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UWB也許從來(lái)沒(méi)有想過(guò)，它為世人所熟知是因為蘋(píng)果手機。

UWB技術(shù)因為蘋(píng)果手機中的應用而站到了聚光燈下，與近期的光刻機一樣接受著(zhù)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)域應用的時(shí)候還要追溯到上個(gè)世紀，那時(shí)候美蘇還在冷戰，國內還在改開(kāi)；工業(yè)領(lǐng)域的應用也有了小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)域應用消息，卻終于讓UWB走上了臺前（可喜可賀）。

本篇文章將全方位介紹UWB技術(shù)，讓大家對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(xiàn)通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很大，盡管使用無(wú)線(xiàn)通信，但其數據傳輸速率可以達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(xiàn)載波通信技術(shù)，主要用于軍用雷達、定位和低截獲率/低偵測率的通信系統中。

UWB的發(fā)展歷史

UWB技術(shù)誕生于1960年代，應用一直局限于軍事、雷達定位及測距等方面。直到2002年2月，UWB才獲得FCC批準，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標準，正式成為了UWB技術(shù)的第一個(gè)國際標準。

目前已有超過(guò)20多家廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)推出了UWB技術(shù)芯片、應用開(kāi)發(fā)平臺和相關(guān)設備。其中走在前列的主要是美國的制造商，另外，也包括一些以色列、日本、英國、歐洲和中國臺灣的企業(yè)。

與國外先進(jìn)國家相比，我國的UWB研發(fā)起步相對較晚。從1999年開(kāi)始，我國研究者開(kāi)始關(guān)注UWB技術(shù)的發(fā)展。2001年，國家“863”計劃啟動(dòng)了高速UWB實(shí)驗演示系統的研發(fā)項目，經(jīng)過(guò)遴選，由東南大學(xué)、清華大學(xué)、中國科技大學(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)驗收。在2011年的中國國際信息通信展覽會(huì )上，深圳國人通信有限公司推出了超寬帶數字光纖分布系統（UW-DDS ），這是可實(shí)現多制式多業(yè)務(wù)共同接入、協(xié)同發(fā)展以及共建共享新解決方案，已在國家大劇院等處應用并獲得巨大成功。

隨著(zhù)室內定位商業(yè)模式的初步浮現以及主流芯片廠(chǎng)家、位置服務(wù)提供商、集成商等在產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節上的大力推動(dòng)，目前UWB技術(shù)在國內甚至全球市場(chǎng)都已經(jīng)有著(zhù)大量的行業(yè)應用案例。

技術(shù)特點(diǎn)

UWB在應用上主要有兩大作用：測距與定位。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

具有厘米級的高精度定位能力。UWB信號時(shí)域寬度極窄，接收端在測量時(shí)，能獲得極高的時(shí)間分辨率，簡(jiǎn)單講就是時(shí)間測量準，這是實(shí)現高精度定位的基礎。

同時(shí)它還具有很強的抗多徑能力，不同方向到達的信號很難出現疊加干擾，這對高精度定位也非常有好處。

2. 低功耗

UWB系統使用周期性的脈沖來(lái)發(fā)送數據，脈沖持續時(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(xiàn)通信（如WIFI）的概率也非常低。總結起來(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，有一定的硬件采購成本，但UWB基站覆蓋范圍大，典型半徑達50-150米，同樣面積下，需部署的設備更少。同時(shí)，UWB系統一旦部署調試完畢，幾乎不用再改動(dòng)，一次投入，可用10年，運營(yíng)成本極低。

測距與定位原理

UWB的測距原理

TOF

飛行時(shí)間法（Time of flight，TOF）是一種雙向測距技術(shù)，它通過(guò)測量UWB信號在基站與標簽之間往返的飛行時(shí)間來(lái)計算距離。根據數學(xué)關(guān)系，一點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離為常數，那么這點(diǎn)一定在以已知點(diǎn)為圓心，以該常數為半徑的圓上。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)就是標簽的位置。

基于TOF的定位方法測距不依賴(lài)基站與標簽的時(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)鐘偏移量造成的測距誤差，通常采用正反兩個(gè)方向的測量方法，即遠端基站發(fā)送測距信息，標簽接收測距信息并回復，然后再由標簽發(fā)起測距信息，遠端基站回復，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，從而提高測距精度。

TDOA

到達時(shí)間差（Time Differenceof Arrival，TDOA）是一種利用到達時(shí)間差進(jìn)行定位的方法又稱(chēng)為雙曲線(xiàn)定位。標簽卡對外發(fā)送一次UWB信號，在標簽定位距離內的所有基站都會(huì )收到無(wú)線(xiàn)信號，如果有兩個(gè)已知坐標點(diǎn)的基站收到信號，標簽和基站的距離間隔不同，因此這兩個(gè)收到信號的時(shí)間節點(diǎn)是不一樣的，根據數學(xué)關(guān)系，到已知兩點(diǎn)為常數的點(diǎn)，一定處于以這兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線(xiàn)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(xiàn)，四條雙曲線(xiàn)交于一點(diǎn)就是標簽的位置。

TDOA算法并不是直接利用信號到達時(shí)間，而是利用多個(gè)基站接收到信號的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)目標的位置。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，定位精度相對有所提高。

UWB的定位原理

知道了UWB的測距原理，再來(lái)了解UWB的室內定位原理就很容易了。UWB的室內定位功能和衛星原理很相似，就是通過(guò)室內布置4個(gè)已知坐標的定位基站，需要定位的人員設備攜帶定位標簽，標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)行測距，通過(guò)一定的精確算法定出標簽的位置。

應用場(chǎng)景

UWB應用主要適用于三大場(chǎng)景，出入管理、位置服務(wù)和設備間交流。

三大應用場(chǎng)景主要針對智能家居和智能辦公、智慧城市、智慧交通、消費電子、新零售、消費和醫療等領(lǐng)域。

無(wú)障礙出入管理（Hands-Free Access Control）是利用UWB技術(shù)，實(shí)現出入門(mén)禁管理，當人物靠近門(mén)禁時(shí)，自動(dòng)感應、識別完成解鎖，替代傳統需互動(dòng)接觸的指紋、密碼的應用場(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定傳輸性能， 實(shí)現室內精準定位和大數據分析；

設備互聯(lián)互通（P2P Applications）則主要用于設備之間的數據互聯(lián)互通，如視頻電話(huà)會(huì )議、自動(dòng)駕駛V2X、AR/VR游戲、遠程支付等。

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)對比各家的定位方案，總結出了各定位方案較通用的部分，其他針對特定場(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

唯一標簽綁定人員信息，實(shí)時(shí)位置跟蹤，統計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)現人員管理。

2、人員跟蹤與行為監測

可對區域內各種行為監測：區域超時(shí)、區域聚眾、長(cháng)時(shí)間不動(dòng)等，隨時(shí)滿(mǎn)足安全管理要求，保障人身安全。并可標記重點(diǎn)人員，進(jìn)行行為分析監控。

3、電子圍欄與高危區域

系統可隨時(shí)設置電子圍欄，進(jìn)行人員權限控制，確保高危區域有權限人員才能進(jìn)入。圍欄管理實(shí)現進(jìn)出限制，確保生產(chǎn)安全。

4、歷史軌跡存儲與查詢(xún)

系統可以無(wú)限時(shí)間存儲人員歷史軌跡，用于查詢(xún)分析人員行為，為事件分析提供依據并可以分析人員行為，進(jìn)行重點(diǎn)人員監控。

5、門(mén)禁視頻聯(lián)動(dòng)

系統進(jìn)行門(mén)禁聯(lián)動(dòng)，比對確定人卡一致；并對區域內進(jìn)行視頻跟蹤，可隨時(shí)觀(guān)察區域內現場(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(mǎn)足安全業(yè)務(wù)中，安全監察人員到崗到位監察，保證安全生產(chǎn)，并可結合人員密度以及高危提醒為安全監察人員提供便捷的監察路線(xiàn)，提高安全監察管理效率。

小結

想要利用UWB，就要對其有根本的了解，UWB的應用空間非常廣闊，良性的市場(chǎng)競爭與技術(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、更廣的應用，拭目以待。