定位技术的演变:通往UWB之路

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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。

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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。

定位技术经过了漫长的演变才发展到如今的 UWB,但我们是如何走到这一步的?为充分了解这一点,我们应着眼于 UWB 技术的起源、作用、工作原理及其支持的使用案例。在本博文中,我们将回顾定位技术的历史,并探讨可实现 UWB 技术实时精准性能的解决方案。

定位技术回顾

星星、地图和指南针

定位技术可以追溯到时间的起源。长期以来,天文导航就一直通过定位来进行测向、寻路、转向操控和驾驶。随后,在 11 世纪初出现了磁罗盘。当然,查看地图、找人问路以及反复试验路线也有助于人们游走世界。

卫星指引

早在 20 世纪 90 年代末和 21 世纪初,全球定位系统 (GPS) 就已经成为主流。GPS 是定位技术的一大进步,为我们的生活带来了更多便利,从而在许多方面改变了我们的生活。它允许用户通过电子方式定位最近的加油站,跟踪体能状况,制定旅行计划,以及找到回家的路。对于企业来说,它不仅可以带来便利性,还可以提高效率,或者构建可持续的业务模式。如果没有 GPS,Amazon、FedEx 和 UPS 等公司如何才能高效地将货物运送到您的家门口?

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大多数人思考定位技术时,都会想到全球定位系统 (GPS),这是最主要的室外导航技术。GPS 的工作原理是:利用卫星将独特的信号和轨道参数传送到地面站和接收器(如移动手机)。接收器利用 4 个或更多卫星发射的信号进行解码,然后计算距离,以找到确切位置。

从室外导航发展到室内导航

十年后,我们见证了将导航技术引入室内的另一项重大突破,也就是所谓的室内导航或定位,例如大家在谷歌地图上看到的商场、机场和其他大型建筑。从许多方面来说,室内定位就是我们进行室外导航时所依赖的卫星导航应用程序的室内版本,但它具有一个额外的特点,那就是可用于定位人和物。与 GPS 相似,室内导航利用传感器和通信技术(Wi-Fi、Bluetooth® Low Energy (LE)、ZigBee 和 Thread 支持设备)组成的定位系统来定位室内环境中的物体。

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采用 Wi-Fi、Bluetooth® Low Energy (LE)、Zigbee 和 Thread 等通信技术,在每个房间设置一个 pod 的无线室内架构。

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。

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与单独使用 BLE 技术相比,在旗舰智能手机中采用超宽带 (UWB) 技术可实现更精确、更可靠的室内定位和导航功能。其定位能力极其精准,对产品和人的定位精度可达到厘米级。

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。

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微观层面的室内定位要求

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。

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通过使用支持 UWB 的传感器、标签和智能设备来识别和定位人和物,并结合其他硬件和软件平台,公司和组织可开展多种实时定位服务。这包括从员工安全监控到资产定位和工艺/流程优化等应用,从而可提高效率和合规性,并降低成本。

UWB:我们目前取得的成就

UWB 基于 IEEE 标准 802.15.4a/z,该标准针对精准定位和安全通信进行了优化。UWB 可将人和物定位到几厘米范围内,其精度是当前采用的蓝牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 技术的 100 倍。

概括而言,UWB 非常适合 RTLS 应用的原因如下:

  • UWB 不易受各种干扰(包括多路径干扰)的影响,因此非常可靠(当电波通过两个或更多路径从发射机传输至接收机时,就会产生干扰)。
  • 具有极低的延迟。更新速率高达每秒 1000 次,读取速度比卫星导航快 50 倍,因此可实现任何物体/人员的实时定位/追踪。
  • 采用主流 CMOS 技术实现,不仅经济实惠,还针对低功耗进行了优化。
  • 除了其定位功能,UWB 还可实现高传输速率、高能效数据通信,目前速率高达 27 mbps,未来进行标准修订后可能会更高。
  • 利用 IEEE 定义的传输距离限制技术实现其安全性,使其成为一种极其安全的格式。

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

https://www.qorvo.com/design-hub/blog/connectivity-q-and-a-advancing-iot-with-mesh-networks

超宽带和接触者追踪 101

https://www.qorvo.com/design-hub/blog/ultra-wideband-and-contact-tracing

这些都是如何实现的?简而言之:物理学。UWB 可传输宽带信号 (500 MHz),并利用飞行时间进行定位,因此更适合精准定位应用。

为什么说 UWB 最适合精准定位应用

下面的图 1 比较了窄带技术和超宽带技术。UWB 脉冲(中图和右图)只有 2 纳秒 (ns) 宽,因此不易受反射信号(多路径)干扰的影响。如中图和右图所示,反射信号(红色)不会影响直接信号(蓝色)。这些 UWB 信号的上升沿和下降沿也比窄带信号(左图)更快。即使存在噪声和多路径影响,UWB 信号仍能保持其完整性和结构。此外,UWB 信号沿干净,可精确地确定信号到达时间和距离。

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图 1:窄带信号与含直接信号(蓝色)和反射信号(橙色)的脉冲无线电的比较。

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。

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与其他无线技术不同,UWB 可提供追踪 COVID-19 病毒接触者和保持社交距离所需的准确性。它可以计算出人与人之间的距离(精确到厘米),从而确定某人与其他人之间的距离是否足以传播病毒。

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。

IEEE

https://www.ieee.org/

IEEE 标准 802.15.4a/z

https://standards.ieee.org/standard/802_15_4a-2007.html

追踪接触者

https://www.qorvo.com/design-hub/blog/ultra-wideband-and-contact-tracing

FiRa

https://www.firaconsortium.org/

Qorvo UWB 技术

https://www.qorvo.com/feature/ultra-wideband-decawave

关于作者

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Mickael Viot

UWB 业务部门高级业务开发经理

Mickael 是超宽带技术领域的权威。他在 UWB 技术行业的先锋 Decawave 公司积累了丰富的专业知识,Decawave 于 2020 年被 Qorvo 收购。在 Qorvo,他继续向工程和产品营销社区宣传 UWB 技术的独特性能优势,并帮助这些社区利用该技术的多方面价值创建面向各种用例的解决方案。

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Jervais Seegars

UWB 业务部门区域业务开发经理

Jervais 对无线领域技术拥有全面的了解,不仅包括超宽带技术,还包括 Wi-Fi、Bluetooth® Low Energy 和 ZigBee。除了与行业联盟合作外,他还向客户提供丰富的无线应用知识,帮助客户在各种垂直市场实现 UWB 产品战略。

来源: Qorvo半导体

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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。

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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。

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