避免發生意外，而且可以讓人員遠離非安全區域。

決策支持：實時了解人員或物體的位置還支持根據環境做出決策，比如當您在不同房間走動時自動調節立體聲，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域的訪問，并保護物理資產、數據和通信。

如圖 1-1 中所示，在醫療保健、安防、智能家居、健身、智慧城市、汽車、工業等領域，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我們的創新思維，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千人員和資產的定位需求

功耗很小

經濟實惠

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，已經用于定位系統中。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據通信的應用。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，其可靠性在很大程度上取決于其所在環境。

但是，由于其已經普及多年，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射器，采用藍牙技術向附近的智能設備發送信號，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，現在是時候推出 UWB 技術了，而且市場也已經準備就緒。UWB 是專為滿足實時定位應用需求而開發的技術標準。

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化。它完全滿足上一節中的所有要求。像 GPS 技術一樣，UWB 能夠通過大幅提高定位信息的價值，在全球范圍內產生重大影響。

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。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，室內位置測量對于射頻系統來說極具挑戰性。

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），并且能夠實現許多非常棒的用例。

經濟實惠，功耗低：與其他主流電子技術相比，UWB 不僅經濟實惠，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一種極難破解的安全性。

UWB 與其他標準進行比較

設計室內定位系統時，需要考慮許多因素。您需要根據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。

以下章節將回顧這些技術之間的一些差異。

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基礎設施的范圍和成本

這兩個參數相互關聯，因為工作范圍決定了在建筑物等區域內部署實時基礎設施的范圍和成本定位系統所需的基礎設施設備數量。范圍越大，單位區域內的設備越少，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。

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數據通信速度

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

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可擴展性

大規模部署的一個重要考慮因素就是可在場所內同時運行的設備（即傳可擴展性感器和執行器）數量。例如，工廠通常需要同時定位數千個資產才能構建自動化系統。由于其數據包非常短，所以 UWB 系統可處理數千個設備，而 Wi-Fi 和藍牙只能處理幾百個設備。

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延遲

無論您想為倉庫構建一個實時定位系統，還是想要構建一個感應式門禁延遲系統，其中一個關鍵參數就是系統延遲，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 的數據包非常短，且可實現精確可靠的位置測量，所以可實現不到 1 毫秒的延遲。這樣就可以實現“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家居、零售、機器人、TV/機頂盒、人工現實 （AR） /虛擬現實 （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。

工業應用包括樓宇控制、健康醫療、農業、安全與安防、工廠自動化、機器人和采礦。

在制造業、工業物流、家居周邊和汽車行業實現的工業 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/互聯家居：目前的報警系統需要用戶來激活和停用系統。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報警。當您把智能手機放在口袋里時，系統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 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、安全性和資產跟蹤性能。

工廠可利用 UWB 技術，在工人接近危險區域時發出警告，以提高安全性。如果發生緊急情況，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字圖像來優化業務流程以提升績效。（數字孿生是現實產品或資產的虛擬表示。它可用于管理制造商固定資產（如生產機器、生產線和工廠）的性能、有效性和質量。）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：采用 UWB 技術的密鑰卡可實現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，是經過驗證的防中繼攻擊技術。

機器人：UWB 可以實現非常精確的機器人導航系統。例如，您可以讓剪草機自動、高效、精確、安全地割草?；蛘?，您可以讓自動導引車 （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計數據，并且無需擔心測量不準確。UWB 已經用于許多專業體育項目，幫助防止隊員受傷，提高運動員的成績。

企業：UWB 可實現可靠的社交距離解決方案，能夠將工人安全運送到工作現場。由于其精確性、可靠性和實時性，UWB 成為企業應用的首選技術。

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

UWB 是如何實現這些功能的？答案很簡單 — 就是物理學！UWB 的性能優于 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）。我們將在下一章詳細地討論這些內容。

編輯：jq