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。

錨點和標簽

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

一些設(shè)備即可作為錨點，也可作為標簽。例如，當兩個移動手機使用UWB來計算相互之間的距離時，它們可以在計算過程中轉(zhuǎn)化角色，交替地用作標簽和錨點。

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（易失性隨機存取存儲器，或RAM）。對于錨點應用，比如到達時間差(TDoA)中使用的錨點，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顯示了標簽（具有運動檢測）或錨點（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，可能需要不同類型的處理器，具體取決于系統(tǒng)規(guī)模和工作負載/吞吐量需求。

圖1：典型的UWB架構(gòu)（錨點和標簽）

天線

另一個系統(tǒng)考慮因素就是天線。不同的應用會需要不同的天線。例如，標簽通常使用小型全向性天線。錨點則可能要使用定向天線，具體取決于拓撲結(jié)構(gòu)。

軟件棧

UWB通信組件和應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，在控制智能手機和汽車之間的連接時，軟件負責協(xié)調(diào)通信。

軟件還可以同時管理多個應用和用例。例如，某個解決方案可能是控制揚聲器、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標簽和UWB支持設(shè)備通信，同時利用位置信息控制環(huán)境、鎖門和開門、啟用和禁用報警系統(tǒng)等。UWB軟件棧可同時處理所有這些不同的情況。

圖2：Qorvo的UWB軟件棧示例

使用UWB軟件棧可確保UWB通信組件滿足不同應用的需求。此外，從最終用戶和整體系統(tǒng)設(shè)計角度來說，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

在一些應用場景下，不同功能需要進行優(yōu)先級排序。例如，假設(shè)在某個應用中，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)置為不用時關(guān)閉，需要通信時開啟。

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，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用中），或為了添加有關(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、陀螺儀和磁力計等）的數(shù)據(jù)整合在一起。

UWB拓撲結(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無線電收發(fā)器之間距離的方法?；谶@個基本原理，可根據(jù)目標應用的需求以不同的方式實現(xiàn)UWB定位技術(shù)。

最佳拓撲結(jié)構(gòu)主要由應用決定。這也就是說，設(shè)計工程師首先要將應用和拓撲結(jié)構(gòu)匹配。可供選擇的方法有：

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，然后將該時間乘以光速來計算標簽與錨點之間的距離。汽車無鑰門禁系統(tǒng)就是使用TWR方法的一個應用示例TWR可生成一個安全空間，類似于一個安全氣泡，同時確保在應用的時候，這個氣泡保持高精度的安全控制。

圖3：在安全氣泡中利用UWB標簽和錨點計算安全距離

如果您在兩個設(shè)備之間實施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，您還可以在移動標簽和固定錨點之間實現(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。標簽通過發(fā)送一條含已知錨點地址的輪詢消息啟動TWR。錨點記錄輪詢接收時間，并回復響應消息。在收到響應消息后，標簽記錄時間并編寫最后一條消息。錨點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)標簽回程的TWR

到達時間差(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參考點，稱為“錨點”，且這些錨點在時間方面實現(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），當錨點接收到信標信號時，將基于共同的同步時基標記時間戳。然后，多個錨點的時間戳將轉(zhuǎn)發(fā)至中央定位引擎，中央定位引擎將根據(jù)每個錨點的信標信號TDoA運行多點定位算法。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，錨點發(fā)送同步信標（具有固定/已知偏移，以避免發(fā)生碰撞），移動設(shè)備利用TDoA和多點定位算法來計算其位置，如圖7所示。

圖6:TDoA

圖7：反向TDoA

到達相位差(PDoA)：另一個UWB拓撲就是PDoA。PDoA可將兩個設(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)施的情況下計算出兩個設(shè)備的相對位置。為此，其中一個設(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定位導航服務(wù)

對于每種拓撲結(jié)構(gòu)，分別最適合哪種應用？這些用例主要側(cè)重于三個不同的領(lǐng)域：感應式門禁、定位服務(wù)和設(shè)備對設(shè)備（點對點）應用。圖9詳細介紹了TWR、TDoA、反向TDoA和PDoA拓撲結(jié)構(gòu)的最佳應用。

圖9：常見UWB技術(shù)的理想應用