行業(yè)信息

一篇文章帶你了解UWB

發(fā)布時間 :

2020-09-22

點擊:363

UWB也許從來沒有想過,它為世人所熟知是因為蘋果手機。

UWB技術(shù)因為蘋果手機中的應(yīng)用而站到了聚光燈下,與近期的光刻機一樣接受著吃瓜群眾們好奇的眼光。其實UWB并不是一個新技術(shù),早在軍工領(lǐng)域應(yīng)用的時候還要追溯到上個世紀(jì),那時候美蘇還在冷戰(zhàn),國內(nèi)還在改開;工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也有了小20年的時間,各技術(shù)服務(wù)商在市場上已經(jīng)拼殺了好幾個回合了;而去年才放出的商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用消息,卻終于讓UWB走上了臺前(可喜可賀)。

UWB技術(shù)解析圖

本篇文章將全方位介紹UWB技術(shù),讓大家對UWB有更深刻的了解。

什么是UWB

UWB指Ultra Wide-Band(超寬帶),是一種新型的無線通信技術(shù),它不采用正弦載波,而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù),因此其所占的頻譜范圍很大,盡管使用無線通信,但其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到幾百兆比特每秒以上。

UWB技術(shù)利用頻譜極寬的超寬基帶脈沖進行通信,故又稱為基帶通信技術(shù)、無線載波通信技術(shù),主要用于軍用雷達、定位和低截獲率/低偵測率的通信系統(tǒng)中。

UWB的發(fā)展歷史

UWB技術(shù)誕生于1960年代,應(yīng)用一直局限于軍事、雷達定位及測距等方面。直到2002年2月,UWB才獲得FCC批準(zhǔn),用于民用和商用通信,緊隨其后日本于2006年8月開放了超寬帶頻段,2007年3月,ISO正式通過了WiMedia聯(lián)盟提交的MB-OFDM標(biāo)準(zhǔn),正式成為了UWB技術(shù)的第一個國際標(biāo)準(zhǔn)。

目前已有超過20多家廠商開發(fā)推出了UWB技術(shù)芯片、應(yīng)用開發(fā)平臺和相關(guān)設(shè)備。其中走在前列的主要是美國的制造商,另外,也包括一些以色列、日本、英國、歐洲和中國臺灣的企業(yè)。

與國外先進國家相比,我國的UWB研發(fā)起步相對較晚。從1999年開始,我國研究者開始關(guān)注UWB技術(shù)的發(fā)展。2001年,國家“863”計劃啟動了高速UWB實驗演示系統(tǒng)的研發(fā)項目,經(jīng)過遴選,由東南大學(xué)、清華大學(xué)、中國科技大學(xué)分別進行研發(fā),各自提出方案,分別于2005年12月和2006年4月完成并通過驗收。在2011年的中國國際信息通信展覽會上,深圳國人通信有限公司推出了超寬帶數(shù)字光纖分布系統(tǒng)(UW-DDS ),這是可實現(xiàn)多制式多業(yè)務(wù)共同接入、協(xié)同發(fā)展以及共建共享新解決方案,已在國家大劇院等處應(yīng)用并獲得巨大成功。

隨著室內(nèi)定位商業(yè)模式的初步浮現(xiàn)以及主流芯片廠家、位置服務(wù)提供商、集成商等在產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)上的大力推動,目前UWB技術(shù)在國內(nèi)甚至全球市場都已經(jīng)有著大量的行業(yè)應(yīng)用案例。

技術(shù)特點

UWB在應(yīng)用上主要有兩大作用:測距與定位。支撐這兩個作用的因素在于以下技術(shù)特點:

1. 高精度

具有厘米級的高精度定位能力。UWB信號時域?qū)挾葮O窄,接收端在測量時,能獲得極高的時間分辨率,簡單講就是時間測量準(zhǔn),這是實現(xiàn)高精度定位的基礎(chǔ)。

同時它還具有很強的抗多徑能力,不同方向到達的信號很難出現(xiàn)疊加干擾,這對高精度定位也非常有好處。

2. 低功耗

UWB系統(tǒng)使用周期性的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù),脈沖持續(xù)時間很短,一般在0.20ns~1.5ns之間,占空比非常低,省去了發(fā)送連續(xù)載波的大量功耗,因此功耗可以做到很低。

3. 高安全

UWB通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能,其帶寬大,發(fā)射功率譜密度比噪聲還要低,承載的信息淹沒在噪聲中,被截獲和干擾的概率非常低。反之,影響其他無線通信(如WIFI)的概率也非常低。總結(jié)起來,就是自己既不干擾別人,別人也很難干擾自己。

4. 低成本

部署UWB定位系統(tǒng),有一定的硬件采購成本,但UWB基站覆蓋范圍大,典型半徑達50-150米,同樣面積下,需部署的設(shè)備更少。同時,UWB系統(tǒng)一旦部署調(diào)試完畢,幾乎不用再改動,一次投入,可用10年,運營成本極低。

測距與定位原理

UWB的測距原理

TOF

飛行時間法(Time of flight,TOF)是一種雙向測距技術(shù),它通過測量UWB信號在基站與標(biāo)簽之間往返的飛行時間來計算距離。根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系,一點到已知點的距離為常數(shù),那么這點一定在以已知點為圓心,以該常數(shù)為半徑的圓上。有兩個已知點,就有兩個交點。以三個已知點和距離作三個圓,他們交于同一個點,該點就是標(biāo)簽的位置。

基于TOF的定位方法測距不依賴基站與標(biāo)簽的時間同步,故沒有時鐘同步偏差帶來的誤差,但TOF測距方法的時間取決于時鐘精度,時鐘偏移會帶來誤差。為了減少時鐘偏移量造成的測距誤差,通常采用正反兩個方向的測量方法,即遠端基站發(fā)送測距信息,標(biāo)簽接收測距信息并回復(fù),然后再由標(biāo)簽發(fā)起測距信息,遠端基站回復(fù),通過求取飛行時間平均值,減少兩者之間的時間偏移,從而提高測距精度。

TDOA

到達時間差(Time Differenceof Arrival,TDOA)是一種利用到達時間差進行定位的方法又稱為雙曲線定位。標(biāo)簽卡對外發(fā)送一次UWB信號,在標(biāo)簽定位距離內(nèi)的所有基站都會收到無線信號,如果有兩個已知坐標(biāo)點的基站收到信號,標(biāo)簽和基站的距離間隔不同,因此這兩個收到信號的時間節(jié)點是不一樣的,根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系,到已知兩點為常數(shù)的點,一定處于以這兩點為焦點的雙曲線上。那么有四個已知點(四個定位基站)就會有四條雙曲線,四條雙曲線交于一點就是標(biāo)簽的位置。

TDOA算法并不是直接利用信號到達時間,而是利用多個基站接收到信號的時間差來確定移動目標(biāo)的位置。因此與TOA相比并不需要加入專門的時間戳來進行時鐘同步,定位精度相對有所提高。

UWB的定位原理

知道了UWB的測距原理,再來了解UWB的室內(nèi)定位原理就很容易了。UWB的室內(nèi)定位功能和衛(wèi)星原理很相似,就是通過室內(nèi)布置4個已知坐標(biāo)的定位基站,需要定位的人員設(shè)備攜帶定位標(biāo)簽,標(biāo)簽按照一定的頻率發(fā)送脈沖,不斷和4個已知位置的基站進行測距,通過一定的精確算法定出標(biāo)簽的位置。

應(yīng)用場景

UWB應(yīng)用主要適用于三大場景,出入管理、位置服務(wù)和設(shè)備間交流。

UWB應(yīng)用場景

三大應(yīng)用場景主要針對智能家居和智能辦公、智慧城市、智慧交通、消費電子、新零售、消費和醫(yī)療等領(lǐng)域。

無障礙出入管理(Hands-Free Access Control)是利用UWB技術(shù),實現(xiàn)出入門禁管理,當(dāng)人物靠近門禁時,自動感應(yīng)、識別完成解鎖,替代傳統(tǒng)需互動接觸的指紋、密碼的應(yīng)用場景;

位置服務(wù)(Location-Based Services)是基于UWB在多重路徑下高穿透力的穩(wěn)定傳輸性能, 實現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位和大數(shù)據(jù)分析;

設(shè)備互聯(lián)互通(P2P Applications)則主要用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通,如視頻電話會議、自動駕駛V2X、AR/VR游戲、遠程支付等。

定位方案

目前在UWB定位服務(wù)市場中,各類服務(wù)商如雨后春筍,紛紛跑步進場,想分一杯定位市場的鮮湯,筆者通過對比各家的定位方案,總結(jié)出了各定位方案較通用的部分,其他針對特定場景的特定技術(shù)服務(wù)不做論述,主要功能如下:

1、實時定位與人員分布

唯一標(biāo)簽綁定人員信息,實時位置跟蹤,統(tǒng)計人員位置和分布熱度圖,隨時隨地掌握人員動態(tài),便于實現(xiàn)人員管理。

2、人員跟蹤與行為監(jiān)測

可對區(qū)域內(nèi)各種行為監(jiān)測:區(qū)域超時、區(qū)域聚眾、長時間不動等,隨時滿足安全管理要求,保障人身安全。并可標(biāo)記重點人員,進行行為分析監(jiān)控。

3、電子圍欄與高危區(qū)域

系統(tǒng)可隨時設(shè)置電子圍欄,進行人員權(quán)限控制,確保高危區(qū)域有權(quán)限人員才能進入。圍欄管理實現(xiàn)進出限制,確保生產(chǎn)安全。

4、歷史軌跡存儲與查詢

系統(tǒng)可以無限時間存儲人員歷史軌跡,用于查詢分析人員行為,為事件分析提供依據(jù)并可以分析人員行為,進行重點人員監(jiān)控。

5、門禁視頻聯(lián)動

系統(tǒng)進行門禁聯(lián)動,比對確定人卡一致;并對區(qū)域內(nèi)進行視頻跟蹤,可隨時觀察區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場情況,方便進行實時管理,有效保障人員資產(chǎn)安全。

6、到崗到位

可滿足安全業(yè)務(wù)中,安全監(jiān)察人員到崗到位監(jiān)察,保證安全生產(chǎn),并可結(jié)合人員密度以及高危提醒為安全監(jiān)察人員提供便捷的監(jiān)察路線,提高安全監(jiān)察管理效率。

小結(jié)

想要利用UWB,就要對其有根本的了解,UWB的應(yīng)用空間非常廣闊,良性的市場競爭與技術(shù)研究的深入能夠激發(fā)出技術(shù)無限的潛力,在可見的未來,UWB技術(shù)必將還有更多、更廣的應(yīng)用,拭目以待。

上一篇:( 大數(shù)據(jù)的應(yīng)用在鍋爐防磨防爆中的重要作用)      下一篇:( 簡述UWB定位中發(fā)揮重要作用的硬件設(shè)施 )