準(zhǔn)確定位人員和物品的需求一直是帶動(dòng)企業(yè)發(fā)展的巨大經(jīng)濟(jì)推動(dòng)力，也是消費(fèi)者所期待的生活方式。據(jù) Gartner 預(yù)測，到2030年，室內(nèi)定位服務(wù)市場規(guī)模將達(dá)到550億美元。針對最終應(yīng)用的各類需求，超寬帶（UWB）、低功耗藍(lán)牙（Bluetooth? LE）及Wi-Fi等室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。最近，UWB憑借其卓越的定位精度、低延遲及強(qiáng)大的安全特性在商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛采納。其通過類似雷達(dá)的脈沖傳輸實(shí)現(xiàn)厘米級定位精度，適用于從遺失物品搜尋到樓宇安全門禁，再到運(yùn)動(dòng)員成績追蹤，乃至室內(nèi)導(dǎo)航等多種應(yīng)用。 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(gè)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(jì)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(shí)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)域及最新進(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)。 首先，讓我們從宏觀視角來審視UWB技術(shù)與傳統(tǒng)低功耗藍(lán)牙RSSI、AoA、AoD以及低功耗藍(lán)牙CS技術(shù)間的差異。表1對此進(jìn)行了一些歸納，幫助您根據(jù)應(yīng)用需求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，判斷哪種技術(shù)最為匹配。
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年由美國政府提出，并在隨后的幾年里投入資金進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。最初，UWB僅限于軍事用途，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(jì)用于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全、實(shí)時(shí)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(shí)間（ToF）計(jì)算距離，來獲得如此級別的精度；其中ToF是指UWB脈沖在兩個(gè)設(shè)備（如錨點(diǎn)和標(biāo)簽）間往返所需的時(shí)間。
圖1，UWB采用飛行時(shí)間技術(shù)測量兩個(gè)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(shí)間，從而能夠精確測量信號的到達(dá)時(shí)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(shí)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(jià)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(gè)或多個(gè)接收天線上同時(shí)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(dòng)、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(dòng)設(shè)備。其效率源于低功耗的特性、在2.4GHz頻段40個(gè)信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，以及為大型設(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(gè)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(gè)或三個(gè)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：
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(shí)間（RTT）兩種方法來準(zhǔn)確確定兩個(gè)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，從而帶來更精確的距離估算。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(shí)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(gè)信道，它使用72個(gè)信道上的振幅位移鍵控調(diào)制。同時(shí)，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(shí)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(gè)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(jì)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精確測量距離。 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 |
