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　　不管您相信与否，就在 20 年前，公众还无法轻易获取位置信息！2000 年 5 月，公众开始使用全球定位系统 (GPS) 的定位和导航功能，例如用于寻找最近的 ATM 机或加油站。在 2000 年之前，人们使用传统的方法游走世界，如查看地图、找人问路或者在反复迷路中摸索出正确的路线 年前，室内导航应运而生。大家可以想一想覆盖购物中心、机场以及其他大型建筑的谷歌地图。由于出现了基于位置的新型服务，可帮助人们找到商店并实现定向营销等，定位数据变得更加有价值。

　　如今，我们正在目睹新一代定位技术的崛起：精准微定位系统。这些系统能够以前所未有的方式实现精准定位。定位技术为什么会有这些发展？因为公众和企业希望以更可靠且更精确的方式定位几乎任何东西，例如钥匙、遥控器或当地杂货店第九排货架上无麸质面包的确切位置等。企业对企业 (B2B) 以及消费类零售行业都认识到更可靠且更精确的室内定位系统可带来的附加价值。例如，它可以帮助消费者导航室内场所，增加住宅和商业建筑的智能自动化水平，并且可以帮助企业实时了解运营、资产和员工动态，从而提高企业的运营效率。

　　现有的嵌入式技术能够让设备确定内容和时间，并向其用户此类信息。传感器用于提供内容信息，精确的系统时钟用于提供时间信息，而设备之间通过无线射频 (RF) 连接传输信息。

　　如图 1-1 中所示，在医疗保健、安防、智能家居、健身、智慧城市、汽车、工业等领域，了解位置信息开启了许多应用。通过UWB技术所支持的实时定位功能，越来越多的应用有助于激发我们的创新思维，因此实际用例将会不断增长。

　　技术。提高精度是明显需求：物体和人员定位和导航，需要厘米级精度，而传统的定位技术（如 GPS）的测量精度为几米。但是，单凭精度是不够的。该技术还必须：

　　蓝牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 技术非常有用，已经用于定位系统中。然而，它们并不是针对实时精准微定位服务而设计。例如，BLE 技术适用于涉及低功耗数据通信的应用。然而，尽管工程界尽了最大努力，但BLE 和 Wi-Fi 仍无法满足精确、可靠、实时定位服务的需求。例如，BLE 精度在几米范围内，其可靠性在很大程度上取决于其所在环境。

　　UWB 是一种 IEEE 802.15.4a/z 标准技术，针对安全的精准微定位应用进行了优化。它完全满足上一节中的所有要求。像 GPS 技术一样，UWB 能够通过大幅提高定位信息的价值，在全球范围内产生重大影响。

　　设计室内定位系统时，需要考虑许多因素。您需要根据不同的应用选择最符合其需求的定位技术。如表 1-1 中所示，可用技术的覆盖范围、精度、可靠性等其他方面都有所不同。

　　例如，UWB 的射频范围为 50 至 70 米，而蓝牙的定位应用范围仅为 10 至 20 米，Wi-Fi 为 40 至 50 米。另外，由于蓝牙和Wi-Fi中应用的定位技术都是基于接收信号强度。当设备远离基础设施时， 蓝牙和Wi-Fi的精度就会迅速下降。而与之对应，UWB 定位技术是基于信号的飞行时间的，因此其精度在工作范围内是恒定的。

　　与此同时，室内定位系统还必须能够同时从嵌入设备中的传感器收集数据。您肯定不想使用多项技术，因为这会导致系统过于复杂和昂贵。除了定位功能，UWB 还提供速率高达 27 Mbps 的数据通信管道，因此非常适合快速、高效地收集传感器数据。此外，工程师们正在与标准化组织合作，进一步将数据速率提高到 27 Mbps以上。

　　无论您想为仓库构建一个实时定位系统，还是想要构建一个感应式门禁延迟系统，其中一个关键参数就是系统延迟，换句话说，就是定位之间的延迟，因为您要定位的设备很可能在移动。由于 UWB 的数据包非常短，且可实现精确可靠的位置测量，所以可实现不到 1 毫秒的延迟。这样就可以实现“真正的”实时定位检测，而其他技术则需要几秒钟才能获取和计算应用所需的位置信息。

　　您可能不知道，但 UWB 已在 40 多个不同行业中部署实施，包括图1-4 中所示的以下应用：

　　消费类应用包括互联家居、零售、机器人、TV/机顶盒、人工现实 (AR) /虚拟现实 (VR)、运动和无人机。

　　在制造业、工业物流、家居周边和汽车行业实现的工业 4.0 应用场景中，UWB 可以让物体和人员位置都清晰可见，因此可以提高运营效率、安全性和资产跟踪性能。

　　目前的报警系统需要用户来激活和停用系统。采用 UWB 之后，用户将获得无缝体验。您不再需要使用钥匙来开门，或使用触摸板来解除安全系统报警。当您把智能手机放在口袋里时，系统就会知道您走近或离开家的时间。其他应用包括智能遥控和智能手机，您只要指向想要控制的物体，并利用遥控的位置和方向来启用正确的功能，遥控器和智能手机就知道是哪个物体。

　　工业 4.0：UWB 可提供精确可靠的物体和人员位置信息，从而提高运营效率、安全性和资产跟踪性能。

　　UWB 还可用于“数字孪生”制造应用，这些应用使用物理对象或工艺的近实时数字图像来优化业务流程以提升绩效。（数字孪生是现实产品或资产的虚拟表示。它可用于管理制造商固定资产（如生产机器、生产线和工厂）的性能、有效性和质量。）UWB 标签可跟踪叉车和工具，以便实时查看工作进展，从而有助于提高工作流程的效率，并消除瓶颈。

　　汽车工业：采用 UWB 技术的密钥卡可实现安全通信和距离测量，以防止车辆被盗。UWB 采用飞行时间 (TOF) 概念，并结合了 IEEE 802.15.4z 标准要求的其他安全措施，是经过验证的防中继攻击技术。

　　UWB 可以实现非常精确的机器人导航系统。例如，您可以让剪草机自动、高效、精确、安全地割草。或者，您可以让自动导引车 (AGV) 将备件送到装配线上的特定工作站。个人运输机器人甚至可以跟着您走，帮您搬运任何需要移动的重型零件或设备。

　　运动：UWB 具有厘米级精度和低延迟，非常适合进行运动分析。您可以跟踪运动员快速运动过程中的统计数据，并且无需担心测量不准确。UWB 已经用于许多专业体育项目，帮助防止队员受伤，提高运动员的成绩。

　　企业：UWB 可实现可靠的社交距离解决方案，能够将工人安全运送到工作现场。由于其精确性、可靠性和实时性，UWB 成为企业应用的首选技术。

　　适用于室内和室外定位应用的技术有多种，但 UWB 最精确、最可靠且最具成本效益；通常也更具可扩展性。将 UWB 技术与最流行的窄带方法进行比较，可以清楚地说明这一点，这也是我们在本节要做的。

　　除了其定位功能，Qorvo UWB 技术还符合 IEEE 802.15.4a 标准和近期发布的 IEEE 802.15.4z 标准。因此，除了厘米级测距精度，开发人员还强调要确保该技术稳定且不受各种干扰的影响，从而实现更高的可靠性。制定该标准时，还考虑了低功耗和低成本因素，以及支持大量互连设备的能力。工程师们在创建该标准时有一个愿景：让每个互连对象都具有“定位感知”能力。

　　联邦通信委员会 (FCC) 将 UWB 无线 GHz，最低信号带宽为 500 MHz（参见图 2-1）。与其他无线电技术不同，UWB 并不使用幅度或频率调制来编码其信号传输的信息。相反，UWB 采用非常窄的短脉冲序列，利用二进制相移键控 (BPSK) 和/或脉位调制 (BPM) 对数据进行编码。使用窄脉冲导致传输表现出宽带宽特性，从而可以扩大范围，降低对窄带干扰的敏感度，并且能够在存在多路径反射的情况下运行。

　　(BLE) 信标，在某些情况下很有效。信标主要用于接近检测。它们会在设备（如电话）处于覆盖范围内时进行检测，并通过区分信号强度 (RSSI) 的强弱来估算距离。

　　设备 A 可以从会议室天花板上的信标接收到非常强的信号，但墙壁使会议室外部附近角落的信标信号明显减弱，而这两个信标与设备 A 的距离大致相同。设备 B 不在任何信标的 LOS 范围内，因此，所有信号都明显减弱，而设备 C 处于开放式办公室中多个信标的 LOS 范围内。所以信号强度更强，因为衰减更少。

　　UWB 的固有特性意味着，它可以实现比其他技术更精确的室内定位和距离测量。

　　典型的 UWB 设备需要具备一定程度处理能力和特定功能。对于简单的标签，要求处理器具有少量的闪存（可编程非易失性存储器）和数据存储器（易失性随机存取存储器，或 RAM）。对于锚点应用，比如到达时间差 (TDoA) 中使用的锚点，可能需要具有更多闪存和 RAM 的处理器，在许多情况下还需要数据回传。

　　另一种情况就是，传感器 LOS 信号不理想或是来自不同的方向。此时，可使用软件将结果平均，以获得精确的距离信息；软件还可以平滑处理比其他信号更嘈杂的信号。为了获得更精确的结果（尤其是在快速移动应用中），或为了添加有关设备方向的信息，软件还可以将来自 UWB 芯片组的数据与来自惯性测量装置（包括加速计、陀螺仪和磁力计等）的数据整合在一起。

　　UWB 利用 ToF 的概念，这是一种通过将信号的 ToF 乘以光速来测量两个无线电收发器之间距离的方法。基于这个基本原理，可根据目标应用的需求以不同的方式实现 UWB 定位技术。

　　双向测距(TWR)：如图 2-9 所示，TWR 方法可通过测定 UWB 射频信号的 ToF，然后将该时间乘以光速来计算标签与锚点之间的距离。汽车无钥门禁系统就是使用 TWR 方法的一个应用示例 TWR 可生成一个安全空间，类似于一个安全气泡，同时确保在应用的时候，这个气泡保持高精度的安全控制。

　　TWR 方法也可用于图 2-10 和图 2-11 所示的 2D/3D 资产场景。图 2-10 显示使用的双向测距，而图 2-11 显示使用数据标签回程的 TWR。如图 2-11 所示，数据回传可以使用多种方法（如 Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M 等）实现，通过这些方法将数据传输至云。

　　到达时间差(TDoA)和反向TDoA：TDoA 和反向 TDoA 方法类似于 GPS。在已知的固定场所部署了多个参考点，称为

　　，且这些锚点在时间方面实现了紧密同步。如果为 TDoA，移动设备将闪烁（也就是定期发送信息），当锚点接收到信标信号时，将基于共同的同步时基标记时间戳。然后，多个锚点的时间戳将转发至中央定位引擎，中央定位引擎将根据每个锚点的信标信号 TDoA 运行多点定位算法。最后将得到移动设备的 2D 或 3D 位置，如图 2-12 所示。反向 TDoA 更像 GPS。在该系统中，锚点发送同步信标（具有固定/已知偏移，以避免发生碰撞），移动设备利用 TDoA 和多点定位算法来计算其位置，如图 2-13 所示。

　　到达相位差(PDoA)：另一个 UWB 拓扑就是 PDoA。PDoA 可将两个设备之间的距离与两者之间的方位测量结合在一起，如图 2-14 所示。利用距离和方位的组合信息，可在没有任何其他基础设施的情况下计算出两个设备的相对位置。为此，其中一个设备必须配备至少 2 根天线，并且能够测量每根天线处到达信号载波的相位差。相位完全不受天线变形的影响，并且可实现优于 10°的测量精度，从而可以在不到 5°的情况下确定发射器的方位。

　　最近 UWB 技术引入智能手机领域是 UWB 在全球大规模普及的关键一步。智能手机本身就是一个主要市场，每年发货量超过 13 亿部。因此，智能手机将是 UWB 在人们日常生活中广泛普及的切入点，同时有助于实现汽车门禁、零售交易和家居控制等活动，如图 3-1 所示。UWB 手机将引发各种新设备和应用生态系统的开发，这是其他技术无法实现的。

　　预测 UWB 部署的确切未来极其困难，但历史可以为我们提供一些可能的轨迹线索。例如，Wi-Fi 最初是专门针对收银机的无线 年，Apple 对 Wi-Fi 的认可是有力支持，使该技术迅速普及。这也刺激了各种设备生态系统的开发，并引发了网络效应，从而导致每年发货量达数十亿部。蓝牙的成功也很类似：蓝牙早期用于手机和汽车的免提通话，最终导致了许多应用和市场的大规模采用。

　　互操作性 （不同供应商的产品、系统、应用和服务以可预测的方式可靠协同工作的能力）是新技术大规模采用的另一个关键因素。互操作性至关重要，因为每个用户都希望他们的电子设备能够轻松连接和操作。UWB 行业的不同参与者（从半导体供应商到设备制造商和测试设备供应商）都已经开始着手解决互操作性需求。

　　UWB联盟(：UWB 联盟正与全球监管机构和组织合作，营造有利的监管和频谱管理环境，全力推动 UWB 市场增长。UWB 联盟还参与了频谱共享优化，以最大限度地减少其他新标准和现有标准的干扰。

　　车联网联盟(CCC;：CCC 是一个跨行业组织，致力于推进针对智能手机到汽车连接解决方案的全球技术。CCC 包括许多利益相关者，如汽车原始设备制造商 (OEM)、一级供应商、手机制造商、半导体供应商和应用开发人员。CCC 正在开发“数字钥匙”，一种全新的开放标准，允许将智能设备（如智能手机和智能手表）用作车钥匙。利用这种标准化的生态系统，无论在哪里，移动设备都能够以保护隐私的安全方式存储、验证和共享 UWB 车辆的数字密钥。

　　FiRa联盟(：FiRa 代表精密测距，强调了 UWB 技术在测量目标距离或确定位置时提供前所未有的精确性和安全性的独特能力。作为行业联盟，FiRa 认为 UWB 技术将改变人们体验连接的方式，并致力于 UWB 应用的广泛普及。如图 3-3 所示，FiRa 联盟预计会出现许多用例。这些用例包括感应式门禁、室内定位和导航以及点对点应用。

　　这些组织正在协作创建协议，确保汽车与手机、手机与门锁以及手机与定位基础设施之间能够进行通信。

　　得益于工程师和企业家的创造力和天赋，Wi-Fi 和蓝牙已实现广泛的服务和应用，这是大家都未预料到的。基于本书中描述的 UWB 的多方面价值，我们可以预见新应用和新服务的到来，而这些应用和服务是不可能用现有技术实现的。

　　UWB 如何改变建筑物导航体验。您是否有过在商店里苦苦寻找特定商品的经历？在公司里找会议室？在人群中找朋友？或者寻找在机场排队的出租车？UWB 可以准确地引导您前往目的地，将会终结所有这些不愉快、有时甚至让人很紧张的经历。

　　据市场分析机构 Techno Systems Research 的《2021 年超宽带市场分析》所说，当前我们常讨论的 UWB 市场由四个主要应用类别组成，分别是：实时定位系统（RTLS B2B），例如工业和零售室内定位系统应用；手机（智能手机，可穿戴设备，消费者标签）；汽车和智能家居。其他的应用则包括智能门，大门和付款等。

　　他们进一步指出，到 2021 年，全球 UWB 的出货量预计将达到 2 亿个以上，到 2027 年将超过 12 亿个。按照其估计，智能手机将在 2027 年成为 UWB 的最大应用市场，其次则是汽车、智能家居设备、可穿戴设备、消费者标签和 RTLS B2B。

　　这个迅速崛起的市场，必然给拥有丰富且领先的 UWB 软硬件积累的 Qorvo 带来巨大的机会。Qorvo 方面也指出，超宽带(UWB)可能将会改变我们的生活和工作方式。该技术能够准确定位人和物的位置，实现厘米级精度，比蓝牙低功耗(BLE)和 Wi-Fi 等现有定位技术精确 100 倍。UWB 赋予设备真正的感知能力，为手机, 汽车和物联网应用带来无限可能。

　　具体到每个细分市场，据 Techno Systems Research 预测， 2021 年将是基于 UWB 的消费者标签的重要一年；预测 2027 年 RTLS B2B 应用的超宽带市场规模将比 2020 年增长 7 倍以上；到 2023 年，UWB 在智能家居设备领域的渗透率将下降，并且从 2024 年开始反弹，到 2027 年，智能家居设备市场中拥有 UWB 产品的份额约为 17％。

　　联盟也随时准备提供帮助。UWB 行业正在通过与联盟合作推动成功和互操作性，如 Fine Ranging (FiRa) 联盟、车联网联盟 (CCC) 和 UWB 联盟，并与电气与电子工程师学会 (IEEE) 展开密切合作。

　　锚点：实时定位系统 (RTLS) 中的电子设备，用于检测 UWB 标签发出的 UWB 消息。如果有需要的话，还可将其转发给定位服务器，以计算标签位置。

　　增强现实 (AR)：将计算机生成的图像叠加在用户的真实世界视角上，从而形成复合视图的技术。

　　脉位调制 (BPM)：802.15.4a 中定义的调制方法，该方法忽略了决定脉位的卷积校验位。

　　二进制相移键控 (BPSK)：一种双相调制方案，其中二进制信息中的 0 和 1 用载波信号中两种不同的相位状态表示：二进制 1 和二进制 0。在数字调制技术中，为特定调制方案选择了一组基本函数。

　　车联网联盟 (CCC)：一个跨行业组织，致力于推进针对智能手机到汽车连接解决方案的全球技术。

　　设备到设备（点对点）服务：一种分布式应用架构，它在点之间划分任务或工作负载。

　　数字钥匙：将智能设备用作钥匙的一种功能。数字钥匙的使用方式与物理钥匙或遥控钥匙相同。主要用于开门和关门。

　　以太网：将多个计算机系统连接起来形成一个局域网 (LAN) 的系统，该系统利用协议控制信息的传递并避免两个或多个系统同时传输。

　　联邦通信委员会 (FCC)：美国政府的一个独立机构，负责管理全美无线电、 电视、有线、卫星和电缆通信。

　　Fine Range 联盟 (FiRa)：一个非营利组织，促进超宽带技术 (UWB) 在门禁、定位服务和设备到设备服务等用例中的应用。

　　闪存：一种存储器，可在没有电源的情况下保存数据（可编程非易失性存储器）。

　　全球定位系统 (GPS)：一种精确的全球导航及测量设施，基于接收到的轨道卫星信号进行测量和定位。

　　感应式门禁：先进的解决方案，使员工能够轻松便捷地进出整个建筑或设施的安全区域，而无需出示门禁卡。

　　工业 4.0：利用现代智能技术实现传统制造业和工业实践的持续自动化。通过集成大规模机器对机器通信 (M2M) 和物联网 (IoT)，提高自动化程度，改善通信和自我监控，并生产出无需人工干预就能分析和诊断问题的智能机器。

　　互操作性：不同供应商的产品、系统、应用和服务以可预测的方式可靠协同工作的能力。

　　视线 (LOS)：电磁辐射或声波传播的一种特性，即声波采用直接路径从声源 传播到接收器。

　　机器的长期演进 (LTE-M)：由第三代合作伙伴计划 (3GPP) 制定的高速无线通信用电信标准。

　　低功耗广域网 (LP开云网站 开云网址WAN)：一种无线电信网络，设计用于允许以低比特率在连接的电池供电传感器和设备之间进行长距离通信。

　　窄带物联网 (NB-IoT)：一种 LPWAN 标准，可使用蜂窝通信频段连接各种设备和服务。

　　射频 (RF)：20 kHz 到 300 GHz 左右频率范围内，交流电流或电压的振荡频率，或磁场、电场或电磁场或机械系统的振荡频率。

　　随机存取存储器 (RAM)：一种计算机存储器，可以按任何顺序读取和更改；通常用于存储工作数据和机器代码（易失性随机存取存储器）。

　　实时定位系统 (RTLS)：一种实时自动识别并跟踪物体或人的位置的系统，通 常用于建筑物或其它封闭区域内。

　　接收信号强度指示器 (RSSI)：在电信技术中，接收到的无线电信号中的功率测量值。

　　到达时间差 (TDoA)：用于测向和导航的电子技术，利用精确同步的参考时间，来计算特定信号到达物理上独立的各个接收站时间。

　　飞行时间 (ToF)：物体、颗粒或声波在介质中传播一段距离所用的时间的测量值。

　　双向测距 (TWR)：一种测距方法。该方法测定 UWB 射频信号的飞行时间 (ToF)，然后将该时间乘以光速来计算节点之间的距离。

　　超宽带技术 (UWB)：一种 IEEE 802.15.4a/z 标准技术，针对安全的精准微定位应用进行了优化，通过计算无线电信号在设备之间传输所需的时间，可实现前所未有的精度（在几厘米范围内）。

　　UWB 联盟：该联盟致力于促进多个供应商的超宽带UWB) 无线计算机网络产品的互操作性。

　　虚拟现实 (VR)：计算机生成的单个对象或多个对象的三维 (3D) 图像表示，用户与该对象交互的方式类似于与现实对象交互的方式。

　　无线保真技术 (Wi-Fi)：一个通用术语，是指无线网络的通信标准，可用作局域网 (LAN)，无需使用电缆和任何类型的布线即可运行，亦称为 WLAN。

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