來(lái)源：Qorvo半導(dǎo)體
定位技術(shù)如何改變世界

不管您相信與否，就在 20 年前，公眾還無(wú)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(dǎo)航功能，例如用于尋找最近的 ATM 機(jī)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(wèn)路或者在反復(fù)迷路中摸索出正確的路線。

10 年前，室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)運(yùn)而生。大家可以想一想覆蓋購(gòu)物中心、機(jī)場(chǎng)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(wù)，可幫助人們找到商店并實(shí)現(xiàn)定向營(yíng)銷等，定位數(shù)據(jù)變得更加有價(jià)值。

很難想象在世界任何地方，無(wú)論是在室內(nèi)還是室外，如果沒(méi)有便捷的導(dǎo)航，生活會(huì)是什么樣子。大家可以想象一下，如果沒(méi)有 GPS 技術(shù)，各大電商要實(shí)現(xiàn)高效送貨會(huì)有多困難。如果沒(méi)有 GPS 技術(shù)，亞馬遜還能躋身成為價(jià)值萬(wàn)億美元的公司嗎？而這只是一個(gè)行業(yè)。

如今，我們正在目睹新一代定位技術(shù)的崛起：精準(zhǔn)微定位系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠以前所未有的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。定位技術(shù)為什么會(huì)有這些發(fā)展？因?yàn)楣姾推髽I(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(dāng)?shù)仉s貨店第九排貨架上無(wú)麩質(zhì)面包的確切位置等。企業(yè)對(duì)企業(yè) (B2B) 以及消費(fèi)類零售行業(yè)都認(rèn)識(shí)到更可靠且更精確的室內(nèi)定位系統(tǒng)可帶來(lái)的附加價(jià)值。例如，它可以幫助消費(fèi)者導(dǎo)航室內(nèi)場(chǎng)所，增加住宅和商業(yè)建筑的智能自動(dòng)化水平，并且可以幫助企業(yè)實(shí)時(shí)了解運(yùn)營(yíng)、資產(chǎn)和員工動(dòng)態(tài)，從而提高企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率。

定位的價(jià)值

現(xiàn)有的嵌入式技術(shù)能夠讓設(shè)備確定內(nèi)容和時(shí)間，并向其用戶報(bào)告此類信息。傳感器用于提供內(nèi)容信息，精確的系統(tǒng)時(shí)鐘用于提供時(shí)間信息，而設(shè)備之間通過(guò)無(wú)線射頻 (RF) 連接傳輸信息。

在設(shè)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(wù)，這在以前是不可能實(shí)現(xiàn)的。

以下是能夠感知“位置”的潛在優(yōu)勢(shì)：

• 效率：在工廠和倉(cāng)庫(kù)中，實(shí)時(shí)了解資產(chǎn)的位置可以提高利用率，減少尋找時(shí)間，并且能夠進(jìn)一步提高“適時(shí)制”流程效率。

  
  

  
  

• 安全性：實(shí)時(shí)獲知人員、自動(dòng)導(dǎo)引車和機(jī)器人的位置，即可控制他們之間的互動(dòng)，避免發(fā)生意外，而且可以讓人員遠(yuǎn)離非安全區(qū)域。

  
  

  
  

• 決策支持：實(shí)時(shí)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(dāng)您在不同房間走動(dòng)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)立體聲，或者讓您可以通過(guò)簡(jiǎn)單地指向物體來(lái)控制它們。

  
  

  
  

• 安全：實(shí)時(shí)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(wú)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(duì)特定區(qū)域的訪問(wèn)，并保護(hù)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(lǐng)域，了解位置信息開啟了許多應(yīng)用。通過(guò) UWB 技術(shù)所支持的實(shí)時(shí)定位功能，越來(lái)越多的應(yīng)用有助于激發(fā)我們的創(chuàng)新思維，因此實(shí)際用例將會(huì)不斷增長(zhǎng)。

為什么需要新的實(shí)時(shí)定位技術(shù)

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

• 在嚴(yán)苛的環(huán)境下具有出色的可靠性

  
  

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

  
  

• 功耗很小

  
  

• 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠

  
  

• 可嵌入任何東西中，從高端復(fù)雜設(shè)備（如智能手機(jī)）到低端簡(jiǎn)

  
  

• 單設(shè)備（如資產(chǎn)標(biāo)簽）

  
  

• 實(shí)時(shí)操作，因?yàn)槲恢门c運(yùn)動(dòng)有關(guān)

  
  

藍(lán)牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 技術(shù)非常有用，已經(jīng)用于定位系統(tǒng)中。然而，它們并不是針對(duì)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)微定位服務(wù)而設(shè)計(jì)。例如，BLE 技術(shù)適用于涉及低功耗數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用。然而，盡管工程界盡了最大努力，但BLE 和 Wi-Fi 仍無(wú)法滿足精確、可靠、實(shí)時(shí)定位服務(wù)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(shù)。在過(guò)去幾年，它們還用于信標(biāo)和接入點(diǎn)。

信標(biāo)是一種小型無(wú)線發(fā)射器，采用藍(lán)牙技術(shù)向附近的智能設(shè)備發(fā)送信號(hào)，同時(shí)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?cè)诙ㄎ粦?yīng)用方面的價(jià)值有限，因?yàn)樗鼈冃枰M(jìn)行大量處理和測(cè)量才能獲得一個(gè)有用的位置點(diǎn)。使用這些技術(shù)需要時(shí)間，不具實(shí)時(shí)性，而且還會(huì)增加功耗。

由于上述這些因素，現(xiàn)在是時(shí)候推出 UWB 技術(shù)了，而且市場(chǎng)也已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。UWB 是專為滿足實(shí)時(shí)定位應(yīng)用需求而開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

超寬帶技術(shù)簡(jiǎn)介

UWB 是一種 IEEE 802.15.4a/z 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，針對(duì)安全的精準(zhǔn)微定位應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它完全滿足上一節(jié)中的所有要求。像 GPS 技術(shù)一樣，UWB 能夠通過(guò)大幅提高定位信息的價(jià)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(zhǔn)確定位人和物的位置，精度達(dá)到幾厘米之內(nèi)。比 Wi-Fi 和 BLE 精確 100 倍。當(dāng)跟蹤/定位小型物體時(shí)，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(cè)量對(duì)于射頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極具挑戰(zhàn)性。

  
  

  
  

• 低延遲：UWB 比 GPS 快 50 倍，更新速度高達(dá) 1,000 次/秒。UWB 比 BLE 標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)快 3,000 倍！低延遲性使 UWB 非常適合快速移動(dòng)對(duì)象應(yīng)用（如無(wú)人機(jī)），并且能夠?qū)崿F(xiàn)許多非常棒的用例。

  
  

  
  

• 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，功耗低：與其他主流電子技術(shù)相比，UWB 不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且功耗低。許多 UWB 設(shè)備采用紐扣電池供電，既方便又實(shí)惠。

  
  

  
  

• 單點(diǎn)定向：UWB 只需單點(diǎn)測(cè)量即可精確可靠地確定您的位置，而其他射頻技術(shù)需要多個(gè)樣本和濾波才能獲得定位結(jié)果。

  
  

  
  

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

  
  

UWB 與其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較

設(shè)計(jì)室內(nèi)定位系統(tǒng)時(shí)，需要考慮許多因素。您需要根據(jù)不同的應(yīng)用選擇最符合其需求的定位技術(shù)。如表 1-1 中所示，可用技術(shù)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(shù)之間的一些差異。

>>>>基礎(chǔ)設(shè)施的范圍和成本

這兩個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，因?yàn)楣ぷ鞣秶鷽Q定了在建筑物等區(qū)域內(nèi)部署實(shí)時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施的范圍和成本定位系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備數(shù)量。范圍越大，單位區(qū)域內(nèi)的設(shè)備越少，而設(shè)備越少，成本就越低。

例如，UWB 的射頻范圍為 50 至 70 米，而藍(lán)牙的定位應(yīng)用范圍僅為 10 至 20 米，Wi-Fi 為 40 至 50 米。另外，由于藍(lán)牙和Wi-Fi中應(yīng)用的定位技術(shù)都是基于接收信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)設(shè)備遠(yuǎn)離基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)， 藍(lán)牙和Wi-Fi的精度就會(huì)迅速下降。而與之對(duì)應(yīng)，UWB 定位技術(shù)是基于信號(hào)的飛行時(shí)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(huì)共同影響各個(gè)錨點(diǎn)之間的實(shí)際部署間距。如圖1-3 所示，使用 UWB（左）與藍(lán)牙（右）和 Wi-Fi（右下）覆蓋類似區(qū)域，使用 UWB 時(shí)，需要的無(wú)線錨點(diǎn)更少。這可顯著降低基礎(chǔ)設(shè)施、部署和維護(hù)成本。

>>>>數(shù)據(jù)通信速度

與此同時(shí)，室內(nèi)定位系統(tǒng)還必須能夠同時(shí)從嵌入設(shè)備中的傳感器收集數(shù)據(jù)。您肯定不想使用多項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜和昂貴。除了定位功能，UWB 還提供速率高達(dá) 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(biāo)準(zhǔn)化組織合作，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)速率提高到 27 Mbps以上。

>>>>可擴(kuò)展性

大規(guī)模部署的一個(gè)重要考慮因素就是可在場(chǎng)所內(nèi)同時(shí)運(yùn)行的設(shè)備（即傳可擴(kuò)展性感器和執(zhí)行器）數(shù)量。例如，工廠通常需要同時(shí)定位數(shù)千個(gè)資產(chǎn)才能構(gòu)建自動(dòng)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(gè)設(shè)備，而 Wi-Fi 和藍(lán)牙只能處理幾百個(gè)設(shè)備。

>>>>延遲

無(wú)論您想為倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，還是想要構(gòu)建一個(gè)感應(yīng)式門禁延遲系統(tǒng)，其中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是系統(tǒng)延遲，換句話說(shuō)，就是定位報(bào)告之間的延遲，因?yàn)槟ㄎ坏脑O(shè)備很可能在移動(dòng)。由于 UWB 的數(shù)據(jù)包非常短，且可實(shí)現(xiàn)精確可靠的位置測(cè)量，所以可實(shí)現(xiàn)不到 1 毫秒的延遲。這樣就可以實(shí)現(xiàn)“真正的”實(shí)時(shí)定位檢測(cè)，而其他技術(shù)則需要幾秒鐘才能獲取和計(jì)算應(yīng)用所需的位置信息。

超寬帶技術(shù)運(yùn)用描述

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

• 消費(fèi)類應(yīng)用包括互聯(lián)家居、零售、機(jī)器人、TV/機(jī)頂盒、人工現(xiàn)實(shí) (AR) /虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、運(yùn)動(dòng)和無(wú)人機(jī)。

  
  

  
  

• 汽車應(yīng)用包括智能汽車的安全無(wú)鑰門禁和無(wú)鑰起動(dòng)。

  
  

  
  

• 工業(yè)應(yīng)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(dòng)化、機(jī)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(shí)現(xiàn)的工業(yè) 4.0 應(yīng)用場(chǎng)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(yùn)營(yíng)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(yīng)用：

• 家居安全/互聯(lián)家居：目前的報(bào)警系統(tǒng)需要用戶來(lái)激活和停用系統(tǒng)。采用 UWB 之后，用戶將獲得無(wú)縫體驗(yàn)。您不再需要使用鑰匙來(lái)開門，或使用觸摸板來(lái)解除安全系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)您把智能手機(jī)放在口袋里時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)知道您走近或離開家的時(shí)間。其他應(yīng)用包括智能遙控和智能手機(jī)，您只要指向想要控制的物體，并利用遙控的位置和方向來(lái)啟用正確的功能，遙控器和智能手機(jī)就知道是哪個(gè)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(yùn)營(yíng)效率、安全性和資產(chǎn)跟蹤性能。

  
  

  
  

  工廠可利用 UWB 技術(shù)，在工人接近危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)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(yīng)用，這些應(yīng)用使用物理對(duì)象或工藝的近實(shí)時(shí)數(shù)字圖像來(lái)優(yōu)化業(yè)務(wù)流程以提升績(jī)效。（數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)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(jī)器、生產(chǎn)線和工廠）的性能、有效性和質(zhì)量。）UWB 標(biāo)簽可跟蹤叉車和工具，以便實(shí)時(shí)查看工作進(jìn)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(shù)的密鑰卡可實(shí)現(xiàn)安全通信和距離測(cè)量，以防止車輛被盜。UWB 采用飛行時(shí)間 (TOF) 概念，并結(jié)合了 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)要求的其他安全措施，是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的防中繼攻擊技術(shù)。

  
  

  
  

• 機(jī)器人：UWB 可以實(shí)現(xiàn)非常精確的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。例如，您可以讓剪草機(jī)自動(dòng)、高效、精確、安全地割草。或者，您可以讓自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 將備件送到裝配線上的特定工作站。個(gè)人運(yùn)輸機(jī)器人甚至可以跟著您走，幫您搬運(yùn)任何需要移動(dòng)的重型零件或設(shè)備。

  
  

  
  

• 運(yùn)動(dòng)：UWB 具有厘米級(jí)精度和低延遲，非常適合進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。您可以跟蹤運(yùn)動(dòng)員快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并且無(wú)需擔(dān)心測(cè)量不準(zhǔn)確。UWB 已經(jīng)用于許多專業(yè)體育項(xiàng)目，幫助防止隊(duì)員受傷，提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。

  
  

  
  

• 企業(yè)：UWB 可實(shí)現(xiàn)可靠的社交距離解決方案，能夠?qū)⒐と税踩\(yùn)送到工作現(xiàn)場(chǎng)。由于其精確性、可靠性和實(shí)時(shí)性，UWB 成為企業(yè)應(yīng)用的首選技術(shù)。

  
  

  
  

  UWB 還可用于實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式門禁，這樣員工就不再需要刷卡進(jìn)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(shí)現(xiàn)這些功能的？答案很簡(jiǎn)單 — 就是物理學(xué)！UWB 的性能優(yōu)于 Wi-Fi 和藍(lán)牙等其他定位技術(shù)，因?yàn)樗膫鬏攷挿浅挘ǔ^(guò)500 MHz），并且采用 ToF 來(lái)代替窄帶通信和接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)。

UWB 與窄帶進(jìn)行比較

適用于室內(nèi)和室外定位應(yīng)用的技術(shù)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(kuò)展性。將 UWB 技術(shù)與最流行的窄帶方法進(jìn)行比較，可以清楚地說(shuō)明這一點(diǎn)，這也是我們?cè)诒竟?jié)要做的。

>>>>一切都取決于帶寬

從一開始，脈沖無(wú)線電 UWB 的設(shè)計(jì)目的就是實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距估計(jì)，同時(shí)進(jìn)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(wú)線電是 UWB 信號(hào)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(wù)的理想選擇。

除了其定位功能，Qorvo UWB 技術(shù)還符合 IEEE 802.15.4a 標(biāo)準(zhǔn)和近期發(fā)布的 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)。因此，除了厘米級(jí)測(cè)距精度，開發(fā)人員還強(qiáng)調(diào)要確保該技術(shù)穩(wěn)定且不受各種干擾的影響，從而實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。制定該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還考慮了低功耗和低成本因素，以及支持大量互連設(shè)備的能力。工程師們?cè)趧?chuàng)建該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)有一個(gè)愿景：讓每個(gè)互連對(duì)象都具有“定位感知”能力。

聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 將 UWB 無(wú)線電頻率范圍定義為 3.1 GHz 至 10.6 GHz，最低信號(hào)帶寬為 500 MHz（參見圖 2-1）。與其他無(wú)線電技術(shù)不同，UWB 并不使用幅度或頻率調(diào)制來(lái)編碼其信號(hào)傳輸?shù)男畔ⅰＯ喾?，UWB 采用非常窄的短脈沖序列，利用二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK) 和/或脈位調(diào)制 (BPM) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。使用窄脈沖導(dǎo)致傳輸表現(xiàn)出寬帶寬特性，從而可以擴(kuò)大范圍，降低對(duì)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(yùn)行。

>>>>RSSI 的限制

在當(dāng)今的許多應(yīng)用中，定位跟蹤采用接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 (RSSI) 實(shí)現(xiàn)。在 RSSI 應(yīng)用中，無(wú)線電信號(hào)的強(qiáng)度隨自由空間中與發(fā)射機(jī)距離的平方反比而變化，如圖 2-2 所示。當(dāng)信號(hào)遠(yuǎn)離信號(hào)源時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)減弱。

將 RSSI 配合 Wi-Fi 和藍(lán)牙 802.11 標(biāo)準(zhǔn)一起使用。根據(jù)已知的發(fā)射端設(shè)備的發(fā)射功率，就可以預(yù)測(cè)設(shè)備之間的距離。然而，這些類型的測(cè)量也存在缺陷，我們接下來(lái)會(huì)進(jìn)行討論。

>>>>使用藍(lán)牙的定位跟蹤

藍(lán)牙定位跟蹤，如藍(lán)牙低功耗 (BLE) 信標(biāo)，在某些情況下很有效。信標(biāo)主要用于接近檢測(cè)。它們會(huì)在設(shè)備（如電話）處于覆蓋范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)區(qū)分信號(hào)強(qiáng)度 (RSSI) 的強(qiáng)弱來(lái)估算距離。

這種方法的問(wèn)題在于，信號(hào)強(qiáng)度并不能很好地反映距離。如果信號(hào)強(qiáng)度低，是意味著電話離信標(biāo)很遠(yuǎn)，還是意味著信標(biāo)和電話之間存在一個(gè)巨大的柱子？如圖 2-3 所示，每個(gè)信標(biāo)與接收電話之間的視線 (LOS) 有好有壞；每個(gè)障礙物都會(huì)改變距離測(cè)量的整體精度。

設(shè)備 A 可以從會(huì)議室天花板上的信標(biāo)接收到非常強(qiáng)的信號(hào)，但墻壁使會(huì)議室外部附近角落的信標(biāo)信號(hào)明顯減弱，而這兩個(gè)信標(biāo)與設(shè)備 A 的距離大致相同。設(shè)備 B 不在任何信標(biāo)的 LOS 范圍內(nèi)，因此，所有信號(hào)都明顯減弱，而設(shè)備 C 處于開放式辦公室中多個(gè)信標(biāo)的 LOS 范圍內(nèi)。所以信號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng)，因?yàn)樗p更少。

解決這個(gè)問(wèn)題的變通方案就是使用一種叫做“指紋識(shí)別”的方法。先利用安裝在幾米遠(yuǎn)固定位置的信標(biāo)測(cè)量已知位置其他信標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度。將這些信號(hào)強(qiáng)度信息保存在指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)中。然后，信標(biāo)通過(guò)比較其信號(hào)強(qiáng)度與指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，就可以確定設(shè)備的距離和位置。根據(jù)最接近的匹配即可獲得位置測(cè)量結(jié)果。

指紋識(shí)別有許多版本，它們使用各種各樣復(fù)雜的算法。請(qǐng)記住，這些系統(tǒng)只是變通方案。它們并不能以 UWB 等技術(shù)的精度真正解決距離測(cè)量問(wèn)題。

>>>>使用 Wi-Fi 的定位跟蹤

Wi-Fi 是室內(nèi)定位應(yīng)用最常用的無(wú)線電信號(hào)。它仍然是使用最廣泛的室內(nèi)定位技術(shù)，并且經(jīng)常與 BLE 結(jié)合使用。Wi-Fi 的主要優(yōu)勢(shì)在于，大多數(shù)公共或私人場(chǎng)所都提供 Wi-Fi。

然而，使用 Wi-Fi 信號(hào)強(qiáng)度估算距離會(huì)面臨與藍(lán)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(hào)的飛行時(shí)間 (ToF) 或到達(dá)時(shí)間 (ToA) 來(lái)更精確地測(cè)量距離，但這無(wú)法直接使用標(biāo)準(zhǔn)的 Wi-Fi 硬件實(shí)現(xiàn)。

ToF 是一種通過(guò)將信號(hào)的 ToF 乘以光速來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)無(wú)線電收發(fā)器之間距離的方法。ToA 是無(wú)線電信號(hào)從發(fā)射機(jī)到達(dá)遠(yuǎn)程接收機(jī)的時(shí)間點(diǎn)。

通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中添加更多信標(biāo)，可以在一定程度上提高 RSSI 指紋識(shí)別的準(zhǔn)確性。盡管精度可能會(huì)提高一點(diǎn)，但卻無(wú)法提高測(cè)量的整體可靠性。此外，如果平面圖有任何變化，指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)也需要更新，這可能既耗費(fèi)成本又耗時(shí)。

>>>>為什么說(shuō) UWB 最適合室內(nèi)定位跟蹤

UWB 的固有特性意味著，它可以實(shí)現(xiàn)比其他技術(shù)更精確的室內(nèi)定位和距離測(cè)量。

如圖 2-4 所示，UWB 脈沖（中間和右側(cè)圖）只有 2 納秒 (ns) 寬，因此不受反射信號(hào)（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(hào)反射和多路徑效應(yīng)的情況下仍能精確測(cè)定到達(dá)時(shí)間和距離。

將 UWB 作為解決方案時(shí)，反射信號(hào)（灰色）不會(huì)影響直接信號(hào)（藍(lán)色）。IR-UWB 信號(hào)（中間和右側(cè)）的上升和下降時(shí)間（邊沿）比標(biāo)準(zhǔn)窄帶信號(hào)（左側(cè)）更短，因此可以精確地測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。這也有助于 UWB 信號(hào)在存在噪聲和多徑效應(yīng)的情況下保持其完整性和結(jié)構(gòu)。

即使在噪聲條件下，如圖 2-4（右側(cè)）所示，2ns 寬的脈沖無(wú)線電 UWB 脈沖的到達(dá)時(shí)間幾乎未受影響。相比之下，如圖 2-5 所示，窄帶信號(hào)受到噪聲的影響比較明顯。

我們已使用窄帶無(wú)線電技術(shù)對(duì)基于 ToF 的方法進(jìn)行了試驗(yàn)。如圖 2-6 所示，窄帶信號(hào)對(duì)多路徑非常敏感，因?yàn)榉瓷湫盘?hào)（深灰色）可與直達(dá)經(jīng)信號(hào)（淺灰色）進(jìn)行具有破壞性的結(jié)合，從而在接收機(jī)端生成最終信號(hào)（藍(lán)色）。這會(huì)影響信號(hào)超越閾值（用于測(cè)量 ToA）的時(shí)間，從而降低精度。

UWB 的精度優(yōu)勢(shì)非常明顯。UWB 完全能夠以 5 至 10 厘米的精度測(cè)量距離和位置。相比之下，藍(lán)牙、Wi-Fi 以及其他窄帶無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)只能實(shí)現(xiàn)米級(jí)精度。此外，由于 UWB 無(wú)線電脈沖極短，多徑效應(yīng)下，直達(dá)徑信號(hào)不會(huì)與多徑信號(hào)重疊，因此不會(huì)損壞信號(hào)完整性和強(qiáng)度。

這表明，UWB 具有以下特性

• 超精準(zhǔn)，提供厘米級(jí)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(hào)完整性

  
  

• 實(shí)時(shí)，延遲比全球定位系統(tǒng) (GPS) 低 50 倍，比標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)低 3,000 倍

  
  

UWB 系統(tǒng)考慮因素回顧

在本節(jié)中，我們來(lái)簡(jiǎn)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(diǎn)和標(biāo)簽

要了解 UWB 系統(tǒng)，您需要理解錨點(diǎn)和標(biāo)簽這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。錨點(diǎn)通常就是固定的 UWB 設(shè)備。標(biāo)簽通常是指移動(dòng)的 UWB 設(shè)備。錨點(diǎn)和標(biāo)簽可交換信息，以便確定兩者之間的距離。標(biāo)簽的確切位置可通過(guò)與多個(gè)錨點(diǎn)通信來(lái)確定。

一些設(shè)備即可作為錨點(diǎn)，也可作為標(biāo)簽。例如，當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)手機(jī)使用 UWB 來(lái)計(jì)算相互之間的距離時(shí)，它們可以在計(jì)算過(guò)程中轉(zhuǎn)化角色，交替地用作標(biāo)簽和錨點(diǎn)。

>>>>存儲(chǔ)單元和處理能力

典型的 UWB 設(shè)備需要具備一定程度處理能力和特定功能。對(duì)于簡(jiǎn)單的標(biāo)簽，要求處理器具有少量的閃存（可編程非易失性存儲(chǔ)器）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，或 RAM）。對(duì)于錨點(diǎn)應(yīng)用，比如到達(dá)時(shí)間差 (TDoA) 中使用的錨點(diǎn)，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(biāo)簽（具有運(yùn)動(dòng)檢測(cè)）或錨點(diǎn)（具有回傳接口，如以太網(wǎng)或 Wi-Fi 接口）的常見架構(gòu)。對(duì)于錨點(diǎn)，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(fù)載/吞吐量需求。

>>>>天線

另一個(gè)系統(tǒng)考慮因素就是天線。不同的應(yīng)用會(huì)需要不同的天線。例如，標(biāo)簽通常使用小型全向性天線。錨點(diǎn)則可能要使用定向天線，具體取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

>>>>軟件棧

UWB 通信組件和應(yīng)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(shè)備的互操作性和共存。此外，軟件可實(shí)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(jī)和汽車之間的連接時(shí)，軟件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)通信。

軟件還可以同時(shí)管理多個(gè)應(yīng)用和用例。例如，某個(gè)解決方案可能是控制揚(yáng)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(biāo)簽和 UWB 支持設(shè)備通信，同時(shí)利用位置信息控制環(huán)境、鎖門和開門、啟用和禁用報(bào)警系統(tǒng)等。UWB 軟件?？赏瑫r(shí)處理所有這些不同的情況。

使用 UWB 軟件棧可確保 UWB 通信組件滿足不同應(yīng)用的需求。此外，從最終用戶和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，利用該軟件的許多功能可以讓事情變得更簡(jiǎn)單。

>>>>功能優(yōu)先級(jí)排序

在一些應(yīng)用場(chǎng)景下，不同功能需要進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。例如，假設(shè)在某個(gè)應(yīng)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(shè)備設(shè)置為不用時(shí)關(guān)閉，需要通信時(shí)開啟。

另一種情況就是，傳感器 LOS 信號(hào)不理想或是來(lái)自不同的方向。此時(shí)，可使用軟件將結(jié)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(hào)更嘈雜的信號(hào)。為了獲得更精確的結(jié)果（尤其是在快速移動(dòng)應(yīng)用中），或?yàn)榱颂砑佑嘘P(guān)設(shè)備方向的信息，軟件還可以將來(lái)自 UWB 芯片組的數(shù)據(jù)與來(lái)自慣性測(cè)量裝置（包括加速計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等）的數(shù)據(jù)整合在一起。

UWB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較和選擇

UWB 利用 ToF 的概念，這是一種通過(guò)將信號(hào)的 ToF 乘以光速來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)無(wú)線電收發(fā)器之間距離的方法。基于這個(gè)基本原理，可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需求以不同的方式實(shí)現(xiàn) UWB 定位技術(shù)。

最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用決定。這也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)工程師首先要將應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配?？晒┻x擇的方法有：

• 雙向測(cè)距 (TWR)：如圖 2-9 所示，TWR 方法可通過(guò)測(cè)定 UWB 射頻信號(hào)的 ToF，然后將該時(shí)間乘以光速來(lái)計(jì)算標(biāo)簽與錨點(diǎn)之間的距離。汽車無(wú)鑰門禁系統(tǒng)就是使用 TWR 方法的一個(gè)應(yīng)用示例 TWR 可生成一個(gè)安全空間，類似于一個(gè)安全氣泡，同時(shí)確保在應(yīng)用的時(shí)候，這個(gè)氣泡保持高精度的安全控制。

  
  

  
  

  
  

  
  

  如果您在兩個(gè)設(shè)備之間實(shí)施 TWR 方案，則可以獲得設(shè)備之間的距離信息。在 TWR 方案的基礎(chǔ)上，您還可以在移動(dòng)標(biāo)簽和固定錨點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn) 2D 甚至 3D 位置測(cè)量；稱為“三邊測(cè)量法”。

  
  

  
  

  采用 TWR 方法，可交換三條消息。標(biāo)簽通過(guò)發(fā)送一條含已知錨點(diǎn)地址的輪詢消息啟動(dòng) TWR。錨點(diǎn)記錄輪詢接收時(shí)間，并回復(fù)響應(yīng)消息。在收到響應(yīng)消息后，標(biāo)簽記錄時(shí)間并編寫最后一條消息。錨點(diǎn)可利用最后一條消息中的信息確定 UWB 信號(hào)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(chǎng)景。圖 2-10 顯示使用監(jiān)聽器的雙向測(cè)距，而圖 2-11 顯示使用數(shù)據(jù)標(biāo)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(shí)現(xiàn)，通過(guò)這些方法將數(shù)據(jù)傳輸至云。

  
  

  
  

  
  

  
  

  
  

• 到達(dá)時(shí)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(chǎng)所部署了多個(gè)參考點(diǎn)，稱為“錨點(diǎn)”，且這些錨點(diǎn)在時(shí)間方面實(shí)現(xiàn)了緊密同步。如果為 TDoA，移動(dòng)設(shè)備將閃爍（也就是定期發(fā)送信息），當(dāng)錨點(diǎn)接收到信標(biāo)信號(hào)時(shí)，將基于共同的同步時(shí)基標(biāo)記時(shí)間戳。然后，多個(gè)錨點(diǎn)的時(shí)間戳將轉(zhuǎn)發(fā)至中央定位引擎，中央定位引擎將根據(jù)每個(gè)錨點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào) TDoA 運(yùn)行多點(diǎn)定位算法。最后將得到移動(dòng)設(shè)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(diǎn)發(fā)送同步信標(biāo)（具有固定/已知偏移，以避免發(fā)生碰撞），移動(dòng)設(shè)備利用 TDoA 和多點(diǎn)定位算法來(lái)計(jì)算其位置，如圖 2-13 所示。

  
  

  
  

  
  

• 到達(dá)相位差 (PDoA)：另一個(gè) UWB 拓?fù)渚褪?PDoA。PDoA 可將兩個(gè)設(shè)備之間的距離與兩者之間的方位測(cè)量結(jié)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(méi)有任何其他基礎(chǔ)設(shè)施的情況下計(jì)算出兩個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置。為此，其中一個(gè)設(shè)備必須配備至少 2 根天線，并且能夠測(cè)量每根天線處到達(dá)信號(hào)載波的相位差。相位完全不受天線變形的影響，并且可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 10°的測(cè)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(duì)于每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別最適合哪種應(yīng)用？這些用例主要側(cè)重于三個(gè)不同的領(lǐng)域：感應(yīng)式門禁、定位服務(wù)和設(shè)備對(duì)設(shè)備（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）應(yīng)用。圖 2-15 詳細(xì)介紹了 TWR、TDoA、反向 TDoA 和 PDoA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最佳應(yīng)用。

將 UWB 技術(shù)用于智能手機(jī)

最近 UWB 技術(shù)引入智能手機(jī)領(lǐng)域是 UWB 在全球大規(guī)模普及的關(guān)鍵一步。智能手機(jī)本身就是一個(gè)主要市場(chǎng)，每年發(fā)貨量超過(guò) 13 億部。因此，智能手機(jī)將是 UWB 在人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛普及的切入點(diǎn)，同時(shí)有助于實(shí)現(xiàn)汽車門禁、零售交易和家居控制等活動(dòng)，如圖 3-1 所示。UWB 手機(jī)將引發(fā)各種新設(shè)備和應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)，這是其他技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

預(yù)測(cè) UWB 部署的確切未來(lái)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(duì)收銀機(jī)的無(wú)線通信解決方案。1999 年，Apple 對(duì) Wi-Fi 的認(rèn)可是有力支持，使該技術(shù)迅速普及。這也刺激了各種設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)，并引發(fā)了網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，從而導(dǎo)致每年發(fā)貨量達(dá)數(shù)十億部。藍(lán)牙的成功也很類似：藍(lán)牙早期用于手機(jī)和汽車的免提通話，最終導(dǎo)致了許多應(yīng)用和市場(chǎng)的大規(guī)模采用。

UWB 也經(jīng)歷了同樣的市場(chǎng)普及，如圖 3-2 所示。手機(jī)、可穿戴產(chǎn)品和互聯(lián)家居設(shè)備發(fā)貨量的爆炸式增長(zhǎng)可能會(huì)比 Wi-Fi 和藍(lán)牙的增長(zhǎng)速度更快。甚至有人預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年內(nèi)，其發(fā)貨量將突破 10 億大關(guān)。

聯(lián)盟和合作伙伴如何幫助普及 UWB

互操作性 （不同供應(yīng)商的產(chǎn)品、系統(tǒng)、應(yīng)用和服務(wù)以可預(yù)測(cè)的方式可靠協(xié)同工作的能力）是新技術(shù)大規(guī)模采用的另一個(gè)關(guān)鍵因素。互操作性至關(guān)重要，因?yàn)槊總€(gè)用戶都希望他們的電子設(shè)備能夠輕松連接和操作。UWB 行業(yè)的不同參與者（從半導(dǎo)體供應(yīng)商到設(shè)備制造商和測(cè)試設(shè)備供應(yīng)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(jī)構(gòu)和組織合作，營(yíng)造有利的監(jiān)管和頻譜管理環(huán)境，全力推動(dòng) UWB 市場(chǎng)增長(zhǎng)。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(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的干擾。

  
  

  
  

• 車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 (CCC; https://carconnectivity.org)：CCC 是一個(gè)跨行業(yè)組織，致力于推進(jìn)針對(duì)智能手機(jī)到汽車連接解決方案的全球技術(shù)。CCC 包括許多利益相關(guān)者，如汽車原始設(shè)備制造商 (OEM)、一級(jí)供應(yīng)商、手機(jī)制造商、半導(dǎo)體供應(yīng)商和應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，允許將智能設(shè)備（如智能手機(jī)和智能手表）用作車鑰匙。利用這種標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)系統(tǒng)，無(wú)論在哪里，移動(dòng)設(shè)備都能夠以保護(hù)隱私的安全方式存儲(chǔ)、驗(yàn)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(cè)距，強(qiáng)調(diào)了 UWB 技術(shù)在測(cè)量目標(biāo)距離或確定位置時(shí)提供前所未有的精確性和安全性的獨(dú)特能力。作為行業(yè)聯(lián)盟，F(xiàn)iRa 認(rèn)為 UWB 技術(shù)將改變?nèi)藗凅w驗(yàn)連接的方式，并致力于 UWB 應(yīng)用的廣泛普及。如圖 3-3 所示，F(xiàn)iRa 聯(lián)盟預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)許多用例。這些用例包括感應(yīng)式門禁、室內(nèi)定位和導(dǎo)航以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用。

  
  

  
  

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

UWB 未來(lái)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(lán)牙已實(shí)現(xiàn)廣泛的服務(wù)和應(yīng)用，這是大家都未預(yù)料到的?；诒緯忻枋龅?UWB 的多方面價(jià)值，我們可以預(yù)見新應(yīng)用和新服務(wù)的到來(lái)，而這些應(yīng)用和服務(wù)是不可能用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

如圖 3-4 所示，UWB 支持的智能家居包括：

• 到家時(shí)會(huì)自動(dòng)打開的房門

  
  

• 無(wú)需敲擊鍵盤，進(jìn)門就會(huì)關(guān)閉的報(bào)警器

  
  

• 知道您進(jìn)入家中，從而為您提供個(gè)性化信息的個(gè)人助理

  
  

• 當(dāng)您在不同房間之間走動(dòng)時(shí)，最喜歡的音樂(lè)旋律將會(huì)如影隨行，追隨您的身影切換到相應(yīng)的揚(yáng)聲器

  
  

• 按照您的首選設(shè)置開啟的照明裝置

  
  

• 能夠提醒您出門時(shí)別忘記帶上網(wǎng)球包的無(wú)線節(jié)點(diǎn)

  
  

打造真正智能家居環(huán)境的潛力巨大！

>>>>個(gè)人導(dǎo)航

想象一下 UWB 如何改變建筑物導(dǎo)航體驗(yàn)。您是否有過(guò)在商店里苦苦尋找特定商品的經(jīng)歷？在公司里找會(huì)議室？在人群中找朋友？或者尋找在機(jī)場(chǎng)排隊(duì)的出租車？UWB 可以準(zhǔn)確地引導(dǎo)您前往目的地，將會(huì)終結(jié)所有這些不愉快、有時(shí)甚至讓人很緊張的經(jīng)歷。

將 UWB 與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 結(jié)合使用時(shí)，將不必根據(jù)智能手機(jī)中的地圖方位來(lái)設(shè)法判斷自己的確切位置以及應(yīng)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(shí)世界覆蓋顯示。

>>>>現(xiàn)場(chǎng)交付

另一個(gè)非常棒的應(yīng)用就是現(xiàn)場(chǎng)交付。在商場(chǎng)里感覺餓了，但沒(méi)有心情走到美食廣場(chǎng)？用手機(jī)下單，繼續(xù)購(gòu)物，無(wú)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(gè)領(lǐng)域就是無(wú)縫安全交易。例如，公共交通在實(shí)現(xiàn)便捷支付方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)步：現(xiàn)在通常都可以用交通卡或手機(jī)支付，而無(wú)需使用現(xiàn)金或車票。

試想一下，如果您無(wú)需從口袋中掏出手機(jī)，然后點(diǎn)擊支付讀卡器就可以自動(dòng)支付，是不是更方便？這樣一來(lái)，在擁擠的地鐵站，排隊(duì)和等待將成為歷史。同樣，在商店里的自動(dòng)結(jié)賬隊(duì)伍里等待時(shí)間可縮短，因?yàn)槟辉傩枰贸鍪謾C(jī)來(lái)付款了！

UWB 的潛力是無(wú)窮盡的。盡管我們無(wú)法想象未來(lái)的所有應(yīng)用，但可以肯定的是，未來(lái)肯定會(huì)有一位工程師設(shè)計(jì)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(chǎng)分析機(jī)構(gòu) Techno Systems Research 的報(bào)告《2021 年超寬帶市場(chǎng)分析》所說(shuō)，當(dāng)前我們常討論的 UWB 市場(chǎng)由四個(gè)主要應(yīng)用類別組成，分別是：實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS B2B），例如工業(yè)和零售室內(nèi)定位系統(tǒng)應(yīng)用；手機(jī)（智能手機(jī)，可穿戴設(shè)備，消費(fèi)者標(biāo)簽）；汽車和智能家居。其他的應(yīng)用則包括智能門，大門和付款等。

他們進(jìn)一步指出，到 2021 年，全球 UWB 的出貨量預(yù)計(jì)將達(dá)到 2 億個(gè)以上，到 2027 年將超過(guò) 12 億個(gè)。按照其估計(jì)，智能手機(jī)將在 2027 年成為 UWB 的最大應(yīng)用市場(chǎng)，其次則是汽車、智能家居設(shè)備、可穿戴設(shè)備、消費(fèi)者標(biāo)簽和 RTLS B2B。

UWB 市場(chǎng)預(yù)測(cè)

這個(gè)迅速崛起的市場(chǎng)，必然給擁有豐富且領(lǐng)先的 UWB 軟硬件積累的 Qorvo 帶來(lái)巨大的機(jī)會(huì)。Qorvo 方面也指出，超寬帶(UWB)可能將會(huì)改變我們的生活和工作方式。該技術(shù)能夠準(zhǔn)確定位人和物的位置，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度，比藍(lán)牙低功耗(BLE)和 Wi-Fi 等現(xiàn)有定位技術(shù)精確 100 倍。UWB 賦予設(shè)備真正的感知能力，為手機(jī), 汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)無(wú)限可能。

而這一切，除了受惠于公司本身的積累外，對(duì) Dacawave 和 7Hugs Labs 的收購(gòu)更是發(fā)揮了關(guān)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(shí)時(shí)定位服務(wù)，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(yīng)用及其他低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

在 Qorvo 看來(lái)，與 Decawave 達(dá)成的交易將增強(qiáng)公司在 UWB 產(chǎn)品和技術(shù)方面的領(lǐng)先地位，同時(shí)可以拓展公司在移動(dòng)，汽車和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新機(jī)遇。在吸收了 Decawave 獨(dú)特的 UWB 功能和技術(shù)之后，它能夠幫助 Qorvo 公司拓展新的應(yīng)用和業(yè)務(wù)。

至于總部位于巴黎的領(lǐng)先超寬帶 (UWB) 應(yīng)用軟件供應(yīng)商 7Hugs Labs，則一貫以來(lái)是 Decawave 的合作伙伴。

為了繼續(xù)推動(dòng)公司 UWB 的發(fā)展，Qorvo 把 7Hugs Labs 團(tuán)隊(duì)吸納了進(jìn)來(lái)，展望其能為公司產(chǎn)品事業(yè)部帶來(lái)了新生力量，其卓越的軟件人才和專業(yè)知識(shí)將促進(jìn)公司運(yùn)用 UWB 獨(dú)特的精確定位功能。

據(jù)了解，7Hugs Labs 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的軟件和軟件堆棧也將補(bǔ)充完善公司的 UWB 芯片組產(chǎn)品系列，有助于進(jìn)一步增強(qiáng)公司面向智能手機(jī)和其他設(shè)備的 UWB 產(chǎn)品系列，提高一系列新的定位和通信服務(wù)的準(zhǔn)確性，為移動(dòng)、物聯(lián)網(wǎng)和汽車市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)一系列全新的超寬頻應(yīng)用創(chuàng)造了無(wú)限可能。

具體到每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，據(jù) Techno Systems Research 預(yù)測(cè)， 2021 年將是基于 UWB 的消費(fèi)者標(biāo)簽的重要一年；預(yù)測(cè) 2027 年 RTLS B2B 應(yīng)用的超寬帶市場(chǎng)規(guī)模將比 2020 年增長(zhǎng) 7 倍以上；到 2023 年，UWB 在智能家居設(shè)備領(lǐng)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(shè)備市場(chǎng)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(yù)估，在 2023 年至 2024 年間可能是閘門訪問(wèn)應(yīng)用的起點(diǎn)，2025 年下半年則將成為支付應(yīng)用的起點(diǎn)。

UWB 十大關(guān)鍵要點(diǎn)

01
UWB 將是下一個(gè)重要的定位技術(shù)。它已經(jīng)為消費(fèi)類、手機(jī)、交通運(yùn)輸和工業(yè)應(yīng)用等 40 多個(gè)垂直市場(chǎng)提供了解決方案。

02
聯(lián)盟也隨時(shí)準(zhǔn)備提供幫助。UWB 行業(yè)正在通過(guò)與聯(lián)盟合作推動(dòng)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(xué)會(huì) (IEEE) 展開密切合作。

03
UWB 超精準(zhǔn)。在距離和位置測(cè)量方面，它的精度是藍(lán)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(jī)。它可為根據(jù)環(huán)境做出決策、流程效率和安全應(yīng)用提供“位置”信息。

05
UWB 非常可靠。它不易受多路徑干擾的影響，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(biāo)準(zhǔn)要求。它符合 2020 年公布的 IEEE 802.15.4a 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(guò)附加的加密編碼選項(xiàng)和改進(jìn)來(lái)增強(qiáng) 802.15.4a，以提高測(cè)距測(cè)量的完整性和精確性。

09
UWB 已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)準(zhǔn)備好廣泛普及，因?yàn)樗庑涡∏伞⒐牡颓医?jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此對(duì)設(shè)備制造商極具吸引力。

10
UWB 是目前所有位置和距離測(cè)量技術(shù)中最有前途的技術(shù)。這是因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了精確性、速度、安全性和成本效益的獨(dú)特組合。UWB 正蓄勢(shì)待發(fā)，將會(huì)取代當(dāng)今和未來(lái)的定位技術(shù)解決方案。

術(shù)語(yǔ)表

自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV)：一種便攜式機(jī)器人，沿著地板上標(biāo)記的線路行走，或使用無(wú)線電波、視覺攝像頭、磁鐵或激光進(jìn)行導(dǎo)航。

錨點(diǎn)：實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) (RTLS) 中的電子設(shè)備，用于檢測(cè) UWB 標(biāo)簽發(fā)出的 UWB 消息。如果有需要的話，還可將其轉(zhuǎn)發(fā)給定位服務(wù)器，以計(jì)算標(biāo)簽位置。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)：將計(jì)算機(jī)生成的圖像疊加在用戶的真實(shí)世界視角上，從而形成復(fù)合視圖的技術(shù)。

企業(yè)對(duì)企業(yè) (B2B)：公司之間而不是公司和個(gè)人消費(fèi)者之間進(jìn)行的業(yè)務(wù)。

藍(lán)牙低功耗 (BLE)：藍(lán)牙無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的一種版本，專為低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

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(yàn)位。

二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK)：一種雙相調(diào)制方案，其中二進(jìn)制信息中的 0 和 1 用載波信號(hào)中兩種不同的相位狀態(tài)表示：二進(jìn)制 1 和二進(jìn)制 0。在數(shù)字調(diào)制技術(shù)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(gè)跨行業(yè)組織，致力于推進(jìn)針對(duì)智能手機(jī)到汽車連接解決方案的全球技術(shù)。

設(shè)備到設(shè)備（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）服務(wù)：一種分布式應(yīng)用架構(gòu)，它在點(diǎn)之間劃分任務(wù)或工作負(fù)載。

數(shù)字鑰匙：將智能設(shè)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(guān)門。

以太網(wǎng)：將多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來(lái)形成一個(gè)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(gè)或多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)傳輸。

聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC)：美國(guó)政府的一個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)管理全美無(wú)線電、 電視、有線、衛(wèi)星和電纜通信。

Fine Range 聯(lián)盟 (FiRa)：一個(gè)非營(yíng)利組織，促進(jìn)超寬帶技術(shù) (UWB) 在門禁、定位服務(wù)和設(shè)備到設(shè)備服務(wù)等用例中的應(yīng)用。

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

全球定位系統(tǒng) (GPS)：一種精確的全球?qū)Ш郊皽y(cè)量設(shè)施，基于接收到的軌道衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和定位。

感應(yīng)式門禁：先進(jìn)的解決方案，使員工能夠輕松便捷地進(jìn)出整個(gè)建筑或設(shè)施的安全區(qū)域，而無(wú)需出示門禁卡。

電氣與電子工程師學(xué)會(huì) (IEEE)：促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的技術(shù)專業(yè)組織。

工業(yè) 4.0：利用現(xiàn)代智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)和工業(yè)實(shí)踐的持續(xù)自動(dòng)化。通過(guò)集成大規(guī)模機(jī)器對(duì)機(jī)器通信 (M2M) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，提高自動(dòng)化程度，改善通信和自我監(jiān)控，并生產(chǎn)出無(wú)需人工干預(yù)就能分析和診斷問(wèn)題的智能機(jī)器。

互操作性：不同供應(yīng)商的產(chǎn)品、系統(tǒng)、應(yīng)用和服務(wù)以可預(yù)測(cè)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(shè)備組成的系統(tǒng)。

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

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(jī)器的長(zhǎng)期演進(jìn) (LTE-M)：由第三代合作伙伴計(jì)劃 (3GPP) 制定的高速無(wú)線通信用電信標(biāo)準(zhǔn)。

低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)：一種無(wú)線電信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)用于允許以低比特率在連接的電池供電傳感器和設(shè)備之間進(jìn)行長(zhǎng)距離通信。

兆赫茲 (MHz)：頻率的度量標(biāo)準(zhǔn)。1 兆赫茲等于 1 百萬(wàn)赫茲。

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

納秒 (ns)：十億分之一秒。

原始設(shè)備制造商 (OEM)：利用從其他組織購(gòu)買的部件制造設(shè)備的組織。

到達(dá)相位差 (PDoA)：已接收載波的相位差用于估算同幀的到達(dá)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(chǎng)、電場(chǎng)或電磁場(chǎng)或機(jī)械系統(tǒng)的振蕩頻率。

射頻識(shí)別 (RFID)：利用電磁場(chǎng)自動(dòng)識(shí)別和跟蹤附在物體上的標(biāo)簽。

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

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) (RTLS)：一種實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)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(hào)強(qiáng)度指示器 (RSSI)：在電信技術(shù)中，接收到的無(wú)線電信號(hào)中的功率測(cè)量值。

標(biāo)簽：一種附在待跟蹤物體上的小型電子設(shè)備。

到達(dá)時(shí)間差 (TDoA)：用于測(cè)向和導(dǎo)航的電子技術(shù)，利用精確同步的參考時(shí)間，來(lái)計(jì)算特定信號(hào)到達(dá)物理上獨(dú)立的各個(gè)接收站時(shí)間。

到達(dá)時(shí)間 (ToA)：無(wú)線電信號(hào)從發(fā)射機(jī)到達(dá)遠(yuǎn)程接收機(jī)的絕對(duì)時(shí)間點(diǎn)。

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

雙向測(cè)距 (TWR)：一種測(cè)距方法。該方法測(cè)定 UWB 射頻信號(hào)的飛行時(shí)間 (ToF)，然后將該時(shí)間乘以光速來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離。

超寬帶技術(shù) (UWB)：一種 IEEE 802.15.4a/z 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，針對(duì)安全的精準(zhǔn)微定位應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算無(wú)線電信號(hào)在設(shè)備之間傳輸所需的時(shí)間，可實(shí)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(jìn)多個(gè)供應(yīng)商的超寬帶 (UWB) 無(wú)線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的互操作性。

虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)：計(jì)算機(jī)生成的單個(gè)對(duì)象或多個(gè)對(duì)象的三維 (3D) 圖像表示，用戶與該對(duì)象交互的方式類似于與現(xiàn)實(shí)對(duì)象交互的方式。

無(wú)線保真技術(shù) (Wi-Fi)：一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，是指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，可用作局域網(wǎng) (LAN)，無(wú)需使用電纜和任何類型的布線即可運(yùn)行，亦稱為 WLAN。

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