UWB的無線定位技術(shù)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u25865UWB的無線定位技術(shù)概述 1199831.1超寬帶技術(shù)簡介 144461.1.1UWB定義 1262371.1.2UWB技術(shù)特點 1315931.2UWB與其他無線通信技術(shù) 2275181.3UWB技術(shù)的應(yīng)用 3UWB是一種用于無線通信的短距離RF技術(shù)，可用于數(shù)據(jù)高速傳輸和室內(nèi)物體的定位與導(dǎo)航。它使用1GHz以上頻率帶寬進(jìn)行通信，采用短納秒窄脈沖傳輸信號，傳輸速率可以達(dá)到幾百兆比特每秒。1.1超寬帶技術(shù)簡介1.1.1UWB定義UWB定位系統(tǒng)使用3.1至10.6GHz頻段的脈沖無線電傳輸，提供7.5GHz的信號帶寬。FCC對UWB技術(shù)的定義為：UWB信號在-10dB處的絕對帶寬高于0.5GHz或相對帶寬高于、等于其中心頻率20%。相對帶寬FBFB=f公式(1.1)中，F(xiàn)B為相對帶寬，fU為輸出-10dB輻射點對應(yīng)的最高頻率點，fL代表輸出-10dB輻射點對應(yīng)的最低頻率點，fFCC對室內(nèi)外UWB的輻射功率限制如表1.1所示。表1.1FCC對室內(nèi)外UWB的輻射功率限制頻率（MHz）90~16101610~19901990~31003100~1060010600以上室內(nèi)（EIRP/dBm）-75.3-53.3-51.3-41.3-51.3室外（EIRP/dBm）-75.3-63.3-61.3-41.3-61.31.1.2UWB技術(shù)特點與BLE，Wi-Fi這樣的窄帶通信技術(shù)相比，UWB有著厘米級的定位精度、傳輸速率高、低功耗、安全性高，抗干擾等眾多優(yōu)點。（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單UWB發(fā)送超窄短波脈沖信號來傳輸數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，不需要中頻處理，因此成本低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。（2）定位精度高UWB的最高定位精度可達(dá)10cm甚至更小，可用于建筑物內(nèi)精確定位。UWB不取決于信號強度，而是使用TOF（飛行時間），TWR（雙向測距），TDOA（到達(dá)時間差），AOA（到達(dá)角）技術(shù)等來確定與其他設(shè)備的距離。通過多個UWB基站，UWB還可以測量信號到達(dá)的角度。角度與定位距離相結(jié)合，可以精確定位物體在空間中的位置。（3）傳輸速率高根據(jù)香農(nóng)信道容量定理可得，信息的傳輸速率與帶寬成正比，UWB的帶寬達(dá)到千兆赫茲，所以其數(shù)據(jù)傳輸速率非常高。（4）發(fā)射功耗低UWB無線電具備1GHz以上的射頻帶寬。UWB使用間歇窄脈沖傳輸信號，所以發(fā)射時需要的平均功率很低，大約是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/20，較低的功耗能夠延遲設(shè)備的工作時長。因此，UWB與無線通信技術(shù)相比，有著很大的優(yōu)勢。（5）安全性好因為UWB的頻譜非常寬，通常情況下，UWB信號比噪聲的功率譜密度更低，確保了信號不容易被檢測出來，提高了通信的安全性。1.2UWB與其他無線通信技術(shù)與其他室內(nèi)定位技術(shù)相比，UWB具有更優(yōu)越的定位精度。其他標(biāo)準(zhǔn)通常使用接收信號強度指示器（RSSI）來確定位置，并且通常只能在儀表范圍內(nèi)的精度下執(zhí)行此操作，例如BLE（<5米）和Wi-Fi（<10米）。一些UWB技術(shù)還可以使用到達(dá)角度來更精確地測量位置和測向，這需要具有多個天線的設(shè)備來測量輸入信號的角度。下文介紹了幾種常見的室內(nèi)定位技術(shù)，并將它們與UWB技術(shù)比較。目前，常見的定位技術(shù)主要有：UWB、藍(lán)牙、RFID、ZigBee、NFC、Wi-Fi等。（1）藍(lán)牙藍(lán)牙是一種無線個人局域網(wǎng)（WPAN）技術(shù)，用于電信設(shè)備在較小的距離上進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。它在1.4GHz到1.485GHz的短波UHF頻段內(nèi)運行，允許同時連接的最大設(shè)備數(shù)為7，藍(lán)牙通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10米，每秒可以傳輸數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。 藍(lán)牙設(shè)備的特點是相對較小且易與集成，因此推廣普及十分方便。但是其缺點是通信距離有限，功耗高，穩(wěn)定性較差，也容易受到噪聲的影響。（2）ZigBeeZigBee是一套基于IEEE801.15.4的通信協(xié)議規(guī)范，支持網(wǎng)狀低功耗無線個人局域網(wǎng)（WPAN），具有多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)點對點和多點對點設(shè)備間通信。主要用于近距離低速率通信的場景。ZigBee的主要特點是適用于不需要大量帶寬的低功耗設(shè)備；使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，適用于設(shè)置智能家居和建筑物，具有可擴展的傳輸范圍和更好的穩(wěn)定性。但由于信道擁堵，ZigBee的信號容易受噪聲影響；主要適用于低速數(shù)據(jù)傳輸，而且安全性較差。（3）WI-FIWi-Fi是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于將計算機、移動設(shè)備和其他設(shè)備無線連接到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。這是一個行業(yè)術(shù)語，代表一種基于IEEE801.11網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)（LAN）協(xié)議。Wi-Fi站通過發(fā)送數(shù)據(jù)包相互通信。數(shù)據(jù)塊通過無線電單獨發(fā)送和傳遞。與所有無線電一樣，這是通過對載波進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)來完成的。Wi-Fi的優(yōu)點是范圍廣泛，可以從Wi-FiAP（接入點）覆蓋范圍內(nèi)的任何地方訪問Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，成本低廉，能夠大規(guī)模部署。但很容易受到其他信號的干擾，從而影響精度，設(shè)備的功耗也較高，安全性差。（4）RFID射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）是一種使用無線電波被動識別標(biāo)記對象的技術(shù)。該系統(tǒng)完全自動工作，用于貨物，藥品，車輛或生物等物體的非接觸式通信，識別和定位。因此，RFID也屬于關(guān)鍵字Auto-ID（自動識別和數(shù)據(jù)采集）。為了成功使用，需要發(fā)射器，接收器，能量和一定的距離。RFID電子標(biāo)簽的價格低廉，可以大規(guī)模部署。但RFID無法做到實時跟蹤，要達(dá)到相同的定位精度時，RFID讀寫器的部署相對復(fù)雜，數(shù)量較多。表1.2給出了各個定位技術(shù)的比較。表1.2幾種定位方法比較定位技術(shù)定位精度（米）優(yōu)點缺點成本頻段UWB0.1~0.5結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，精度高，抗干擾能力強成本高高3.1~10.6GHz藍(lán)牙3~5低功耗、易集成抗干擾性不強、傳輸距離有限高1.4~1.485GHzZigBee>5低功耗、低成本精度低、傳輸距離有限高1.4GHz（主流）、868MHz（歐）、915MHz（美）Wi-Fi<10覆蓋范圍廣、速度快、安全性較差、功耗較高低1.4GHz、5GHzRFID3~5體積小、造價低作用范圍有限，不具備通信能力，不易于整合低30KHz~300KHz3MHz~30MHz、433.92MHz1.45GHz、5.8GHz1.3UWB技術(shù)的應(yīng)用相較于其他定位技術(shù)，UWB技術(shù)擁有很多優(yōu)點。所以，UWB技術(shù)在各行各業(yè)均有應(yīng)用，最典型的是在軍用雷達(dá)和通信應(yīng)用中，軍用領(lǐng)域如軍用通訊、雷達(dá)探測等；民用方面用于安檢人員調(diào)度、消防救援和停車管理等。（1）軍事方面軍備競爭是推動技術(shù)發(fā)展的主要動力。UWB技術(shù)發(fā)明之初也是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。由于UWB信號的極寬頻譜和非常低的功率譜密度，使得UWB信號安全性很高，不易被檢測出來。UWB信號具有工作頻率高和低占空比的特點，所以能有效抗多徑干擾。因此，利用UWB技術(shù)設(shè)計的產(chǎn)品非常適合應(yīng)用于軍事方面。經(jīng)過漫長的發(fā)展，UWB技術(shù)在雷達(dá)方面的應(yīng)用的已經(jīng)十分成熟。雷達(dá)、定位、通信三種功能相結(jié)合的產(chǎn)品已經(jīng)可以利用UWB技術(shù)來實現(xiàn)，特別適合高檢測分辨率雷達(dá)和設(shè)備便捷化的要求，易于安裝在無人機和機動作戰(zhàn)車輛上。（2）民用方面近年來，UWB技術(shù)在民用領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。UWB的精度使其成為一種有效的選擇，特別是在需要高精度的高級室內(nèi)定位用例中。在室內(nèi)導(dǎo)航領(lǐng)域，通過由UWB定位精度提供支持的室內(nèi)導(dǎo)航和尋路功能，讓空間立即變得熟悉和探索。也可以用于人員的定