2,958 讀數

UWB：能力和应用前景

经过 notAnotherOne10m2023/06/16

太長; 讀書

超宽带技术（UWB）是一种使用超宽频谱载波信号的无线通信技术。它允许以极低的功耗在短距离内传输数据。正因为如此，UWB 与其他更传统的无线电通信技术共存而不会造成干扰。

超宽带技术或UWB成为数字媒体的焦点，或者越来越多地被提及与顶级公司的旗舰产品有关。尽管如此，它在传统无线技术中仍然处于劣势，并且缺乏媒体曝光。

所以，本文意在解决这种不公。它是一个回顾，包含一个简短的历史视角，描述一般原则、方法、应用领域和用例，并分析能力和观点。

内容概览

关于超宽带技术
发展历程
UWB技术的优缺点
UWB定位方法
应用程序和用例
结论

关于超宽带技术

UWB是一种无线通信技术，它使用超宽频谱的载波信号，允许以极低的功耗在短距离内传输数据。

根据国际电联无线电通信部门:

“超宽带技术 (UWB) 是一种用于短程无线电通信的技术，涉及有意生成和传输分布在非常大的频率范围内的射频能量，这可能与分配给无线电通信服务的多个频段重叠。使用 UWB 技术的设备通常具有来自天线的有意辐射，其 –10 dB 带宽至少为 500 MHz 或 –10 dB 小数带宽大于 0.2”。

UWB 通信的主要方法是传输一系列短脉冲，每个脉冲的持续时间约为 1 纳秒。由于脉冲越短，其频谱越宽，因此此类脉冲需要更大的带宽（与窄带通信相比）。因此，术语“超宽带”。

另一个特点是信号电平非常低，接近无线电噪声的强度。正因为如此，UWB 与其他更传统的无线电通信技术共存而不会造成干扰。

发展历程

信号的脉冲传输方法在十九世纪 80 年代末为人所知。当时，海因里希·赫兹 (Heinrich Hertz) 用来证明电磁波存在的改进版火花发射器被广泛用于船舶与沿海站之间无线通信的组织.

后来，在第二次世界大战期间，脉冲无线电技术被用于许多军用雷达。 20世纪50年代，苏联科学家为了改进电力系统，开始了这方面的广泛研究。他们是第一个了解超短脉冲可以传输有关物体的更多信息，虽然适用范围还是以军事为主。

在 20 世纪 70 年代，基于 UWB 的雷达系统开始用于民用应用：地面扫描、建筑物、定位、碰撞警告、液位检测、入侵者检测以及移动雷达站。

罗斯的美国专利 3,728,632 ，日期为 17.04.1973，被认为是该技术发展的里程碑，并强调了 UWB 的主要优势之一 - 与通用标准共存而不受干扰。

2002 年，由于商业利益的增长，美国联邦通信委员会 (FCC) 批准了 3.1 至 10.6 GHz 无线电频谱的规范商业使用。

2003年，欧洲电信标准协会（ETSI）发布了IEEE 802.15.4标准，定义了低速率无线个域网（LR-WPAN）的物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层。该标准于 2020 年在 802.15.4z 中引入了以安全为重点的扩展，引入了物理层 PHY CSS（2450 MHz 线性调频），定义了双向测距方法，并添加了替代密码。

直到几年前，即 2019 年，当苹果和三星等世界知名公司开始将基于该技术的功能引入其消费类设备时，UWB 才为更广泛的最终用户所熟知。

UWB技术的优缺点

UWB 的主要优点之一是它的抗多径效应由于其高时间分辨率和短波长。这就是该技术非常适合距离测量和跟踪的原因：在此类任务中，UWB 的精度是 Wi-Fi 或低功耗蓝牙的 100 倍，精度在几厘米而不是几米以内。

反过来，UWB 的使用为频率选择性提供了高弹性衰退与蓝牙和 Wi-Fi 相比。这使得在同一环境中部署多个基于 UWB 的系统成为可能，而不会引起与其他标准的冲突。

极低的延迟使 UWB 成为快速移动物体实时自动定位系统的理想选择，例如无人机。

另一个关键优势是由于生成的脉冲功率低，因此可以提供高度的数据保护。最新的IEEE 802.15.04z-2020通过引入新的线频调制物理层、添加加扰时间戳和替代密码等加密技术，这一变化提高了数据安全性。

UWB 的其他优势包括：

对无线电频谱的可用性没有限制；
上百个通道同时支持；
数据速率范围广：从 4 Mbit/s 到 675 Mbit/s 或更高，具体取决于频率；
内在支持数十种拓扑结构；
灵活使用频谱；
超低功耗：2 mW @1 Mbps，6 μW @1 kbps；
芯片成本低：批量生产约 2 – 5 美元。

但是，当然，一切都不是那么顺利......

由于短脉冲长度和超宽频谱， UWB 的吞吐量随距离下降得更多（与窄带传输相比）。

理论上，宽带宽和高功率的信号（当后者不受法规限制时）会干扰现有系统和通信线路。

此外，一些国家的频谱可用性（ 12个国家，其中大部分在前苏联）受到国家机构和安全部门的限制。例如，在俄罗斯，AirTags 追踪器被迫使用蓝牙，而不是最初设想的 UWB。

UWB定位方法

让我们看看该技术如何实现其关键优势之一——超精确距离测定。

双向测距 (TWR)

UWB 使用ToF（飞行时间） ——传递“请求-响应”数据包的时间——来测量设备之间的距离，而不是其他标准中使用的RSSI（接收信号强度指示器） 。

该方法通过确定 ToF 然后将其乘以光速来计算标签和锚点之间的距离。

更复杂的双面双向测距 (DS-TWR) 隐式纠正时钟偏移错误，但需要更多数据包，因此会消耗更多功率：

ToF =1/2*(T1'T2'-T1T2)/(T1'+T2'+T1+T2)

到达时间差 (TDoA)

当然，使用单个锚点的 ToF 测量不会给出标签的位置，但在多个外部锚点的帮助下，UWB 能够确定标签在特定区域内空间的二维和三维位置。同时，标签数据包与锚点交换，并计算接收此类数据包的时间差。

根据接收方的不同，可以识别两种拓扑：

标签端到达时间差(TS-TDoA) ，例如在 GPS 中；
锚端到达时间差 (AS-TDoA) 。

到达相位差（PDoA）

请注意，ToF 计算仅确定距离，而不确定方向。到达相位差 (PDoA)方法解决了这个问题，以及组织额外基础设施的问题。这是通过至少一个设备上的两个天线完成的。天线上接收到的信号的相位差允许您计算信号的到达角度（Angle of Arrival，AoA）。

应用程序和用例

UWB 技术的大多数应用要么利用其广泛的安全功能，要么利用两者的组合。长期以来，该技术主要对军事和工业用途具有吸引力，但由于当前消费电子产品的最新技术水平：可穿戴设备、智能手机和智能基础设施，该技术最近得到了新的实施。

精细测距能力

借助 UWB，各种物体在几厘米内的精确定位变得真实。

在医疗保健领域，UWB 帮助人们在医院找到必要的服务，向工作人员提供患者医疗记录等基于邻近的数据，并为护理人员定位患者。在快速搜索小物品或除颤器等昂贵且重要的设备时，医疗资产跟踪也很方便。

UWB 雷达特性用于远程测量心率和呼吸率等重要参数，这也可用于具有存在检测、婴儿监视器、医疗应用和跌倒检测的智能建筑。

当需要在不同类型的场所——购物中心、医院、停车场、生产现场——进行引导时，该技术在室内导航中有着极其广泛的应用。

UWB 可以在紧急疏散期间通过跟踪和追踪留在现场的任何人来使用。

社交距离是大流行期间最相关的问题之一。支持 UWB 的徽章和腕带可以在靠近时发出警告，在违反安全区时发出警报，精度低于 10 厘米。

借助 UWB，可以通过工具和设备跟踪对生产流程进行数字化和优化，从而提高物品利用率并节省时间。利用 UWB 的 TWR 方法的防碰撞检测系统使生产现场变得更加安全。

当然，已经广为人知的UWB 标签附在钥匙扣或背包上并与您的智能手机配对，可以节省寻找重要个人物品的时间。

访问控制和被动无钥匙进入

通过飞行时间计算，UWB 确保了测距的高精度以及传输数据的安全性，同时计算到达角 (AoA) 可以定义运动方向。因此，支持 UWB 的设备可以了解用户是在接近还是离开锁着的门，并确定发生在门的哪一侧。

在访问控制的情况下，UWB 与其他协议配对使用，最常见的是蓝牙。蓝牙用于启动测距和传输数据，而 UWB 直接负责测距。

IEEE 802.15.4z 中添加的与密码保护相关的新物理层 (PHY) 最大限度地减少了中间人攻击.这开辟了大量的可能性：公寓和车库门的智能锁、生产现场的物理访问控制系统、租赁服务、车辆数字钥匙等等。

2022 年初，三星与 Zigbang 合作宣布发布“智能门锁” .要解锁此锁，您甚至不需要将智能手机从口袋中取出。

2021 年 1 月，Apple宣布其基于 UWB 的数字车钥匙功能并确认它正在为 Apple Watch 用户向 iOS 15 和 watchOS 8 添加范围更广的数字密钥和数字 ID 选项。 Google 的 Pixel 6 Pro 和 Pixel 7 Pro 还支持 UWB 数字密钥，以及 Android 的“附近共享”功能，让您可以近距离从一台设备向另一台设备传输文件。

大众和 全球最大芯片制造商恩智浦通过提供扩展功能来跟上，例如识别儿童座椅的存在并禁用相应的安全气囊，尾门的手势控制，自动检测以及与拖车连接的挂钩的提取。

更新后的 BMW X5 和 X6 将支持 UWB 数字钥匙功能，可通过原生应用程序与多达五个人共享。

UWB 设备可以在特定区域周围形成所谓的“安全气泡” ，特别用于自动解锁个人设备。几个视频演示了这种“泡沫”是如何工作的：

该技术可用于多种WBAN 应用。在健康监测方面，可以使用心电图 (ECG)、血氧饱和度传感器 (SpO2) 和肌电图 (EMG) 等 UWB 传感器网络来开发主动和智能的医疗保健系统。