UWB與窄帶進行比較

適用于室內(nèi)和室外定位應用的技術(shù)有多種，但 UWB 最精確、最可靠且最具成本效益；通常也更具可擴展性。將 UWB 技術(shù)與最流行的窄帶方法進行比較，可以清楚地說明這一點，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)計目的就是實現(xiàn)高精度測距估計，同時進行雙向通信。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的理想選擇。

除了其定位功能，QorvoUWB 技術(shù)還符合 IEEE 802.15.4a 標準和近期發(fā)布的 IEEE 802.15.4z 標準。因此，除了厘米級測距精度，開發(fā)人員還強調(diào)要確保該技術(shù)穩(wěn)定且不受各種干擾的影響，從而實現(xiàn)更高的可靠性。制定該標準時，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)建該標準時有一個愿景：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?。相反，UWB 采用非常窄的短脈沖序列，利用二進制相移鍵控 （BPSK） 和/或脈位調(diào)制 （BPM） 對數(shù)據(jù)進行編碼。使用窄脈沖導致傳輸表現(xiàn)出寬帶寬特性，從而可以擴大范圍，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行。

RSSI 的限制

在當今的許多應用中，定位跟蹤采用接收信號強度指示器 （RSSI） 實現(xiàn)。在 RSSI 應用中，無線電信號的強度隨自由空間中與發(fā)射機距離的平方反比而變化，如圖 2-2 所示。當信號遠離信號源時，信號強度就會減弱。

將 RSSI 配合Wi-Fi和藍牙802.11 標準一起使用。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，我們接下來會進行討論。

使用藍牙的定位跟蹤

藍牙定位跟蹤，如藍牙低功耗 （BLE） 信標，在某些情況下很有效。信標主要用于接近檢測。它們會在設(shè)備（如電話）處于覆蓋范圍內(nèi)時進行檢測，并通過區(qū)分信號強度 （RSSI） 的強弱來估算距離。

這種方法的問題在于，信號強度并不能很好地反映距離。如果信號強度低，是意味著電話離信標很遠，還是意味著信標和電話之間存在一個巨大的柱子？如圖 2-3 所示，每個信標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接收到非常強的信號，但墻壁使會議室外部附近角落的信標信號明顯減弱，而這兩個信標與設(shè)備 A 的距離大致相同。設(shè)備 B 不在任何信標的 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的 LOS 范圍內(nèi)。所以信號強度更強，因為衰減更少。

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固定位置的信標測量已知位置其他信標的信號強度。將這些信號強度信息保存在指紋識別數(shù)據(jù)庫中。然后，信標通過比較其信號強度與指紋識別數(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立的時間戳。 UWB模塊A的發(fā)射機在其時間戳上的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測距的應用有哪些呢，常用的有以下兩類。

第一類：UWB測距-防碰撞應用

將UWB測距應用于安全方面可以擴展如下的一些應用，比如常見的是防碰撞應用。UWB測距精度最高能到10厘米左右，微能信息（95power）的UWB測距模塊最遠測距距離可以擴展到150米。 10CM高精度UWB測距可以用于檢測兩個物體之間的距離，當兩者距離超過一個限定值，可設(shè)置報警，防止安全事故發(fā)生。

第二類：UWB測距-UWB定位應用

UWB測距還有一類常見應用是做室內(nèi)定位應用，UWB測距的高精度決定了這項技術(shù)可以應用于超寬帶室內(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10cm，同時具備高動態(tài)、高容量、低功耗的優(yōu)點。目前，大量的UWB室內(nèi)定位項目已經(jīng)在國內(nèi)外完成，通過使用UWB定位技術(shù)實現(xiàn)人員定位，實現(xiàn)企業(yè)安全管理，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。