[導讀]關注、星標公眾號，直達精彩內(nèi)容來源：Qorvo半導體為充分了解超寬帶(UWB)技術帶來的價值和影響，我們需著眼于全局。在本文中，我們將介紹定位技術的演變，以及UWB如何塑造其發(fā)展前景以及為未來發(fā)展鋪平道路。了解這項新技術的潛力。盡管超寬帶技術(UWB)已經(jīng)存在了一段時間，但仍被視...
關注、星標公眾號，直達精彩內(nèi)容來源：Qorvo半導體
為充分了解超寬帶 (UWB) 技術帶來的價值和影響，我們需著眼于全局。在本文中，我們將介紹定位技術的演變，以及 UWB 如何塑造其發(fā)展前景以及為未來發(fā)展鋪平道路。了解這項新技術的潛力。
盡管超寬帶技術 (UWB) 已經(jīng)存在了一段時間，但仍被視為新興“定位技術”，并且目前發(fā)展態(tài)勢良好。精準定位功能是該技術與其他定位解決方案的不同之處，也是促成各種新用例的關鍵所在。
定位技術經(jīng)過了漫長的演變才發(fā)展到如今的 UWB，但我們是如何走到這一步的？為充分了解這一點，我們應著眼于 UWB 技術的起源、作用、工作原理及其支持的使用案例。在本博文中，我們將回顧定位技術的歷史，并探討可實現(xiàn) UWB 技術實時精準性能的解決方案。
定位技術回顧
星星、地圖和指南針
定位技術可以追溯到時間的起源。長期以來，天文導航就一直通過定位來進行測向、尋路、轉向操控和駕駛。隨后，在 11 世紀初出現(xiàn)了磁羅盤。當然，查看地圖、找人問路以及反復試驗路線也有助于人們游走世界。
衛(wèi)星指引
早在 20 世紀 90 年代末和 21 世紀初，全球定位系統(tǒng) (GPS) 就已經(jīng)成為主流。GPS 是定位技術的一大進步，為我們的生活帶來了更多便利，從而在許多方面改變了我們的生活。它允許用戶通過電子方式定位最近的加油站，跟蹤體能狀況，制定旅行計劃，以及找到回家的路。對于企業(yè)來說，它不僅可以帶來便利性，還可以提高效率，或者構建可持續(xù)的業(yè)務模式。如果沒有 GPS，Amazon、FedEx?和?UPS?等公司如何才能高效地將貨物運送到您的家門口？
大多數(shù)人思考定位技術時，都會想到全球定位系統(tǒng) (GPS)，這是最主要的室外導航技術。GPS 的工作原理是：利用衛(wèi)星將獨特的信號和軌道參數(shù)傳送到地面站和接收器（如移動手機）。接收器利用 4 個或更多衛(wèi)星發(fā)射的信號進行解碼，然后計算距離，以找到確切位置。
從室外導航發(fā)展到室內(nèi)導航
十年后，我們見證了將導航技術引入室內(nèi)的另一項重大突破，也就是所謂的室內(nèi)導航或定位，例如大家在谷歌地圖上看到的商場、機場和其他大型建筑。從許多方面來說，室內(nèi)定位就是我們進行室外導航時所依賴的衛(wèi)星導航應用程序的室內(nèi)版本，但它具有一個額外的特點，那就是可用于定位人和物。與 GPS 相似，室內(nèi)導航利用傳感器和通信技術（Wi-Fi、Bluetooth? Low Energy (LE)、ZigBee 和 Thread 支持設備）組成的定位系統(tǒng)來定位室內(nèi)環(huán)境中的物體。
采用 Wi-Fi、Bluetooth? Low Energy (LE)、Zigbee 和 Thread 等通信技術，在每個房間設置一個 pod 的無線室內(nèi)架構。
微型化之路
再回到現(xiàn)在，我們看到，精準微定位系統(tǒng)正不斷涌現(xiàn)。人們和企業(yè)都希望能夠實時定位和發(fā)現(xiàn)幾乎任何事物，無論其大小如何。比如說：您在家里把車鑰匙放錯地方了，或者在雜貨店找不到最喜歡的咖啡品牌?；蛘吣诠S工作，需要從倉庫中拿一個特定工具，或者您是一位正在處理緊急情況的現(xiàn)場管理人員，需要確保每個人都離開了大樓。從微觀層面上說，室內(nèi)定位適用于以上所有情況，因為它可以定位物品并引導您找到它們。
為了實現(xiàn)足夠的準確性、可靠性和實時性能，底層技術需要具備精準定位功能。UWB 技術能夠在許多不同應用中提供非常重要的位置信息，具有深遠的意義。
與單獨使用 BLE 技術相比，在旗艦智能手機中采用超寬帶 (UWB) 技術可實現(xiàn)更精確、更可靠的室內(nèi)定位和導航功能。其定位能力極其精準，對產(chǎn)品和人的定位精度可達到厘米級。
滿足微觀層面需求
從微觀層面講，開發(fā)有效的室內(nèi)定位技術需要滿足以下幾個要求。首先，位置讀數(shù)需要非常精確，精確到盡可能小的區(qū)域。定位技術必須安全，因為位置信息通常需要保密。此外，即使在惡劣環(huán)境下，定位技術也需要可靠且易于擴展，這樣才能確定大型場所內(nèi)成千上萬人員和資產(chǎn)的位置。其他要求包括低功耗和經(jīng)濟適用性，這樣就可以將其嵌入從高端復雜設備（如智能手機）到低端簡單設備（如資產(chǎn)標簽）的任何物品中。當然，定位技術還必須具有足夠低的延遲性，以便實時追蹤物體的動向。
微觀層面的室內(nèi)定位要求
設計首款室內(nèi)定位系統(tǒng)時，工程師們采用現(xiàn)有技術，通常為 Wi-Fi 和藍牙低功耗 (BLE)。雖然這些技術非常適合數(shù)據(jù)通信（發(fā)明這些技術的初衷），但它們都不是為實時定位服務 (RTLS) 而設計的，因此不能滿足所有的室內(nèi)微型定位要求。
Wi-Fi、藍牙和其他窄帶無線電系統(tǒng)只能達到幾米的精度。其可靠性并未達到構建安全可靠系統(tǒng)所需的 99.9% 要求。由于沖突和干擾，成千上萬的設備無法同時報告其位置，并且在用于實時定位服務中時會出現(xiàn)問題。以 BLE 為例，雖然非常適合低功耗數(shù)據(jù)通信，但獲得一個“正確”定位點所需的測量和后處理工作量會使功耗達到峰值，并使延遲增加至數(shù)秒。
因此，本世紀 00 年代中期，IEEE?的工程師開始指定一種專為精確定位而設計的無線技術，可以滿足所有要求。這項技術被命名為超寬帶 (UWB) 技術，并且有可能改變我們完成各種日常工作的方式。
通過使用支持 UWB 的傳感器、標簽和智能設備來識別和定位人和物，并結合其他硬件和軟件平臺，公司和組織可開展多種實時定位服務。這包括從員工安全監(jiān)控到資產(chǎn)定位和工藝/流程優(yōu)化等應用，從而可提高效率和合規(guī)性，并降低成本。
UWB：目前取得的成就
UWB 基于?IEEE 標準 802.15.4a/z，該標準針對精準定位和安全通信進行了優(yōu)化。UWB 可將人和物定位到幾厘米范圍內(nèi)，其精度是當前采用的藍牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 技術的 100 倍。
概括而言，UWB 非常適合 RTLS 應用的原因如下：
UWB 知識拓展
這些都是如何實現(xiàn)的？簡而言之：物理學。UWB 可傳輸寬帶信號 (500 MHz)，并利用飛行時間進行定位，因此更適合精準定位應用。
為什么說 UWB 最適合精準定位應用
下面的圖 1 比較了窄帶技術和超寬帶技術。UWB 脈沖（中圖和右圖）只有 2 納秒 (ns) 寬，因此不易受反射信號（多路徑）干擾的影響。如中圖和右圖所示，反射信號（紅色）不會影響直接信號（藍色）。這些 UWB 信號的上升沿和下降沿也比窄帶信號（左圖）更快。即使存在噪聲和多路徑影響，UWB 信號仍能保持其完整性和結構。此外，UWB 信號沿干凈，可精確地確定信號到達時間和距離。
圖 1：窄帶信號與含直接信號（藍色）和反射信號（橙色）的脈沖無線電的比較。
展望未來
目前，UWB 已經(jīng)為消費類、汽車、工業(yè)和商業(yè)等四十多個垂直市場的產(chǎn)品和服務帶來了價值，從提高工廠和倉庫的運營效率，提高工人安全性，支持機器人和無人機自主導航，到基于位置為消費者提供新的用戶界面形式。此外，由于其安全有效的距離限制功能，它還可實現(xiàn)無需手動操作即可安全地進入汽車、前門、家和辦公室。
在當前抗擊 COVID-19 疫情的戰(zhàn)役中，事實證明，UWB 是唯一能夠真正有助于追蹤接觸者和保持社交距離的技術，因為在需要信任數(shù)據(jù)的情況下，準確性和可靠性是設計高效解決方案的關鍵特性。
與其他無線技術不同，UWB 可提供追蹤 COVID-19 病毒接觸者和保持社交距離所需的準確性。它可以計算出人與人之間的距離（精確到厘米），從而確定某人與其他人之間的距離是否足以傳播病毒。
隨著近期開始在智能手機中采用 UWB 技術，它也將成為我們?nèi)粘Ｉ钪邢乱粋€無處不在的無線連接用例（從家到辦公室，再到公共場所）。在智能手機中嵌入 UWB 技術是實現(xiàn)大規(guī)模應用的重要第一步。此外，還必須確保所有設備之間的互操作性。發(fā)展迅速的行業(yè)聯(lián)盟?FiRa?對半導體、移動、基礎設施和消費類領域的 50 多家公司進行了重組，目前正在積極開展協(xié)議定義工作，以確保此類互操作性。這樣，開發(fā)人員就能夠以各種全新方式運用 UWB 技術，如室內(nèi)地圖和導航、智能家居應用、車輛出入控制、增強現(xiàn)實以及移動支付。最終，室內(nèi)定位的未來實際上僅受開發(fā)人員想象力的限制。
版權歸原作者所有，如有侵權，請聯(lián)系刪除。???????????????? ?END ?????????????????
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為充分了解超寬帶 (UWB) 技術帶來的價值和影響，我們需著眼于全局。在本文中，我們將介紹定位技術的演變，以及 UWB 如何塑造其發(fā)展前景以及為未來發(fā)展鋪平道路。了解這項新技術的潛力。
盡管超寬帶技術 (UWB) 已經(jīng)存在了一段時間，但仍被視為新興“定位技術”，并且目前發(fā)展態(tài)勢良好。精準定位功能是該技術與其他定位解決方案的不同之處，也是促成各種新用例的關鍵所在。
定位技術經(jīng)過了漫長的演變才發(fā)展到如今的 UWB，但我們是如何走到這一步的？為充分了解這一點，我們應著眼于 UWB 技術的起源、作用、工作原理及其支持的使用案例。在本博文中，我們將回顧定位技術的歷史，并探討可實現(xiàn) UWB 技術實時精準性能的解決方案。
定位技術回顧
星星、地圖和指南針
定位技術可以追溯到時間的起源。長期以來，天文導航就一直通過定位來進行測向、尋路、轉向操控和駕駛。隨后，在 11 世紀初出現(xiàn)了磁羅盤。當然，查看地圖、找人問路以及反復試驗路線也有助于人們游走世界。
衛(wèi)星指引
早在 20 世紀 90 年代末和 21 世紀初，全球定位系統(tǒng) (GPS) 就已經(jīng)成為主流。GPS 是定位技術的一大進步，為我們的生活帶來了更多便利，從而在許多方面改變了我們的生活。它允許用戶通過電子方式定位最近的加油站，跟蹤體能狀況，制定旅行計劃，以及找到回家的路。對于企業(yè)來說，它不僅可以帶來便利性，還可以提高效率，或者構建可持續(xù)的業(yè)務模式。如果沒有 GPS，Amazon、FedEx?和?UPS?等公司如何才能高效地將貨物運送到您的家門口？
大多數(shù)人思考定位技術時，都會想到全球定位系統(tǒng) (GPS)，這是最主要的室外導航技術。GPS 的工作原理是：利用衛(wèi)星將獨特的信號和軌道參數(shù)傳送到地面站和接收器（如移動手機）。接收器利用 4 個或更多衛(wèi)星發(fā)射的信號進行解碼，然后計算距離，以找到確切位置。
從室外導航發(fā)展到室內(nèi)導航
十年后，我們見證了將導航技術引入室內(nèi)的另一項重大突破，也就是所謂的室內(nèi)導航或定位，例如大家在谷歌地圖上看到的商場、機場和其他大型建筑。從許多方面來說，室內(nèi)定位就是我們進行室外導航時所依賴的衛(wèi)星導航應用程序的室內(nèi)版本，但它具有一個額外的特點，那就是可用于定位人和物。與 GPS 相似，室內(nèi)導航利用傳感器和通信技術（Wi-Fi、Bluetooth? Low Energy (LE)、ZigBee 和 Thread 支持設備）組成的定位系統(tǒng)來定位室內(nèi)環(huán)境中的物體。
采用 Wi-Fi、Bluetooth? Low Energy (LE)、Zigbee 和 Thread 等通信技術，在每個房間設置一個 pod 的無線室內(nèi)架構。
微型化之路
再回到現(xiàn)在，我們看到，精準微定位系統(tǒng)正不斷涌現(xiàn)。人們和企業(yè)都希望能夠實時定位和發(fā)現(xiàn)幾乎任何事物，無論其大小如何。比如說：您在家里把車鑰匙放錯地方了，或者在雜貨店找不到最喜歡的咖啡品牌?；蛘吣诠S工作，需要從倉庫中拿一個特定工具，或者您是一位正在處理緊急情況的現(xiàn)場管理人員，需要確保每個人都離開了大樓。從微觀層面上說，室內(nèi)定位適用于以上所有情況，因為它可以定位物品并引導您找到它們。
為了實現(xiàn)足夠的準確性、可靠性和實時性能，底層技術需要具備精準定位功能。UWB 技術能夠在許多不同應用中提供非常重要的位置信息，具有深遠的意義。
與單獨使用 BLE 技術相比，在旗艦智能手機中采用超寬帶 (UWB) 技術可實現(xiàn)更精確、更可靠的室內(nèi)定位和導航功能。其定位能力極其精準，對產(chǎn)品和人的定位精度可達到厘米級。
滿足微觀層面需求
從微觀層面講，開發(fā)有效的室內(nèi)定位技術需要滿足以下幾個要求。首先，位置讀數(shù)需要非常精確，精確到盡可能小的區(qū)域。定位技術必須安全，因為位置信息通常需要保密。此外，即使在惡劣環(huán)境下，定位技術也需要可靠且易于擴展，這樣才能確定大型場所內(nèi)成千上萬人員和資產(chǎn)的位置。其他要求包括低功耗和經(jīng)濟適用性，這樣就可以將其嵌入從高端復雜設備（如智能手機）到低端簡單設備（如資產(chǎn)標簽）的任何物品中。當然，定位技術還必須具有足夠低的延遲性，以便實時追蹤物體的動向。
微觀層面的室內(nèi)定位要求
設計首款室內(nèi)定位系統(tǒng)時，工程師們采用現(xiàn)有技術，通常為 Wi-Fi 和藍牙低功耗 (BLE)。雖然這些技術非常適合數(shù)據(jù)通信（發(fā)明這些技術的初衷），但它們都不是為實時定位服務 (RTLS) 而設計的，因此不能滿足所有的室內(nèi)微型定位要求。
Wi-Fi、藍牙和其他窄帶無線電系統(tǒng)只能達到幾米的精度。其可靠性并未達到構建安全可靠系統(tǒng)所需的 99.9% 要求。由于沖突和干擾，成千上萬的設備無法同時報告其位置，并且在用于實時定位服務中時會出現(xiàn)問題。以 BLE 為例，雖然非常適合低功耗數(shù)據(jù)通信，但獲得一個“正確”定位點所需的測量和后處理工作量會使功耗達到峰值，并使延遲增加至數(shù)秒。
因此，本世紀 00 年代中期，IEEE?的工程師開始指定一種專為精確定位而設計的無線技術，可以滿足所有要求。這項技術被命名為超寬帶 (UWB) 技術，并且有可能改變我們完成各種日常工作的方式。
通過使用支持 UWB 的傳感器、標簽和智能設備來識別和定位人和物，并結合其他硬件和軟件平臺，公司和組織可開展多種實時定位服務。這包括從員工安全監(jiān)控到資產(chǎn)定位和工藝/流程優(yōu)化等應用，從而可提高效率和合規(guī)性，并降低成本。
UWB：目前取得的成就
UWB 基于?IEEE 標準 802.15.4a/z，該標準針對精準定位和安全通信進行了優(yōu)化。UWB 可將人和物定位到幾厘米范圍內(nèi)，其精度是當前采用的藍牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 技術的 100 倍。
概括而言，UWB 非常適合 RTLS 應用的原因如下：
- UWB 不易受各種干擾（包括多路徑干擾）的影響，因此非?？煽浚ó旊姴ㄍㄟ^兩個或更多路徑從發(fā)射機傳輸至接收機時，就會產(chǎn)生干擾）。
- 具有極低的延遲。更新速率高達每秒 1000 次，讀取速度比衛(wèi)星導航快 50 倍，因此可實現(xiàn)任何物體/人員的實時定位/追蹤。
- 采用主流 CMOS 技術實現(xiàn)，不僅經(jīng)濟實惠，還針對低功耗進行了優(yōu)化。
- 除了其定位功能，UWB 還可實現(xiàn)高傳輸速率、高能效數(shù)據(jù)通信，目前速率高達 27 mbps，未來進行標準修訂后可能會更高。
- 利用 IEEE 定義的傳輸距離限制技術實現(xiàn)其安全性，使其成為一種極其安全的格式。
UWB 知識拓展
這些都是如何實現(xiàn)的？簡而言之：物理學。UWB 可傳輸寬帶信號 (500 MHz)，并利用飛行時間進行定位，因此更適合精準定位應用。
為什么說 UWB 最適合精準定位應用
下面的圖 1 比較了窄帶技術和超寬帶技術。UWB 脈沖（中圖和右圖）只有 2 納秒 (ns) 寬，因此不易受反射信號（多路徑）干擾的影響。如中圖和右圖所示，反射信號（紅色）不會影響直接信號（藍色）。這些 UWB 信號的上升沿和下降沿也比窄帶信號（左圖）更快。即使存在噪聲和多路徑影響，UWB 信號仍能保持其完整性和結構。此外，UWB 信號沿干凈，可精確地確定信號到達時間和距離。
圖 1：窄帶信號與含直接信號（藍色）和反射信號（橙色）的脈沖無線電的比較。
展望未來
目前，UWB 已經(jīng)為消費類、汽車、工業(yè)和商業(yè)等四十多個垂直市場的產(chǎn)品和服務帶來了價值，從提高工廠和倉庫的運營效率，提高工人安全性，支持機器人和無人機自主導航，到基于位置為消費者提供新的用戶界面形式。此外，由于其安全有效的距離限制功能，它還可實現(xiàn)無需手動操作即可安全地進入汽車、前門、家和辦公室。
在當前抗擊 COVID-19 疫情的戰(zhàn)役中，事實證明，UWB 是唯一能夠真正有助于追蹤接觸者和保持社交距離的技術，因為在需要信任數(shù)據(jù)的情況下，準確性和可靠性是設計高效解決方案的關鍵特性。
與其他無線技術不同，UWB 可提供追蹤 COVID-19 病毒接觸者和保持社交距離所需的準確性。它可以計算出人與人之間的距離（精確到厘米），從而確定某人與其他人之間的距離是否足以傳播病毒。
隨著近期開始在智能手機中采用 UWB 技術，它也將成為我們?nèi)粘Ｉ钪邢乱粋€無處不在的無線連接用例（從家到辦公室，再到公共場所）。在智能手機中嵌入 UWB 技術是實現(xiàn)大規(guī)模應用的重要第一步。此外，還必須確保所有設備之間的互操作性。發(fā)展迅速的行業(yè)聯(lián)盟?FiRa?對半導體、移動、基礎設施和消費類領域的 50 多家公司進行了重組，目前正在積極開展協(xié)議定義工作，以確保此類互操作性。這樣，開發(fā)人員就能夠以各種全新方式運用 UWB 技術，如室內(nèi)地圖和導航、智能家居應用、車輛出入控制、增強現(xiàn)實以及移動支付。最終，室內(nèi)定位的未來實際上僅受開發(fā)人員想象力的限制。
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