UWB | Ultra - Wideband
什么是UWB (超宽带)？
UWB是无线通信技术之一，利用极宽的频带宽度，在极短的时间内传输极强的信号。UWB可以提供高精度和高数据传输率，适用于定位追踪和雷达应用等领域。
什么是UWB (超宽带)？
UWB (Ultra Wideband) 是一种用于无线通信的短距离射频技术，能够以理论上极高的精确度感知人、设备和资产的位置。与其他通信协议（如蓝牙和Wi-Fi）一样，UWB可以通过无线电波在设备之间传输数据。为此，它使用短纳秒脉冲在“超宽”频率范围内进行通信。 UWB技术每纳秒在宽频谱（至少500 MHz或中心频率的20%）上以特定模式发送数十亿个无线电脉冲。该信号在发射器与接收器之间或接收器之间传输。接收设备分析进入的模式并将其转换为数据。这使得设备不仅能在短距离内快速传输数据，而且这种UWB信号还可用于精确感知设备的位置。通过这种方式，搭载UWB功能的设备（如智能手机、传感器或锚点）可以精确锁定其他智能手机或资产追踪标签等发射设备的位置，从而在特定应用中实现位置感知通信和服务。 虽然近期在最新智能手机和其他技术中被采用，看起来像是一项新兴的前沿技术，但UWB技术其实已经应用了数十年。多年来，它的使用受到限制，主要出现在军事雷达和通信应用领域，被称为“脉冲无线电”。自2002年FCC批准免许可使用以来，UWB技术不断创新发展，成为开启革命性定位功能的起点。
UWB采用率的增长
许多大厂商已经意识到UWB的各种潜力，并开始开发或推出搭载UWB的解决方案。其中最引人注目的厂商之一是苹果，随iPhone 11的发布搭载了全新的U1超宽带芯片，开始实现UWB技术。三星等其他公司也紧随其后，在部分最新的智能手机和其他设备中实现了UWB技术。谷歌也正在着手开发API，以便在安卓设备上实现使用UWB的应用程序。 现在，它已成为一种具有成本效益的选择，拥有足够小的硬件组件，可以嵌入到各种类型的设备中。NFL甚至使用超宽带技术来追踪球员的实时位置和动作。通过在球员的肩垫上安装UWB芯片，联盟可以分析比赛期间球员的移动方式。NXP和大众汽车正在探索将UWB用于汽车，以提供更安全、更便捷的车辆体验。与此同时，UWB技术开发的领导者包括UWB联盟、FiRA等联盟以及各种UWB硬件厂商。他们根据特定的使用案例提供各种UWB芯片、锚点和标签。一些专家预测，UWB技术很快将像蓝牙和Wi-Fi一样普及，部分专家甚至预测它将取代BLE，成为短距离通信和定位的主要标准。
UWB的特性与优势
许多大厂商已经意识到UWB的各种潜力，并开始开发或推出搭载UWB的解决方案。其中最引人注目的厂商之一是苹果，随iPhone 11的发布搭载了全新的U1超宽带芯片，开始实现UWB技术。三星等其他公司也紧随其后，在部分最新的智能手机和其他设备中实现了UWB技术。谷歌也正在着手开发API，以便在安卓设备上实现使用UWB的应用程序。 现在，它已成为一种具有成本效益的选择，拥有足够小的硬件组件，可以嵌入到各种类型的设备中。NFL甚至使用超宽带技术来追踪球员的实时位置和动作。通过在球员的肩垫上安装UWB芯片，联盟可以分析比赛期间球员的移动方式。NXP和大众汽车正在探索将UWB用于汽车，以提供更安全、更便捷的车辆体验。与此同时，UWB技术开发的领导者包括UWB联盟、FiRA等联盟以及各种UWB硬件厂商。他们根据特定的使用案例提供各种UWB芯片、锚点和标签。一些专家预测，UWB技术很快将像蓝牙和Wi-Fi一样普及，部分专家甚至预测它将取代BLE，成为短距离通信和定位的主要标准。
UWB定位的工作原理
UWB可以通过ToF（飞行时间）来确定位置。它通过计算信号在设备之间移动所需的时间，从而精确测量发射器和接收器之间的距离。在某些场景中，还可以感知设备位置的X、Y和Z坐标，为UWB提供的定位增加额外的维度。根据使用案例或应用程序的不同，ToF的计算方法可能会有所不同。 在UWB位置测量中，可以使用两种基本技术：到达时间差 (TDoA) 和 双向测距 (TWR)。
到达时间差 (TDoA)
TDoA使用固定布置在整个室内空间的UWB锚点或传感器。这些传感器感应并定位UWB设备（如追踪标签）。固定的锚点必须精确同步并运行在相同的时钟上。UWB标签或其他设备定期发送信号。这些信号被通信范围内的所有锚点接收，并在锚点处被打上时间戳。然后，所有时间戳数据被发送到中央IPS或RTLS。 定位引擎分析每个锚点的数据及到达时间差，绘制双曲线，并利用双曲线的交点来计算标签的坐标。这些坐标可用于在空间的室内地图上可视化设备位置，或根据具体应用用于其他用途。
双向测距 (TWR)
TWR是利用两个设备之间的双向通信来测量距离的技术。例如，当智能手机等设备彼此靠近时，两个设备开始互相测量距离。信号在两个设备之间传递所需的时间乘以光速，从而确定相对位置。这项技术通常用于实现位置感知通信。 TWR使用双向通信来感知一个设备与另一个设备之间的距离，而这些设备之间确定的位置则根据具体的应用领域被利用。TWR也可用于固定锚点和UWB设备之间，但TWR过程一次只能使用一个测量伙伴来确定设备的位置。
UWB定位的精确度如何？
由于UWB可以通过ToF感知的快速纳秒脉冲以及与其他射频传输的有限干扰，在最佳条件和布置下，室内定位精度可达到50厘米以下，并能以实时结果快速追踪设备的移动和动作。 与其他室内定位技术相比，UWB提供了卓越的定位精度。其他标准通常利用接收信号强度指示 (RSSI) 来确定位置，精度通常仅能达到BLE (< 5m) 和 Wi-Fi (< 10m) 的水平。部分UWB技术还可以通过方向探测实现更精确的位置测量，这需要能够测量接收信号角度的多天线设备。
UWB的通信范围是多少？
UWB可以在200米以下的范围内感知设备位置。然而，它通常在1-50米的短距离内工作最有效，并且在设备或锚点之间视距（Line of Sight）良好的情况下可以获得最佳结果。在短距离内，UWB提供非常准确、快速且安全的通信，并能保持最小的干扰。
UWB与其他定位技术有何不同？
每种射频标准都有其独特的特性和优势，根据具体需求、预算、设施和特定的基于位置的使用案例，它们都可以成为合适的选择。UWB与其他技术之间最重要的区别在于宽频谱和所能提供的精确度水平。在绝对位置和实时移动至关重要的资产追踪场景等高级室内定位使用案例中，UWB的精确度是一个特别有效的选择。
UWB vs Bluetooth
UWB和BLE有很多共同点——低功耗、低成本、资产追踪技术的优势等。然而，UWB可以提供远优于蓝牙的精确度。这是由于UWB通过ToF实现的精确距离定位方法。BLE定位技术通常通过RSSI定位设备，根据设备发送给信标或传感器的信号强弱，提供的精确度水平较低。BLE的范围和数据速率远低于UWB，且更容易受到信号干扰。蓝牙拥有庞大的生态系统，是非常流行的定位技术之一。它被广泛用于许多无线设备中，并且可以轻松实现BLE信标等灵活的硬件选项。
UWB vs Wi-Fi
Wi-Fi由于在我们设备和室内空间中的广泛使用，已成为室内定位技术中的核心射频技术。在高级定位场景中，Wi-Fi的精确度和灵活性可能会受到限制。在这些高级应用领域中，需要高精确度，而UWB技术在这方面表现出色。由于Wi-Fi测量的是信号强度而非距离，因此精确度低于UWB，且更容易受到干扰。相反，UWB具有强大的抗干扰能力，因此干扰问题较少。此外，UWB所需的功耗较低，因此可以制造出实用且廉价的工具，如由纽扣电池供电的资产追踪标签。然而，由于可以利用现有的基础设施（如支持Wi-Fi的各种设备和接入点），在不需要高精确度时，它是一项非常重要的室内定位技术。
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