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，可以清楚地說明這一點(diǎn)，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(shè)計(jì)目的就是實(shí)現(xiàn)高精度測距估計(jì)，同時進(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(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，除了厘米級測距精度，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，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。工程師們在創(chuàng)建該標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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ⅰＯ喾矗琔WB 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強(qiáng)度指示器 （RSSI） 實(shí)現(xiàn)。在 RSSI 應(yīng)用中，無線電信號的強(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)信號遠(yuǎn)離信號源時，信號強(qiáng)度就會減弱。

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)測設(shè)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(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。它們會在設(shè)備（如電話）處于覆蓋范圍內(nèi)時進(jìn)行檢測，并通過區(qū)分信號強(qiáng)度 （RSSI） 的強(qiáng)弱來估算距離。

這種方法的問題在于，信號強(qiáng)度并不能很好地反映距離。如果信號強(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巨大的柱子？如圖 2-3 所示，每個信標(biāo)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(shè)備 A 可以從會議室天花板上的信標(biāo)接收到非常強(qiáng)的信號，但墻壁使會議室外部附近角落的信標(biāo)信號明顯減弱，而這兩個信標(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，所有信號都明顯減弱，而設(shè)備 C 處于開放式辦公室中多個信標(biāo)的 LOS 范圍內(nèi)。所以信號強(qiáng)度更強(qiáng)，因?yàn)樗p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(yuǎn)固定位置的信標(biāo)測量已知位置其他信標(biāo)的信號強(qiáng)度。將這些信號強(qiáng)度信息保存在指紋識別數(shù)據(jù)庫中。然后，信標(biāo)通過比較其信號強(qiáng)度與指紋識別數(shù)據(jù)庫中的數(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量結(jié)果。

指紋識別有許多版本，它們使用各種各樣復(fù)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(shù)的精度真正解決距離測量問題。

（一）UWB測距原理

UWB測距原理基于雙向飛行時間法（TW-TOF，two way-time of flight）。即每個UWB模塊從啟動開始即會生成一條獨(dú)立的時間戳。 UWB模塊A的發(fā)射機(jī)在其時間戳上的Ta1發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號，UWB模塊B接收機(jī)在其時間戳上的Tb1接收到該信號。對UWB信號加以一定的處理手段后，UWB模塊B在Tb2時刻發(fā)射一個響應(yīng)性質(zhì)的信號，被UWB模塊A在自己的時間戳Ta時刻接收。由此可以計(jì)算出脈沖信號在兩個UWB模塊之間的飛行時間，從而確定飛行距離。

距離S=光速C×［（Ta2-Ta1) -（Tb2-Tb1)］

（二）UWB測距的應(yīng)用有哪些呢，常用的有以下兩類。

第一類：UWB測距-防碰撞應(yīng)用

將UWB測距應(yīng)用于安全方面可以擴(kuò)展如下的一些應(yīng)用，比如常見的是防碰撞應(yīng)用。UWB測距精度最高能到10厘米左右，微能信息（95power）的UWB測距模塊最遠(yuǎn)測距距離可以擴(kuò)展到150米。 10CM高精度UWB測距可以用于檢測兩個物體之間的距離，當(dāng)兩者距離超過一個限定值，可設(shè)置報(bào)警，防止安全事故發(fā)生。

第二類：UWB測距-UWB定位應(yīng)用

UWB測距還有一類常見應(yīng)用是做室內(nèi)定位應(yīng)用，UWB測距的高精度決定了這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于超寬帶室內(nèi)定位方面，目前微能信息推出的UWB定位系統(tǒng)方案，定位精度最高到10CM，根據(jù)不同的定位場景，誤差一般在10厘米-30厘米。

目前UWB室內(nèi)定位技術(shù)已成熟，使用范圍廣定位精度高達(dá)10cm，同時具備高動態(tài)、高容量、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。目前，大量的UWB室內(nèi)定位項(xiàng)目已經(jīng)在國內(nèi)外完成，通過使用UWB定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員定位，實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全管理，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。