UWB技術應用漫談

主持人：

邱元陽 河南省安陽縣職業中專

嘉 賓：

劉宗凡 廣東省四會中學

金 琦 浙江師范大學附屬中學

倪俊杰 浙江省桐鄉市鳳鳴高中

楊 磊 天津市第五中學

定位方式決定應用場景

楊磊：UWB無線通信技術是近年來熱門的定位技術，受到了廣泛關注。基于超寬度的定位系統主要由固定的基站節點、移動節點和坐標解算程序構成。基站節點為布置在室內已知位置的節點，其信號覆蓋范圍包含整個室內，使得移動節點在室內的任意地點均可與基站節點通信。移動節點是無線網絡中坐標未知的節點，也就是需要定位的節點。解算程序負責根據基站節點和移動節點之間的通信信息，利用圓周定位法等算法計算出目標節點的坐標。

基于UWB的定位方式主要有基于到達角度法、基于信號強度法、基于信號到達時間法和到達時間差法。在基于到達角度法算法的定位系統中，接收節點利用天線陣列對接收到的信號波的相位進行檢測，然后根據接收信號的相位差計算信號達到角度，最后根據三角測量法建立方程組求解目標節點位置。該算法實現相對簡單，但需要使用天線陣列，增加了成本，同時受多徑傳輸的影響大，定位精度不高。基于信號強度的定位算法根據距離和信號強度成反比的關系建立一個信號衰減模型，確定目標節點到參考節點的距離。該方法需要信道模型和信號傳輸功率先驗信息，在近距離或易變的室內場所定位結果較差。基于信號到達時間法和到達時間差法是目前使用最多的方法。通過測量基站到移動節點的信號傳輸時間計算距離信息，根據不同基站的信號達到移動節點的時間差，將移動節點坐標映射到雙曲線值域中，最后求解雙曲線方程組得到坐標。前者需要網絡中所有節點的時鐘都同步，實現相對困難，后者只需要參考節點時鐘同步即可，大大降低了系統復雜度。

UWB不依賴于信號強度，而是使用ToF（飛行時間）、TWR（雙向測距）、TDoA（到達時間差）、AoA（到達角）等技術來確定與另一個設備的距離。借助多個天線，UWB還可以測量信號到達的角度，精確的角度與距離相結合，可以將物體位置定位到三維空間中的某個位置。

UWB使用3.1-10.6GHz頻率，因此任何信號干擾的可能性很小，這是不同于藍牙和WIFI的地方。基于藍牙的位置感應至少需要兩秒鐘才能確定位置，UWB速度則要快千倍，這意味著幾乎沒有延遲，用戶體驗是無縫的。而且，低功耗是移動設備在電池壽命和實用性方面的關鍵因素，每秒發送一次脈沖的傳感器預計可以使用單個紐扣電池工作7年。

基于這些優點，UWB可以應用在以下場景。

①智能汽車門禁：只要接近汽車即可使用智能手機解鎖汽車，以實現無鑰匙進入和遠程啟動。

②安全無線支付：它比NFC更安全，即使智能手機在口袋里也可以進行支付。

③安全建筑物訪問：接近后自動打開通往建筑物內安全區域的門。

④智能零售：提供所購買的產品的有用信息或購買產品的特別優惠。

⑤資產追蹤：波音公司使用UWB標簽來追蹤其龐大工廠車間的10000多種工具、推車和其他物品。

⑥運動與健身追蹤：橄欖球比賽已經在使用每個肩墊中的UWB發射器來追蹤場上的球員，以便即時回放畫面。

⑦可穿戴健康傳感器：生物識別UWB手環，全天24小時監測體溫、血氧飽和度、身體運動、心率。

⑧醫療雷達：通過讀取反射的UWB信號，UWB脈沖可用于遠距離監測人的呼吸和心跳。

⑨室內導航：實現室內精確導航。

⑩智能家居：燈、音頻揚聲器和任何其他具有UWB感應功能的連接設備能夠跟隨用戶從一個房間到另一個房間。

①倉庫定位：在室內主動跟蹤人員、機器和設備，緊急情況下準確定位——尋找失去知覺的人。

視距通信和非視距通信

金琦：無線通信系統的傳播條件通常可以分為視距（Line of Sight，簡稱LOS）和非視距（Non Line of Sight，簡稱NLOS）兩種環境。在視距條件下，無線信號無遮擋地在發信端與接收端之間“直線”傳播（可比作視線能直接看到），第一菲涅爾區（First Fresnel zone）內沒有對無線電波造成遮擋的物體。

從發射機到接收機的傳播路徑上，有直射波和反射波，反射波的電場方向正好與原來相反，相位相差180度。如果天線高度較低且距離較遠，直射波路徑與反射波路徑差較小，則反射波將會產生破壞作用。在實際傳播環境中，第一菲涅爾區定義為包含一些反射點的橢圓體，在這些反射點上反射波和直射波的路徑差小于半個波長。視距通信應保證在第一菲涅爾區0.6倍焦距內無障礙物。

而在有障礙物的情況下，無線信號只能通過反射、折射、散射和衍射的方式到達接收端，稱為非視距通信。顧名思義，非視距就是指通信的兩點視線受阻，彼此看不到對方，菲涅爾區大于50%的范圍。此時的無線信號通過多種途徑被接收，而多徑效應會帶來時延不同步、信號衰減、極化改變、鏈路不穩定等一系列問題。

同其他無線通信一樣，非視距對UWB室內定位也會造成明顯影響。在室內建筑結構復雜、人員流動量大、目標物體多等復雜環境下，UWB信號的傳播會受到各種障礙物的影響，導致信號在傳播過程中產生多路徑、接收滯后、強度衰減甚至信號丟失等現象，延遲信號傳播時間，從而導致UWB定位精度急劇下降。

消除UWB定位的非視距影響，一般會從非視距識別、非視距誤差消除、多傳感器融合和深度學習等方面入手。在非視距識別方面，基于ToA和AoA的非視距識別方法，通過對非視距傳播誤差進行識別，再用最小二乘算法解算位置信息，可有效提高定位精度，識別率達到98%以上。基于卷積神經網絡的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術）調制方案，對UWB非視距信道進行識別，將信道識別問題轉化為圖像識別問題，識別率達90%以上。在非視距誤差消除方面，考慮UWB脈沖信號入射角度的多面函數模型的誤差改正方法，在墻體遮擋下也能有效提高UWB定位精度。如果用UWB融合多傳感器定位，基于卡爾曼濾波器的UWB/IMU融合定位算法，在門、桌椅、1個行人遮擋的非視距環境下，測距誤差可控制到30cm以內。使用PDR（Pedestrian Dead Reckoning，行人航跡推算）校準UWB定位的UWB/PDR融合室內非視距定位算法則能修正UWB在非視距下的定位誤差，使得定位軌跡更加貼近真實軌跡。還有在深度學習算法下，基于反向傳播算法的神經網絡改正UWB穩健定位模型，通過采集非視距環境下UWB測距值得到誤差序列，然后通過反向傳播神經網絡建立非視距誤差改正模型，也能消除UWB非視距誤差，從而提高非視距環境UWB定位精度。

各種算法模型的綜合使用，使得UWB對非視距的識別更加精準，有效地消除非視距的影響，提高室內定位精度。

UWB室內定位組網

倪俊杰：UWB的應用最主要的是兩個方面，即測距和定位，其中室內精準定位是UWB技術最大的用武之地。

根據UWB定位實現的原理，要實現室內定位，就需要布設UWB基站，使其組成網絡，根據不同基站反饋的信息，通過相應的定準算法，確定目標的準確位置。室內空間墻體、遮蔽物較多，為實現目標厘米級定位，通常需要建立3～4個UWB基站并對其組網。根據基站坐標建立方式的不同，可將其分為靜態組網和動態組網。靜態組網是事先建立基站坐標，動態組網則是實時定位，同步建立基站。

UWB靜態組網技術是依據一定環境下其基站布設的最佳網型，來獲取該區域的最佳定位精度。在靜態組網定位基準構建過程中，利用精度因子（Dilution of Precision，縮寫為DOP）值評價網型質量，預先布置好基站的方法，可以使DOP值降到最低從而得到最佳網型，這是一個非常關鍵的環節。根據DOP值可隨時優化UWB基站布局方案，提高定位精度。

UWB動態組網技術包括遞推式組網技術和集中式動態組網技術。遞推式組網技術是利用多個已知坐標的UWB固定基站和未知坐標的移動基站之間相互測距，完成移動基站測量定位，這種方式存在一定的定位誤差累積問題。利用集中式定位算法和距離自適應算法，能夠改進定位誤差累積，結合多徑輔助位置估計方法，可以提升室內定位精度。

基站布設時應遵循的基本原則是區域重疊性原則、連續性原則、可靠性原則，基于這些原則分析DOP值的大小來評定基站布設位置的合理性。目前，常規UWB基站組網采用DOP值來不斷調整優化組網方案從而達到最優解，但是DOP值需要事后解算，并且靜態布網需要大量準備工作。動態布網彌補了預先布站的不足，但算法模型不是很完善，無法滿足應急定位需求。對于應急環境或其他快定位需求的場景，沒有充足的時間進行DOP值計算和基站反復布設，就需要在動態布網基礎上做進一步的優化升級，尋求更快更簡單的布設方法。

除了優化測距誤差提高定位精度外，UWB基站的布設方式也與定位精度密切相關。一定范圍內基站的數量越多，標簽的定位精度越高。但在實際應用場景中還需要考慮成本因素，如何在短時間內用現有的基站完成高精準定位就顯得尤為重要。

多源融合的室內定位

劉宗凡：隨著定位與導航技術的快速發展，基于位置的服務給人們帶來越來越好的用戶體驗，但是單一的導航源往往達不到用戶的精度要求，還需要進行多信息源數據融合，以取得更精準的定位。

多源融合導航基于信息融合技術，將來自不同導航源的同構或者異構的導航信息按照相應的融合算法進行融合，從而得到最佳的融合結果。相對于傳統的單一導航源，多源融合導航可以充分利用每一個導航源的優勢，從而提供最好的定位與導航服務。

多源融合算法是充分利用導航源實現融合定位的關鍵步驟，常用的多源融合算法有加權融合算法、濾波融合算法、基于因子圖的融合算法、交互式多模型融合算法等。加權算法是最簡單直觀的融合算法，它是將多個融合源提供的位置信息分別冠以相應的權重，從而獲取最后的融合結果。基于貝葉斯估計的濾波融合算法充分利用先驗信息，系統預測準確，但在實際應用中較難取得所有傳感器的先驗信息。卡爾曼濾波是在線性濾波的前提下，采用最小均方誤差作為最佳準則。基于因子圖的融合算法利用因式分解特性為多源信息融合的精度提高提供了可能性，這是將每一個導航源視作一個變量節點，變量節點在函數節點實現局部融合，最終通過基于和積算法的消息傳遞過程，得到最終的融合結果。交互式多模型融合算法是一種具有馬爾科夫切換系數的算法，其估計算法采取遞推形式，實現高效的混合估計方案，已成功應用于很多領域。

在UWB室內定位中，定位范圍會受到基站設備數量和擺放位置的制約，同時，空間幾何結構、復雜環境所引起的信號減弱或信號不連續，都會給室內定位精度帶來影響。要在低成本下實現大范圍復雜環境的定位，目前較為成熟的選擇是采取UWB與多傳感器融合。UWB可以通過與慣性導航、PDR、Li-DAR（Light Detection And Ranging，激光雷達）、視覺傳感器等融合，相互取長補短，為UWB定位提供空間基準，實現絕對基準高頻率、高精度室內定位。

利用UWB和IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元）緊耦合的集成方法，使用非線性濾波,在多路徑和非視距條件下，也能獲得穩定性較好的結果。針對復雜環境下UWB定位丟失的問題，建立UWB和PDR的非線性擴展卡爾曼濾波模型，基于EKF（Extended Kalman Filter，擴展卡爾曼濾波器）的UWB/Li-DAR里程計組合的定位模型，在復雜環境下定位精度均可達到分米級。

隨著多傳感器融合技術的深入發展，其對室內復雜環境定位發揮了很大的作用。但是不同傳感器融合是一個復雜的過程，它們之間互相干擾且存在置信問題，因此要更新多傳感器融合技術，需要科學地融合大量算法，充分發揮各自優點并避免缺點，實現復雜環境與位置信息的有機統一，促進傳感器對環境適應性和定位準確性的發展。

UWB技術應用展望

邱元陽：小米的“一指連”和蘋果AirTag推出后，引發了UWB超寬帶技術在市場上的熱身運動，寶馬、蔚來、大眾等汽車廠商也紛紛推出了UWB智能鑰匙，國內幾家大型物流企業也在嘗試UWB貨物定位技術。于是，很多人開始憧憬UWB的未來應用。

1.智能家居

到家時，門鎖定位中的UWB感應到主人回來會自主開啟房門；進門就會關閉報警器，啟動個人助理服務；在不同房間之間走動時，可開啟首選照明裝置……

2.建筑物導航

無論是在酒店找會議室，在商場找衛生間，在商店尋覓特定商品，還是在人海中找尋親人朋友，在地下車庫尋找自己的愛車，UWB都可以準確地導航。

3.環境定位

監護人可隨時了解未成年人和不能自理的老年人的位置和處境。在突發應急救援事件中，UWB室內定位系統和通信一體化系統可根據現場的具體情況隨時獲取人員位置并進行分配，提高工作效率。

4.工業應用

準確地實時定位員工、確定產品位置、自動化地物流分揀、人員與物品的軌跡跟蹤等。

5.現場交付

點外賣，手機下單后，邊走邊逛，無論走到何處，美食都能送到手中。

6.安全交易

真正讓人與環境交互，無需拿出手機，就能自動結賬，實現快速無縫安全交易。

目前，全球已有40多個垂直市場部署了UWB，其中包括工業、企業、汽車和消費類市場。在已實現的應用中，UWB在多個行業領域實現了運營效率和員工安全方面的提升，還支持無鑰門禁以及基于人員和物體位置跟蹤的新應用。

UWB技術主要集中在三大研究領域：網絡通信、雷達和定位。英特爾、飛思卡爾、蘋果等公司利用UWB能耗低、穩定性強、易于集成等優勢，將其應用于電子消費品，滿足客戶對短距離無線通信穩定高效的傳輸需求。英國Ubisense公司設計開發的UWB定位系統已應用于自動停車場、智能物流等車輛定位場合，定位精度可達厘米級。此外，日本和歐洲也對UWB技術進行了大量研發。

UWB具有支持高速傳輸、低功耗的特點，具有很好的抗多徑衰減和干擾能力，因此非常適合于室內通信系統、寬帶蜂窩電話、安全無線電和無線寬帶互聯網。UWB構建的無線網絡抗干擾能力強，支持短距離、高速的室內數據和圖像通信，不干擾現有無線設備。UWB支持從幾十Mbps到1Gbps的數據傳輸，完全滿足USB的傳輸速率，因此很有可能成為無線USB物理層傳輸的標準。UWB也可以用來連接各種家用電器，如電腦、空調、洗衣機、熱水器、微波爐和電視等，改變人們的生活方式。

雷達是UWB技術最早應用的領域，經過多年的研究發展，UWB在雷達領域的應用已非常成熟。基于UWB的雷達設備可以用來檢測地下礦藏及監測大廈、道路、橋梁的形變度，也可以利用超寬帶穿透能力強的特征進行物像透視。

而UWB具有穿透力強、傳輸速率快、時間分辨率高等優點，最適合于室內高速短距離無線通信，理論上可以達到厘米級的定位精度，因此在室內定位領域受到青睞，這才是它在社會生活中最具誘惑力的應用。

作為智能化應用的最主要載體，智能手機也不會缺失UWB技術的加持。智能手機將是UWB在人們日常生活中廣泛普及的切入點，有助于實現汽車門禁、零售交易和家居控制等活動，并且是UWB大規模普及的關鍵。UWB手機將引發各種新設備和應用生態系統的開發，這是其他技術無法實現的。但是，UWB芯片要做到手機中卻很不容易，就算內置集成到SoC芯片中，也還要考慮兩根天線如何處理，從設計到成本控制都有難度，而圍繞手機來搭建UWB生態的道路恐怕也很難走通，目前還沒有強烈的現實需求，成本和生態是很難逾越的鴻溝。

目前，在UWB技術的三大應用場景——安全門禁、物品定位以及設備互聯中，如汽車鑰匙、AR游戲、室內導航等，還沒有形成真正的剛需，缺乏現象級的應用來引爆。

盡管如此，UWB技術還是具有傳統無線通信技術無法比擬的優勢，我們可以預見UWB技術新應用和新服務的到來，能讓人們享受到高科技帶來的便利。UWB的潛力是無窮盡的，經過多年的發展，UWB也漸漸走向成熟，有望成為藍牙的替代者、物聯網風口的引領者，甚至是新一代無線通信技術的變革者，必將在多個領域改變我們的生活。

科技，將再一次讓我們的生活變得更美好！