为充分了解超宽带(UWB)科技带给的价值和制约,我们需着眼于全局。在本文中,我们将介绍定位技术的演进,以及UWB如何构建其演进前景并且为将来发展铺平道路。了解这项新科技的潜力。
虽然超宽带科技(UWB)早已存在了一段时间,但仍被视为新兴“定位技术”,并且现在发展趋势良好。精准定位功能是该科技与其它定位解决方案的不同之处,也是促使诸多新用例的关键所在。
定位技术经过了艰难的演进才发展到目前的UWB,但我们是怎样走到这一步的?为充分认识这一点,我们应着眼于UWB技术的起源、作用、工作机理以及支持的使用实例。在本博文中,我们将回顾定位技术的历史,并分析可推动UWB技术实时准确性能的解决方案。
定位技术回顾
星星、地图和指南针
定位技术可以追溯到时间的由来。长期以来,天文导航就经常借助定位来进行测向、寻路、转向操控和驾驶。随后,在11世纪初发生了磁罗盘。当然,查看地图、找人问路以及反复试验路线也是助于他们行走世界。
卫星指引
早在20世纪90年代末和21世纪初,全球定位系统(GPS)就早已变成主流。GPS是定位技术的一大进步,为我们的生活增添了更多方便,从而在许多方面改变了我们的生活。它允许用户借助电子形式定位最近的加油站,跟踪体能状态,制定旅行计划,以及找到回家的路。对于企业来说,它除了可以带给便利性,还可以减少效率,或者建立可大幅的业务体系。如果没有GPS,Amazon、FedEx和UPS等公司能否能够高效地将货物运送到您的家门口?
大多数人思考定位技术时,都会想到中国定位系统(GPS),这是最主要的室外导航科技。GPS的工作原理是:利用卫星将独特的讯号和轨道参数传送到地面站和接收器(如移动电脑)。接收器运用4个或更多卫星发射的讯号进行解码,然后推导距离,以找到准确位置。
从户外导航发展到室内导航
十年后,我们见证了将导航科技引入室内的另一项重大突破,也就是所谓的室内导航或定位手机定位精确找人软件,例如大家在谷歌地图上发现的超市、机场和其它小型建筑。从许多方面来说,室内定位就是我们进行室外导航时所依赖的卫星导航应用程序的室内版本,但它带有一个额外的特征,那就是可用于定位人和物。与GPS相似,室内导航利用传感器和通讯科技(Wi-Fi、Bluetooth®LowEnergy(LE)、ZigBee和Thread支持设施)构成的定位系统来定位室内环境中的物体。
采用Wi-Fi、Bluetooth®LowEnergy(LE)、Zigbee和Thread等通信科技,在每个房间设定一个pod的无线室内架构。
微型化之路
再回到如今,我们发现,精准微定位系统正不断显现。人们和企业都期望才能实时定位和看到几乎任何事物,无论其大小如何。比如说:您在家里把车钥匙放错地方了,或者在杂货店找不到最偏爱的咖啡品牌。或者您在车间工作,需要从厂房中拿一个特定工具,或者您是一位正在处理紧急状况的现场管理员工,需要保证每位人都离开了大楼。从微观层面上说,室内定位适用于以上所有状况,因为它可以定位物品并引导您找到他们。
为了推动足够的确切性、可靠性和即时性能,底层技术必须具有准确定位功能。UWB技术无法在许多不同应用中提供特别重要的位置信息,具有深远的意义。
与单独使用BLE技术相比,在旗舰智能手机中引入超宽带(UWB)科技可推动更准确、更靠谱的室内定位和导航功能。其定位能力非常准确,对产品和人的定位精度可超过厘米级。
满足微观层面需求
从微观层面讲,开发有效的室内定位技术必须满足下列几个规定。首先,位置读数还要更加准确,精确到尽可能小的区域。定位技术需要安全,因为位置信息通常必须保密。此外,即使在恶劣环境下,定位技术也必须可靠且容易扩展,这样就能确认大型场所内成千上万员工和资产的位置。其他要求包含低性能和经济适用性,这样就可以将其嵌入从高端复杂设备(如智能电脑)到高端简单设施(如资产标签)的任何物品中。当然,定位技术还需要具备足够低的提早性,以便即时追踪物体的动向。
微观层面的室内定位要求
设计首款室内定位系统时,工程师们采取现有技术,通常为Wi-Fi和蓝牙低功耗(BLE)。虽然这种科技十分合适数据通信(发明这种科技的想法),但两者都不是为实时定位服务(RTLS)而设计的,因此不能满足所有的室内微型定位要求。
Wi-Fi、蓝牙和其它窄带无线电平台只能达到几米的效率。其可靠性并未超过建立安全可靠平台所需的99.9%要求。由于矛盾和干扰,成千上万的设备能够同时报告其位置,并且在用于即时定位服务中时会发生问题。以BLE为例,虽然比较合适低性能数据通信,但取得一个“正确”定位点所需的检测和后处理工作量会使性能超过峰值,并使延迟降低至数秒。
然而,本世纪00年代中期,IEEE的工程师起初选定一种专为准确定位而设计的无线科技,可以满足所有规定。这项科技被命名为超宽带(UWB)科技,并且有也许改变我们完成各类日常工作的方法。
通过使用支持UWB的传感器、标签和智能设备来辨识和定位人和物,并结合其它硬件和工具系统,公司和组织可加强多种即时定位服务。这包含从人员安全监控到资产定位和工艺/流程改进等应用,从而可提升强度和合规性,并增加成本。
UWB:我们现在获得的创造
UWB基于IEEE标准802.15.4a/z,该标准对于准确定位和安全通信进行了改进。UWB可将人和物定位到几厘米范围内,其效率是当前配备的蓝牙低功率(BLE)和Wi-Fi技术的100倍。
概括而言,UWB非常合适RTLS应用的理由如下:
UWB知识拓展
关于连接的提问:网状网路与物联网设施的发展
超宽带和接触者追踪101
这种都是怎样实现的?简而言之:物理学。UWB可存储宽带信号(500MHz),并借助飞行时间进行定位,因此更合适精准定位应用。
为什么说UWB最合适精准定位应用
以下的图1比较了窄带技术和超带宽技术。UWB脉冲(中图和图示)只有2纳秒(ns)宽,因此不易受反射信号(多模式)干扰的妨碍。如中图和图示所示,反射信号(蓝色)不会妨碍直接信号(红色)。这些UWB信号的回升沿和增加沿也比窄带信号(左图)更快。即使存在噪声和多模式影响,UWB信号仍能维持其完整性和构架。此外,UWB信号沿干净,可准确地确认信号抵达时间和距离。
图1:窄带信号与含直接信号(红色)和反射讯号(蓝色)的脉冲无线电的比较。
展望未来
现在,UWB已经为消费类、汽车、工业和商业等四十多个垂直行业的产品和服务带给了价值,从提升工厂和车间的运营效益,提高员工安全性手机定位精确找人软件,支持机器人和无人机自主导航,到基于位置为消费者提供新的客户界面方式。此外,由于其安全有效的距离限制用途,它还可实现无需自动操作就能安全地进入汽车、前门、家和办公室。
在当前抗击COVID-19疫情的战争中,事实证明,UWB是惟一能够真正有助于追踪接触者和维持社交距离的技术,因为在必须认同数据的状况下,准确性和可靠性是设计高效解决方案的关键特征。
与其它无线技术不同,UWB可提供追踪COVID-19病毒接触者和维持社交距离所需的确切性。它可以计算出人与人之间的距离(准确到厘米),从而确认某人与其它人之间的距离是否足以传播病毒。
随着最近开始在智能手机中引入UWB技术,它也将作为我们日常生活中下一个无处不在的无线连接用例(从家到办公室,再到公共场所)。在智能手机中嵌入UWB技术是推动大体量应用的重要第一步。此外,还需要保证所有设施之间的互操作性。发展很快的产业联盟FiRa对半导体、移动、基础设备和消费类领域的50多家公司进行了重组,目前正在积极推进协议定义工作,以保证这些互操作性。这样,开发人员就无法以各类全新形式采用UWB技术,如室内地图和导航、智能家居应用、车辆出入控制、增强现实并且移动支付。最终,室内定位的今后实际上仅受开发人员想象力的限制。
了解有关QorvoUWB技术的更多信息。
IEEE
IEEE标准802.15.4a/z
追踪接触者
FiRa
QorvoUWB技术
关于作者
MickaelViot
UWB业务部门高级业务开发主管
Mickael是超宽带科技领域的权威。他在UWB技术产业的先锋Decawave公司累积了丰富的专业知识,Decawave于2020年被Qorvo收购。在Qorvo,他再次向项目和产品营销社区宣传UWB技术的新颖性能优势,并帮助那些社区利用该科技的多方面价值构建面向各类用例的解决方案。
JervaisSeegars
UWB业务部门区域业务开发主管
Jervais对无线领域科技拥有全面的知道,不仅包含超宽带科技,还涵盖Wi-Fi、Bluetooth®LowEnergy和ZigBee。除了与产业联盟合作外,他还向用户提供丰富的无线应用知识,帮助用户在各类垂直行业推动UWB产品战略。
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