UWB技术应用漫谈

主持人：

邱元阳 河南省安阳县职业中专

嘉 宾：

刘宗凡 广东省四会中学

金 琦 浙江师范大学附属中学

倪俊杰 浙江省桐乡市凤鸣高中

杨 磊 天津市第五中学

定位方式决定应用场景

杨磊：UWB无线通信技术是近年来热门的定位技术，受到了广泛关注。基于超宽度的定位系统主要由固定的基站节点、移动节点和坐标解算程序构成。基站节点为布置在室内已知位置的节点，其信号覆盖范围包含整个室内，使得移动节点在室内的任意地点均可与基站节点通信。移动节点是无线网络中坐标未知的节点，也就是需要定位的节点。解算程序负责根据基站节点和移动节点之间的通信信息，利用圆周定位法等算法计算出目标节点的坐标。

基于UWB的定位方式主要有基于到达角度法、基于信号强度法、基于信号到达时间法和到达时间差法。在基于到达角度法算法的定位系统中，接收节点利用天线阵列对接收到的信号波的相位进行检测，然后根据接收信号的相位差计算信号达到角度，最后根据三角测量法建立方程组求解目标节点位置。该算法实现相对简单，但需要使用天线阵列，增加了成本，同时受多径传输的影响大，定位精度不高。基于信号强度的定位算法根据距离和信号强度成反比的关系建立一个信号衰减模型，确定目标节点到参考节点的距离。该方法需要信道模型和信号传输功率先验信息，在近距离或易变的室内场所定位结果较差。基于信号到达时间法和到达时间差法是目前使用最多的方法。通过测量基站到移动节点的信号传输时间计算距离信息，根据不同基站的信号达到移动节点的时间差，将移动节点坐标映射到双曲线值域中，最后求解双曲线方程组得到坐标。前者需要网络中所有节点的时钟都同步，实现相对困难，后者只需要参考节点时钟同步即可，大大降低了系统复杂度。

UWB不依赖于信号强度，而是使用ToF（飞行时间）、TWR（双向测距）、TDoA（到达时间差）、AoA（到达角）等技术来确定与另一个设备的距离。借助多个天线，UWB还可以测量信号到达的角度，精确的角度与距离相结合，可以将物体位置定位到三维空间中的某个位置。

UWB使用3.1-10.6GHz频率，因此任何信号干扰的可能性很小，这是不同于蓝牙和WIFI的地方。基于蓝牙的位置感应至少需要两秒钟才能确定位置，UWB速度则要快千倍，这意味着几乎没有延迟，用户体验是无缝的。而且，低功耗是移动设备在电池寿命和实用性方面的关键因素，每秒发送一次脉冲的传感器预计可以使用单个纽扣电池工作7年。

基于这些优点，UWB可以应用在以下场景。

①智能汽车门禁：只要接近汽车即可使用智能手机解锁汽车，以实现无钥匙进入和远程启动。

②安全无线支付：它比NFC更安全，即使智能手机在口袋里也可以进行支付。

③安全建筑物访问：接近后自动打开通往建筑物内安全区域的门。

④智能零售：提供所购买的产品的有用信息或购买产品的特别优惠。

⑤资产追踪：波音公司使用UWB标签来追踪其庞大工厂车间的10000多种工具、推车和其他物品。

⑥运动与健身追踪：橄榄球比赛已经在使用每个肩垫中的UWB发射器来追踪场上的球员，以便即时回放画面。

⑦可穿戴健康传感器：生物识别UWB手环，全天24小时监测体温、血氧饱和度、身体运动、心率。

⑧医疗雷达：通过读取反射的UWB信号，UWB脉冲可用于远距离监测人的呼吸和心跳。

⑨室内导航：实现室内精确导航。

⑩智能家居：灯、音频扬声器和任何其他具有UWB感应功能的连接设备能够跟随用户从一个房间到另一个房间。

①仓库定位：在室内主动跟踪人员、机器和设备，紧急情况下准确定位——寻找失去知觉的人。

视距通信和非视距通信

金琦：无线通信系统的传播条件通常可以分为视距（Line of Sight，简称LOS）和非视距（Non Line of Sight，简称NLOS）两种环境。在视距条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间“直线”传播（可比作视线能直接看到），第一菲涅尔区（First Fresnel zone）内没有对无线电波造成遮挡的物体。

从发射机到接收机的传播路径上，有直射波和反射波，反射波的电场方向正好与原来相反，相位相差180度。如果天线高度较低且距离较远，直射波路径与反射波路径差较小，则反射波将会产生破坏作用。在实际传播环境中，第一菲涅尔区定义为包含一些反射点的椭圆体，在这些反射点上反射波和直射波的路径差小于半个波长。视距通信应保证在第一菲涅尔区0.6倍焦距内无障碍物。

而在有障碍物的情况下，无线信号只能通过反射、折射、散射和衍射的方式到达接收端，称为非视距通信。顾名思义，非视距就是指通信的两点视线受阻，彼此看不到对方，菲涅尔区大于50%的范围。此时的无线信号通过多种途径被接收，而多径效应会带来时延不同步、信号衰减、极化改变、链路不稳定等一系列问题。

同其他无线通信一样，非视距对UWB室内定位也会造成明显影响。在室内建筑结构复杂、人员流动量大、目标物体多等复杂环境下，UWB信号的传播会受到各种障碍物的影响，导致信号在传播过程中产生多路径、接收滞后、强度衰减甚至信号丢失等现象，延迟信号传播时间，从而导致UWB定位精度急剧下降。

消除UWB定位的非视距影响，一般会从非视距识别、非视距误差消除、多传感器融合和深度学习等方面入手。在非视距识别方面，基于ToA和AoA的非视距识别方法，通过对非视距传播误差进行识别，再用最小二乘算法解算位置信息，可有效提高定位精度，识别率达到98%以上。基于卷积神经网络的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）调制方案，对UWB非视距信道进行识别，将信道识别问题转化为图像识别问题，识别率达90%以上。在非视距误差消除方面，考虑UWB脉冲信号入射角度的多面函数模型的误差改正方法，在墙体遮挡下也能有效提高UWB定位精度。如果用UWB融合多传感器定位，基于卡尔曼滤波器的UWB/IMU融合定位算法，在门、桌椅、1个行人遮挡的非视距环境下，测距误差可控制到30cm以内。使用PDR（Pedestrian Dead Reckoning，行人航迹推算）校准UWB定位的UWB/PDR融合室内非视距定位算法则能修正UWB在非视距下的定位误差，使得定位轨迹更加贴近真实轨迹。还有在深度学习算法下，基于反向传播算法的神经网络改正UWB稳健定位模型，通过采集非视距环境下UWB测距值得到误差序列，然后通过反向传播神经网络建立非视距误差改正模型，也能消除UWB非视距误差，从而提高非视距环境UWB定位精度。

各种算法模型的综合使用，使得UWB对非视距的识别更加精准，有效地消除非视距的影响，提高室内定位精度。

UWB室内定位组网

倪俊杰：UWB的应用最主要的是两个方面，即测距和定位，其中室内精准定位是UWB技术最大的用武之地。

根据UWB定位实现的原理，要实现室内定位，就需要布设UWB基站，使其组成网络，根据不同基站反馈的信息，通过相应的定准算法，确定目标的准确位置。室内空间墙体、遮蔽物较多，为实现目标厘米级定位，通常需要建立3～4个UWB基站并对其组网。根据基站坐标建立方式的不同，可将其分为静态组网和动态组网。静态组网是事先建立基站坐标，动态组网则是实时定位，同步建立基站。

UWB静态组网技术是依据一定环境下其基站布设的最佳网型，来获取该区域的最佳定位精度。在静态组网定位基准构建过程中，利用精度因子（Dilution of Precision，缩写为DOP）值评价网型质量，预先布置好基站的方法，可以使DOP值降到最低从而得到最佳网型，这是一个非常关键的环节。根据DOP值可随时优化UWB基站布局方案，提高定位精度。

UWB动态组网技术包括递推式组网技术和集中式动态组网技术。递推式组网技术是利用多个已知坐标的UWB固定基站和未知坐标的移动基站之间相互测距，完成移动基站测量定位，这种方式存在一定的定位误差累积问题。利用集中式定位算法和距离自适应算法，能够改进定位误差累积，结合多径辅助位置估计方法，可以提升室内定位精度。

基站布设时应遵循的基本原则是区域重叠性原则、连续性原则、可靠性原则，基于这些原则分析DOP值的大小来评定基站布设位置的合理性。目前，常规UWB基站组网采用DOP值来不断调整优化组网方案从而达到最优解，但是DOP值需要事后解算，并且静态布网需要大量准备工作。动态布网弥补了预先布站的不足，但算法模型不是很完善，无法满足应急定位需求。对于应急环境或其他快定位需求的场景，没有充足的时间进行DOP值计算和基站反复布设，就需要在动态布网基础上做进一步的优化升级，寻求更快更简单的布设方法。

除了优化测距误差提高定位精度外，UWB基站的布设方式也与定位精度密切相关。一定范围内基站的数量越多，标签的定位精度越高。但在实际应用场景中还需要考虑成本因素，如何在短时间内用现有的基站完成高精准定位就显得尤为重要。

多源融合的室内定位

刘宗凡：随着定位与导航技术的快速发展，基于位置的服务给人们带来越来越好的用户体验，但是单一的导航源往往达不到用户的精度要求，还需要进行多信息源数据融合，以取得更精准的定位。

多源融合导航基于信息融合技术，将来自不同导航源的同构或者异构的导航信息按照相应的融合算法进行融合，从而得到最佳的融合结果。相对于传统的单一导航源，多源融合导航可以充分利用每一个导航源的优势，从而提供最好的定位与导航服务。

多源融合算法是充分利用导航源实现融合定位的关键步骤，常用的多源融合算法有加权融合算法、滤波融合算法、基于因子图的融合算法、交互式多模型融合算法等。加权算法是最简单直观的融合算法，它是将多个融合源提供的位置信息分别冠以相应的权重，从而获取最后的融合结果。基于贝叶斯估计的滤波融合算法充分利用先验信息，系统预测准确，但在实际应用中较难取得所有传感器的先验信息。卡尔曼滤波是在线性滤波的前提下，采用最小均方误差作为最佳准则。基于因子图的融合算法利用因式分解特性为多源信息融合的精度提高提供了可能性，这是将每一个导航源视作一个变量节点，变量节点在函数节点实现局部融合，最终通过基于和积算法的消息传递过程，得到最终的融合结果。交互式多模型融合算法是一种具有马尔科夫切换系数的算法，其估计算法采取递推形式，实现高效的混合估计方案，已成功应用于很多领域。

在UWB室内定位中，定位范围会受到基站设备数量和摆放位置的制约，同时，空间几何结构、复杂环境所引起的信号减弱或信号不连续，都会给室内定位精度带来影响。要在低成本下实现大范围复杂环境的定位，目前较为成熟的选择是采取UWB与多传感器融合。UWB可以通过与惯性导航、PDR、Li-DAR（Light Detection And Ranging，激光雷达）、视觉传感器等融合，相互取长补短，为UWB定位提供空间基准，实现绝对基准高频率、高精度室内定位。

利用UWB和IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）紧耦合的集成方法，使用非线性滤波,在多路径和非视距条件下，也能获得稳定性较好的结果。针对复杂环境下UWB定位丢失的问题，建立UWB和PDR的非线性扩展卡尔曼滤波模型，基于EKF（Extended Kalman Filter，扩展卡尔曼滤波器）的UWB/Li-DAR里程计组合的定位模型，在复杂环境下定位精度均可达到分米级。

随着多传感器融合技术的深入发展，其对室内复杂环境定位发挥了很大的作用。但是不同传感器融合是一个复杂的过程，它们之间互相干扰且存在置信问题，因此要更新多传感器融合技术，需要科学地融合大量算法，充分发挥各自优点并避免缺点，实现复杂环境与位置信息的有机统一，促进传感器对环境适应性和定位准确性的发展。

UWB技术应用展望

邱元阳：小米的“一指连”和苹果AirTag推出后，引发了UWB超宽带技术在市场上的热身运动，宝马、蔚来、大众等汽车厂商也纷纷推出了UWB智能钥匙，国内几家大型物流企业也在尝试UWB货物定位技术。于是，很多人开始憧憬UWB的未来应用。

1.智能家居

到家时，门锁定位中的UWB感应到主人回来会自主开启房门；进门就会关闭报警器，启动个人助理服务；在不同房间之间走动时，可开启首选照明装置……

2.建筑物导航

无论是在酒店找会议室，在商场找卫生间，在商店寻觅特定商品，还是在人海中找寻亲人朋友，在地下车库寻找自己的爱车，UWB都可以准确地导航。

3.环境定位

监护人可随时了解未成年人和不能自理的老年人的位置和处境。在突发应急救援事件中，UWB室内定位系统和通信一体化系统可根据现场的具体情况随时获取人员位置并进行分配，提高工作效率。

4.工业应用

准确地实时定位员工、确定产品位置、自动化地物流分拣、人员与物品的轨迹跟踪等。

5.现场交付

点外卖，手机下单后，边走边逛，无论走到何处，美食都能送到手中。

6.安全交易

真正让人与环境交互，无需拿出手机，就能自动结账，实现快速无缝安全交易。

目前，全球已有40多个垂直市场部署了UWB，其中包括工业、企业、汽车和消费类市场。在已实现的应用中，UWB在多个行业领域实现了运营效率和员工安全方面的提升，还支持无钥门禁以及基于人员和物体位置跟踪的新应用。

UWB技术主要集中在三大研究领域：网络通信、雷达和定位。英特尔、飞思卡尔、苹果等公司利用UWB能耗低、稳定性强、易于集成等优势，将其应用于电子消费品，满足客户对短距离无线通信稳定高效的传输需求。英国Ubisense公司设计开发的UWB定位系统已应用于自动停车场、智能物流等车辆定位场合，定位精度可达厘米级。此外，日本和欧洲也对UWB技术进行了大量研发。

UWB具有支持高速传输、低功耗的特点，具有很好的抗多径衰减和干扰能力，因此非常适合于室内通信系统、宽带蜂窝电话、安全无线电和无线宽带互联网。UWB构建的无线网络抗干扰能力强，支持短距离、高速的室内数据和图像通信，不干扰现有无线设备。UWB支持从几十Mbps到1Gbps的数据传输，完全满足USB的传输速率，因此很有可能成为无线USB物理层传输的标准。UWB也可以用来连接各种家用电器，如电脑、空调、洗衣机、热水器、微波炉和电视等，改变人们的生活方式。

雷达是UWB技术最早应用的领域，经过多年的研究发展，UWB在雷达领域的应用已非常成熟。基于UWB的雷达设备可以用来检测地下矿藏及监测大厦、道路、桥梁的形变度，也可以利用超宽带穿透能力强的特征进行物像透视。

而UWB具有穿透力强、传输速率快、时间分辨率高等优点，最适合于室内高速短距离无线通信，理论上可以达到厘米级的定位精度，因此在室内定位领域受到青睐，这才是它在社会生活中最具诱惑力的应用。

作为智能化应用的最主要载体，智能手机也不会缺失UWB技术的加持。智能手机将是UWB在人们日常生活中广泛普及的切入点，有助于实现汽车门禁、零售交易和家居控制等活动，并且是UWB大规模普及的关键。UWB手机将引发各种新设备和应用生态系统的开发，这是其他技术无法实现的。但是，UWB芯片要做到手机中却很不容易，就算内置集成到SoC芯片中，也还要考虑两根天线如何处理，从设计到成本控制都有难度，而围绕手机来搭建UWB生态的道路恐怕也很难走通，目前还没有强烈的现实需求，成本和生态是很难逾越的鸿沟。

目前，在UWB技术的三大应用场景——安全门禁、物品定位以及设备互联中，如汽车钥匙、AR游戏、室内导航等，还没有形成真正的刚需，缺乏现象级的应用来引爆。

尽管如此，UWB技术还是具有传统无线通信技术无法比拟的优势，我们可以预见UWB技术新应用和新服务的到来，能让人们享受到高科技带来的便利。UWB的潜力是无穷尽的，经过多年的发展，UWB也渐渐走向成熟，有望成为蓝牙的替代者、物联网风口的引领者，甚至是新一代无线通信技术的变革者，必将在多个领域改变我们的生活。

科技，将再一次让我们的生活变得更美好！