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超寬帶 (UWB) 是一種基于 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 標準的無線電技術(shù)，可以非常準確地測量無線電信號的飛行時間，從而實現(xiàn)厘米精度的距離/位置測量。

所謂，IEEE 802.15.4a ，是定義 IR-UWB 物理層的國際標準。該標準旨在提供非常高精度的定位，同時提供高達 27Mbps 的同步雙向通信，以收集傳感器數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行器。該標準于 2005 年啟動并于 2007 年獲得批準，然后于 2011 年完全集成。2018 年，該標準以802.15.4z 的形式重新開放，以進一步增加物理層的安全性，因為現(xiàn)在預(yù)計 UWB 將用作汽車和移動行業(yè)的安全交易無線技術(shù)。

除了這種獨特的功能外，UWB 還提供數(shù)據(jù)通信功能。同時使用極少的功耗——使紐扣電池運行多年而無需充電或更換。通過結(jié)合準確的定位和通信。此外，UWB 還提供了一種新的無線安全通信方式，為新形式的安全交易打開了大門。

UWB 的工作原理

UWB 利用飛行時間 (Time of Flight：ToF)，這是一種通過將信號的飛行時間乘以光速來測量兩個無線電收發(fā)器之間距離的方法。從這個基本原理出發(fā)，UWB 技術(shù)可以根據(jù)目標應(yīng)用需求以不同方式實現(xiàn)，分別是 TWR（Two Way Ranging）、TDoA (Time Difference of Arrival) 或 PDoA(Phase Difference of Arrival )。

其中 TDoA 方法與 GPS 非常相似。多個參考點（稱為錨點：anchors）部署在一個場地中并且是時間同步的。移動設(shè)備將發(fā)出信標，當(dāng)“錨”接收到信標信號時，它會為其添加時間戳（timestamp）。然后將來自多個錨點的時間戳發(fā)送回中央定位引擎，該引擎將根據(jù)信標信號的到達時間差運行多點定位算法，以計算移動設(shè)備的 X、Y、Z。

采用這種方法的優(yōu)點之一是低功耗。據(jù)統(tǒng)計，采用這種設(shè)計的標簽的電池壽命可以長達 7 年（CR2032 – 0.1Hz 更新率）。同時，還能布置非常高密度的設(shè)備（數(shù)以千計）。但這種方法還是有缺點，例如錨點需要時間同步和復(fù)雜的部署。

至于 TWR 方法，TWR 方法依賴于兩個設(shè)備之間的雙向通信。在進行通信時，這些設(shè)備還會測量它們之間 UWB RF 信號的飛行時間。通過將信號的往返時間乘以光速，然后除以 2，您可以得出兩個設(shè)備之間的實際距離。如果在兩個設(shè)備之間應(yīng)用 TWR 方案，您將獲得兩個設(shè)備之間的距離 (D)。基于 TWR 方案，您還可以通過測量移動標簽和固定信標之間的距離來實現(xiàn) 2D 甚至 3D 定位——這稱為三角測量。

采用這種方法的有點是不需要系統(tǒng)同步，能夠輕松部署，且雙向通信使得下行數(shù)據(jù)和控制成為可能。但和另兩種方法一樣，TWR 也有缺點，其中一個就是功耗更高。統(tǒng)計顯示，根據(jù)應(yīng)用的不同，TWR 方法的設(shè)備電池壽命僅為數(shù)月至一年。此外，移動設(shè)備數(shù)量有限（數(shù)百個）也是其中一個缺點。

最后，PDoA 的方法將兩個設(shè)備之間距離的 TWR 方案與兩個設(shè)備之間方位測量的方案結(jié)合。這樣的組合允許在沒有任何其他基礎(chǔ)設(shè)施的情況下計算兩個設(shè)備的相對位置。為此，其中一個設(shè)備帶有兩個天線，能夠測量射頻信號的到達相位差。

這樣的方案的好處是減少基礎(chǔ)設(shè)備位置方案和兩個設(shè)備之間的相對定位。但卻帶來了位置誤差不是長壽湖，而是兩個設(shè)備之間距離的函數(shù)。

為什么說 UWB 是首選的定位技術(shù)

與藍牙或 WiFi 等其他技術(shù)為新目的而重新設(shè)計不同，UWB 射頻信號的物理特性從一開始就被明確定義——以實現(xiàn)實時、超準確、超可靠的定位和通信。

為了更好地推動 UWB 的應(yīng)用，包括 Decawave、 Hyundai、Kia、Zebra、Alteros、Novelda 和 Ubisense 在內(nèi)的多家企業(yè)發(fā)起了一個全球性的非營利組織 UWB Alliance ，該聯(lián)盟成立的目的是致力于共同將 UWB 技術(shù)建立為開放標準行業(yè)。助于促進大規(guī)模的 UWB 部署并保護全球數(shù)百萬已安裝的設(shè)備免受無線電技術(shù)的侵害。該聯(lián)盟將通過端到端、與供應(yīng)商無關(guān)的互操作性計劃推動增長，這些計劃將為包括導(dǎo)航、跟蹤、安全、成像、傳感和通信在內(nèi)的多個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和工業(yè) 4.0 應(yīng)用提供準確的定位。

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