Ultrawide bandwidth(UWB)技術前沿

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技術概述

​ 超寬帶（Ultra-wideband，以下簡稱UWB）是一種具備低耗電與高速傳輸的無線個人區域網絡通訊技術，適合需要高質量服務的無線通信應用，可以用在無線個人區域網絡（WPAN）、家庭網路連接和短距離雷達等領域。它不采用連續的正弦波，而是利用脈沖信號來傳送數據，利用納秒（ns）至皮秒（ps）級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，而時間調變技術令其傳送速度可以大大提高，而且耗電量相對地低，並有較精確的定位能力。因為使用的是極短脈沖，在高速通信的同時，UWB設備的發射功率卻很小，僅僅只有目前的連續載波系統的幾百分之一。¹

​ UWB是最新，准確和有前途的技術之一。UWB的前驅技術稱為基帶，脈沖和無載波技術。 美國國防部是第一個使用“UWB”一詞的機構 ，UWB在1990年代末開始逐漸商業化。UWB無線電是一種頻譜訪問方法，可以在個人局域網空間上提供高速數據速率通信。基於發射極短的脈沖，並以極低的功率頻譜密度引起無線電能量的擴展。 這種高帶寬為通信提供了高數據吞吐量。 UWB脈沖的低頻使信號能夠有效地穿過障礙物，例如牆壁和物體。 使用UWB有三個主要的應用領域：（1）通信和傳感器；（2）定位與跟蹤；（3）雷達。實際上，UWB定位技術可以為多種應用提供實時的室內精確跟蹤，例如應急服務的移動清單和定位信標，盲人和視力障礙者的室內導航，人員或儀器的跟蹤以及軍事偵察。超寬帶信號為室內環境提供准確的位置和位置估計。

​ 綜上所述,UWB技術有着定位精度高、功率低、通信速度高的特性，在室內短距離、低功耗場景的通訊和定位應用中，有着不可比擬的優越性。

定位特性

無線定位技術與定位測量方法關聯示意圖

室內定位系統的性能評判指標

由於UWB特殊的屬性，目前已獲悉的大部研究，都傾向於使用UWB技術作為室內定位系統的重要構成。 評判室內定位系統的優劣，主要通過判斷准確性、可用性、覆蓋區域、擴展性、花費和隱私性指標，有關於這些指標的說明見下表。

室內定位系統的性能指標

​ 對於UWB的評估，同樣將圍繞上述指標展開，相關對比可見下圖。

各主流定位方法的特性比較

​ 結果顯示，與近年來流行的定位技術相比，UWB定位精度高、實時度高、多徑分辨率高，在優質算法加持下，定位精度可達10cm，但是也存在定位距離短、成本高、對算法要求高等短板。

LOS與NLOS

​ 室內定位與室外定位有很多不同的特征。 與室外環境相比，室內環境似乎更復雜，因為存在多個物體（例如設備，牆壁和人）反射信號並導致多徑和延遲問題。 同樣，由於存在各種物體，室內環境通常依賴於非視距（NLoS）傳播，在這種傳播中，信號無法直接在從發射器到接收器的直線路徑中傳播，從而導致接收器的時間延遲不一致。此外，物體的存在會導致高衰減和信號散射。 由於我們周圍存在許多干擾源，例如移動設備，藍牙設備，Zigbee設備，WiMAX設備，無線設備，移動電話，微波爐和熒光燈，因此信號強度往往容易波動，因此室內定位會受到信號穩定性的影響。

(a)LOS視距 (b)NLOS非視距 示意圖 ²

定位方法

​ 在室內定位的系統中，往往采用如下幾種方法來計算目標的位置

1.到達角度（AOA）

​ 在AOA技術中，將來自至少兩個源的信號接收角度的估計與跨多個天線的信號幅度或載波相位進行比較。 可以從每個信號源的角度線的交點找到位置。

AOA示意圖

​ AOA估計算法對許多因素都非常敏感，這可能會導致目標位置估計錯誤。 此外，與其他方法相比，AOA估計算法具有更高的復雜度。 例如天線陣列的幾何形狀在估計算法中起主要作用，增加發送者和接收者之間的距離可能會降低准確性。

2.到達時間（TOA）

​ TOA基於多個發射器的圓的交點。這些圓的半徑是發射器和接收器之間的距離。 該距離是通過計算它們之間的單向傳播時間而獲得的。 所有發射機的時間同步是必需的，而接收機沒有必要進行同步。在計算正確距離時，必須考慮任何明顯延遲的可能性。

TOA示意圖

3.到達時間差（TDOA）

​ 基於TDOA的定位系統不依賴節點對之間的絕對距離估計。這樣的系統通常采用以下兩種方案之一，首先，從位於已知位置的同步固定節點（稱為錨）廣播多個信號，代理測量TDOA（GPS使用類似技術）。在第二種方案中，參考信號由代理廣播，並由多個錨點接收。錨共享其估計的TOA並計算TDOA。通常，錨點通過有線網絡連接進行同步。要計算代理的位置，至少需要三個已知位置的錨和兩個TDOA測量值。每個TDOA測量值可以在幾何上解釋為雙曲線，它是由兩個點之間具有恆定范圍差（時間差）的一組點形成的錨點。

​ TDOA基於測量對象發送並由三個或更多接收器接收的信號到達的時間差。通過這種方式，將確定對象（發送器）的位置。 同樣場景可以翻轉，因此單個接收器可以通過測量兩個發射信號到達時間的增量來確定目標位置。 通常，只有一個發射器可用，它需要多個接收器共享數據並協作確定發射器的位置。 這需要很大的帶寬來處理數據。

TDOA示意圖

4.信號強度（RSS）

​ RSS測距基於以下原理：兩個節點之間的距離越大，它們的相對接收信號越弱。 由於與基於時間的技術相比，硬件要求和成本可能更低，因此該技術通常用於諸如WSN的低成本系統中。在基於RSS的系統中，接收節點B通過測量來自A的RSS來估計到傳輸節點A的距離。 然后使用理論和/或經驗路徑損耗模型將RSS轉換為距離估算值。 這些模型極大地影響了測距精度。⁴

​ RSS對多徑干擾很敏感，並且小規模的信道效應會引起平均接收信號強度的隨機偏差，它經常在不切實際的假設下使用。例如，發射功率和路徑損耗指數是已知的，並且發射器天線是各向同性的。

算法優勢與不足

UWB各種算法的比較

​ 以目前的綜合表現來看，采用TDOA算法的定位技術在定位精度和定位容差上的表現是四種算法中最好的，無論是視距抑或是非視距定位應用都表現出色，目前的大部分定位應用也大量采用以TDOA算法為主的算法主體，可以將定位精度控制在分米級。而通過使用混合算法，綜合各種算法的優勢，可以進一步提高精度，但是對算法編寫者的水平也提出了更高的要求。

應用落地

​ 隨着UWB技術的不斷發展，其廣闊的前景也日益顯現，以下是筆者在搜集資料的過程中，在互聯網中發現的一些關於UWB重要的或者有趣的產品與應用方案，而透過這些解決方案，可以了解UWB技術的優越性和發展前景，筆者將對這些方案做一些簡單的分析。

1. APPLE公司“AirTag⁴”與“U1芯片”

​ 作為最大科技巨頭企業之一，蘋果總是能將新技術的引入做得如此得體，19年在iPone11中加入U1芯片，為UWB技術落地開路，兩年后，又正式推出了AirTag，通過UWB的定位特性來實現使用iPhone進行物品標記和查找。

​ 技術方面，筆者推測是采用了AOA技術（也有混合使用RSS、TDOA的可能）實現點對點定向與測距，在使用過程中，雖然有時會出現定位不准的情況，但是也能滿足用戶對於遺失物品尋找的基本功能。而U1芯片既然可以作為基站尋找標簽，也可以作為標簽被基站所定位，以蘋果手機的巨大保有量，未來蘋果公司可以整合第三方企業為用戶提供基於UWB技術的室內定位服務，也可以被其他手機或者智能便攜設備制造商所效仿。

2. “DW1000”芯片⁵及其模組

​ 這款由DecaWave公司設計生產的UWB芯片對商用UWB領域的建設有着卓越的貢獻，由於UWB的特性，使得其難以被設計與測試，從而阻礙了其應用的步伐。而DW1000芯片及其模組的出現，在很大程度上改善了這一問題，其片上集成了高速開關和波形發生器，可以以很少的外圍器件搭建UWB應用電路。

3. UWB的一些開發板

筆者手中的兩塊基於DW1000芯片的UWB開發板

​ 基於DW1000芯片，市面上有很多相關模組和開發板，我手上的是其中一款，特點是其模組采用了專利設計的“笑臉天線”，天線模組與前面提到的信號發生是UWB解決方案在Layout時的兩大技術難點，通過標准化設計可以很好的解決射頻天線設計這一技術難點，廠商可發布天線設計工具以匹配不同解決方案的個性化需求。此外，市面上還有UWB的陶瓷天線模組，體積較小，可以進一步減少UWB模組的體積，市售的DWM1000模組就使用了陶瓷天線模組。

​ DW1000芯片采用SPI接口與外界MCU進行通信，開發板上還集成了陀螺儀和溫度傳感器，可以通過AT指令進行調用，還集成了SWD接口可以進行二次開發。目前筆者對其進行了簡單測距測試，總體的表現正常，簡易測試條件下誤差在正20到正10厘米左右，暫未發現負向誤差。簡單遮擋會影響測距准確性，但是總體保持在可接受誤差范圍內。超近距離（20cm之內）測距存在問題，且對天線朝向有一定要求，天線正對時誤差最小。更多測試細節后續可能會出一篇文章對市售產品進行詳細比較和代碼的解讀。

4. 一些有趣的應用

• 汽車免鑰匙啟動 NXP對於UWB技術的應用

• 一指連智能家居系統 小米一指連

• 醫療應用領域 DW1000醫療應用程序

• LinkTrack局部定位系統 LinkTrack

存在的不足與機遇

​ 目前UWB技術依舊有提升的空間， 例如，由於配置錯誤，可能干擾附近工作於超寬頻譜的系統。 在美國，用於通信應用的UWB頻率范圍是3.1至10.6 GHz，其工作頻率與流行的通信產品（如微波訪問全球互操作性（WiMAX）和數字電視）的頻率相同。 在某些國家/地區，它也可能會干擾諸如第三代3G無線系統之類的系統。 令人擔憂的是，一些UWB設備可能會對GPS和飛機導航無線電設備造成有害干擾。還有例如在定位精度、安全性、成本、射頻性能等方面還需要針對應用場景進行研發優化，總體距離完備技術解決方案還是有不小的差距。

​ 需要說明的是，UWB技術誕生於上世紀六十年代，經歷了多年的發展和演化，最早被用於高速率通信，后被發現其在定位方面的出色表現，自此之后展開了對其定位方法的探索與發現。前人對於UWB的各種算法均有充分的研究，而UWB技術發展至今所呈現的各種技術特點，無不體現着前人對於該技術的耕耘。面對UWB技術可能出現爆發式增長的需求，以及目前正處於的研發與布局窗口時期，應該充分認識到其巨大的技術潛力與市場空間，且由於其龐大的細分市場，對於個人或者中小型企業相對友好。

參考文獻

• [1] wiki_UWB
• [2] Abdulrahman A , Abdulmalik A S , Mansour A , et al. Ultra Wideband Indoor Positioning Technologies: Analysis and Recent Advances[J]. Sensors, 2016, 16(5):1-36.
• [3] D Dardari, Conti A , Ferner U , et al. Ranging With Ultrawide Bandwidth Signals in Multipath Environments[J]. Proceedings of the IEEE, 2009, 97(2):404-426.
• [4] Apple official website https://www.apple.com.cn/airtag/
• [5] Decawave official wevsite DW1000 Radio IC - Decawave

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