UWB 如何工作?如何使用UWB进行测距和位置?

描述

UWB技术随着首次搭载该技术的手机问世进入大众的眼帘, 但是该技术会怎样引领科技变革?为我们带来怎样的应用创新?这些问题直至小米UWB技术”一指连“发布得到了解答。 下面我们不妨看看UWB在小米手机中的应用 。

那么什么是UWB技术呢? 

它是如何工作的? 

UWB技术的应用,

关于FIRA联盟, 

我们将为大家一一解答。

UWB技术的发展历程

超宽带并不是一项新技术,实际上可能是最古老的无线技术之一。1901年,Marconi 先生利用电火花隙发射器产生超宽带信号,第一次成功跨越大西洋传输摩尔斯电码。也正因如此,我将其归类为超低速数据传输。但从技术上讲,这是使用超宽带信号实现的。在 20 世纪 60 年代,超宽带实际上应用于军事雷达。如今,检测距离和方向的雷达应用中也很广泛地采用了这项技术。但当时还未涉及消费类应用。

伽利尔摩·马可尼

2002年,FCC 批准将 UWB 应用于消费电子和商业用途。随着我们对整个生态系统的了解不断加深,IEEE 已将 802.15.3 标准升级为 802.15.4,由此我们考虑将超宽带纳入标准机构的规范内。此外,诞生于 21 世纪初的 WiMedia 联盟将超宽带技术视为一种高速数据传输技术,它实际上被视为无线 USB 的替代品,这样便无需使用 USB 线。话虽如此,但同一时间内,Wi-Fi 也在为同样的具体应用展开竞争。

从历史的角度来看,Wi-Fi 最终获胜,超宽带已被搁置多年,这种情况直至现在。

2019年,超宽带出现了“东山再起”的迹象,人们将它重新定位为可实现精确定位和方向跟踪的技术,并且支持IEEE 802.15.4标准 。当我们今天再谈UWB的时候,我们不再谈论高速数据通讯,而是关注跟踪、测距和定位。去年,FiRa 联盟也应运而生,旨在帮助培育和发展UWB 生态系统。在后续的介绍中,我会进一步说明。

UWB 如何工作

UWB能够提供更加出色的安全性,避免恶意攻击。原因在于,可以利用UWB以极其安全的方式根据具体位置来验证用户身份。而对于目前存在的其他技术(例如蓝牙),也可以提供从您的设备到另一台设备的距离,但它使用信号强度或 RSSI(接收信号强度指示器)确定距离。作为替代,超宽带使用一种称为飞行时间 (TOF) 的方法。因此,它实际上采用了 TOF 而非信号强度。原因是信号强度实际上很容易遭到拦截和攻击,但时间难以伪造。您无法记录某些内容、重新广播这些内容,然后将实际并未发生的信息告知与您谈话的人。时间是真实无误的。因此,从身份验证和定位角度而言,超宽带的安全性的确非常优异。

如何使用UWB进行测距

第一步是测量距离。我曾提到过这一点,超宽带采用一种称为飞行时间的方法。这种方法简称为 TOF。在画面中可以看到,两个分别名为 Tag 和 Anchor 的设备。Tag 发出轮询信号,俗称 Ping。随后,Anchor 接收到该信号。而 Anchor 存在一个已知的延迟。经过这段已知延迟后,它将该信号作为响应发送回 Tag。此过程通常称为 Pong。随后,Anchor 接收到该信号。根据该波形中解码的延迟以及测得的发送和接收之间的时间间隔,可以计算出距离。因为距离基本上等于时间乘以光速。之后,Tag 还可将辅助轮询信号发送回 Anchor。这便是另一个 Ping 信号。随后便可在测距坐标的两侧进行操作并检查彼此的值。

由此,您可以看到,存在单边双向测距(即 Ping-Pong 方法)以及双边双向测距(即 Ping-Pong-Ping 方法)。对于双边方法,可以让两个设备互相检查以确保它们测量的距离相同。这样便提高了准确性和安全性。以上就是测距工作原理的第一步。

如何使用UWB确定位置

其中一种方法是,在环境中配置多个接收器。这里,我以 GPS 作为类比。如果我有一个接收器,我知道我的位置就在球体上的某个位置。这个位置处于接收器接收信号的半径范围内。如果环境中存在两个接收器,便可将位置范围缩小到两个球体相交的圆。如果有第三个接收器,就可以了解我所在的具体位置。如果有第四个接收器,就可以获得确切位置。因此,在使用单天线设备的环境中,如果至少存在四个接收器,我们便可以确定发送器的确切 3D 位置和空间。

除了这种三角测量方法,我们还可使用一种称为“到达角”的方法。这种方法更多涉及到雷达天线的工作原理。对于这种方法,接收器需要具备多根天线。而在三角测量方法中,接收器只需具有单根天线。采用此方法时,我们需要观察接收信号时极微小的空间差异,以便通过信号处理确定信号来自哪个角度。如果已知飞行时间,便可确定距离;如果已知到达角,便可确定方向。将两者结合,便可基于飞行时间和到达角确定确切位置。因此,有两种不同的方法可以利用超宽带确定位置和空间。

未 完 待 续  

关于LitePoint

LitePoint 致力于为全球最具创新精神的无线设备制造商提供无线测试解决方案和服务,帮助他们确保产品能够满足当今消费者的需求。作为无线测试领域的领先创新企业,LitePoint 产品开箱即用,可对全球使用最广泛的无线芯片组进行测试。LitePoint 与智能手机、平板电脑、PC、无线接入点和芯片组的领先制造商携手合作。LitePoint 在新兴互联设备(物联网)测试领域占据前沿地位。LitePoint 总部位于加州硅谷,在全球设有多个办事处,是 Teradyne(NASDAQ:TER)旗下的全资子公司,也是测试和工业应用领域领先的自动化设备供应商。2018 年,该公司合并后在全球约有 5,200 名员工,年收入为 21 亿美元。

责任编辑:PSY

原文标题:UWB技术如何实现安全定位与测距?

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