UWB定位: 第一篇 . 简介
UWB定位系列专题：
- UWB定位: 第一篇 . 简介
- UWB定位: 第二篇 . 原理
- UWB定位: 第三篇 . 市场分析
- UWB定位: 第四篇 . Apple Iphone11 U1芯片 & Apple UWB专利
UWB定位: 第一篇 . 简介
- 背景介绍
- 室内定位系统(IPS)
- 基于位置服务(LBS)
- 超宽带(UWB)技术
- UWB定位系统
- 无线定位方案比较
- UWB定位应用
- UWB定位面对的挑战
背景介绍
室内定位系统(IPS)
自20世纪70年代美国开始研制全球定位系统GPS(Global Positioning System)，并于1994年建成以来，其在军事、工业、民用等领域的应用取得了巨大成功。然而，由于GPS采用UHF信号，加之从卫星发射的GPS信号到达地面时衰减到很弱的功率，使得GPS很难进一步穿透如地底、水下、建筑物等。同时，对于如建筑密集的城区，建筑等产生的GPS反射信号干扰原始GPS信号降低其信噪比，使得GPS也无法很好地工作，因而GPS大多应用于室外空旷场景。
尽管GPS主导了室外场景下米级精度的定位市场，然而却无力进一步扩展到对位置感知需求愈加强烈的室内场景。作为未来工业4.0基础的智慧工厂、智能制造、智能物流、人机协作等，需要通过对原料、货物、资产、设备、人员等进行实时高精度的定位与追踪，从而实现对生产流程、客户需求、市场反馈、商品成本等进行快速调整和优化。
IPS(Indoor Positioning System)指在室内环境中利用无线电、光学、声学、地磁场、惯性导航等多种技术方式提供对人员、物体等进行定位能力的系统。尽管IPS在商业、零售、工业等领域有大量的应用，然而由于室内环境的复杂和多变性，使得当前没有单一或标准化的方案能主导室内定位需求，在不同的应用场景和业务需求以及成本预算下大多使用一种传感器数据或组合多种传感数据的定制化的解决方案。
IPS根据使用的传感器类别不同主要分为以下几类：
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无线定位传感器
- WiFi
- Bluetooth
- RFID
- Zigbee
- UWB
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光学定位传感器
- Infra-red sensor (红外传感器)
- LiFi
- Camera (视觉传感器)
- Lidar (激光雷达)
-
声学定位传感器
- Ultrasound sensor (超声波传感器)
-
地磁定位传感器
- Magnetometer (磁力计)
-
惯性定位传感器
- Accelerometer (加速度计)
- Gyroscope (陀螺仪)
- IMU (惯性测量单元) (~ Accelerometer + Gyroscope)
基于位置服务(LBS)
LBS(location-based service)是一种根据用户的位置信息为用户提供相关信息/业务/需求的服务方式，国内最常见的LBS应用包括：
- 地图类APP基于用户实时位置所提供的导航服务，天气预警信息，交通拥塞通知等；
- 本地生活类APP等基于用于用户位置投放广告或促销信息等，如推荐的住宿服务，餐饮服务，娱乐场所等；
- 匿名/熟人社交APP所提供的附近人交友的功能；
- …
LBS系统主要基于定位技术和网络通信技术两大支撑，其中定位能力更是LBS的前提条件，精确的定位能力可进一步扩展LBS的应用场景同时优化其使用体验。C端场景当前主要利用手机自带的WiFi，Bluetooth实现~10m精度的定位能力，随着Iphone11增加U1芯片提供对UWB技术的支持，未来C端用户可以借助手机内置的UWB芯片获得<10cm的定位精度而无需携带额外的UWB定位标签设备。
超宽带(UWB)技术
UWB(Ultra Wide Band）技术是一种具有低功耗高数据速率的无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用[亚]纳秒级的非正弦窄脉冲传输数据，因此UWB系统占据很宽的频带，同样由于发射的信号脉冲持续时间极短，也使得UWB系统具有很低的发射功率谱密度。美国FCC在2002年发布了全球首个UWB设备监管规范，其中定义“具有分数带宽大于等于20%，或频率带宽等于大于500MHz”的无线传输设备为UWB设备。[其中带宽指在功率谱上-10dB截断频率区间的频带宽度]
UWB是一项可追溯到20世纪50年代的脉冲通信技术，不过早期主要用于军事雷达和军事定位和军事通信系统，2002年由FCC批准用于民用通信，并限定其使用的频谱范围为3.1-10.6GHz，设备的发射功率需低于-41.3dBm/MHz。ITU-R-2006给出了UWB技术以下几个方面的应用场景：
- 探地雷达
- 穿墙雷达成像
- 医学成像
- 监控追踪
- 车载雷达
- 测距定位
- 无线通信
相比WiFi，Bluetooth等无线技术，UWB技术具有系统复杂度、低成本低、带宽大传输速率高、发射信号功率谱密度低、穿透能力强、对信道衰落不敏感、抗多径能力强、截获能力低、时间戳精度高、测距定位精度高、与现有其他无线通信系统共享频谱等优点，使得其适用于室内场所的高速无线数据通信和无线定位。
UWB定位系统
UWB定位系统与WiFi定位系统或Bluetooth定位系统有很多功能类似的系统组件，主要的相同点是这几种定位系统都有基站和设备/标签的区分，整个定位系统的稳定性、精度、功耗、成本等都和基站设计、部署有关，然而，UWB定位系统中基站的用途和功能与其他定位系统有巨大区别，WiFi定位系统和Bluetooth定位系统用户设备主要依据接收到的基站信号强度来确定与基站间的距离大小，对基站发送的广播信号时间属性没有要求，对基站间的时钟同步精度也没有要求，但在UWB定位系统中，由于需要利用UWB脉冲信号具有的高时间分辨率性质来进行定位，使得UWB定位基站的时钟晶振稳定性或UWB定位基站间的时钟同步性能对系统提供高精度定位能力具有至关重要的影响。
无线定位方案比较
此外，我们从
- 定位精确度
- 定位结果稳定性
- 定位输出频率
- 定位时延与实时性
- 定位系统覆盖范围
- 定位系统扩展/伸缩性
- 定位系统鲁棒性(抗干扰能力)
- 定位设备功耗
- 定位系统成本
这几个指标方面对UWB、WiFi、Bluetooth做具体比较：
| UWB | WiFi | Bluetooth | |
|---|---|---|---|
| 精确度 | ~10cm | 5-15m | 1-3m |
| 结果稳定性 | 高 | 低 | 低 |
| 输出频率 | 0.1-1000Hz | 0.1-10Hz | 0.1-10Hz |
| 实时性 | 高 | 中 | 中 |
| 覆盖范围 | 10–150m | 10-300m | 5-100m |
| 扩展能力 | 中 | 低 | 低 |
| 鲁棒性 | 高 抗环境白噪声干扰； 抗WiFi/Bluetooth/Zigbee等无线窄带信号干扰； |
低 受环境白噪声干扰； 2.4GHz，受Bluetooth/Zigbee等信号干扰； |
低 受环境白噪声干扰； 2.4GHz，受WiFi/Zigbee等信号干扰； |
| 标签功耗 | 中/低 0.5mW-100mW / −41.3dBm/MHz |
高 100-500mW |
低 10-100mW / <15 mA |
| 成本代价 | 中/高 需要部署UWB定位基站； 用户需要携带UWB定位标签； |
低 可利用现有的WiFi基站； |
中 需要部署iBeacon定位基站； |
UWB定位应用
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从使用需求方面，UWB定位主要可分为以下两类：
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实时导航:
这种需求主要针对需要对自己所处位置信息有实时感知的人员或智能机器人等，通过及时地获取自身所处的位置从而进行路线规划与导航、自主巡检、定时定点操作、自动驾驶等任务。
主要用于大型公共场所如医院导航、商场/购物中心导购、停车场反向寻车、展厅/博物馆自助导游、飞机场/火车站/地铁站导引、AGV/AMR智能机器人等。
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定位/监控/追踪:
这种需求主要针需要对人员或设备资产等进行监控和追踪的场景，通过在网络服务器端对定位信息进行聚合和追踪，可有效的解决潜在的业务安全问题，优化生产流程瓶颈问题，防止资产丢失/人员走散问题，以及提供室内LBS相关应用等。
主要应用于：
- 消费者服务：家人防走散、物品防丢失、LBS产品服务推送、LBS交友等。
- 企业服务：人流监控和分析、访客分布热图、智慧仓储和物流、智能制造、紧急救援、人员资产管理和服务机器人等。
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从现有商业应用方面，UWB定位主要有以下几类使用场景：
- 智慧电厂定位；
- 公路、铁路隧道施工人员定位；
- 高压变电站维修巡检人员定位；
- 医院、护理院、养老院人员定位；
- 监狱、法院人员定位；
- 化工厂、水泥厂、工厂人员定位；
- 工厂叉车、天车定位；
- 仓储物流AGV/AMR等机器人定位；
- 博物馆、会展厅等人员导航；
- 地下停车场车辆定位与导航；
另外，对于在工业4.0中的应用，如在汽车制造领域，通过实时地跟踪产品、部件、组件、原料、人员、设备等的信息，推进并建立生产过程数字化和自动化，从而可以快速地分析产品从需求到物料到生产到销售的整个流程，并重点优化其中影响生产效率的环节，最终使得企业对市场需求的变动能做出更快的响应，加快产品创新和缩减产品生产周期，增强产品的质量并同时降低产品的生产成本。
UWB定位面对的挑战
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规模化市场需求
UWB定位相对于其它定位方式最大的优势的高精度的实时追踪，但如此精度的定位能力却能并未在规模更大的民用市场上占有一定规模，目前UWB定位系统主要通过需求定制化设计应用于特定行业，这主要是因而：一方面，在民用市场上，尽管能提供~10cm的位置精度，使用UWB定位需要用户额外携带UWB定位标签，然而，用户手机端自带的Wifi和Bluetooth可提供~10m的定位能力，对大部分的场景来说基本够用；另一方面，在工业领域，对设备的定位精度需要能稳定的提供~1cm的位置精度，这对UWB定位系统来说具有极大的挑战，需要从UWB硬件芯片到上层系统算法进行高度优化，目前市场上UWB定位系统服务商大多使用Decawave公司生产的DW1000芯片，并不足以提供满足工业需求的高精度定位能力。
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研发&部署成本
由于目前UWB技术还未建立完整成熟的行业标准和算法实现，现有的商业案例大多以定制化的解决方案为主，这使得每个客户都必须间接承担很大的研发成本，加之UWB市场规模化不大而导致的单个设备成本价格价高，也使得UWB定位网络的部署成本极大地高于WiFi，Bluetooth等。为解决该问题，必须探索更多的UWB定位应用场景，特别是民用/商用UWB定位需求，使得通过规模化的产品生产来降低单品的市场价格。随着Apple在2019.09推出内置名为U1的UWB芯片的Iphone11系列手机，同时Samsung，Huawei等也有在进行手机端支持UWB芯片的项目，预计可加速促进UWB技术的市场化，发掘出更多UWB技术的使用场景。
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高可用性与抗干扰能力
UWB要大规模应用于室内定位市场，定位精度只是其中最重要和最基本的指标，更重要的是需要解决在各种复杂场景下的连续、可靠、稳定的提供定位能力。这需要解决以下几个方面的问题：
- 更强的环境适应性：1. UWB定位系统需要能够在各种大小规模的场景下能够提供一致的定位性能，包括从民用住宅~100m2到厂房/商场/购物中心10000-100000m2等规模大小； 2. UWB定位系统需要适应各种建筑设施，工作环境等，例如，商场/工厂条件下不同的人员数量、厂房车间/展厅医院条件下存在不同的金属物体、园区景区/室内具有不同的天气状况等；
- 更好的抗干扰能力：UWB定位系统需要更好地解决：1. 环境建筑、人员、物体等干扰：如NLOS(非视距)、多径、反射、绕射、散射等； 2. 环境无线信号干扰：蜂窝网络(Celluar)、WiFi、Bluetooth、Zigbee等窄带信号对其通信/测距产生的干扰；
- 更好地与其他传感器数据融合：单一的传感器很难覆盖各种不同的应用场景，为提升系统的精度、增强结果的稳定性、增加系统的鲁棒性、扩大系统的应用范围等，与不同的传感器数据源进行组合优化、相互矫正是最直接最经济最可靠的选项，然而这也同时带来的更大的工程挑战；
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来自其他无线方案的竞争
最新的Bluetooth5.1标准增加了寻向功能，可实现对信号到达角、发射角的测量，从而Bluetooth定位系统除了使用RSSI进行定位还可以同时使用AOA进行定位，使得系统的定位精度在较理想的情形下可提升至0.1-1m的范围区间，然而，和UWB使用AOA定位一样，AOA方案在有多径干扰的情形下具有很大甚至错误的角度误差从而导致错误的定位结果。
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政策法规问题