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一篇文章带你了解UWB

发布时间 :

2020-09-22

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UWB也许从来没有想过,它为世人所熟知是因为苹果手机。

UWB技术因为苹果手机中的应用而站到了聚光灯下,与近期的光刻机一样接受着吃瓜群众们好奇的眼光。其实UWB并不是一个新技术,早在军工领域应用的时候还要追溯到上个世纪,那时候美苏还在冷战,国内还在改开;工业领域的应用也有了小20年的时间,各技术服务商在市场上已经拼杀了好几个回合了;而去年才放出的商业领域应用消息,却终于让UWB走上了台前(可喜可贺)。

UWB技术解析图

本篇文章将全方位介绍UWB技术,让大家对UWB有更深刻的了解。

什么是UWB

UWB指Ultra Wide-Band(超宽带),是一种新型的无线通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很大,尽管使用无线通信,但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。

UWB技术利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信,故又称为基带通信技术、无线载波通信技术,主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。

UWB的发展历史

UWB技术诞生于1960年代,应用一直局限于军事、雷达定位及测距等方面。直到2002年2月,UWB才获得FCC批准,用于民用和商用通信,紧随其后日本于2006年8月开放了超宽带频段,2007年3月,ISO正式通过了WiMedia联盟提交的MB-OFDM标准,正式成为了UWB技术的第一个国际标准。

目前已有超过20多家厂商开发推出了UWB技术芯片、应用开发平台和相关设备。其中走在前列的主要是美国的制造商,另外,也包括一些以色列、日本、英国、欧洲和中国台湾的企业。

与国外先进国家相比,我国的UWB研发起步相对较晚。从1999年开始,我国研究者开始关注UWB技术的发展。2001年,国家“863”计划启动了高速UWB实验演示系统的研发项目,经过遴选,由东南大学、清华大学、中国科技大学分别进行研发,各自提出方案,分别于2005年12月和2006年4月完成并通过验收。在2011年的中国国际信息通信展览会上,深圳国人通信有限公司推出了超宽带数字光纤分布系统(UW-DDS ),这是可实现多制式多业务共同接入、协同发展以及共建共享的最新解决方案,已在国家大剧院等处应用并获得巨大成功。

随着室内定位商业模式的初步浮现以及主流芯片厂家、位置服务提供商、集成商等在产业链各个环节上的大力推动,目前UWB技术在国内甚至全球市场都已经有着大量的行业应用案例。

技术特点

UWB在应用上主要有两大作用:测距与定位。支撑这两个作用的因素在于以下技术特点:

1. 高精度

具有厘米级的高精度定位能力。UWB信号时域宽度极窄,接收端在测量时,能获得极高的时间分辨率,简单讲就是时间测量准,这是实现高精度定位的基础。

同时它还具有很强的抗多径能力,不同方向到达的信号很难出现叠加干扰,这对高精度定位也非常有好处。

2. 低功耗

UWB系统使用周期性的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0.20ns~1.5ns之间,占空比非常低,省去了发送连续载波的大量功耗,因此功耗可以做到很低。

3. 高安全

UWB通信系统的物理层技术具有天然的安全性能,其带宽大,发射功率谱密度比噪声还要低,承载的信息淹没在噪声中,被截获和干扰的概率非常低。反之,影响其他无线通信(如WIFI)的概率也非常低。总结起来,就是自己既不干扰别人,别人也很难干扰自己。

4. 低成本

部署UWB定位系统,有一定的硬件采购成本,但UWB基站覆盖范围大,典型半径达50-150米,同样面积下,需部署的设备更少。同时,UWB系统一旦部署调试完毕,几乎不用再改动,一次投入,可用10年,运营成本极低。

测距与定位原理

UWB的测距原理

TOF

飞行时间法(Time of flight,TOF)是一种双向测距技术,它通过测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。根据数学关系,一点到已知点的距离为常数,那么这点一定在以已知点为圆心,以该常数为半径的圆上。有两个已知点,就有两个交点。以三个已知点和距离作三个圆,他们交于同一个点,该点就是标签的位置。

基于TOF的定位方法测距不依赖基站与标签的时间同步,故没有时钟同步偏差带来的误差,但TOF测距方法的时间取决于时钟精度,时钟偏移会带来误差。为了减少时钟偏移量造成的测距误差,通常采用正反两个方向的测量方法,即远端基站发送测距信息,标签接收测距信息并回复,然后再由标签发起测距信息,远端基站回复,通过求取飞行时间平均值,减少两者之间的时间偏移,从而提高测距精度。

TDOA

到达时间差(Time Differenceof Arrival,TDOA)是一种利用到达时间差进行定位的方法又称为双曲线定位。标签卡对外发送一次UWB信号,在标签定位距离内的所有基站都会收到无线信号,如果有两个已知坐标点的基站收到信号,标签和基站的距离间隔不同,因此这两个收到信号的时间节点是不一样的,根据数学关系,到已知两点为常数的点,一定处于以这两点为焦点的双曲线上。那么有四个已知点(四个定位基站)就会有四条双曲线,四条双曲线交于一点就是标签的位置。

TDOA算法并不是直接利用信号到达时间,而是利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置。因此与TOA相比并不需要加入专门的时间戳来进行时钟同步,定位精度相对有所提高。

UWB的定位原理

知道了UWB的测距原理,再来了解UWB的室内定位原理就很容易了。UWB的室内定位功能和卫星原理很相似,就是通过室内布置4个已知坐标的定位基站,需要定位的人员设备携带定位标签,标签按照一定的频率发送脉冲,不断和4个已知位置的基站进行测距,通过一定的精确算法定出标签的位置。

应用场景

UWB应用主要适用于三大场景,出入管理、位置服务和设备间交流。

UWB应用场景

三大应用场景主要针对智能家居和智能办公、智慧城市、智慧交通、消费电子、新零售、消费和医疗等领域。

无障碍出入管理(Hands-Free Access Control)是利用UWB技术,实现出入门禁管理,当人物靠近门禁时,自动感应、识别完成解锁,替代传统需互动接触的指纹、密码的应用场景;

位置服务(Location-Based Services)是基于UWB在多重路径下高穿透力的稳定传输性能, 实现室内精准定位和大数据分析;

设备互联互通(P2P Applications)则主要用于设备之间的数据互联互通,如视频电话会议、自动驾驶V2X、AR/VR游戏、远程支付等。

定位方案

目前在UWB定位服务市场中,各类服务商如雨后春笋,纷纷跑步进场,想分一杯定位市场的鲜汤,笔者通过对比各家的定位方案,总结出了各定位方案较通用的部分,其他针对特定场景的特定技术服务不做论述,主要功能如下:

1、实时定位与人员分布

唯一标签绑定人员信息,实时位置跟踪,统计人员位置和分布热度图,随时随地掌握人员动态,便于实现人员管理。

2、人员跟踪与行为监测

可对区域内各种行为监测:区域超时、区域聚众、长时间不动等,随时满足安全管理要求,保障人身安全。并可标记重点人员,进行行为分析监控。

3、电子围栏与高危区域

系统可随时设置电子围栏,进行人员权限控制,确保高危区域有权限人员才能进入。围栏管理实现进出限制,确保生产安全。

4、历史轨迹存储与查询

系统可以无限时间存储人员历史轨迹,用于查询分析人员行为,为事件分析提供依据并可以分析人员行为,进行重点人员监控。

5、门禁视频联动

系统进行门禁联动,比对确定人卡一致;并对区域内进行视频跟踪,可随时观察区域内现场情况,方便进行实时管理,有效保障人员资产安全。

6、到岗到位

可满足安全业务中,安全监察人员到岗到位监察,保证安全生产,并可结合人员密度以及高危提醒为安全监察人员提供便捷的监察路线,提高安全监察管理效率。

小结

想要利用UWB,就要对其有最根本的了解,UWB的应用空间非常广阔,良性的市场竞争与技术研究的深入能够激发出技术无限的潜力,在可见的未来,UWB技术必将还有更多、更广的应用,拭目以待。

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