UWB也許從來(lái)沒(méi)有想過(guò)，它為世人所熟知是因?yàn)樘O(píng)果手機(jī)。
UWB技術(shù)因?yàn)樘O(píng)果手機(jī)中的應(yīng)用而站到了聚光燈下，與近期的光刻機(jī)一樣接受著吃瓜群眾們好奇的眼光。其實(shí)UWB并不是一個(gè)新技術(shù)，早在軍工領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)候還要追溯到上個(gè)世紀(jì)，那時(shí)候美蘇還在冷戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)還在改開(kāi)；工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也有了小20年的時(shí)間，各技術(shù)服務(wù)商在市場(chǎng)上已經(jīng)拼殺了好幾個(gè)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(tái)前（可喜可賀）。
本篇文章將全方位介紹UWB技術(shù)，讓大家對(duì)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(wú)線通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)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(wú)線通信，但其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)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(jìn)行通信，故又稱(chēng)為基帶通信技術(shù)、無(wú)線載波通信技術(shù)，主要用于軍用雷達(dá)、定位和低截獲率/低偵測(cè)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(dá)定位及測(cè)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(kāi)放了超寬帶頻段，2007年3月，ISO正式通過(guò)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(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
目前已有超過(guò)20多家廠商開(kāi)發(fā)推出了UWB技術(shù)芯片、應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)和相關(guān)設(shè)備。其中走在前列的主要是美國(guó)的制造商，另外，也包括一些以色列、日本、英國(guó)、歐洲和中國(guó)臺(tái)灣的企業(yè)。
與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)的UWB研發(fā)起步相對(duì)較晚。從1999年開(kāi)始，我國(guó)研究者開(kāi)始關(guān)注UWB技術(shù)的發(fā)展。2001年，國(guó)家“863”計(jì)劃啟動(dòng)了高速UWB實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)的研發(fā)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)遴選，由東南大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)分別進(jìn)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(guò)驗(yàn)收。在2011年的中國(guó)國(guó)際信息通信展覽會(huì)上，深圳國(guó)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(shí)現(xiàn)多制式多業(yè)務(wù)共同接入、協(xié)同發(fā)展以及共建共享的最新解決方案，已在國(guó)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(gè)環(huán)節(jié)上的大力推動(dòng)，目前UWB技術(shù)在國(guó)內(nèi)甚至全球市場(chǎng)都已經(jīng)有著大量的行業(yè)應(yīng)用案例。
技術(shù)特點(diǎn)
UWB在應(yīng)用上主要有兩大作用：測(cè)距與定位。支撐這兩個(gè)作用的因素在于以下技術(shù)特點(diǎn)：
1. 高精度
具有厘米級(jí)的高精度定位能力。UWB信號(hào)時(shí)域?qū)挾葮O窄，接收端在測(cè)量時(shí)，能獲得極高的時(shí)間分辨率，簡(jiǎn)單講就是時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)，這是實(shí)現(xiàn)高精度定位的基礎(chǔ)。
同時(shí)它還具有很強(qiáng)的抗多徑能力，不同方向到達(dá)的信號(hào)很難出現(xiàn)疊加干擾，這對(duì)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(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)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(méi)在噪聲中，被截獲和干擾的概率非常低。反之，影響其他無(wú)線通信（如WIFI）的概率也非常低?？偨Y(jié)起來(lái)，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(gòu)成本，但UWB基站覆蓋范圍大，典型半徑達(dá)50-150米，同樣面積下，需部署的設(shè)備更少。同時(shí)，UWB系統(tǒng)一旦部署調(diào)試完畢，幾乎不用再改動(dòng)，一次投入，可用10年，運(yùn)營(yíng)成本極低。
測(cè)距與定位原理
UWB的測(cè)距原理
TOF
飛行時(shí)間法（Time of flight，TOF）是一種雙向測(cè)距技術(shù)，它通過(guò)測(cè)量UWB信號(hào)在基站與標(biāo)簽之間往返的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算距離。根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，一點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離為常數(shù)，那么這點(diǎn)一定在以已知點(diǎn)為圓心，以該常數(shù)為半徑的圓上。有兩個(gè)已知點(diǎn)，就有兩個(gè)交點(diǎn)。以三個(gè)已知點(diǎn)和距離作三個(gè)圓，他們交于同一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。
基于TOF的定位方法測(cè)距不依賴(lài)基站與標(biāo)簽的時(shí)間同步，故沒(méi)有時(shí)鐘同步偏差帶來(lái)的誤差，但TOF測(cè)距方法的時(shí)間取決于時(shí)鐘精度，時(shí)鐘偏移會(huì)帶來(lái)誤差。為了減少時(shí)鐘偏移量造成的測(cè)距誤差，通常采用正反兩個(gè)方向的測(cè)量方法，即遠(yuǎn)端基站發(fā)送測(cè)距信息，標(biāo)簽接收測(cè)距信息并回復(fù)，然后再由標(biāo)簽發(fā)起測(cè)距信息，遠(yuǎn)端基站回復(fù)，通過(guò)求取飛行時(shí)間平均值，減少兩者之間的時(shí)間偏移，從而提高測(cè)距精度。
TDOA
到達(dá)時(shí)間差（Time Differenceof Arrival，TDOA）是一種利用到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位的方法又稱(chēng)為雙曲線定位。標(biāo)簽卡對(duì)外發(fā)送一次UWB信號(hào)，在標(biāo)簽定位距離內(nèi)的所有基站都會(huì)收到無(wú)線信號(hào)，如果有兩個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)的基站收到信號(hào)，標(biāo)簽和基站的距離間隔不同，因此這兩個(gè)收到信號(hào)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是不一樣的，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，到已知兩點(diǎn)為常數(shù)的點(diǎn)，一定處于以這兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線上。那么有四個(gè)已知點(diǎn)（四個(gè)定位基站）就會(huì)有四條雙曲線，四條雙曲線交于一點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。
TDOA算法并不是直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間，而是利用多個(gè)基站接收到信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)目標(biāo)的位置。因此與TOA相比并不需要加入專(zhuān)門(mén)的時(shí)間戳來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘同步，定位精度相對(duì)有所提高。
UWB的定位原理
知道了UWB的測(cè)距原理，再來(lái)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(guò)室內(nèi)布置4個(gè)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(gè)已知位置的基站進(jìn)行測(cè)距，通過(guò)一定的精確算法定出標(biāo)簽的位置。
應(yīng)用場(chǎng)景
UWB應(yīng)用主要適用于三大場(chǎng)景，出入管理、位置服務(wù)和設(shè)備間交流。
三大應(yīng)用場(chǎng)景主要針對(duì)智能家居和智能辦公、智慧城市、智慧交通、消費(fèi)電子、新零售、消費(fèi)和醫(yī)療等領(lǐng)域。
無(wú)障礙出入管理（Hands-Free Access Control）是利用UWB技術(shù)，實(shí)現(xiàn)出入門(mén)禁管理，當(dāng)人物靠近門(mén)禁時(shí)，自動(dòng)感應(yīng)、識(shí)別完成解鎖，替代傳統(tǒng)需互動(dòng)接觸的指紋、密碼的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)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(huì)議、自動(dòng)駕駛V2X、AR/VR游戲、遠(yuǎn)程支付等。
定位方案
目前在UWB定位服務(wù)市場(chǎng)中，各類(lèi)服務(wù)商如雨后春筍，紛紛跑步進(jìn)場(chǎng)，想分一杯定位市場(chǎng)的鮮湯，筆者通過(guò)對(duì)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(duì)特定場(chǎng)景的特定技術(shù)服務(wù)不做論述，主要功能如下：
1、實(shí)時(shí)定位與人員分布
唯一標(biāo)簽綁定人員信息，實(shí)時(shí)位置跟蹤，統(tǒng)計(jì)人員位置和分布熱度圖，隨時(shí)隨地掌握人員動(dòng)態(tài)，便于實(shí)現(xiàn)人員管理。
2、人員跟蹤與行為監(jiān)測(cè)
可對(duì)區(qū)域內(nèi)各種行為監(jiān)測(cè)：區(qū)域超時(shí)、區(qū)域聚眾、長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)等，隨時(shí)滿足安全管理要求，保障人身安全。并可標(biāo)記重點(diǎn)人員，進(jìn)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(shí)設(shè)置電子圍欄，進(jìn)行人員權(quán)限控制，確保高危區(qū)域有權(quán)限人員才能進(jìn)入。圍欄管理實(shí)現(xiàn)進(jìn)出限制，確保生產(chǎn)安全。
4、歷史軌跡存儲(chǔ)與查詢
系統(tǒng)可以無(wú)限時(shí)間存儲(chǔ)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(jìn)行重點(diǎn)人員監(jiān)控。
5、門(mén)禁視頻聯(lián)動(dòng)
系統(tǒng)進(jìn)行門(mén)禁聯(lián)動(dòng)，比對(duì)確定人卡一致；并對(duì)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行視頻跟蹤，可隨時(shí)觀察區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)情況，方便進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)其有最根本的了解，UWB的應(yīng)用空間非常廣闊，良性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)與技術(shù)研究的深入能夠激發(fā)出技術(shù)無(wú)限的潛力，在可見(jiàn)的未來(lái)，UWB技術(shù)必將還有更多、更廣的應(yīng)用，拭目以待。