UWB系統(tǒng)考慮因素回顧

在本節(jié)中，我們來簡要介紹一下UWB的系統(tǒng)組件，以及硬件和軟件選擇如何影響系統(tǒng)的性能。

錨點(diǎn)和標(biāo)簽

要了解UWB系統(tǒng)，您需要理解錨點(diǎn)和標(biāo)簽這兩個(gè)術(shù)語。錨點(diǎn)通常就是固定的UWB設(shè)備。標(biāo)簽通常是指移動的UWB設(shè)備。錨點(diǎn)和標(biāo)簽可交換信息，以便確定兩者之間的距離。標(biāo)簽的確切位置可通過與多個(gè)錨點(diǎn)通信來確定。

一些設(shè)備即可作為錨點(diǎn)，也可作為標(biāo)簽。例如，當(dāng)兩個(gè)移動手機(jī)使用UWB來計(jì)算相互之間的距離時(shí)，它們可以在計(jì)算過程中轉(zhuǎn)化角色，交替地用作標(biāo)簽和錨點(diǎn)。

存儲單元和處理能力

典型的UWB設(shè)備需要具備一定程度處理能力和特定功能。對于簡單的標(biāo)簽，要求處理器具有少量的閃存（可編程非易失性存儲器）和數(shù)據(jù)存儲器（易失性隨機(jī)存取存儲器，或RAM）。對于錨點(diǎn)應(yīng)用，比如到達(dá)時(shí)間差(TDoA)中使用的錨點(diǎn)，可能需要具有更多閃存和RAM的處理器，在許多情況下還需要數(shù)據(jù)回傳。

圖1顯示了標(biāo)簽（具有運(yùn)動檢測）或錨點(diǎn)（具有回傳接口，如以太網(wǎng)或Wi-Fi接口）的常見架構(gòu)。對于錨點(diǎn)，可能需要不同類型的處理器，具體取決于系統(tǒng)規(guī)模和工作負(fù)載/吞吐量需求。

圖1：典型的UWB架構(gòu)（錨點(diǎn)和標(biāo)簽）

天線

另一個(gè)系統(tǒng)考慮因素就是天線。不同的應(yīng)用會需要不同的天線。例如，標(biāo)簽通常使用小型全向性天線。錨點(diǎn)則可能要使用定向天線，具體取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

軟件棧

UWB通信組件和應(yīng)用之間的重要互連就是UWB軟件棧，如圖2所示。軟件棧有助于協(xié)調(diào)與外部設(shè)備的互操作性和共存。此外，軟件可實(shí)現(xiàn)UWB通信組件和內(nèi)部微控制器之間的通信。例如，在控制智能手機(jī)和汽車之間的連接時(shí)，軟件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)通信。

軟件還可以同時(shí)管理多個(gè)應(yīng)用和用例。例如，某個(gè)解決方案可能是控制揚(yáng)聲器、照明裝置、加熱系統(tǒng)等智能家居生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。它可以與所有UWB標(biāo)簽和UWB支持設(shè)備通信，同時(shí)利用位置信息控制環(huán)境、鎖門和開門、啟用和禁用報(bào)警系統(tǒng)等。UWB軟件?？赏瑫r(shí)處理所有這些不同的情況。

圖2：Qorvo的UWB軟件棧示例

使用UWB軟件?？纱_保UWB通信組件滿足不同應(yīng)用的需求。此外，從最終用戶和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來說，利用該軟件的許多功能可以讓事情變得更簡單。

功能優(yōu)先級排序

在一些應(yīng)用場景下，不同功能需要進(jìn)行優(yōu)先級排序。例如，假設(shè)在某個(gè)應(yīng)用中，電源管理和電池使用壽命很重要，比位置更新速率或數(shù)據(jù)吞吐量更重要。在這種情況下，可使用軟件優(yōu)化功耗，將設(shè)備設(shè)置為不用時(shí)關(guān)閉，需要通信時(shí)開啟。

另一種情況就是，傳感器LOS信號不理想或是來自不同的方向。此時(shí)，可使用軟件將結(jié)果平均，以獲得精確的距離信息；軟件還可以平滑處理比其他信號更嘈雜的信號。為了獲得更精確的結(jié)果（尤其是在快速移動應(yīng)用中），或?yàn)榱颂砑佑嘘P(guān)設(shè)備方向的信息，軟件還可以將來自UWB芯片組的數(shù)據(jù)與來自慣性測量裝置（包括加速計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等）的數(shù)據(jù)整合在一起。

UWB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較和選擇

UWB利用ToF的概念，這是一種通過將信號的ToF乘以光速來測量兩個(gè)無線電收發(fā)器之間距離的方法?；谶@個(gè)基本原理，可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需求以不同的方式實(shí)現(xiàn)UWB定位技術(shù)。

最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用決定。這也就是說，設(shè)計(jì)工程師首先要將應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配?？晒┻x擇的方法有：

雙向測距(TWR)：如圖3所示，TWR方法可通過測定UWB射頻信號的ToF，然后將該時(shí)間乘以光速來計(jì)算標(biāo)簽與錨點(diǎn)之間的距離。汽車無鑰門禁系統(tǒng)就是使用TWR方法的一個(gè)應(yīng)用示例TWR可生成一個(gè)安全空間，類似于一個(gè)安全氣泡，同時(shí)確保在應(yīng)用的時(shí)候，這個(gè)氣泡保持高精度的安全控制。

圖3：在安全氣泡中利用UWB標(biāo)簽和錨點(diǎn)計(jì)算安全距離

如果您在兩個(gè)設(shè)備之間實(shí)施TWR方案，則可以獲得設(shè)備之間的距離信息。在TWR方案的基礎(chǔ)上，您還可以在移動標(biāo)簽和固定錨點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)2D甚至3D位置測量；稱為“三邊測量法”。

采用TWR方法，可交換三條消息。標(biāo)簽通過發(fā)送一條含已知錨點(diǎn)地址的輪詢消息啟動TWR。錨點(diǎn)記錄輪詢接收時(shí)間，并回復(fù)響應(yīng)消息。在收到響應(yīng)消息后，標(biāo)簽記錄時(shí)間并編寫最后一條消息。錨點(diǎn)可利用最后一條消息中的信息確定UWB信號的ToF。

TWR方法也可用于圖4和圖5所示的2D/3D資產(chǎn)場景。圖4顯示使用監(jiān)聽器的雙向測距，而圖5顯示使用數(shù)據(jù)標(biāo)簽回程的TWR。如圖5所示，數(shù)據(jù)回傳可以使用多種方法（如Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M等）實(shí)現(xiàn)，通過這些方法將數(shù)據(jù)傳輸至云。

圖4：具有2D/3D資產(chǎn)和監(jiān)聽器的TWR

圖5：具有2D/3D資產(chǎn)和數(shù)據(jù)標(biāo)簽回程的TWR

到達(dá)時(shí)間差(TDoA)和反向TDoA：TDoA和反向TDoA方法類似于GPS。在已知的固定場所部署了多個(gè)參考點(diǎn)，稱為“錨點(diǎn)”，且這些錨點(diǎn)在時(shí)間方面實(shí)現(xiàn)了緊密同步。如果為TDoA，移動設(shè)備將閃爍（也就是定期發(fā)送信息），當(dāng)錨點(diǎn)接收到信標(biāo)信號時(shí)，將基于共同的同步時(shí)基標(biāo)記時(shí)間戳。然后，多個(gè)錨點(diǎn)的時(shí)間戳將轉(zhuǎn)發(fā)至中央定位引擎，中央定位引擎將根據(jù)每個(gè)錨點(diǎn)的信標(biāo)信號TDoA運(yùn)行多點(diǎn)定位算法。最后將得到移動設(shè)備的2D或3D位置，如圖6所示。

反向TDoA更像GPS。在該系統(tǒng)中，錨點(diǎn)發(fā)送同步信標(biāo)（具有固定/已知偏移，以避免發(fā)生碰撞），移動設(shè)備利用TDoA和多點(diǎn)定位算法來計(jì)算其位置，如圖7所示。

圖6:TDoA

圖7：反向TDoA

到達(dá)相位差(PDoA)：另一個(gè)UWB拓?fù)渚褪荘DoA。PDoA可將兩個(gè)設(shè)備之間的距離與兩者之間的方位測量結(jié)合在一起，如圖8所示。利用距離和方位的組合信息，可在沒有任何其他基礎(chǔ)設(shè)施的情況下計(jì)算出兩個(gè)設(shè)備的相對位置。為此，其中一個(gè)設(shè)備必須配備至少2根天線，并且能夠測量每根天線處到達(dá)信號載波的相位差。相位完全不受天線變形的影響，并且可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10°的測量精度，從而可以在不到5°的情況下確定發(fā)射器的方位。

圖8：PDoA定位導(dǎo)航服務(wù)

對于每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別最適合哪種應(yīng)用？這些用例主要側(cè)重于三個(gè)不同的領(lǐng)域：感應(yīng)式門禁、定位服務(wù)和設(shè)備對設(shè)備（點(diǎn)對點(diǎn)）應(yīng)用。圖9詳細(xì)介紹了TWR、TDoA、反向TDoA和PDoA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最佳應(yīng)用。

圖9：常見UWB技術(shù)的理想應(yīng)用