村田：什么是UWB無(wú)線(xiàn)通信？使用UWB的定位方法有哪些應用 ?

UWB是Ultra-Wide Band的縮寫(xiě)，意思是超寬帶。UWB無(wú)線(xiàn)通信是使用超寬帶的頻率帶寬的無(wú)線(xiàn)通信，其主要特征是能夠實(shí)現高精度定位。近年來(lái)，已普及至智能手機防丟失、高階汽車(chē)智能鑰匙等民用設備。預計未來(lái)將在多個(gè)領(lǐng)域普及。

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有哪些獨特優(yōu)勢?技術(shù)發(fā)展歷史如何?有什么主要用途呢?

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信的特征

　　IEEE802.15.4z是UWB無(wú)線(xiàn)通信的代表性標準，其中有使用Impulse Radio的方式，Impulse Radio使用持續時(shí)間短的脈沖信號。該標準的主要特征如下：

　　高精度測距和定位

　　安全性高

　　對其他通信干擾弱

　　低功耗

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信如何展現這些特征?

　　在UWB無(wú)線(xiàn)通信中，如圖1所示，將寬度為2ns(納秒，10-9秒)左右的脈沖作為數據進(jìn)行傳輸。這種短持續時(shí)間脈沖具有能進(jìn)行高分辨率的測距和定位的特性。

　　另一方面，時(shí)域中的脈沖寬度小意味著(zhù)頻域中的功率譜占據很寬的頻帶(通信中的時(shí)域和頻域將在后文解說(shuō))。

　　圖2定性地顯示了該頻域中UWB無(wú)線(xiàn)通信的傳輸功率(功率譜密度)。例如，如果同第2代手機和Wi-Fi以及第3代手機等傳統通信所使用的頻率帶寬相比較，可以看到UWB無(wú)線(xiàn)通信的頻率帶要寬得多。

　　此外，UWB無(wú)線(xiàn)通信的傳輸功率峰值不僅低于其他通信方式，而且其設定值低于FCC(Federal Communication Commission：美國聯(lián)邦通信委員會(huì ))*1規定的無(wú)線(xiàn)電波輻射數字設備的噪聲水平規定值-輻射電磁噪聲規定值?41.3dBm/MHz*2(75nW/MHz)。

　　由于UWB無(wú)線(xiàn)通信具有以上所述的使用頻率帶寬、傳輸功率等級低于噪聲等級的通信特性，因此對其他通信的干擾較弱，且通信本身不為第三方所知，所以其安全性高，而且，還具有能進(jìn)行低功耗通信的特點(diǎn)。

　　*1 FCC(Federal Communication Commission：美國聯(lián)邦通信委員會(huì ))：在美國參與管理和監管美國全部通信(無(wú)論是無(wú)線(xiàn)還是有線(xiàn))的政府機構。

　　*2 dBm/MHz：每1MHz頻率寬度的功率等級(功率譜密度)。dBm是將功率轉換為常用對數時(shí)的單位。在通信領(lǐng)域中，需要處理的數值范圍很廣，直接處理很不方便。所以通常使用對數表示來(lái)縮小其范圍。

　　UWB技術(shù)的歷史和法規

　　自1960年代以來(lái)，UWB技術(shù)在美國主要作為軍用雷達進(jìn)行研究。直到1994年左右，它還是一種被視為軍事機密的通信技術(shù)。從1998年左右開(kāi)始，美國FCC開(kāi)始考慮將UWB用于民用，并于2002年獲得批準，此后，UWB芯片套件等的研究不斷向前推進(jìn)。文章來(lái)源：http://www.ameya360.com/hangye/110446.html

　　到2019年之后，UWB才廣為公眾所知。引發(fā)這一現象的是配備UWB模塊的智能手機的問(wèn)世。由此，在過(guò)去未將UWB用于民用目的的國家，使用許可也取得了進(jìn)展。

　　UWB技術(shù)就是這樣發(fā)展起來(lái)的，如果特別關(guān)注頻率帶寬規定的話(huà)，會(huì )發(fā)現FCC分配的UWB無(wú)線(xiàn)電頻率帶寬是3.1GHz-10.6GHz之間的7.5GHz。另一方面，歐盟、歐亞大陸、東亞、大洋洲等國家和地區分配的帶寬與此略有不同，其規定是在室內和室外主要能使用6.0GHz-9.0GHz左右的帶寬。

　　然而，目前大多數UWB模塊遵守的是IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers：電氣與電子工程師協(xié)會(huì ))*3在 2007年采用的短距離無(wú)線(xiàn)標準IEEE802.15.4a中指定UWB優(yōu)先使用通道號9(中心頻率：7987.2MHz，頻率帶寬：499.2MHz)的規格。

　　*3 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers：電氣與電子工程師協(xié)會(huì ))：世界上最大的電氣領(lǐng)域學(xué)術(shù)研究組織。也是該領(lǐng)域的技術(shù)標準化組織。

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信的用途

　　這里，我們對UWB無(wú)線(xiàn)通信在民用和工業(yè)中的主要用途以及今后可期待的用途進(jìn)行介紹：

　　民用UWB無(wú)線(xiàn)通信設備和服務(wù)

　　- 防范丟失

　　通過(guò)在物品上貼上UWB標簽，可以防范其丟失。例如，將UWB標簽貼在包、錢(qián)包、鑰匙等上面，使用配備有UWB模塊的智能手機，可以以cm級精度定位UWB標簽的位置，并找到這些物品。此外，雖然UWB標簽的電池是紐扣電池，但由于功耗低，所以被認為可以使用1年左右。

　　自2019年以來(lái)，UWB模塊不僅越來(lái)越多地配備在智能手機中，而且還配備在平板電腦、智能手表和智能音箱等民用設備中。今后，隨著(zhù)使用UWB無(wú)線(xiàn)通信的各式產(chǎn)品和服務(wù)的出現，預計將成長(cháng)為一個(gè)大規模的市場(chǎng)。

　　- 安全地入退館和入退室

　　通過(guò)使用配備UWB模塊的智能手機，可以構建不用手且安全地入退館和入退室的系統。

　　利用UWB的高精度測距和高安全性的特征，可以在迄今為止使用密碼、物理鑰匙、IC卡等的公寓等住宅以及處理機密信息的辦公室和工廠(chǎng)等處不需要取出鑰匙以及IC卡，將智能手機等放在口袋或包里即可安全地解鎖入口。能夠順利入退館和入退室的應用程序有望得到普及。

　　- 免提支付和計費

　　通過(guò)使用配備UWB模塊的智能手機，可以在超市、便利店、餐館等商業(yè)設施構建不用手且安全的支付系統，此外，還能在車(chē)站檢票口、娛樂(lè )設施、住宿設施、停車(chē)場(chǎng)等處構建計費系統。

　　利用UWB的高精度測距和高安全性的特征，不需要拿出錢(qián)包、IC卡、智能手機等即可不用手、順利地進(jìn)行支付和計費的應用程序有望得到實(shí)用化和普及。

　　汽車(chē)用UWB無(wú)線(xiàn)通信設備及應用

　　- 智能鑰匙

　　作為利用UWB無(wú)線(xiàn)的高精度測距和定位的用途之一的是汽車(chē)智能鑰匙。例如，可以配備以下操作功能：通過(guò)在汽車(chē)附近使用UWB進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信在約1m以?xún)扰袛嘬?chē)主并解鎖，或者在車(chē)主位于數十厘米以?xún)葧r(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。

　　此外，由于UWB無(wú)線(xiàn)的傳輸功率很低，是一種具有高度保密性的通信，因此可以防范中繼攻擊(第三方中繼傳統無(wú)線(xiàn)鑰匙持續輸出的電波并解鎖的盜竊手段)等，強化安全性。

　　- 車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)化

　　如今，配備各式各樣的傳感器、雷達、AI系統等并讓它們相互合作的汽車(chē)IoT化不斷發(fā)展，作為CAN(Controller Area Network)等車(chē)載網(wǎng)絡(luò )使用的線(xiàn)束(由電線(xiàn)和連接端子組成的車(chē)載部件)據說(shuō)在某些車(chē)型上的總長(cháng)度已達到10km，總重量已達到50kg。作為聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)也在并行發(fā)展，在這種情況下，與其他通信之間的干擾較弱的UWB無(wú)線(xiàn)技術(shù)被認為在實(shí)現車(chē)載網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)化中非常有效。

　　工業(yè)用UWB無(wú)線(xiàn)通信設備和系統

　　- 工廠(chǎng)、倉庫等的實(shí)時(shí)定位系統

　　使用多個(gè)UWB錨點(diǎn)和UWB標簽*4，可以構建高精度、實(shí)時(shí)掌握放置在工廠(chǎng)和物流現場(chǎng)等處的部件和包裹等的位置的系統-實(shí)時(shí)定位系統(RTLS：Real Time Location System)。

　　*4 在使用UWB無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行定位時(shí)，標簽發(fā)出的信號被多個(gè)錨點(diǎn)接收，并能通過(guò)對信息進(jìn)行處理來(lái)準確確定標簽的位置(參見(jiàn)專(zhuān)欄)。工業(yè)UWB錨點(diǎn)通常與定位引擎、應用服務(wù)器等結合使用。

　　UWB中的定位方法

　　UWB中的定位方法

　　作為使用UWB無(wú)線(xiàn)通信的定位方法，代表性的方法是將配備UWB功能的智能手機等終端或工業(yè)用UWB 錨點(diǎn)、通過(guò)UWB標簽之間的ToF(Time of Flight)進(jìn)行的測距以及通過(guò)AoA(Angle of Arrival)進(jìn)行的測量角度進(jìn)行組合。

　　以下，我們對每種方法分別進(jìn)行解說(shuō)。

　　通過(guò)ToF進(jìn)行的測距

　　通過(guò)使用UWB無(wú)線(xiàn)通信的ToF(Time of Flight)技術(shù)進(jìn)行測距的原理是：通過(guò)測量從消息(信號)發(fā)送到接收的時(shí)間來(lái)計算到物體的距離。具體而言就是UWB****發(fā)送短脈沖信號，接收器接收該信號。從發(fā)送到接收所需的時(shí)間稱(chēng)為T(mén)oF。

　　使用ToF技術(shù)的UWB測距可以根據電磁波的速度(光速)和所需的時(shí)間來(lái)計算距離。具體而言就是用所需時(shí)間和光速的乘積求出距離?？梢酝ㄟ^(guò)UWB的超寬帶特性利用短脈沖信號，因此，可以獲得很高的時(shí)間分辨率和測量精度。由此，在傳感和定位應用中可有望得高精度的測量結果，因此已被應用于各式各樣的領(lǐng)域。

　　UWB測距技術(shù)主要有2種手法：SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)和DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging)。這些手法采用不同的方法通過(guò)信號往返進(jìn)行距離測量。

　　- SS-TWR：

　　SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)是一種僅由一方的設備測量往返時(shí)間的方法。在這種手法中，設備A向設備B發(fā)送信號，設備B收到該信號后，向設備A發(fā)送回復信號。設備A測量從發(fā)送到接收所花費的時(shí)間并計算往返時(shí)間。此方法僅使用設備A就能進(jìn)行測量，但需要兩個(gè)設備的時(shí)鐘同步。

　　- DS-TWR：

　　DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging)是一種用兩臺設備測量往返時(shí)間并共享結果的方法。在這種手法中，設備A向設備B發(fā)送信號，設備B收到該信號后，向設備A發(fā)送回復信號。設備 A和設備B分別測量各自從發(fā)送到接收所需要的時(shí)間，并使用這些結果計算往返時(shí)間。這種方法不需要時(shí)鐘同步，因此測量更容易，精度更高。

　　通過(guò)AoA進(jìn)行的角度測量

　　AoA(Angle of Arrival)是一種計算從設備A看到的設備B放置方向的角度的方法。如圖4所示，UWB無(wú)線(xiàn)中通過(guò)AoA進(jìn)行的角度測量的原理是：設備B****的電波被設備A的多根天線(xiàn)接收，并且根據接收的電波的相位差計算角度。使用這種方法，能通過(guò)用2根天線(xiàn)進(jìn)行的角度測量(2D AoA)進(jìn)行平面定位，以及通過(guò)用3根天線(xiàn)進(jìn)行的角度測量(3D AoA)進(jìn)行三維定位。

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