【硬件模塊】UWB介紹

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UWB超寬帶定位技術屬於無線定位技術的一種。無線定位技術是指用來判定移動用戶位置的測量方法和計算方法，即定位算法。目前最常用的定位技術主要有：時差定位技術、信號到達角度測量(AOA)技術、到達時間定位(TOA)和到達時間差定位(TDOA)等。其中，TDOA技術是目前最為流行的一種方案，UWB超寬帶定位采用的也是這種技術。下面以國內UWB定位解決方案供應商恆高科技為例，為大家詳細介紹UWB超寬帶定位。

0. 背景

0.1 室內定位系統（IPS）

0.1.1 室內定位系統介紹

  GPS主導了室外場景下米級精度的定位市場，然而卻無力進一步擴展到對位置感知需求愈加強烈的室內場景。作為未來工業4.0基礎的智慧工廠、智能制造、智能物流、人機協作等，需要通過對原料、貨物、資產、設備、人員等進行實時高精度的定位與追蹤，從而實現對生產流程、客戶需求、市場反饋、商品成本等進行快速調整和優化。

  IPS(Indoor Positioning System)指在室內環境中利用無線、光學、聲學、地磁場、慣性導航等多種技術方式提供對人員、物體等進行定位能力的系統。盡管IPS在商業、零售、工業等領域有大量的應用，然而由於室內環境的復雜和多變性，使得當前沒有單一或標准化的方案能主導室內定位需求，在不同的應用場景和業務需求以及成本預算下大多使用一種傳感器數據或組合多種傳感數據的定制化的解決方案。

0.1.2 基於傳感器IPS分類

• 無線定位技術： WiFi, Bluetooth, RFID, Zigbee, UWB
• 光學定位技術： Infra-red Sensor，LiFi， Camera， Lidar
• 聲學定位技術：：Ultrasound sensor
• 地磁定位技術： Magnetometer
• 慣性定位技術： Accelerometer， Gyroscope， IMU

0.2 基於位置服務（LBS）

LBS(location-based service)是一種根據用戶的位置信息為用戶提供相關信息/業務/需求的服務方式，國內最常見的LBS應用包括：

• 地圖類APP基於用戶實時位置所提供的導航服務，天氣預警信息，交通擁塞通知等；
• 本地生活類APP等基於用於用戶位置投放廣告或促銷信息等，如推薦的住宿服務，餐飲服務，娛樂場所等；
• 匿名/熟人社交APP所提供的附近人交友的功能；

LBS系統主要基於定位技術和網絡通信技術兩大支撐，其中定位能力更是LBS的前提條件，精確的定位能力可進一步擴展LBS的應用場景同時優化其使用體驗。C端場景當前主要利用手機自帶的WiFi，Bluetooth實現~10m精度的定位能力，隨着Iphone11增加U1芯片提供對UWB技術的支持，未來C端用戶可以借助手機內置的UWB芯片獲得<10cm的定位精度而無需攜帶額外的UWB定位標簽設備。

1. UWB 介紹

  超寬帶無線通信技術（UWB）是一種無載波通信技術，UWB不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，並通過正交頻分調制或直接排序將脈沖擴展到一個頻率范圍內。UWB的主要特點是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等。

  超寬帶室內定位系統則包括UWB接收器、UWB參考標簽和主動UWB標簽。定位過程中由UWB接收器接收標簽發射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。

  未來無線定位技術的趨勢是室內定位與室外定位相結合，實現無縫的、精確的定位。現有的網絡技術還不能完全滿足這個要求，而UWB技術由於功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、定位精度極高等優點，在眾多無線定位技術中脫穎而出。

2. 定位原理

  超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）是一種新型的無線通信技術，根據美國聯邦通信委員會的規范，UWB的工作頻帶為3.1~10.6GHz，系統-10dB帶寬與系統中心頻率之比大於20%或系統帶寬至少為500MHz。UWB信號的發生可通過發射時間極短（如2ns）的窄脈沖（如二次高斯脈沖）通過微分或混頻等上變頻方式調制到UWB工作頻段實現。
  超寬帶的主要優勢有，低功耗、對信道衰落（如多徑、非視距等信道）不敏感、抗干擾能力強、不會對同一環境下的其他設備產生干擾、穿透性較強（能在穿透一堵磚牆的環境進行定位），具有很高的定位准確度和定位精度。

2.1 UWB-TDOA 到達時間差

  該技術采用TDOA（到達時間差原理），利用UWB技術測得定位標簽相對於兩個不同定位基站之間無線電信號傳播的時間差，從而得出定位標簽相對於四組定位基站（假設1#、2#為第一組，2#、3#為第二組，3#、4#為第三組，4#、1#為第四組）的距離差：$d_{i,12} $為標簽到基站1，2的距離差

\[\begin{cases} d_{i,12}=r_{i,1}-r_{i,2}\\ d_{i,23}=r_{i,2}-r_{i,3}\\ d_{i,34}=r_{i,3}-r_{i,4}\\ d_{i,14}=r_{i,1}-r_{i,4} \end{cases} \]

\[d_{i,12}=\sqrt{(x_1-x_i)^2+(y_1-y_i)^2+(z_1-z_i)^2}-\sqrt{(x_2-x_i)^2+(y_2-y_i)^2+(z_2-z_i)^2} \]

同理得到： \(d_{i,23},d_{i,34},d_{i,14}\) 示意圖如下：

2.2 信號強度

  RSSI(Receive Signal Strength Indicator)通過測量無線信號在接收端的功率大小並根據無線信號的Friis傳輸模型計算出收發端之間的距離。

其中，\(P_r/P_t\)分別表示接收/發送信號功率級，\(G_R/G_T\)分別表示接收/發送天線增益，\(L\)表示PCB、連接線、連接器等帶來的損耗，\(d\)表示設備間距離，\(\lambda\)表示無線信號的中心波長。

從Friis傳輸模型中可以看出，RSSI的測距結果受收發天線設計，多徑傳播，非視距傳播，直接路徑損耗等環境因數影響較大，實際應用中測距精度~10m量級，遠低於基於時間戳測距的方法，因而基於RSSI的方法很少直接用於UWB定位。

2.3 飛行時間（TOF）/到達時間（TOA)

  TOF(Time of Flight)/TOA(Time of Arrival)通過記錄測距消息的收發時間戳來計算無線信號從發送設備到接收設備的傳播時間，乘以光速然后得到設備間的距離。根據測距消息的傳輸方式不同可分為單向測距和雙向測距，其中單向測距中測距消息僅單向傳播，為獲得設備間的飛行時間需要雙方設備保持精確的時鍾同步，系統實現復雜度和成本較高，而雙向測距對雙方設備的時鍾同步沒有要求，系統實現復雜度和成本很低，因而我們主要關注雙向測距這種方案。

• 單邊雙向測距(SS-TWR)

SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)算法中測距請求設備發起測距請求，而測距響應設備監聽並響應測距請求，然后測距請求設備利用所有時間戳信息計算出設備間的飛行時間。

2.4 到達角（AOA）到達相位差（PDOA）

3. UWB 定位優勢

UWB是一種高速、低成本和低功耗新興無線通信技術。UWB信號是帶寬大於500MHz或基帶帶寬和載波頻率的比值大於0.2的脈沖信號(UWBWG，2001)，具有很寬的頻帶范圍，FCC規定UWB的頻帶從3.1GHz～10.6GHz，並限制信號的發射功率在-41dBm以下。

由此可見，UWB聚焦在兩個領域的應用上，一是符合IEEE802.15.3a標准的短距離高速數據通信，即無線無延遲地傳播大量多媒體數據，速率要達到1OOMbit/s-500Mbit/s；另一個是符合IEEE802.15.4a的低速低功率傳輸，用於室內精確定位，例如工地施工人員的位置發現、化工廠危險源檢測、監獄服刑犯人危險行為預測、機器人運動跟蹤等。

UWB信號的特點說明它在定位上具有低成本、抗多徑干擾、穿透能力強的優勢，所以可以應用於靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤，能提供十分精確的定位精度。

4. 使用需求

4.1 實時導航

需要對自己所處位置信息有實時感知的人員或智能機器人等，通過及時地獲取自身所處的位置從而進行路線規划與導航、自主巡檢、定時定點操作、自動駕駛等任務。主要用於大型公共場所如醫院導航、商場/購物中心導購、停車場反向尋車、展廳/博物館自助導游、飛機場/火車站/地鐵站導引、AGV/AMR智能機器人等。

4.2 定位/監控/追蹤:

需要對人員或設備資產等進行監控和追蹤的場景，通過在網絡服務器端對定位信息進行聚合和追蹤，可有效的解決潛在的業務安全問題，優化生產流程瓶頸問題，防止資產丟失/人員走散問題，以及提供室內LBS相關應用等。

主要應用於：
- 消費者服務：家人防走散、物品防丟失、LBS產品服務推送、LBS交友等。
- 企業服務：人流監控和分析、訪客分布熱圖、智慧倉儲和物流、智能制造、緊急救援、人員資產管理和服務機器人等。

5. 應用場景

5.1 隧道管廊

在隧道施工現場，通過部署UWB超寬帶定位系統，將定位標簽集成至員工胸卡、安全帽等穿戴設備內，可以提供的集風險管控、人員管理、實時顯示、應急救援等功能能夠准確定位工人位置，保障工人施工安全、施工質量、施工進度。

5.2 工業制造

在工廠中，UWB超寬帶定位系統可以幫助傳統工廠實現數字化管理，可實時查看員工位置、在崗時間、離崗時間、移動軌跡，提高崗位巡查效率。通過后台對倉儲貨物位置的監管，可查看物品位置、所屬倉庫等數據，防止物資設備的丟失。

5.3 司法監獄

在監獄，通過UWB超寬帶定位系統，將定位標簽集成至犯人定位腕帶中，能夠對服刑犯人進行實時監控。

包括：實時掌握人員的實時位置、人數清點、犯人腕帶防拆報警、電子圍欄、聚眾分析、行動軌跡跟蹤、 回放、攝像聯動警報等，能夠很大程度的降低監管執法的風險，防止意外事故的發生。

5.4 養老院：

在養老院，通過給老人佩戴智能手環或胸牌，不僅能夠實時查看老人位置，還能夠通過設置電子圍欄來圈定安全活動范圍，一旦老人走出安全區域，系統就會及時預警，通知管理人員前往查看，避免老人走失。

5.5 展廳

在會展、展廳內，UWB超寬帶定位系統可實現智能化導覽服務，一方面可以實時導引觀眾前往想去的展位，另外也可以對觀眾的位置數據進行精准統計，查看參展客戶及工作人員在展廳內的觀覽軌跡、停留時間等，實現辦展效果精准分析。讓展方了解參展人員感興趣產品，為后期提升展會質量工作提供明確方向。

6. Apple UWB

6.1 房間/汽車門禁

通過高精度的測距測向能力，當識別到用戶靠近門禁時自動打開，相比Bluetooth等其他使用RSSI(接收信號強度)技術，UWB使用的TOF測距方法可提供更高的精度以及有效地防止中間人攻擊；

6.2 物品防丟失

給手機、錢包等易丟失的物品配備UWB定位芯片后，用戶可進行高精度(<10cm)的實時監控和追蹤；

6.3 智能家居系統

通過感知用戶在家里的位置信息，可有效地對環境的溫度、濕度、光強等進行控制調整，從而帶來更智能化的體驗和更綠色的能效；

6.4 智能設備控制器

通過確定Iphone11和被控制設備(如電視、空調等)的相對位置和姿態信息，可無需手動切換而智能化地實現利用手機對周圍的電器設備進行控制；

6.5 數據傳輸

7. Paper Record

UWB(Itra-wideband) communication system

• refer to a signal or system that either has a large relative bandwidth that exceeds 20% or a large absolute bandwidth of more than 500MHz. 3.1-10.6Ghz

• transmitting large amounts of digital data over a wide frequency spectrum using short pulse, low powered radio signals

• traditional transmissions transmit information by varying the power /frequency/phase of a sinusoidal wave uwb transmissions can transmit information by generating radio energy at specific time instants and occupying large bandwidth thus enabling a pulse-position or time-modulation. information can be imparted by encoding the polarity of the pulse ,the amplitude of the pulse and also by using orthogonal pulses

• uwb is carrier-less ,the data is not modulated on a continuous waveform with a specific carrier frequency as in narrowband and wideband technologies

• in multiband uwb spectrum of 7.5GHz as a single band ,it can be divided into 15 subbands of 500 MHz or more ,OFMD techniques to transmit the information using orthogonal carriers in each subband

  Advantage:

  1. future generations of communication systems require high mobility , flexibility, high data-rate
  2. high data rate and very low power ,the UWB system can achieve high data rate even for low SNR in noisy enviroments. simple transreceiver architecture.
  3. very low power secure communications, the low emission and impulsive nature of UWB radio leads to enhanced security in communications ,using very low energy per frequency and precisely timed patterns suitable for high security applications such as military communications
  4. very low power operation, low cost , minimal hardware , transmits short impulses constantly instead of transmitting modulated waves continuously as do most narrowband systems
  5. multiple access communications: Timing hopping , Direct sequence
  6. Resolvable multiple components of UWB signals: pulses are very short in space(less than 60cm for a 500MHz wide pulse ,less than 23 cm for 1.3GHz bandwidth pulse) ?? 了解下品綠於發射距離關系

  Disadvantage:

  1. Interference ,UWB occupy a large frequency spectrum ,interference mitigation or avoidance with coexisting users(IEEE 802.11a 5.150-5.825)
  2. complex signal processing: carrier-less system has to rely on relatively complex and sophisticated signal processing techniques to recover data from the noisy environment
  3. Bit synchronization time: the pulses with picoseconds, the time for a transmiiter and receiver to achieve bit synchronization can be as high as few milliseconds, the channel acquisition time is very high.

  Application:

  1. UWB sensor networks, UWB RFID ,and UWB positioning system (FC只是限於13.56MHz的頻段！而RFID的頻段有低頻（125KHz到135KHz），高頻（13.56MHz）和超高頻（860MHz到960MHz之間) factors that influence the distance the ware transfer: 天氣影響 ，天線增益 高度， 供電能量， 頻率（頻率越高自由空間損耗越大，通訊距離越近） 阻礙物
  2. 
  3. transferring large amounts of data in short-range for home or office networking
  4. short range voice ,data , video applications
  5. military communications on board helicopters and aircrafts that would otherwise have too many interfering multipath components
  6. anticollision vehicular radars
  7. through wall imaging used ro rescue,security and medical applications
  8. reducing inventory time and increasing efficiency in several ways
  9. accurately locating a person or object within one inch of its location through any structure
  10. localization in search and rescue efforts ,tracking of livestock and pets
  11. detecting land mines
  12. assessing enemy locations and tracking troops

參考學習

• EHIGH恆高：https://zhuanlan.zhihu.com/p/47190294，http://www.everhigh.com.cn/
• DrivexTech： https://www.jianshu.com/p/52f659ce8304
• 聯睿電子：http://www.locaris-tech.com/sndw
• 全跡科技：http://www.ubitraq.com/html/index.html
• 上海有為科技：http://www.uwitec.cn/ServiceIntelligent/mobile?typeid=104
• 青島碩盈科技：http://www.mr-designr.com/