超寬帶無線通信技術(UWB)是一種無載波通信技術,UWB不使用載波,而是使用短的能量脈沖序列,并通過正交頻分調制或直接排序將脈沖擴展到一個頻率范圍內。

傳統通信方式使用的是連續波信號,即本地振蕩器產生連續的高頻載波,需要傳送信息通過例如調幅,調頻等方式加載于載波之上,通過天線進行發送?,F在的無線廣播,4G通信,WIFI等都是采用該方式進行無線通信。

而IR-UWB信號,不需要產生連續的高頻載波,僅僅需要產生一個時間短至nS級以下的脈沖,便可通過天線進行發送。需要傳送信息可以通過改變脈沖的幅度,時間,相位進行加載,進而實現信息傳輸。下圖是使用相位調制方式傳輸二進制歸零碼的IR-UWB信號產生

 

從頻域上看,連續波信號將能量集中于一個窄頻率內,而UWB信號帶寬很大,同時在每個頻點上功率很低

在無線定位中,使用IR-UWB信號相對于窄帶信號的主要優勢為,IR-UWB信號能準確分立無線傳輸中的首達信號和多徑反射信號,而窄帶信號不具備該能力。

主要有三種應用:成像、通信與測量和車載雷達系統,再宏觀一點,可以分為定位、通信和成像三種場景。

  • 通信:因為大帶寬,所以UWB一度被認為是USB數據傳輸的無線替代方案,藍牙的問題是傳輸速度太慢。UWB還常用于軍用保密通信,這主要也是因為UWB脈沖的能量很低,很容易低于噪聲門限,不容易被其它無線電系統監聽到。

UWB通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號,能實現數百Mbit/s至2Gbit/s的數據傳輸速率。而且具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、空間容量大、能精確定位等諸多優點,可以說是個超級“潛力股”,很有可能在將來成為家庭主用的無線傳輸技術。

  • 成像:UWB系統的帶寬很寬,目前UWB穿墻雷達是很廣泛的應用,具體做法是利用窄脈沖傳過墻壁,獲得墻對面的回波,可以得到成像,成像誤差很低[3]。所以如果有一天蘋果開放底層接口,說不定iphone就可以拿來窺探鄰居了。

根據美國聯邦通信委員會的規范,UWB的工作頻帶為3.1~10.6GHz,系統-10dB帶寬與系統中心頻率之比大于20%或系統帶寬至少為500MHz。UWB信號的發生可通過發射時間極短(如2ns)的窄脈沖(如二次高斯脈沖)通過微分或混頻等上變頻方式調制到UWB工作頻段實現。
室內定位之所以具有普遍適用性,與定位技術繁多是密不可分的。常見的室內定位技術有超聲波技術、紅外線定位技術、藍牙定位技術、WiFi定位技術、UWB(超寬帶)定位技術、ZigBee定位技術、射頻技術、慣性導航技術、地磁定位技術、視覺定位等。

不同行業對定位精度的需求有所不同,所以使用的定位技術也不盡相同。其中,智能制造、智能建設、養老醫療、公共安全、物流運輸等行業使用最多的就是UWB定位技術。

UWB-TDOA定位原理:

該技術采用TDOA(到達時間差原理),利用UWB技術測得定位標簽相對于兩個不同定位基站之間無線電信號傳播的時間差,從而得出定位標簽相對于四組定位基站(假設1#、2#為第一組,2#、3#為第二組,3#、4#為第三組,4#、1#為第四組)的距離差

UWB-TDOA定位原理

式中di,12~di,14為UWB技術測得的定位卡相對于四組定位基站的距離差。

UWB-TDOA定位原理

使用TDOA技術不需要定位標簽與定位基站之間進行往復通信,只需要定位標簽只發射或只接收UWB信號,故能做到更高的定位動態和定位容量。

UWB超寬帶定位系統產品即使用UWB-TDOA技術實現了高精度、高動態、高容量、低功耗的定位系統。

二、優缺點

超寬帶的主要優勢有,低功耗、對信道衰落(如多徑、非視距等信道)不敏感、抗干擾能力強、不會對同一環境下的其他設備產生干擾、穿透性較強(能在穿透一堵磚墻的環境進行定位),具有很高的定位準確度和定位精度。

UWB定位系統精度最高可到10cm,可對人員進行實時精確定位,并集風險管控、視頻聯動、歷史軌跡回放、人員管理、電子圍欄、各種行為監控、應急救援等功能為一體,可幫助企業解決以下行業痛點:

1、遠程監控

UWB定位系統可實時更新位置信息,實現人員或物資的實時精確定位。并且可以與視頻聯動,對人員或物資進行視頻跟蹤,隨時隨地觀察每個區域的現場情況,方便進行實時管理,有效保障人員與物資的安全。

2、風險管理

高危行業,比如隧道、化工廠、礦井等,發生安全事故的概率較高;UWB定位系統可有效地幫助企業實現風險管理。我們可在危險區域或重要區域設置電子圍欄,對員工進行權限管理,防止員工誤入危險區;還可以對人員進行各種行為監測,包括超時監測、聚眾監測、不動監測等等,全方位智能化管理,提高管理質量,減少安全事故的發生。

3、緊急應變管理

當發生安全事故時,人員可以使用隨身佩戴的定位終端設備進行緊急求助。當然,管理人員也可對人員進行尋呼,提醒員工注意或者下發撤離命令等;管理人員還可通過定位系統查看所有人的位置信息,確保所有人員都離開了危險區。救援人員也可根據人員位置進行救援,提高救援效率。

4、客戶體驗管理

對企業而言,客戶到公司實地考察是不可避免的事??蛻魧经h境不了解,隨意走動容易誤闖危險區域。室內定位系統可實時查看外來訪客的進出時間、在某區域滯留時間、活動軌跡等信息,并且我們可以設置電子圍欄,防止客戶私自進入危險區域引發事故,實現對訪客的精細化、數字化、智能化管理,提高客戶的考察體驗。

5、存貨物資管理

UWB定位系統還可對存貨物資進行管理。比如,在整車倉儲中,想要尋找某一輛車是非常費時費力的事。企業可對每輛車進行定位,通過定位標簽查看車輛位置信息,這樣尋找車輛就容易很多。

6、銷售最優化

根據室內定位系統提供的人員位置信息,企業可對銷售模式進行優化,獲得更高的經濟收益。比如展廳展館中,展位位置分布不同,人流量也會受影響,定位系統可統計出每個展位的人流量,展會承辦方就可根據位置數據調整每個展位的銷售價格。

缺點:

1、以規格的缺乏和隱私的疑慮為背景的室內定位技術的低滲透

室內定位系統依然沒有形成一個有力的組織來制定統一的技術規范,現行的技術手段都是在各個企業各自定義的私有協議和方案下發展。室內定位應用場景多樣化、碎片化,加之沒有統一的行業標準,造成定位技術在各行業中應用難以深入,較大的制約了室內定位的發展。

部分人員對室內定位系統存在疑慮,擔心定位系統中的實時位置顯示、視頻聯動等功能,會侵犯自己的隱私。企業和個人對室內定位認可度低,導致室內定位技術進入市場受阻。

2、對室內定位技術利用的興趣低

相比于發展了數十年的室外定位技術,室內定位還處于導入期。大部分企業對室內定位應用不了解,并未認識到室內定位對于人員、物資安全管理的重要性,導致UWB定位技術利用率較低。各行業對于這一較新技術的認識和采納、圍繞技術衍生各類新應用的商業模式,都需要一定的過程,所以存在相關市場啟動緩慢,相關公司短時間內業績不達預期的風險

綜上所述,傳統UWB的實現優點是:

  • 理論上成本低
  • 定位距離精度高
  • 通信速度快(超大帶寬)
  • 抗多徑能力強
  • 功耗低(脈沖調制決定的)
  • 穿透能力強(寬頻譜)

缺點也很明顯:

  • 波束指向性強(需要波束明確指向接收源)
  • 通信距離短(UWB的授權頻譜有相當多的現存通信設備,UWB設備功率需要低于一定門限才能不影響其他通信系統)
  • 頻帶利用率低下(看看那占空比)
  • 產業相對不成熟(但是足夠商用了)

 

三、國內外技術分析

四、應用場景

1、隧道管廊:

在隧道施工現場,通過部署UWB超寬帶定位系統,將定位標簽集成至員工胸卡、安全帽等穿戴設備內,可以提供的集風險管控、人員管理、實時顯示、應急救援等功能能夠準確定位工人位置,保障工人施工安全、施工質量、施工進度。

2、工業制造:

在工廠中,UWB超寬帶定位系統可以幫助傳統工廠實現數字化管理,可實時查看員工位置、在崗時間、離崗時間、移動軌跡,提高崗位巡查效率。通過后臺對倉儲貨物位置的監管,可查看物品位置、所屬倉庫等數據,防止物資設備的丟失。

3、司法監獄:

監獄安全管理一直是備受關注的問題,通過UWB超寬帶定位技術如何杜絕監獄犯人管理漏洞、降低監管執法風險呢?在監獄,通過UWB超寬帶定位系統,將定位標簽集成至犯人定位腕帶中,能夠對服刑犯人進行實時監控。包括:實時掌握人員的實時位置、人數清點、犯人腕帶防拆報警、電子圍欄、聚眾分析、行動軌跡跟蹤、 回放、攝像聯動警報等,能夠很大程度的降低監管執法的風險,防止意外事故的發生。

4、養老院:

在養老院,通過給老人佩戴智能手環或胸牌,不僅能夠實時查看老人位置,還能夠通過設置電子圍欄來圈定安全活動范圍,一旦老人走出安全區域,系統就會及時預警,通知管理人員前往查看,避免老人走失。因為護工人員不可能24小時陪在每一個老人身邊,難免會有疏漏,所以可以將一鍵報警功能集成在手環或胸牌之中,一旦老人遇到危急情況,按下按鈕就能夠通知護工人員及時予以救助,避免危及老人生命健康安全。

5、展廳:

在會展、展廳內,UWB超寬帶定位系統可實現智能化導覽服務,一方面可以實時導引觀眾前往想去的展位,另外也可以對觀眾的位置數據進行精準統計,查看參展客戶及工作人員在展廳內的觀覽軌跡、停留時間等,實現辦展效果精準分析。讓展方了解參展人員感興趣產品,為后期提升展會質量工作提供明確方向。

6、地下礦場

7、無繩USB

無繩USB(Wireless USB)是一種無線接口標準,目標是以無線取代目前的USB連線。無線技術方面將使用超寬帶近距離高速通信技術“UWB”。目標傳送速度為USB2.0的最大通信速度480Mbit/s??赏鸘WB無線技術將取代USB,成為PC的外設接口。

  無繩USB可以實現數字家庭的打印機共享、無線鼠標、鍵盤連接,掃描儀的數據傳輸,移動硬盤的無線接入,DV數據傳送等應用,是數字家庭標準外設接入的接口。通過UWB無繩USB連接,組成了以計算機為中心,USB標準外設作為從設備的互聯互通小網絡。這個小型網絡能夠完成系統協同工作,由軟件控制可智能完成用戶的特定任務。例如,用戶可以直接從數碼相機中瀏覽,選定自己喜歡的照片,通過無繩USB技術傳送到電腦,接著,電腦可以把它輸出到無線連接的便攜打印機,用戶就能及時打印出選出的照片。這樣,隨時隨地無任何連接限制地體現出數字家庭設備互聯互通人性化的特點。

五、前景

毋庸置疑,在物聯網行業,室內定位絕對是最為重要的組成部分之一。其中UWB定位系統因具有高精度、高動態、高容量、低功耗等優點,而被廣泛應用。

據market&market的調查數據顯示,未來幾年,室內定位的全球市場將以42.0%的年復合成長率(CAGR)增長,市場規模預計從2017年的71億1000萬美元擴大到2022年的409億9000萬美元。由此可見,室內定位在未來幾年內將迎來快速發展時期。

在室內定位市場中,北美占據32%的市場份額。由于在室內定位技術方面有著重大研發和技術進步,北美預計將持續引領室內定位市場。因此,一些北美公司正在戰略性地采用不同級別的室內定位技術,以便在各自的市場中取得成功,并提高生產率。歐洲、中東在室內定位市場中分別占據28%、22%的市場。

亞太地區占據的市場份額最少,僅有18%,但是絕大部分市場是在中國,這完全得益于中國近幾年制造行業、消費行業經濟的快速發展??v觀整個定位市場,驅動位置服務的因素很多,其中商業驅動和政府驅動是兩個非常關鍵的因素。

在商業層面,國內外的巨頭和創業企業為促進室內定位技術落地,做出大量嘗試,室內位置服務產業鏈初現雛形。國外Estimote、思杰走產業上游平臺路線,國內的百度、360則開發了終端用戶產品。

在政府層面,中國國務院、科技部、工信部下發的多項指導政策中均提出要大力推動室內定位系統發展。比如國家的十三五規劃就制定了導航與位置服務,包括室內外無縫導航、室內外多模式協同定位、室內多維位置信息、位置智能感知、無人駕駛地圖服務等標準。

行業巨頭和政府組織強力介入室內定位位置服務,會推動用戶對室內定位的快速認可,加速室內位置服務生態成熟。由此可見,在未來幾年,中國(甚至是亞太地區)的室內定位服務應用會迎來快速增長。

1、上游芯片和底層技術

考慮到國內UWB定位芯片研發起步較晚,國內暫時還沒有大規模生產UWB定位芯片的廠商,因此國內UWB定位芯片大都來自源于國外的Decawave公司。Decawave是全球最大的UWB定位芯片生產商之一,用戶遍布中國、愛爾蘭、法國、韓國、美國、英國、俄羅斯等國家。目前Decawave的芯片已經在超過500萬臺設備上部署,受到全球2500多家企業的青睞。

2、中游的位置服務提供商

位置服務提供商是以UWB定位芯片為基礎,并結合自己的定位算法研發出UWB定位系統。位置服務提供商研發出的定位系統已經具備了很完善的功能,包括實時位置顯示、軌跡跟蹤與回放、電子圍欄、尋呼報警、視頻聯動、智能巡檢、電子點名與智能考勤等。同時位置服務提供商還提供定位系統硬件設備,比如定位標簽,能夠發射UWB信號來確定位置;定位基站,能夠接收并估算從標簽發送過來的信號。除此之外,位置服務提供商還提供易集成的SDK開發平臺,幫助開發者快速開發出基于UWB定位系統的應用軟件。

3、下游的集成商

定位系統集成商處于產業鏈的下游應用端,負責為終端客戶提供應用解決方案。集成商根據每個行業的具體情況,將UWB定位系統二次開發,并和其他人員管理設備或者自動化配套設備集成,研發出更適合這些行業的定位系統與設備。

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