UWB超宽带技术

来源:|作者:中科荣通-RunningIOT|发布时间: 500天前|731 次浏览

超宽带（Ultra Wide Band，简称UWB）技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线通信或高精度室内定位。

1、什么是UWB（超宽带）技术
      超宽带（Ultra Wide Band，简称UWB）技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线通信。
      UWB技术使用“超宽”频率范围内的短纳秒脉冲来实现通信。早期主要在军事雷达或通信用应用，随着苹果公司将U1超宽带芯片集成到iPhone11，三星等其他公司也纷纷效仿，在其新发布的一些智能手机和其他设备中采用了UWB。Google还在开发API，以帮助在Android设备中启用UWB驱动的应用程序。
      虽然短期看这使智能手机设备可以在短距离内快速发送数据，但是这些UWB信号也可以用于精确感测设备的位置。这使得启用UWB的设备（例如智能手机或传感器和锚点）可以精确定位传输设备（例如另一个智能手机或资产跟踪标签），找到其精确位置，并在某些应用程序中启用位置感知的通信和服务。
      UWB生态的丰富使得UWB的应用场景也多样起来。NFL甚至使用超宽带来跟踪球员的实时位置和运动，将UWB芯片放在他们的肩膀上，从而使联盟可以分析球员在比赛中如何在场地上运动。恩智浦和大众汽车也在探索在汽车中使用超宽带的可能性，以提供更安全，便捷和安全的车辆体验。与这些组织一起，引领UWB技术发展的是众多UWB硬件供应商，它们为特定用例提供各种UWB芯片，锚和具有不同特性的标签，以及包括UWB Alliance和FIRA在内的财团。UWB技术很快就会像蓝牙和Wi-Fi一样普及。目前看，UWB技术已经获得了巨大的创新和发展，并开始释放基于位置的变革性功能。

2、UWB的独特优势
      功耗低：UWB具有许多独特的优势，从而迅速为RF技术设定了新的标准。它可以在短距离内传输非常高的数据速率，并实时精确地确定位置。UWB在3.1至10.6 GHz之间的非常宽的频谱上以高带宽工作。它还消耗很少的电能，从而提供了负担得起且高效的硬件选项，例如使用纽扣电池跟踪标签的情况，该标签可以连续工作多年而无需充电或更换。
      定位精度高：UWB之所以能够如此精确地定位位置，是因为它通过飞行时间（ToF）进行了基于距离的测量，该时间基于无线电脉冲从一个设备传播到另一设备所花费的时间来计算位置。虽然这只能在很短的范围内工作（0-50m，取决于RF输出功率），但可以确定UWB信号的位置，其准确度小于50厘米，并且延迟极低。通常无法使用BLE和Wi-Fi等其他标准来执行此操作，而是通常通过相当不可靠的接收信号强度指示器（RSSI）来确定位置，该指示器仅显示“弱”或“强”接收信号的粗略类别，从而可以确定位置精度进入仪表水平。
      抗干扰能力强：UWB信号的发送功率低且频谱宽，因此对周围的窄带技术几乎没有干扰。UWB似乎也“在本底噪声中不可见”，使其成为与窄带RF技术共存的好选择。这些独特的特性使UWB迅速成为基于位置和短距离通信应用的主要室内定位技术。

3、UWB如何进行室内定位
      UWB使通过ToF确定位置。通过计算信号在设备之间传播所需的时间，可以精确测量收发器之间的距离。在某些情况下，可以检测到设备位置的X，Y和Z坐标，从而为定位UWB提供了额外的维度。根据用例或应用，ToF计算的确切技术可能有所不同。对于UWB定位，可以使用两种主要技术：到达时差（TDoA）和双向测距（TWR）。
      到达时差（TDoA）：TDoA利用在整个室内空间中固定位置部署的UWB锚或传感器。然后，这些传感器检测并定位发射的UWB设备，例如跟踪标签。为了正常工作，固定锚需要精确地同步以在同一时钟上运行。UWB标签或其他设备将定期发送信号。这些信号将由通信范围内的任何锚接收，并由锚加上时间戳。然后将所有带有时间戳的数据发送到中央IPS或RTLS。
定位引擎将分析每个锚点的数据以及到达每个锚点的时间差异，并使用多边计算来计算标签的坐标。这些坐标可用于可视化设备在您的室内室内地图上的位置，或根据特定应用用于其他用途。
      两路测距（TWR）：在TDoA中，多个固定锚共同确定移动对象的位置时，TWR主要使用两个设备（例如智能手机）之间的双向通信来感应它们之间的距离。使用TWR，当一台设备与另一台设备非常接近时，即使它们进行通信，这两个设备也将开始相互测距以确定其距离。然后将信号在它们之间传播所需的时间乘以光速，并用于确定它们的相对位置，从而经常启用位置感知通信。
然后根据特定应用利用从一个设备到另一设备的确定位置。固定锚和UWB设备也可以使用TWR，但是TWR流程一次只能使用一个测距伙伴来定位设备。

4、UWB定位精度如何？
      UWB能够通过ToF进行检测，快速的纳秒脉冲以及对其他RF传输的有限干扰，能够以小于50厘米的精度进行精确的室内定位，并具有实时结果，还可以快速跟踪设备的移动和运动。
      与其他室内定位技术相比，UWB的定位精度更高。其他标准通常利用接收信号强度（RSSI）来确定位置，并且通常只能以粗略范围内的精度来确定位置，例如BLE（1-5米）和Wi-Fi（1-10米）。某些UWB技术还可以使用到达角（AoA）来更精确地测量带有方向的位置，这需要带有多个天线的设备可以测量输入信号的角度。

5、UWB的定位范围多大？
      UWB可以在长达100米的范围内检测设备的位置。但是，它在短距离（通常在10至50米之间）上最有效地工作，并且在设备或锚点之间的视线范围内效果最佳。在短距离范围内，UWB可以以最小的干扰提供高精度，快速和安全的通信。

6、UWB的发展展望
      UWB有望同时在消费者市场和企业级应用同时发展。支持UWB的芯片可能会嵌入到更多设备中，例如智能手机，可穿戴设备，汽车等。室内定位也将可能开始为各种基于位置的应用提供基础设施。预计在2022年至2024年之间，在完成IEEE 802.15 4z标准开发后（将传感器和执行器组合到单个无线网络中），UWB技术将在大众市场和企业解决方案中得到更积极的应用。超宽带技术的采用将释放强大的新功能和工具，这将为室内定位和短距离通信增添新的面貌。