Ultrawide bandwidth(UWB)技术前沿
Ultrawide bandwidth(UWB)技术前沿
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技术概述
超宽带（Ultra-wideband，以下简称UWB）是一种具备低耗电与高速传输的无线个人区域网络通讯技术，适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人区域网络（WPAN）、家庭网路连接和短距离雷达等领域。它不采用连续的正弦波，而是利用脉冲信号来传送数据，利用纳秒（ns）至皮秒（ps）级的非正弦波窄脉冲传输数据，而时间调变技术令其传送速度可以大大提高，而且耗电量相对地低，并有较精确的定位能力。因为使用的是极短脉冲，在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅只有目前的连续载波系统的几百分之一。1
UWB是最新，准确和有前途的技术之一。UWB的前驱技术称为基带，脉冲和无载波技术。 美国国防部是第一个使用“UWB”一词的机构 ，UWB在1990年代末开始逐渐商业化。UWB无线电是一种频谱访问方法，可以在个人局域网空间上提供高速数据速率通信。基于发射极短的脉冲，并以极低的功率频谱密度引起无线电能量的扩展。 这种高带宽为通信提供了高数据吞吐量。 UWB脉冲的低频使信号能够有效地穿过障碍物，例如墙壁和物体。 使用UWB有三个主要的应用领域：（1）通信和传感器；（2）定位与跟踪；（3）雷达。实际上，UWB定位技术可以为多种应用提供实时的室内精确跟踪，例如应急服务的移动清单和定位信标，盲人和视力障碍者的室内导航，人员或仪器的跟踪以及军事侦察。超宽带信号为室内环境提供准确的位置和位置估计。
综上所述,UWB技术有着定位精度高、功率低、通信速度高的特性，在室内短距离、低功耗场景的通讯和定位应用中，有着不可比拟的优越性。
定位特性
室内定位系统的性能评判指标
由于UWB特殊的属性，目前已获悉的大部研究，都倾向于使用UWB技术作为室内定位系统的重要构成。 评判室内定位系统的优劣，主要通过判断准确性、可用性、覆盖区域、扩展性、花费和隐私性指标，有关于这些指标的说明见下表。
对于UWB的评估，同样将围绕上述指标展开，相关对比可见下图。
结果显示，与近年来流行的定位技术相比，UWB定位精度高、实时度高、多径分辨率高，在优质算法加持下，定位精度可达10cm，但是也存在定位距离短、成本高、对算法要求高等短板。
LOS与NLOS
室内定位与室外定位有很多不同的特征。 与室外环境相比，室内环境似乎更复杂，因为存在多个物体（例如设备，墙壁和人）反射信号并导致多径和延迟问题。 同样，由于存在各种物体，室内环境通常依赖于非视距（NLoS）传播，在这种传播中，信号无法直接在从发射器到接收器的直线路径中传播，从而导致接收器的时间延迟不一致。此外，物体的存在会导致高衰减和信号散射。 由于我们周围存在许多干扰源，例如移动设备，蓝牙设备，Zigbee设备，WiMAX设备，无线设备，移动电话，微波炉和荧光灯，因此信号强度往往容易波动，因此室内定位会受到信号稳定性的影响。
定位方法
在室内定位的系统中，往往采用如下几种方法来计算目标的位置
1.到达角度（AOA）
在AOA技术中，将来自至少两个源的信号接收角度的估计与跨多个天线的信号幅度或载波相位进行比较。 可以从每个信号源的角度线的交点找到位置。
AOA估计算法对许多因素都非常敏感，这可能会导致目标位置估计错误。 此外，与其他方法相比，AOA估计算法具有更高的复杂度。 例如天线阵列的几何形状在估计算法中起主要作用，增加发送者和接收者之间的距离可能会降低准确性。
2.到达时间（TOA）
TOA基于多个发射器的圆的交点。这些圆的半径是发射器和接收器之间的距离。 该距离是通过计算它们之间的单向传播时间而获得的。 所有发射机的时间同步是必需的，而接收机没有必要进行同步。在计算正确距离时，必须考虑任何明显延迟的可能性。
3.到达时间差（TDOA）
基于TDOA的定位系统不依赖节点对之间的绝对距离估计。这样的系统通常采用以下两种方案之一，首先，从位于已知位置的同步固定节点（称为锚）广播多个信号，代理测量TDOA（GPS使用类似技术）。在第二种方案中，参考信号由代理广播，并由多个锚点接收。锚共享其估计的TOA并计算TDOA。通常，锚点通过有线网络连接进行同步。要计算代理的位置，至少需要三个已知位置的锚和两个TDOA测量值。每个TDOA测量值可以在几何上解释为双曲线，它是由两个点之间具有恒定范围差（时间差）的一组点形成的锚点。
TDOA基于测量对象发送并由三个或更多接收器接收的信号到达的时间差。通过这种方式，将确定对象（发送器）的位置。 同样场景可以翻转，因此单个接收器可以通过测量两个发射信号到达时间的增量来确定目标位置。 通常，只有一个发射器可用，它需要多个接收器共享数据并协作确定发射器的位置。 这需要很大的带宽来处理数据。
4.信号强度（RSS）
RSS测距基于以下原理：两个节点之间的距离越大，它们的相对接收信号越弱。 由于与基于时间的技术相比，硬件要求和成本可能更低，因此该技术通常用于诸如WSN的低成本系统中。在基于RSS的系统中，接收节点B通过测量来自A的RSS来估计到传输节点A的距离。 然后使用理论和/或经验路径损耗模型将RSS转换为距离估算值。 这些模型极大地影响了测距精度。4
RSS对多径干扰很敏感，并且小规模的信道效应会引起平均接收信号强度的随机偏差，它经常在不切实际的假设下使用。例如，发射功率和路径损耗指数是已知的，并且发射器天线是各向同性的。
算法优势与不足
以目前的综合表现来看，采用TDOA算法的定位技术在定位精度和定位容差上的表现是四种算法中最好的，无论是视距抑或是非视距定位应用都表现出色，目前的大部分定位应用也大量采用以TDOA算法为主的算法主体，可以将定位精度控制在分米级。而通过使用混合算法，综合各种算法的优势，可以进一步提高精度，但是对算法编写者的水平也提出了更高的要求。
应用落地
随着UWB技术的不断发展，其广阔的前景也日益显现，以下是笔者在搜集资料的过程中，在互联网中发现的一些关于UWB重要的或者有趣的产品与应用方案，而透过这些解决方案，可以了解UWB技术的优越性和发展前景，笔者将对这些方案做一些简单的分析。
- APPLE公司“AirTag4”与“U1芯片”
作为最大科技巨头企业之一，苹果总是能将新技术的引入做得如此得体，19年在iPone11中加入U1芯片，为UWB技术落地开路，两年后，又正式推出了AirTag，通过UWB的定位特性来实现使用iPhone进行物品标记和查找。
技术方面，笔者推测是采用了AOA技术（也有混合使用RSS、TDOA的可能）实现点对点定向与测距，在使用过程中，虽然有时会出现定位不准的情况，但是也能满足用户对于遗失物品寻找的基本功能。而U1芯片既然可以作为基站寻找标签，也可以作为标签被基站所定位，以苹果手机的巨大保有量，未来苹果公司可以整合第三方企业为用户提供基于UWB技术的室内定位服务，也可以被其他手机或者智能便携设备制造商所效仿。
- “DW1000”芯片5及其模组
这款由DecaWave公司设计生产的UWB芯片对商用UWB领域的建设有着卓越的贡献，由于UWB的特性，使得其难以被设计与测试，从而阻碍了其应用的步伐。而DW1000芯片及其模组的出现，在很大程度上改善了这一问题，其片上集成了高速开关和波形发生器，可以以很少的外围器件搭建UWB应用电路。
- UWB的一些开发板
基于DW1000芯片，市面上有很多相关模组和开发板，我手上的是其中一款，特点是其模组采用了专利设计的“笑脸天线”，天线模组与前面提到的信号发生是UWB解决方案在Layout时的两大技术难点，通过标准化设计可以很好的解决射频天线设计这一技术难点，厂商可发布天线设计工具以匹配不同解决方案的个性化需求。此外，市面上还有UWB的陶瓷天线模组，体积较小，可以进一步减少UWB模组的体积，市售的DWM1000模组就使用了陶瓷天线模组。
DW1000芯片采用SPI接口与外界MCU进行通信，开发板上还集成了陀螺仪和温度传感器，可以通过AT指令进行调用，还集成了SWD接口可以进行二次开发。目前笔者对其进行了简单测距测试，总体的表现正常，简易测试条件下误差在正20到正10厘米左右，暂未发现负向误差。简单遮挡会影响测距准确性，但是总体保持在可接受误差范围内。超近距离（20cm之内）测距存在问题，且对天线朝向有一定要求，天线正对时误差最小。更多测试细节后续可能会出一篇文章对市售产品进行详细比较和代码的解读。
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存在的不足与机遇
目前UWB技术依旧有提升的空间， 例如，由于配置错误，可能干扰附近工作于超宽频谱的系统。 在美国，用于通信应用的UWB频率范围是3.1至10.6 GHz，其工作频率与流行的通信产品（如微波访问全球互操作性（WiMAX）和数字电视）的频率相同。 在某些国家/地区，它也可能会干扰诸如第三代3G无线系统之类的系统。 令人担忧的是，一些UWB设备可能会对GPS和飞机导航无线电设备造成有害干扰。还有例如在定位精度、安全性、成本、射频性能等方面还需要针对应用场景进行研发优化，总体距离完备技术解决方案还是有不小的差距。
需要说明的是，UWB技术诞生于上世纪六十年代，经历了多年的发展和演化，最早被用于高速率通信，后被发现其在定位方面的出色表现，自此之后展开了对其定位方法的探索与发现。前人对于UWB的各种算法均有充分的研究，而UWB技术发展至今所呈现的各种技术特点，无不体现着前人对于该技术的耕耘。面对UWB技术可能出现爆发式增长的需求，以及目前正处于的研发与布局窗口时期，应该充分认识到其巨大的技术潜力与市场空间，且由于其庞大的细分市场，对于个人或者中小型企业相对友好。
参考文献
- [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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