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相对定位的新星——超宽带UWB详解

文章目录

    • 一、前世今生:UWB概述
    • 二、综述:UWB定位技术
    • 三、评论:UWB与蓝牙5.1对比
    • 四、综述:UWB数据传输技术
    • 五、脑洞:UWB应用场景
    • 六、未来:思考和总结


一、前世今生:UWB概述

超宽带(Ultra Wide-Band,UWB): 超过中心频率 20%的相对带宽,或拥有 500MHz 以上的绝对带宽。通常UWB指的是脉冲无线电超带宽(Impulse Radio Ultra-Wideband ,IR-UWB) 。

UWB不是新东西,相反,它是最早的无线通信方式。早期主要用于面向B端的高精度定位,自19年苹果发布支持UWB的iPhone11后,面向C端的应用吸引了手机厂商和汽车厂商的关注。

2004年以前,IEEE 802.15.3a致力于基于UWB的10米范围内的无线高速数据传输。2004年,IEEE成立802.15.4a工作组开发UWB物理层标准,将关注点转向高精度定位。FCC为UWB分配了3.1-10.6GHZ共7.5GHZ频带,但严格限定UWB辐射功率功率为 -14dBm。

UWB定位芯片行业老大是Decawave ,国内如精位科技也等推出UWB芯片。半导体公司NXP有全场景的UWB芯片,三星就是用的他们的芯片。苹果用的是自研的U1芯片。Decawave是目前全球最大的UWB定位芯片厂家,Decawave拥有从芯片的开发套件各种产品,而且很便宜,试用成本低。

二、综述:UWB定位技术

UWB定位基础是ToF/ToA测距。单纯的TOF算法有一个比较严格的约束:发送设备和接收设备必须始终同步。这是一个比较棘手的问题,但是一种Double-sided Two-way Ranging的算法巧妙的避开了这个问题,它既利用了TOF测距的优良特点,同时又极大的去除了TOF的同步问题,从而为TOF的实用化扫清了道路。

UWB定位的另一个基础是利用AOA和AOD测角。需要有至少两根天线,距离为d,当电磁波发射过来时,两根天线具有一个光程差。而学过电磁波原理的人都知道,知道相位差就能知道光程差,知道光程差与天线距离,就能算出夹角。因此,通过测量两个波的相位差就可以得到夹角。这就是测角的原理。

通过测角的定位原理是:已知2个或以上基站的位置,加上AoA/AoD 测量的角度,即可确定Tag的位置。通过测距的定位原理是:基于ToF计算3个或以上基站到Tag的距离,即可确定Tag的位置。那么,如果基站只有一个怎么办呢?我们通常是通过天线阵列来搞定。

三点测距定位是有缺陷的,因为它需要测量TOF,需要基站和终端之间的同步。因此,业界通常采用的是另一种方法,叫TDOA。通过测量出两个不同基站与终端的传输时延差来进行定位,每个基站对应一条双曲线,双曲线的交点就是目标点。因为基站的位置是固定的,基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步要容易实现得多。

上述讨论的主要是绝对定位,接下来讨论相对定位技术的应用。UWB相对定位的原理是一个设备带有两个天线,通过基于到达相位差的AoA测量角度,通过基于ToF的SS-TWR测距测量距离。结合两个设备之间的相对距离和方位角,可计算两个设备的相对位置。优点是部署简单,无需要部署额外基站。

UWB纳秒级窄脉冲和低占空比,使UWB可以实现cm级定位精度,这就是UWB在定位方面相比其它所有非脉冲通信的优势。UWB天然具有更高的安全性,其使用测量时延的方式而非信号强度的方式,可以有效防止中继攻击。

Decawave做过一个多种定位技术的对比。对比结果表明,UWB在精度和可靠性上都优于其它技术,同时,也在安全性、时延、可扩展性和功耗上具有明显优势。(笔者进行过实测,iPhone 11 UWB最大感知距离60m,蓝牙最大感知距离95m。)

三、评论:UWB与蓝牙5.1对比

注意到,鉴于业界对新生的蓝牙5.1定位技术呼声很大,有必要对UWB和蓝牙5.1做一个对比总结。笔者的观点是,UWB有五胜。

第一,专用的系统的优势会更加明显。就像如果明知道有勺子这种东西,还要用叉子喝汤,那就没必要了。所以从定位技术上,UWB胜。

第二,在房间里说话,回音就是信号反射。如果有多个回音,可能就很难区分。这就是多径效应。UWB的短脉冲和低占空比,反射不易叠加,可精确区分。这一点上,也是UWB胜。

第三,测量原理上,前面说过,UWB更精确。

第四,信号强度距离的平方负相关,误差大。蓝牙的测距只能叫评估,不能叫测量。评估远还是近,但无法明确指出是几点几米。在这个图中,假设测角误差为5度,若标签相距10米,定位偏差1.8m,相距50m,定位偏差8.87m。

第五,技术成熟度上,笔者反倒认为UWB比5.1定位的软硬件要更加成熟,至少我们现在看到了UWB成熟的产品。

四、综述:UWB数据传输技术

UWB高速数据传输,主要遵循04年以前的802.15.3规范,本来想打造无线个人局域网络,Intel和三星都非常积极,但是在Wi-Fi 5/6的出现后,优势不再明显。后面标准也没定下来,产业也没跟上去,就黄掉了。

现在,演进的标准是802.15.4规范下的UWB低速数据传输,主要服务于精准定位和安全通信。笔者查了802.15.4规范的演进历史,它的主要演进方向为精确性、数据速率和安全性三个方面。

在点对点安全传输方面,UWB相比NFC感知范围广、传输速率高、防中继攻击能力强;相比Wi-Fi更适用于低速率、密集终端的恶劣环境数据传输。我们不说UWB要替换NFC,UWB的精确测距前提下,UWB完全可以作为NFC的一种辅助模式存在,提高用户交互体验。

另外,笔者也了解到,当前高速数据传输主要集中在更高的频谱和更复杂的调制方式等方面,脉冲UWB并不在考虑范畴。

五、脑洞:UWB应用场景

随着移动设备使能UWB,UWB应用场景从标签与固定基站之间交互,逐步演化为基于相对定位的移动设备与固定基站/移动设备之间交互。下面简单通过一些场景举例让大家有个直观感受。

对于智慧门禁,安全性的关键在于证明“人与凭证都在”。证明“人在这里”,与凭证同等重要。业界多结合多种技术一起使用,例如使用蓝牙进行设备发现,UWB 则用于精准定位,而 NFC 则是用于手机没电情况下的备用进入手段。UWB是辅助手段,传统手段应该继续存在!

另一个场景是定位服务,有传统的定位,也可利用UWB定位来做镜头跟踪,也可以用在就近配对场景中。例如,耳机与电脑配对,当来了电话,把手机拿过来,耳机自动与手机配对
UWB还可以用于精准离线寻人找物。这是一整套解决方案,这里不展开讲,简单来说,就是手机不联网,也可以通过第三方的手机获得GPS定位粗略位置,然后,再结合AR,通过UWB获取设备精确位置。感兴趣的同学可以参考苹果最新发布的AirTag。

UWB还可以催生出一些有意思的新型交互方式。例如在屏幕上滑动后,与轨迹方向的设备进行交互。指向性交互的模式也是类似 的。

UWB相对定位在互动游戏中可以有很多有意思的应用。例如两人各自通过一个滑块将移动的小球打到另一个设备的屏幕上,也可以进行多人AR对战,或者重新定位多屏互动。

当前各大终端厂商都在UWB方面已开始有部分应用。总结起来,主要场景为无感数字钥匙、指向性交互、寻人找物等,对于手机公司来说,UWB 未来可能成为像蓝牙、GPS 一样的标配。

在开放平台方面,苹果开放了Nearby Interaction,支持苹果设备之间的测距和测角。另外,值得一提的是,测角是有视野的概念的,目前iPhone的测角“视野”与广角摄像头视野差不多,另外手机放置的方式在实际使用时都有限制。AOSP已merge UWB测距测角代码commits,但仍然在开发中,不一定能够在Android 12发布之前完成。AOSP UWB 测距测角 API遵循IEEE 802.15.4z,兼容多种硬件配置。总结起来,就是未来UWB的软硬件配套会越来越完善。

六、未来:思考和总结

最后是一些关于UWB相对定位前景思考。我们知道,基本上所有智能手机都支持Bluetooth和Wi-Fi,但NFC并不是。UWB至少需要像NFC一样规模的部署。另外,还需要有杀手级的应用。

本文仅为本人一家之言,欢迎一起探讨。本文观点总结为以下四点:

(1)UWB相对定位是UWB技术的第二春

(2)如果定位需求可靠性、稳定性、精确性和可重现性,UWB相比蓝牙5.1更具优势

(3)UWB低速数据传输而非高速数据传输

(4)UWB还有比较长的路要走,至少需要像NFC一样规模的部署。另外,还需要有杀手级的应用

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