UWB：超宽带空间感知新秀.docx

UWB：超宽带空间感知新秀

小米的这项新一代连接技术，就是基于UWB的空间定位技术，具备抗干扰能力强、传输速率高、功率小、精度高的特点，可用于室内高精定位、物联网设备交互、文件传输等应用场景。此前，苹果在发布iPhone11的时候，也搭载了支持UWB技术的U1芯片，以显著提升苹果手机的空间感知能力的快速文件分享。

那么，UWB技術究竟是什么？有何独到之处呢？

●何方神圣——室内定位出新秀

在介绍UWB技术之前，我们先看看主流的室内定位技术有哪些。

1.射频识别定位技术

利用射频方式产生电磁场，物品上的RF标签在经过磁场时生成感应电流，以达到三角定位的目的。

射频识别作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级精度的定位信息。由于电磁场具有非视距优点，传输范围大，标签体积小，造价比较低，在仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上。缺点是不具备通信能力，抗干扰较差，整合难度大。

2.Wi-Fi定位技术

Wi-Fi室内定位的实现方法有两种：一是通过移动设备和三个无线AP的信号强度，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆进行三角定位;二是事先记录大量的位置点信号强度形成数据库，对比新加入设备的信号强度来确定位置。

Wi-Fi定位可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，总精度比较高，但是用于室内定位的精度只能达到2米左右，无法做到精准定位。由于无线路由器和移动终端比较普及，这种定位方式可以与其他客户共享网络，硬件成本很低，并且降低了射频干扰，适用于对人或车的定位导航，在医疗机构、主题公园、工厂、商场等场合使用。

3.地磁定位技术

用这种技术进行定位需要先将室内楼层平面图上传到IndoorAtlas的地图云中，再实地记录目标地点不同方位的地磁场并上传至云端，这样就能利用已记录过的地磁信息进行精确室内导航。但地磁信号容易受到环境中不断变化的电、磁信号源干扰，定位结果不稳定。

4.蓝牙定位技术

基于BLE（BluetoothLowEnergy）的定位技术，能够在短距离内实现低功耗无线传输和室内定位实时追踪。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后，将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个网络的主设备。蓝牙接收端距离发射端的距离越近，信号强度越强，反之信号强度越弱，根据信号强度与距离的关系，通过信号强度的变化就能达到定位目的。

可以看出，这些室内定位技术都各有一些缺点。于是，UWB闪亮登场。

5.UWB定位技术

UWB是超宽带（UltraWideBand）技术的英文缩写，它是一项与传统通信技术有极大差异的无线通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6GHz量级的带宽，在无线室内定位领域具有良好的前景。

UWB传输速率高，发射功率低，穿透能力强，抗干扰效果好，并且是基于极窄脉冲的无载波无线技术。这些优点使它在室内定位中可得到精确的结果，精度达到0.1～0.5m，可用于战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。

●技术剖析——优点缺点看原理

1.系统实现

在发射端，UWB发射器直接用脉冲激励天线，可采用非常低廉的宽带发射器。在接收端，UWB接收机不需要中频处理，因此UWB系统结构的实现比较简单（如图2）。在工程实现上，UWB也比其他无线技术要简单得多，只需以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，大大减小系统的复杂性，降低设备成本。

FCC（美国联邦通信委员会）为UWB分配了3.1～10.6GHz共7.5GHz频带（如下页图3），还对其辐射功率做出了更为严格的限制，将其限定在-41.3dBm频带内。

2.数据传输

从图中可以看出，UWB技术通过超大带宽和低发射功率，实现了低功耗水平上的快速数据传输。

UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现有比较拥挤的频率资源，而是共享其他无线技术的频带。UWB信号的传输范围在10m以内，传输速率可达500Mbps，是实现个人通信和无线局域网的理想调制技术。

3.精确定位

由于UWB脉冲的时间宽度极短，因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。目前常用的UWB测距方法有三种：①TOF（Timeofflight），通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来实现测距;②TDOA（TimeDifferenceofArrival），利用UWB信号由标签到达各个基站的时间差来进行定位;③PDOA（PhaseDifferenceOfArrival），利用到达角相位来测量基站与标签之间的方位关系。以TDOA测距定位算法为例，根据信号到达的时间差，通过双曲线交叉实现定位，其定位系统包括UWB接收器、UWB参考标签