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超寬帶 (UWB) 是一種基于 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，可以非常準(zhǔn)確地測(cè)量無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的飛行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)厘米精度的距離/位置測(cè)量。
所謂，IEEE 802.15.4a ，是定義 IR-UWB 物理層的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)旨在提供非常高精度的定位，同時(shí)提供高達(dá) 27Mbps 的同步雙向通信，以收集傳感器數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行器。該標(biāo)準(zhǔn)于 2005 年啟動(dòng)并于 2007 年獲得批準(zhǔn)，然后于 2011 年完全集成。2018 年，該標(biāo)準(zhǔn)以802.15.4z 的形式重新開(kāi)放，以進(jìn)一步增加物理層的安全性，因?yàn)楝F(xiàn)在預(yù)計(jì) UWB 將用作汽車(chē)和移動(dòng)行業(yè)的安全交易無(wú)線(xiàn)技術(shù)。
除了這種獨(dú)特的功能外，UWB 還提供數(shù)據(jù)通信功能。同時(shí)使用極少的功耗——使紐扣電池運(yùn)行多年而無(wú)需充電或更換。通過(guò)結(jié)合準(zhǔn)確的定位和通信。此外，UWB 還提供了一種新的無(wú)線(xiàn)安全通信方式，為新形式的安全交易打開(kāi)了大門(mén)。
UWB 的工作原理
UWB 利用飛行時(shí)間 (Time of Flight：ToF)，這是一種通過(guò)將信號(hào)的飛行時(shí)間乘以光速來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器之間距離的方法。從這個(gè)基本原理出發(fā)，UWB 技術(shù)可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用需求以不同方式實(shí)現(xiàn)，分別是 TWR（Two Way Ranging）、TDoA (Time Difference of Arrival) 或 PDoA(Phase Difference of Arrival )。
其中 TDoA 方法與 GPS 非常相似。多個(gè)參考點(diǎn)（稱(chēng)為錨點(diǎn)：anchors）部署在一個(gè)場(chǎng)地中并且是時(shí)間同步的。移動(dòng)設(shè)備將發(fā)出信標(biāo)，當(dāng)“錨”接收到信標(biāo)信號(hào)時(shí)，它會(huì)為其添加時(shí)間戳（timestamp）。然后將來(lái)自多個(gè)錨點(diǎn)的時(shí)間戳發(fā)送回中央定位引擎，該引擎將根據(jù)信標(biāo)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差運(yùn)行多點(diǎn)定位算法，以計(jì)算移動(dòng)設(shè)備的 X、Y、Z。
采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)之一是低功耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用這種設(shè)計(jì)的標(biāo)簽的電池壽命可以長(zhǎng)達(dá) 7 年（CR2032 – 0.1Hz 更新率）。同時(shí)，還能布置非常高密度的設(shè)備（數(shù)以千計(jì)）。但這種方法還是有缺點(diǎn)，例如錨點(diǎn)需要時(shí)間同步和復(fù)雜的部署。
至于 TWR 方法，TWR 方法依賴(lài)于兩個(gè)設(shè)備之間的雙向通信。在進(jìn)行通信時(shí)，這些設(shè)備還會(huì)測(cè)量它們之間 UWB RF 信號(hào)的飛行時(shí)間。通過(guò)將信號(hào)的往返時(shí)間乘以光速，然后除以 2，您可以得出兩個(gè)設(shè)備之間的實(shí)際距離。如果在兩個(gè)設(shè)備之間應(yīng)用 TWR 方案，您將獲得兩個(gè)設(shè)備之間的距離 (D)?；?TWR 方案，您還可以通過(guò)測(cè)量移動(dòng)標(biāo)簽和固定信標(biāo)之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn) 2D 甚至 3D 定位——這稱(chēng)為三角測(cè)量。
采用這種方法的有點(diǎn)是不需要系統(tǒng)同步，能夠輕松部署，且雙向通信使得下行數(shù)據(jù)和控制成為可能。但和另兩種方法一樣，TWR 也有缺點(diǎn)，其中一個(gè)就是功耗更高。統(tǒng)計(jì)顯示，根據(jù)應(yīng)用的不同，TWR 方法的設(shè)備電池壽命僅為數(shù)月至一年。此外，移動(dòng)設(shè)備數(shù)量有限（數(shù)百個(gè)）也是其中一個(gè)缺點(diǎn)。
最后，PDoA 的方法將兩個(gè)設(shè)備之間距離的 TWR 方案與兩個(gè)設(shè)備之間方位測(cè)量的方案結(jié)合。這樣的組合允許在沒(méi)有任何其他基礎(chǔ)設(shè)施的情況下計(jì)算兩個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置。為此，其中一個(gè)設(shè)備帶有兩個(gè)天線(xiàn)，能夠測(cè)量射頻信號(hào)的到達(dá)相位差。
這樣的方案的好處是減少基礎(chǔ)設(shè)備位置方案和兩個(gè)設(shè)備之間的相對(duì)定位。但卻帶來(lái)了位置誤差不是長(zhǎng)壽湖，而是兩個(gè)設(shè)備之間距離的函數(shù)。
為什么說(shuō) UWB 是首選的定位技術(shù)
與藍(lán)牙或 WiFi 等其他技術(shù)為新目的而重新設(shè)計(jì)不同，UWB 射頻信號(hào)的物理特性從一開(kāi)始就被明確定義——以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、超準(zhǔn)確、超可靠的定位和通信。
為了更好地推動(dòng) UWB 的應(yīng)用，包括 Decawave、 Hyundai、Kia、Zebra、Alteros、Novelda 和 Ubisense 在內(nèi)的多家企業(yè)發(fā)起了一個(gè)全球性的非營(yíng)利組織 UWB Alliance ，該聯(lián)盟成立的目的是致力于共同將 UWB 技術(shù)建立為開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)。助于促進(jìn)大規(guī)模的 UWB 部署并保護(hù)全球數(shù)百萬(wàn)已安裝的設(shè)備免受無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的侵害。該聯(lián)盟將通過(guò)端到端、與供應(yīng)商無(wú)關(guān)的互操作性計(jì)劃推動(dòng)增長(zhǎng)，這些計(jì)劃將為包括導(dǎo)航、跟蹤、安全、成像、傳感和通信在內(nèi)的多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和工業(yè) 4.0 應(yīng)用提供準(zhǔn)確的定位。
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