發(fā)布時間：2024-08-15作者來源：金航標(biāo)瀏覽：1348
[敏感詞]定位人員和物品的需求一直是推動企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)動力，同時也是消費(fèi)者追求的生活方式。根據(jù)Gartner的預(yù)測，到2030年，室內(nèi)定位服務(wù)市場的規(guī)模將達(dá)到550億美元。為了滿足各種最終應(yīng)用需求，超寬帶（UWB）、低功耗藍(lán)牙（Bluetooth? LE）以及Wi-Fi等室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。近年來，UWB憑借其卓越的定位精度、低延遲以及強(qiáng)大的安全性，已在商業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。UWB利用類似雷達(dá)的脈沖傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)厘米級的定位精度，適用于從遺失物品追蹤到樓宇安全門禁、運(yùn)動員成績追蹤以及室內(nèi)導(dǎo)航等多種場景。
雖然UWB在微定位方面表現(xiàn)出色，但低功耗藍(lán)牙憑借其低功耗、經(jīng)濟(jì)性和廣泛的采納度，在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中仍然不可或缺。作為短距個人局域網(wǎng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，低功耗藍(lán)牙運(yùn)用多種技術(shù)進(jìn)行定位計算，包括接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）、到達(dá)角（AoA）和出發(fā)角（AoD）技術(shù)等，以提供距離及方位信息。此外，低功耗藍(lán)牙即將引入一種稱為“信道探測（CS）”的高精度測距技術(shù)，利用測量無線電信號間的相位差和/或無線電信號的飛行時間來估算距離，從而顯著提高了定位精度。
本文將深入剖析UWB與低功耗藍(lán)牙定位技術(shù)，探討它們的特性、應(yīng)用領(lǐng)域及[敏感詞]進(jìn)展。借助對比分析，文章聚焦于這些技術(shù)的精度、可靠性和安全性，旨在幫助企業(yè)、工業(yè)及消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用（如室內(nèi)定位、資產(chǎn)追蹤或樓宇安全門禁等）選擇最合適的技術(shù)。
表1，UWB與低功耗藍(lán)牙定位技術(shù)的比較
UWB的起源可追溯到20世紀(jì)初，而“超寬帶（Ultra-Wideband）”這一術(shù)語則在1989年由[敏感詞]政府提出，并在隨后的幾年里投入資金進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。最初，UWB僅限于[敏感詞]用途，直到21世紀(jì)初才開始商業(yè)化。近二十年后，隨著內(nèi)置UWB U1芯片的蘋果iPhone 11手機(jī)發(fā)布，UWB技術(shù)迎來大規(guī)模市場應(yīng)用，如今它已嵌入智能手機(jī)、汽車和眾多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。
不同于其它技術(shù)，UWB專門設(shè)計用于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全、實(shí)時的位置、距離和方向測量。正如其名，UWB采用極短的約2納秒脈沖，在寬達(dá)500MHz的信道帶寬上傳輸數(shù)據(jù)。工作在3.1-10.6GHz的頻率范圍內(nèi)，它能夠在遠(yuǎn)距離內(nèi)以厘米級精度追蹤目標(biāo)。UWB通過飛行時間（ToF）計算距離，來獲得如此級別的精度；其中ToF是指UWB脈沖在兩個設(shè)備（如錨點(diǎn)和標(biāo)簽）間往返所需的時間。
圖1，UWB采用飛行時間技術(shù)測量兩個設(shè)備間的距離
相較于幅度或頻率調(diào)制載波信號，脈沖信號的采用讓UWB系統(tǒng)能夠更快地初始化鏈路并以較少的重復(fù)次數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2所示，左側(cè)的UWB信號比右側(cè)窄帶信號具有顯著更快的上升和下降時間，從而能夠[敏感詞]測量信號的到達(dá)時間，增強(qiáng)了對多徑效應(yīng)和其它無線電干擾的抗干擾能力。通過在寬頻帶上分散能量，并以-41.3dBm的極低功率水平進(jìn)行傳輸，UWB對于像低功耗藍(lán)牙這樣的窄帶無線電信號而言，就如同寬帶噪聲。
圖2，出現(xiàn)反射情況的UWB脈沖無線電，與低功耗藍(lán)牙窄帶信號的對比
UWB可以采用多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，包括雙向測距（TWR）、到達(dá)時間差（TDoA）和到達(dá)相位差（PDoA），從而在功耗、部署規(guī)模和成本方面帶來靈活性與權(quán)衡。因此，測距可以在兩臺設(shè)備之間、多臺（數(shù)千臺）設(shè)備之間，或者在沒有任何固定錨點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下進(jìn)行。
此外，UWB信號傳輸極為安全，任何試圖攔截和放大信號（如中繼攻擊）的行為都難以成功；使得UWB在信號空間中具有低檢測概率、難以截獲以及抗干擾的信號特性，讓它成為下圖中眾多位置服務(wù)應(yīng)用的理想選擇。
圖3，UWB應(yīng)用場景
人們越來越認(rèn)識到，UWB技術(shù)作為一種多功能解決方案，價值不僅僅局限于測距，還具備固有的雷達(dá)功能——其可用作短距雷達(dá)系統(tǒng)，用于存在檢測、手勢識別甚至生命體征監(jiān)測。這是通過在一個或多個接收天線上同時發(fā)射UWB雷達(dá)幀并接收信道脈沖響應(yīng)（CIR）來實(shí)現(xiàn)的；隨后，雷達(dá)算法通過分析CIR來感知數(shù)米外的運(yùn)動、存在或手勢。
自2004年問世以來，低功耗藍(lán)牙已成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的基石，其以低成本、長電池壽命和易于集成到消費(fèi)品及服務(wù)中而備受贊譽(yù)。低功耗藍(lán)牙在諸多應(yīng)用中表現(xiàn)出色，從傳統(tǒng)的音頻流和數(shù)據(jù)傳輸，到汽車鑰匙扣、智能家居小工具以及移動設(shè)備。其效率源于低功耗的特性、在2.4GHz頻段40個信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ约盀榇笮驮O(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的功能。
低功耗藍(lán)牙定位系統(tǒng)的核心在于信標(biāo)（Beacon）的應(yīng)用。如圖4所示，有兩種技術(shù)用于位置估算——三邊測量法和三角測量法。其中，三邊測量作為最常用的方法，要求至少有兩個已知距離的參考低功耗藍(lán)牙信標(biāo)，并使用RSSI來估算距離。另一方面，三角測量法則依賴于兩個或三個參考點(diǎn)之間的已知距離，并通過測量角度——即AoA或AoD，來估算距離及方向。
圖4，基于低功耗藍(lán)牙的三邊測量法和三角測量法定位估算
低功耗藍(lán)牙5.1引入了基于三角測量法的定向技術(shù)，提供了兩種定位估算方法：
AoA：一個配備單天線的發(fā)射器發(fā)送特殊信號；一個具有多天線的接收器通過測量相位差來確定信號的方向。
AoD：一個具備多天線的固定發(fā)射器發(fā)送信號；一個帶有單天線的接收器通過測量相位差來確定信號的方向。
如今，得益于創(chuàng)新的“信道探測”技術(shù)，低功耗藍(lán)牙超越了RSSI、AoA/AoD等方法，在定位能力上取得新的突破。這項(xiàng)新技術(shù)代表了低功耗藍(lán)牙測距方式的重大飛躍；它采用相位測距（PBR）和往返時間（RTT）兩種方法來準(zhǔn)確確定兩個低功耗藍(lán)牙設(shè)備間的距離。通過發(fā)送并分析不同頻率下無線信號的相位變化，PBR能夠?qū)崿F(xiàn)亞米級的定位準(zhǔn)確度，從而帶來更[敏感詞]的距離估算。另一方面，基于無線電信號ToF的RTT提供了增強(qiáng)的安全性（時間延遲更難被破解）、更大的測距范圍，并可在信道探測過程中與PBR一起使用。
低功耗藍(lán)牙信道探測（CS）技術(shù)引入了新的物理層；相較于傳統(tǒng)的40個信道，它使用72個信道上的振幅位移鍵控調(diào)制。同時，這一技術(shù)還被集成至低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧負(fù)責(zé)信道探測設(shè)置、定時與安全的鏈路層中。
讓我們用簡化的語言理解低功耗藍(lán)牙CS中PBR的工作原理。如圖5所示，設(shè)備A向設(shè)備B發(fā)送一個無線信號，設(shè)備B檢測信號相位并將其回傳給設(shè)備A；隨后，設(shè)備A比較發(fā)送信號與接收信號的相位差異來計算信號傳輸?shù)木嚯x。通過在不同頻率上執(zhí)行這一操作，低功耗藍(lán)牙設(shè)備便能夠利用相位信息[敏感詞]測量距離。
圖5，低功耗藍(lán)牙信道探測的相位測距技術(shù)
低功耗藍(lán)牙CS被定位為比低功耗藍(lán)牙RSSI更安全、更準(zhǔn)確的定位技術(shù)。當(dāng)然，它僅提供距離測量而非方向信息；其兩種模式（PBR和RTT）可以在范圍、精度和安全性間進(jìn)行權(quán)衡。此外，使用低功耗藍(lán)牙CS技術(shù)估算距離涉及兩個設(shè)備間一系列復(fù)雜的通信過程，這些事件在后處理測量結(jié)果時會消耗大量電能，最終導(dǎo)致較長的測距時間和不佳的用戶體驗(yàn)。盡管可以使用高級算法來提高測距精度，但會以消耗功率和縮短電池壽命為代價。
低功耗藍(lán)牙CS和UWB均為優(yōu)秀的定位技術(shù)，并且在某些情況下能夠互為補(bǔ)充。例如，若要在倉庫內(nèi)追蹤一個距離不超過50米的小型資產(chǎn)，低功耗藍(lán)牙CS可用于粗略定位（500厘米以內(nèi)），而UWB則提供精細(xì)定位（小于10厘米）。在當(dāng)今的許多測距應(yīng)用中，UWB的部署通常使用2.4GHz低功耗藍(lán)牙無線電進(jìn)行初始設(shè)備發(fā)現(xiàn)與身份驗(yàn)證，然后再激活UWB無線電以達(dá)成安全的[敏感詞]測距；可見，這兩種技術(shù)已被結(jié)合使用。實(shí)際上，低功耗藍(lán)牙CS只是提供了另一種技術(shù)選擇，對于許多已經(jīng)采用低功耗藍(lán)牙RSSI的應(yīng)用來說，測距的提升可能就是所需要的全部。
覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸速率和功耗通常是評估物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的關(guān)鍵基準(zhǔn)，而定位技術(shù)的安全性和部署成本同樣備受關(guān)注。接下來，讓我們來探討一下這兩種技術(shù)間一些品質(zhì)因數(shù)的比較。
由于可實(shí)現(xiàn)的覆蓋范圍可受到諸多因素的影響，其也成為一個難以量化的指標(biāo)。雖然工作頻率、數(shù)據(jù)速率和天線設(shè)計都至關(guān)重要，但應(yīng)用環(huán)境直接影響可達(dá)成的覆蓋范圍，尤其是在存在多徑信號反射的室內(nèi)環(huán)境中。此外，如歐洲等一些地區(qū)的規(guī)定允許UWB傳輸功率水平[敏感詞]可增加10dB（即-31.3dBm），以進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋范圍。
在典型的視距（LOS）條件下，UWB的測距范圍可達(dá)50米。另一方面，低功耗藍(lán)牙僅能準(zhǔn)確測量20至30米范圍內(nèi)的距離。如圖6所示，在相同的2500m2覆蓋區(qū)域內(nèi)，UWB所需的錨點(diǎn)比低功耗藍(lán)牙更少，從而降低了基礎(chǔ)設(shè)施、部署和維護(hù)成本。換言之，為保持亞米級精度，低功耗藍(lán)牙需要更多的錨點(diǎn)來盡量縮短錨點(diǎn)與標(biāo)簽間的距離。
雖然低功耗藍(lán)牙CS在PBR模式下提高了定位精度至亞米級水平，并且使用RTT模式可以將范圍增加到50米以上，但精度和覆蓋范圍之間會存在權(quán)衡（低功耗藍(lán)牙CS-RTT的精度為幾米）。因此，對于低功耗藍(lán)牙CS來說，亞米級精度僅限于較短的距離；在覆蓋區(qū)域的邊緣，精度通常會下降，特別是在具有挑戰(zhàn)性的多徑環(huán)境中。
圖6，UWB和低功耗藍(lán)牙覆蓋場景比較
在科技發(fā)達(dá)的當(dāng)今世界，網(wǎng)絡(luò)安全、黑客攻擊和個人信息保護(hù)問題始終是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。不幸的是，我們中的許多人都曾收到來自所用服務(wù)或其提供商的數(shù)據(jù)泄露通知。鑒于大量的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸，因此開發(fā)具有盡可能強(qiáng)大安全性的連接產(chǎn)品至關(guān)重要。
藍(lán)牙特別興趣小組（Bluetooth SiG）正在努力確保低功耗藍(lán)牙CS將成為一種安全可靠的設(shè)備間通信定位技術(shù)。使用低功耗藍(lán)牙CS時，在發(fā)起設(shè)備和反射設(shè)備間建立安全連接是先決條件。該標(biāo)準(zhǔn)將防欺騙功能納入數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中；經(jīng)加密、加擾的數(shù)據(jù)包也是CS程序的一部分。然而，CS技術(shù)尚處于起步階段，其安全漏洞尚未得到充分驗(yàn)證。事實(shí)上，低功耗藍(lán)牙CS要想在諸如汽車行業(yè)的數(shù)字車鑰匙等應(yīng)用場景中被采納，可能還需數(shù)年時間；原因在于車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（CCC）需要確信低功耗藍(lán)牙CS技術(shù)安全、快速且兼容。
與此同時，UWB技術(shù)因其強(qiáng)大的安全特性而著稱。作為一種基于脈沖并利用飛行時間（ToF）的信號，UWB所遵循的標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.15.4z——已在物理層（PHY）增添了安全增強(qiáng)措施，包括加密、隨機(jī)數(shù)生成以及其它技術(shù)；這些都加大了外部攻擊者操縱UWB通信的難度。
在核心層面，UWB使用[敏感詞]聯(lián)邦政府廣泛采用的加密規(guī)范——高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）協(xié)議，以生成并保障數(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌踩浴Ｔ赨WB中，加擾時間戳序列（STS）對設(shè)備間信令傳輸?shù)腫敏感詞]時間進(jìn)行編碼，以確保測距準(zhǔn)確性。這些數(shù)據(jù)用AES密鑰加密，以防止時間戳被偽造。此外，一些UWB設(shè)備已經(jīng)達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)平臺安全評估標(biāo)準(zhǔn)（SESIP）3級認(rèn)證。
低功耗藍(lán)牙CS的結(jié)構(gòu)意味著一次只能有一個設(shè)備與另一個設(shè)備進(jìn)行測距。由于不支持廣播功能，一個設(shè)備可以輪流與多個設(shè)備進(jìn)行測距，但這將增加測量時間并限制可擴(kuò)展性。即使獲取兩個設(shè)備之間相對準(zhǔn)確的距離測量值，也需要執(zhí)行包含多個事件和子事件的復(fù)雜測距流程，從而導(dǎo)致較長的測距時間。雖然這在一些應(yīng)用（如點(diǎn)對點(diǎn)通信或粗略的接近度檢測）中可能是可以接受的，但對于汽車制造裝配廠這類場景而言則不可行，因?yàn)閿?shù)百項(xiàng)資產(chǎn)的位置和運(yùn)輸對避免出現(xiàn)停機(jī)時間和成本超支等情況至關(guān)重要。
另一個需要考慮的是如何在智能手機(jī)中利用低功耗藍(lán)牙CS技術(shù)。低功耗藍(lán)牙CS確實(shí)允許使用多個天線來減輕多徑效應(yīng)的影響；然而，由于天線間距要求非常嚴(yán)格，對于智能手機(jī)來說，采用多天線的低功耗藍(lán)牙AoA或甚至低功耗藍(lán)牙CS都將是一個挑戰(zhàn)。典型的低功耗藍(lán)牙AoA實(shí)施中，需要使用兩個接收天線，它們相隔半個波長以確保最大180°的相位差。在2.4 GHz時，低功耗藍(lán)牙的波長（λ）= 125毫米，接收天線需要相隔（λ/2）= 62.5毫米。相比之下，在8GHz時， UWB的波長（λ）= 約37.5毫米，λ/2 = 約18.8毫米；僅僅是低功耗藍(lán)牙天線間距的一小部分。鑒于現(xiàn)代智能手機(jī)已經(jīng)使用了基于多天線的多種無線電技術(shù)（5G、Wi-Fi、低功耗藍(lán)牙、NFC、UWB），為支持AoA而調(diào)整低功耗藍(lán)牙天線的間距將面臨不小的采用障礙。最終，為智能手機(jī)設(shè)計的低功耗藍(lán)牙芯片很可能會支持低功耗藍(lán)牙CS，但是否將低功耗藍(lán)牙CS作為定位功能來使用，則要取決于設(shè)備制造商的選擇。
另一方面，UWB已經(jīng)應(yīng)用于所有主流智能手機(jī)中，用于尋找個人物品、解鎖汽車和室內(nèi)導(dǎo)航。對于室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤，UWB可以通過上行鏈路TDoA（UL-TDoA）技術(shù)，將UWB標(biāo)簽發(fā)送或“廣播”至?xí)r間同步的錨點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)；這些錨點(diǎn)隨后與[敏感詞]定位引擎（網(wǎng)關(guān)）通信以計算標(biāo)簽的位置，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)百甚至數(shù)千個設(shè)備的規(guī)模化追蹤。以工廠倉庫為例，如上文圖6所示，UL-TDoA還可以與下行鏈路TDoA（DL-TDoA）相結(jié)合，以定位資產(chǎn)標(biāo)簽，然后使用手機(jī)或其它設(shè)備導(dǎo)航至這些資產(chǎn)標(biāo)簽。
除UWB外，Qorvo還針對智能家居、照明和低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了一套低功耗藍(lán)牙/Matter解決方案。該產(chǎn)品組合包括為網(wǎng)關(guān)、家庭中心設(shè)備和終端設(shè)備優(yōu)化，且易于使用并經(jīng)過認(rèn)證的解決方案。其中，Qorvo帶來的一個關(guān)鍵差異化優(yōu)勢在于ConcurrentConnect 技術(shù)；該技術(shù)可以同時管理基于不同標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議運(yùn)行的多個設(shè)備間的通信，且無明顯延遲。
本文探討了UWB、低功耗藍(lán)牙RSSI、AoA和CS技術(shù)的演變、功能與應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注它們在定位服務(wù)中的作用。UWB以其卓越的精度和抗干擾能力在資產(chǎn)跟蹤和訪問控制等需要高[敏感詞]度和安全性的應(yīng)用中表現(xiàn)突出。與此同時，低功耗藍(lán)牙作為物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的核心技術(shù)，通過創(chuàng)新的定向和信道探測技術(shù)增強(qiáng)了其定位能力。工程師可以通過綜合考慮準(zhǔn)確性、可靠性、安全性和成本等關(guān)鍵因素，來選擇最適合其特定應(yīng)用的技術(shù)。
免責(zé)聲明：本文采摘自Qorvo半導(dǎo)體，本文僅代表作者個人觀點(diǎn)，不代表金航標(biāo)及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請注明原出處及作者，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。
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