定位、定位、定位:通往超宽带之路

分享到:

尽管超宽带技术 (UWB) 已经存在了一段时间,但仍被视为新兴“定位技术”,并且目前发展态势良好。精准定位功能是该技术与其他定位解决方案的不同之处,也是促成各种新用例的关键所在

定位技术已经走过了漫长的道路才能到我们与UWB哪里,但怎么没有我们来到这里的?要完全理解,查看它的起源,它所扮演的角色,它如何工作以及它使用的用例会很有帮助。在这篇文章中,我们回顾了定位技术的历史,并探讨了导致UWB精确,实时准确性的解决方案。

q9.1

定位技术回顾

星,地图和指南针

定位技术可以追溯到早期。天体导航长期以来一直用于通过位置固定进行方向查找,寻路,操纵和引航。然后是11世纪初期的电磁罗盘。而且,当然,纸质地图,询问方向以及反复试验可以帮助人们在世界各地找到自己的出路。

卫星指引

1990年代末和2000年初,全球定位系统(GPS)进入了主流。GPS在定位技术方面取得了巨大的进步,并被提升到了一个新的便利级别,在很多方面改变了我们的生活。它允许用户以电子方式找到最近的加油站,跟踪健身情况,制定旅行计划并找到回家的路。对于企业而言,收益远远超过了便利,这是效率问题,甚至是建立可持续商业模式的问题。没有GPS,像AmazonFedExUPS这样的公司如何有效地将送货导航到您家门口?

q9.2

从室外导航发展到室内导航

十年后,我们看到了另一项突破,那就是将导航带入内部,也就是室内导航或定位-想想用于购物中心,机场和其他大型建筑物的Google地图。在很多方面,室内定位是我们用于室外导航所依赖的卫星导航应用程序的内部版本,但有一个附加的缺点–它也可以用于帮助定位人和物。与GPS一样,室内导航使用由传感器和通信技术(包括Wi-Fi,蓝牙®低能耗(LE),Zigbee和启用Thread的设备)组成的定位系统来定位室内环境中的物体。

q9.3

微型化之路

再回到现在,我们看到,精准微定位系统正不断涌现。人们和企业都希望能够实时定位和发现几乎任何事物,无论其大小如何。比如说:您在家里把车钥匙放错地方了,或者在杂货店找不到最喜欢的咖啡品牌。或者您在工厂工作,需要从仓库中拿一个特定工具,或者您是一位正在处理紧急情况的现场管理人员,需要确保每个人都离开了大楼。从微观层面上说,室内定位适用于以上所有情况,因为它可以定位物品并引导您找到它们。

为了实现足够的准确性、可靠性和实时性能,底层技术需要具备精准定位功能。UWB 技术能够在许多不同应用中提供非常重要的位置信息,具有深远的意义。

 

q9.4

满足微观层面需求

从微观层面讲,开发有效的室内定位技术需要满足以下几个要求。首先,位置读数需要非常精确,精确到尽可能小的区域。定位技术必须安全,因为位置信息通常需要保密。此外,即使在恶劣环境下,定位技术也需要可靠且易于扩展,这样才能确定大型场所内成千上万人员和资产的位置。其他要求包括低功耗和经济适用性,这样就可以将其嵌入从高端复杂设备(如智能手机)到低端简单设备(如资产标签)的任何物品中。当然,定位技术还必须具有足够低的延迟性,以便实时追踪物体的动向。

q9.5

设计首款室内定位系统时,工程师们采用现有技术,通常为 Wi-Fi 和蓝牙低功耗 (BLE)。虽然这些技术非常适合数据通信(发明这些技术的初衷),但它们都不是为实时定位服务 (RTLS) 而设计的,因此不能满足所有的室内微型定位要求。

Wi-Fi、蓝牙和其他窄带无线电系统只能达到几米的精度。其可靠性并未达到构建安全可靠系统所需的 99.9% 要求。由于冲突和干扰,成千上万的设备无法同时报告其位置,并且在用于实时定位服务中时会出现问题。以 BLE 为例,虽然非常适合低功耗数据通信,但获得一个“正确”定位点所需的测量和后处理工作量会使功耗达到峰值,并使延迟增加至数秒。

因此,本世纪 00 年代中期,IEEE 的工程师开始指定一种专为精确定位而设计的无线技术,可以满足所有要求。这项技术被命名为超宽带 (UWB) 技术,并且有可能改变我们完成各种日常工作的方式。

q9.6

UWB:我们目前取得的成就

UWB基于IEEE标准802.15.4a / z,该标准已针对微定位和安全通信进行了优化。UWB可以将人和事物精确定位在几厘米之内,使其准确度比当前的蓝牙低功耗(BLE)和Wi-Fi实现高100倍。

这是使UWB非常适合RTLS的概要:

  • UWB是可靠的,因为它对各种类型的干扰(包括多路径)具有高度的抵抗力(当从发送器以两条或更多路径传播到接收器的波引起干扰时)。
  • 提供极低的延迟。每秒高达1000次的更新速率和比卫星导航快50倍的读数使任何物体/人的实时定位/跟踪成为可能。
  • 采用主流CMOS技术实现,因此价格低廉且针对低功耗进行了优化。
  • 除了其定位功能外,UWB还提供高数据速率和高能效的数据通信-如今高达27 mbps,在该标准的未来修订版中可能更高。
  • 利用IEEE定义的限界技术来提供一定程度的安全性,使其成为极其安全的格式。

        UWB 知识拓展

        关于连接的问答:网状网络与物联网设备的发展

        超宽带和接触者追踪 101

这些都是如何实现的?简而言之:物理学。UWB更适合微定位应用,因为它可以传输宽带信号(500 MHz)并使用飞行时间来确定位置。

为什么说UWB最适合精准定位应用

下面的图1比较了窄带和超宽带。UWB脉冲(中央和右侧图像)的宽度仅为2纳秒(ns)。这使其不受反射信号(多径)干扰的影响。如中间和右图所示,反射信号(红色)不影响直接信号(蓝色)。这些UWB信号的上升和下降沿也比窄带信号(左)快得多。即使存在噪声和多径效应,UWB信号仍保持其完整性和结构。而且,UWB干净的信号沿允许精确确定到达时间和距离。

q9.7

展望未来

目前,UWB 已经为消费类、汽车、工业和商业等四十多个垂直市场的产品和服务带来了价值,从提高工厂和仓库的运营效率,提高工人安全性,支持机器人和无人机自主导航,到基于位置为消费者提供新的用户界面形式。此外,由于其安全有效的距离限制功能,它还可实现无需手动操作即可安全地进入汽车、前门、家和办公室。

在当前抗击 COVID-19 疫情的战役中,事实证明,UWB 是唯一能够真正有助于追踪接触者和保持社交距离的技术,因为在需要信任数据的情况下,准确性和可靠性是设计高效解决方案的关键特性。

 

q9.8

随着近期开始在智能手机中采用 UWB 技术,它也将成为我们日常生活中下一个无处不在的无线连接用例(从家到办公室,再到公共场所)。在智能手机中嵌入 UWB 技术是实现大规模应用的重要第一步。此外,还必须确保所有设备之间的互操作性。发展迅速的行业联盟 FiRa 对半导体、移动、基础设施和消费类领域的 50 多家公司进行了重组,目前正在积极开展协议定义工作,以确保此类互操作性。这样,开发人员就能够以各种全新方式运用 UWB 技术,如室内地图和导航、智能家居应用、车辆出入控制、增强现实以及移动支付。最终,室内定位的未来实际上仅受开发人员想象力的限制。

了解有关 Qorvo UWB 技术的更多信息。

继续阅读
UWB 市场展望

Techno Systems Research 市场分析师 Giorgio Zanella 在其最新的报告《2021 年超宽带市场分析》中表示,当前我们常讨论的 UWB(ultra wideband:超宽带)市场由四个主要应用类别组成,分别是:实时定位系统(RTLS B2B),例如工业和零售室内定位系统应用;手机(智能手机,可穿戴设备,消费者标签);汽车和智能家居。其他的应用则包括智能门,大门和付款等。

定位、定位、定位:通往超宽带之路

尽管已经有一段时间了,但超宽带(UWB)被认为是新兴的“定位技术”,并且正在以健康的速度增长。其精确度高的功能使其与其他定位解决方案区分开来,并且是令人兴奋且至关重要的新用例的关键推动力。

Qorvo 的 2020 年回顾,以及对 2021 年的寄望

5G 时代下的射频前端,Qorvo 做的不单单只是“集成”那么简单,一方面 Qorvo 以集成为手段改善射频模块的性能,另一方面是解决这些产品在集成过程中所遇到的兼容性问题,或者是互扰的问题。Qorvo 在做集成的同时,还在优化着自己的工艺与技术,从而使产品拥有更好的性能。

UWB发展进入新阶段

2019年和2020年对于超宽带(UWB)技术可以说非常重要。一方面,UWB技术终于正式进入了主流消费电子产品(iPhone 11),另一方面,在今年下半年,IEEE更新了UWB的相关标准(802.15.4z),从而为UWB进一步进入主流应用铺平了道路。

定位技术的演变:通往UWB之路

为充分了解超宽带 (UWB) 技术带来的价值和影响,我们需着眼于全局。在本文中,我们将介绍定位技术的演变,以及 UWB 如何塑造其发展前景以及为未来发展铺平道路。了解这项新技术的潜力。