『这个知识不太冷』探索超宽带技术

『这个知识不太冷』系列，旨在帮助小伙伴们唤醒知识的记忆，将挑选一部分Qorvo划重点的知识点，结合产业现状解读，以此温故知新、查漏补缺。

不管您相信与否，就在20年前，公众还无法轻易获取位置信息！2000年5月，公众开始使用全球定位系统 (GPS) 的定位和导航功能，例如用于寻找最近的ATM机或加油站。在 2000年之前，人们使用传统的方法游走世界，如查看地图、找人问路或者在反复迷路中摸索出正确的路线。

10年前，室内导航应运而生。大家可以想一想覆盖购物中心、机场以及其他大型建筑的谷歌地图。由于出现了基于位置的新型服务，可帮助人们找到商店并实现定向营销等，定位数据变得更加有价值。

很难想象在世界任何地方，无论是在室内还是室外，如果没有便捷的导航，生活会是什么样子。大家可以想象一下，如果没有GPS技术，各大电商要实现高效送货会有多困难。如果没有GPS技术，亚马逊还能跻身成为价值万亿美元的公司吗？而这只是一个行业。

如今，我们正在目睹新一代定位技术的崛起：精准微定位系统。这些系统能够以前所未有的方式实现精准定位。定位技术为什么会有这些发展？因为公众和企业希望以更可靠且更精确的方式定位几乎任何东西，例如钥匙、遥控器或当地杂货店第九排货架上无麸质面包的确切位置等。企业对企业 (B2B) 以及消费类零售行业都认识到更可靠且更精确的室内定位系统可带来的附加价值。例如，它可以帮助消费者导航室内场所，增加住宅和商业建筑的智能自动化水平，并且可以帮助企业实时了解运营、资产和员工动态，从而提高企业的运营效率。

现有的嵌入式技术能够让设备确定内容和时间，并向其用户报告此类信息。传感器用于提供内容信息，精确的系统时钟用于提供时间信息，而设备之间通过无线射频 (RF) 连接传输信息。

在设备的功能中添加位置维度就像是赋予它第六感一样。位置信息可提供惊人的新见解，并使开发人员能够创建情境感知产品和服务，这在以前是不可能实现的。

• 效率：在工厂和仓库中，实时了解资产的位置可以提高利用率，减少寻找时间，并且能够进一步提高“适时制”流程效率。

• 安全性：实时获知人员、自动导引车和机器人的位置，即可控制他们之间的互动，避免发生意外，而且可以让人员远离非安全区域。

• 决策支持：实时了解人员或物体的位置还支持根据环境做出决策，比如当您在不同房间走动时自动调节立体声，或者让您可以通过简单地指向物体来控制它们。

• 安全：实时了解人员和资产的位置还可以提高安全性。如果人员的位置是无法伪造的，其位置就可以用作新的安全凭证。这些信息可用于限制对特定区域的访问，并保护物理资产、数据和通信。

如图1所示，在医疗保健、安防、智能家居、健身、智慧城市、汽车、工业等领域，了解位置信息开启了许多应用。通过UWB技术所支持的实时定位功能，越来越多的应用有助于激发我们的创新思维，因此实际用例将会不断增长。

为了充分挖掘定位服务的潜力，我们需要能够满足应用及其环境需求的技术。提高精度是明显需求：物体和人员定位和导航，需要厘米级精度，而传统的定位技术（如 GPS）的测量精度为几米。

• 在严苛的环境下具有出色的可靠性
• 具有可扩展性，足以满足大型场所中数千人员和资产的定位需求
• 功耗很小
• 经济实惠
• 可嵌入任何东西中，从高端复杂设备（如智能手机）到低端简单设备（如资产标签）
• 实时操作，因为位置与运动有关

蓝牙低功耗 (BLE) 和Wi-Fi技术非常有用，已经用于定位系统中。然而，它们并不是针对实时精准微定位服务而设计。例如，BLE技术适用于涉及低功耗数据通信的应用。然而，尽管工程界尽了最大努力，但BLE和Wi-Fi仍无法满足精确、可靠、实时定位服务的需求。例如，BLE精度在几米范围内，其可靠性在很大程度上取决于其所在环境。

但是，由于其已经普及多年，所以人们首先想到的就是Wi-Fi和BLE技术。在过去几年，它们还用于信标和接入点。信标是一种小型无线发射器，采用蓝牙技术向附近的智能设备发送信号，同时还可以连接和传输信息，使定位搜索和交互变得更加容易、更加精确。

然而，它们在定位应用方面的价值有限，因为它们需要进行大量处理和测量才能获得一个有用的位置点。使用这些技术需要时间，不具实时性，而且还会增加功耗。

由于上述这些因素，现在是时候推出UWB技术了，而且市场也已经准备就绪。UWB是专为满足实时定位应用需求而开发的技术标准。

UWB是一种 IEEE 802.15.4a/z标准技术，针对安全的精准微定位应用进行了优化。它完全满足上一节中的所有要求。像GPS技术一样，UWB能够通过大幅提高定位信息的价值，在全球范围内产生重大影响。

• 极其精确：UWB可以准确定位人和物的位置，精度达到几厘米之内。比Wi-Fi和BLE精确100倍。当跟踪/定位小型物体时，或者如果您的应用需要知道物体在墙壁的哪一侧，那么精度就非常重要。

• 安全可靠：UWB不易受多路径和干扰影响。由于存在反射和其他干扰，室内位置测量对于射频系统来说极具挑战性。

• 低延迟：UWB比GPS快50倍，更新速度高达1,000次/秒。UWB比BLE标准信标快3,000 倍！低延迟性使UWB非常适合快速移动对象应用（如无人机），并且能够实现许多非常棒的用例。

• 经济实惠，功耗低：与其他主流电子技术相比，UWB不仅经济实惠，而且功耗低。许多 UWB 设备采用纽扣电池供电，既方便又实惠。

• 单点定向：UWB只需单点测量即可精确可靠地确定您的位置，而其他射频技术需要多个样本和滤波才能获得定位结果。

• 安全：UWB利用IEEE定义的传输距离限制通信技术实现一种极难破解的安全性。

图2：超宽带技术功能

设计室内定位系统时，需要考虑许多因素。您需要根据不同的应用选择最符合其需求的定位技术。如表中所示，可用技术的覆盖范围、精度、可靠性等其他方面都有所不同。

以下将回顾这些技术之间的一些差异。

您可能不知道，但UWB已在40多个不同行业中部署实施，包括图4所示的以下应用：

• 消费类应用包括互联家居、零售、机器人、TV/机顶盒、人工现实 (AR) /虚拟现实 (VR)、运动和无人机。
• 汽车应用包括智能汽车的安全无钥门禁和无钥起动。
• 工业应用包括楼宇控制、健康医疗、农业、安全与安防、工厂自动化、机器人和采矿。

图4：已有40多个市场领域部署了UWB。

在制造业、工业物流、家居周边和汽车行业实现的工业4.0应用场景中，UWB可以让物体和人员位置都清晰可见，因此可以提高运营效率、安全性和资产跟踪性能。

以下是UWB的一些有趣且有用的应用：