盡管超寬帶技術 (UWB) 已經存在了一段時間，但仍被視為新興“定位技術”，并且目前發展態勢良好。精準定位功能是該技術與其他定位解決方案的不同之處，也是促成各種新用例的關鍵所在

定位技術經過了漫長的演變才發展到如今的 UWB，但我們是如何走到這一步的？為充分了解這一點，我們應著眼于 UWB 技術的起源、作用、工作原理及其支持的使用案例。在本博文中，我們將回顧定位技術的歷史，并探討可實現 UWB 技術實時精準性能的解決方案。

定位技術回顧

星星、地圖和指南針

定位技術可以追溯到時間的起源。長期以來，天文導航就一直通過定位來進行測向、尋路、轉向操控和駕駛。隨后，在 11 世紀初出現了磁羅盤。當然，查看地圖、找人問路以及反復試驗路線也有助于人們游走世界。

衛星指引

早在 20 世紀 90 年代末和 21 世紀初，全球定位系統 (GPS) 就已經成為主流。GPS 是定位技術的一大進步，為我們的生活帶來了更多便利，從而在許多方面改變了我們的生活。它允許用戶通過電子方式定位最近的加油站，跟蹤體能狀況，制定旅行計劃，以及找到回家的路。對于企業來說，它不僅可以帶來便利性，還可以提高效率，或者構建可持續的業務模式。如果沒有 GPS，Amazon、FedEx和UPS 等公司如何才能高效地將貨物運送到您的家門口？

從室外導航發展到室內導航

十年后，我們見證了將導航技術引入室內的另一項重大突破，也就是所謂的室內導航或定位，例如大家在谷歌地圖上看到的商場、機場和其他大型建筑。從許多方面來說，室內定位就是我們進行室外導航時所依賴的衛星導航應用程序的室內版本，但它具有一個額外的特點，那就是可用于定位人和物。與 GPS 相似，室內導航利用傳感器和通信技術（Wi-Fi、Bluetooth? Low Energy (LE)、ZigBee 和 Thread 支持設備）組成的定位系統來定位室內環境中的物體。

微型化之路

再回到現在，我們看到，精準微定位系統正不斷涌現。人們和企業都希望能夠實時定位和發現幾乎任何事物，無論其大小如何。比如說：您在家里把車鑰匙放錯地方了，或者在雜貨店找不到最喜歡的咖啡品牌。或者您在工廠工作，需要從倉庫中拿一個特定工具，或者您是一位正在處理緊急情況的現場管理人員，需要確保每個人都離開了大樓。從微觀層面上說，室內定位適用于以上所有情況，因為它可以定位物品并引導您找到它們。

為了實現足夠的準確性、可靠性和實時性能，底層技術需要具備精準定位功能。UWB 技術能夠在許多不同應用中提供非常重要的位置信息，具有深遠的意義。

滿足微觀層面需求

從微觀層面講，開發有效的室內定位技術需要滿足以下幾個要求。首先，位置讀數需要非常精確，精確到盡可能小的區域。定位技術必須安全，因為位置信息通常需要保密。此外，即使在惡劣環境下，定位技術也需要可靠且易于擴展，這樣才能確定大型場所內成千上萬人員和資產的位置。其他要求包括低功耗和經濟適用性，這樣就可以將其嵌入從高端復雜設備（如智能手機）到低端簡單設備（如資產標簽）的任何物品中。當然，定位技術還必須具有足夠低的延遲性，以便實時追蹤物體的動向。

設計首款室內定位系統時，工程師們采用現有技術，通常為 Wi-Fi 和藍牙低功耗 (BLE)。雖然這些技術非常適合數據通信（發明這些技術的初衷），但它們都不是為實時定位服務 (RTLS) 而設計的，因此不能滿足所有的室內微型定位要求。

Wi-Fi、藍牙和其他窄帶無線電系統只能達到幾米的精度。其可靠性并未達到構建安全可靠系統所需的 99.9% 要求。由于沖突和干擾，成千上萬的設備無法同時報告其位置，并且在用于實時定位服務中時會出現問題。以 BLE 為例，雖然非常適合低功耗數據通信，但獲得一個“正確”定位點所需的測量和后處理工作量會使功耗達到峰值，并使延遲增加至數秒。

因此，本世紀 00 年代中期，IEEE 的工程師開始指定一種專為精確定位而設計的無線技術，可以滿足所有要求。這項技術被命名為超寬帶 (UWB) 技術，并且有可能改變我們完成各種日常工作的方式。

UWB：我們目前取得的成就

UWB 基于 IEEE 標準 802.15.4a/z，該標準針對精準定位和安全通信進行了優化。UWB 可將人和物定位到幾厘米范圍內，其精度是當前采用的藍牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 技術的 100 倍。

概括而言，UWB 非常適合 RTLS 應用的原因如下：

UWB 不易受各種干擾（包括多路徑干擾）的影響，因此非常可靠（當電波通過兩個或更多路徑從發射機傳輸至接收機時，就會產生干擾）。

具有極低的延遲。更新速率高達每秒 1000 次，讀取速度比衛星導航快 50 倍，因此可實現任何物體/人員的實時定位/追蹤。

采用主流 CMOS 技術實現，不僅經濟實惠，還針對低功耗進行了優化。

除了其定位功能，UWB 還可實現高傳輸速率、高能效數據通信，目前速率高達 27 mbps，未來進行標準修訂后可能會更高。

利用 IEEE 定義的傳輸距離限制技術實現其安全性，使其成為一種極其安全的格式。

這些都是如何實現的？簡而言之：物理學。UWB 可傳輸寬帶信號 (500 MHz)，并利用飛行時間進行定位，因此更適合精準定位應用。

為什么說 UWB 最適合精準定位應用

下面的圖 1 比較了窄帶技術和超寬帶技術。UWB 脈沖（中圖和右圖）只有 2 納秒 (ns) 寬，因此不易受反射信號（多路徑）干擾的影響。如中圖和右圖所示，反射信號（紅色）不會影響直接信號（藍色）。這些 UWB 信號的上升沿和下降沿也比窄帶信號（左圖）更快。即使存在噪聲和多路徑影響，UWB 信號仍能保持其完整性和結構。此外，UWB 信號沿干凈，可精確地確定信號到達時間和距離。

圖 1：窄帶信號與含直接信號（藍色）和反射信號（橙色）的脈沖無線電的比較。

展望未來

目前，UWB 已經為消費類、汽車、工業和商業等四十多個垂直市場的產品和服務帶來了價值，從提高工廠和倉庫的運營效率，提高工人安全性，支持機器人和無人機自主導航，到基于位置為消費者提供新的用戶界面形式。此外，由于其安全有效的距離限制功能，它還可實現無需手動操作即可安全地進入汽車、前門、家和辦公室。

在當前抗擊 COVID-19 疫情的戰役中，事實證明，UWB 是唯一能夠真正有助于追蹤接觸者和保持社交距離的技術，因為在需要信任數據的情況下，準確性和可靠性是設計高效解決方案的關鍵特性。

隨著近期開始在智能手機中采用 UWB 技術，它也將成為我們日常生活中下一個無處不在的無線連接用例（從家到辦公室，再到公共場所）。在智能手機中嵌入 UWB 技術是實現大規模應用的重要第一步。此外，還必須確保所有設備之間的互操作性。發展迅速的行業聯盟 FiRa 對半導體、移動、基礎設施和消費類領域的 50 多家公司進行了重組，目前正在積極開展協議定義工作，以確保此類互操作性。這樣，開發人員就能夠以各種全新方式運用 UWB 技術，如室內地圖和導航、智能家居應用、車輛出入控制、增強現實以及移動支付。最終，室內定位的未來實際上僅受開發人員想象力的限制。

審核編輯：郭婷