一篇文章带你了解UWB

UWB 技术因为苹果手机中的应用而站到了聚光灯下，与近期的光刻机一样接受着吃瓜群 众们好奇的眼光。其实 UWB 并不是一个新技术，早在军工领域应用的时候还要追溯到上 个世纪，那时候美苏还在冷战，国内还在改开；工业领域的应用也有了小20 年的时间， 各技术服务商在市场上已经拼杀了好几个回合了；而去年才放出的商业领域应用消息， 却终于让UWB走上了台前（可喜可贺）。本篇文章将全方位介绍UWB技术，让大家对UWB有更深刻的了解。什么是 UWBUWB指Ultra Wide-Band（超宽带），是一种新型的无线通信技术，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大，尽管使用无 线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。UWB 技术利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信，故又称为基带通信技术、无线载波通 信技术，主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。UWB 的发展历史UWB 技术诞生于 1960 年代，应用一直局限于军事、雷达定位及测距等方面。直到 2002 年2月，UWB才获得FCC批准，用于民用和商用通信，紧随其后日本于2006年8月开放 了超宽带频段，2007年3月，ISO正式通过了 WiMedia联盟提交的MB-0FDM标准，正式 成为了 UWB 技术的第一个国际标准。目前已有超过 20 多家厂商开发推出了 UWB 技术芯片、应用开发平台和相关设备。其中 走在前列的主要是美国的制造商，另外，也包括一些以色列、日本、英国、欧洲和中国 台湾的企业。与国外先进国家相比，我国的 UWB 研发起步相对较晚。从 1999 年开始，我国研究者开 始关注UWB技术的发展。2001年，国家“863”计划启动了高速UWB实验演示系统的研 发项目，经过遴选，由东南大学、清华大学、中国科技大学分别进行研发，各自提出方 案，分别于2005年12月和2006年4月完成并通过验收。在2011年的中国国际信息通 信展览会上，深圳国人通信有限公司推出了超宽带数字光纤分布系统（UW-DDS ），这 是可实现多制式多业务共同接入、协同发展以及共建共享的最新解决方案，已在国家大 剧院等处应用并获得巨大成功。随着室内定位商业模式的初步浮现以及主流芯片厂家、位置服务提供商、集成商等在产 业链各个环节上的大力推动，目前UWB技术在国内甚至全球市场都已经有着大量的行业 应用案例。技术特点UWB 在应用上主要有两大作用：测距与定位。支撑这两个作用的因素在于以下技术特点：1. 高精度具有厘米级的高精度定位能力。UWB信号时域宽度极窄，接收端在测量时，能获得极高 的时间分辨率，简单讲就是时间测量准，这是实现高精度定位的基础。同时它还具有很强的抗多径能力，不同方向到达的信号很难出现叠加干扰，这对高精度 定位也非常有好处。2. 低功耗UWB系统使用周期性的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ns1.5ns之 间，占空比非常低，省去了发送连续载波的大量功耗，因此功耗可以做到很低。3. 高安全UWB 通信系统的物理层技术具有天然的安全性能，其带宽大，发射功率谱密度比噪声还 要低，承载的信息淹没在噪声中，被截获和干扰的概率非常低。反之，影响其他无线通 信（如WIFI ）的概率也非常低。总结起来，就是自己既不干扰别人，别人也很难干扰自 己。4. 低成本部署UWB定位系统，有一定的硬件采购成本，但UWB基站覆盖范围大，典型半径达50-150 米，同样面积下，需部署的设备更少。同时，UWB系统一旦部署调试完毕，几乎不用再 改动，一次投入，可用 10年，运营成本极低。测距与定位原理UWB 的测距原理TOF飞行时间法（Time of flight，TOF）是一种双向测距技术，它通过测量 UWB信号 在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。根据数学关系，一点到已知点的 距离为常数，那么这点一定在以已知点为圆心，以该常数为半径的圆上。有两个 已知点，就有两个交点。以三个已知点和距离作三个圆，他们交于同一个点，该 点就是标签的位置。基于TOF的定位方法测距不依赖基站与标签的时间同步，故没有时钟同步偏差带 来的误差，但TOF测距方法的时间取决于时钟精度，时钟偏移会带来误差。为了 减少时钟偏移量造成的测距误差，通常采用正反两个方向的测量方法，即远端基站发送测距信息，标签接收测距信息并回复，然后再由标签发起测距信息，远端 基站回复，通过求取飞行时间平均值，减少两者之间的时间偏移，从而提高测距 精度。TDOA到达时间差(Time Differenceof Arrival， TDOA )是一种利用到达时间差进行定 位的方法又称为双曲线定位。标签卡对外发送一次UWB信号，在标签定位距离内的所有基站都会收到无线信号，如果有两个已知坐标点的基站收到信号，标签和 基站的距离间隔不同，因此这两个收到信号的时间节点是不一样的，根据数学关 系，到已知两点为常数的点，一定处于以这两点为焦点的双曲线上。那么有四个 已知点(四个定位基站)就会有四条双曲线，四条双曲线交于一点就是标签的位TDOA算法并不是直接利用信号到达时间，而是利用多个基站接收到信号的时间差 来确定移动目标的位置。因此与 TOA相比并不需要加入专门的时间戳来进行时钟 同步，定位精度相对有所提高。UWB的定位原理知道了 UWB的测距原理，再来了解UWB的室内定位原理就很容易了。UWB的室内定位功 能和卫星原理很相似，就是通过室内布置4个已知坐标的定位基站，需要定位的人员设 备携带定位标签，标签按照一定的频率发送脉冲，不断和4个已知位置的基站进行测距， 通过一定的精确算法定出标签的位置。应用场景UWB应用主要适用于三大场景，出入管理、位置服务和设备间交流。三大应用场景主要针对智能家居和智能办公、智慧城市、智慧交通、消费电子、新零售、 消费和医疗等领域。无障碍出入管理(Hands-Free Access Control)是利用UWB技术，实现出入门禁管理， 当人物靠近门禁时，自动感应、识别完成解锁，替代传统需互动接触的指纹、密码的应 用场景；位置服务(Location-Based Services)是基于UWB在多重路径下高穿透力的稳定传输 性能，实现室内精准定位和大数据分析； 设备互联互通(P2PApplications)则主要用于设备之间的数据互联互通，如视频电话 会议、自动驾驶V2X、AR/VR游戏、远程支付等。定位方案目前在 UWB 定位服务市场中，各类服务商如雨后春笋，纷纷跑步进场，想分一杯定位市 场的鲜汤，笔者通过对比各家的定位方案，总结出了各定位方案较通用的部分，其他针 对特定场景的特定技术服务不做论述，主要功能如下：1、实时定位与人员分布唯一标签绑定人员信息，实时位置跟踪，统计人员位置和分布热度图，随时随地掌握人 员动态，便于实现人员管理。2、人员跟踪与行为监测可对区域内各种行为监测：区域超时、区域聚众、长时间不动等，随时满足安全管理要 求，保障人身安全。并可标记重点人员，进行行为分析监控。3、电子围栏与高危区域系统可随时设置电子围栏，进行人员权限控制，确保高危区域有权限人员才能进入。围 栏管理实现进出限制，确保生产安全。4、历史轨迹存储与查询系统可以无限时间存储人员历史轨迹，用于查询分析人员行为，为事件分析提供依据并 可以分析人员行为，进行重点人员监控。5、门禁视频联动系统进行门禁联动，比对确定人卡一致；并对区域内进行视频跟踪，可随时观察区域内 现场情况，方便进行实时管理，有效保障人员资产安全。6、到岗到位可满足安全业务中，安全监察人员到岗到位监察，保证安全生产，并可结合人员密度以 及高危提醒为安全监察人员提供便捷的监察路线，提高安全监察管理效率。小结想要利用UWB,就要对其有最根本的了解，UWB的应用空间非常广阔，良性的市场竞争 与技术研究的深入能够激发出技术无限的潜力，在可见的未来，UWB技术必将还有更多、 更广的应用，拭目以待。