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UWB 低功率＂釐米級＂定位，照護／驗證隨身帶著走

本文作者：任苙萍點擊： 2020-04-10 15:48

前言：

受惠于為時極短的窄脈沖，超寬帶 (UWB) 時間和空間分辨率高，目標(biāo)辨識能力優(yōu)異，隧道、化工廠、醫(yī)院、養(yǎng)老院、礦井等封閉場所多有采用。UWB 定位是由多個傳感器，輔以＂到達(dá)時間差＂ (TDOA) 和＂角度定位＂算法對卷標(biāo)位置進行分析，具有＂多路徑＂解析能力，讓發(fā)射信號的能量得以充份發(fā)揮——解決 UWB 信號在傳播過程中會因環(huán)境反射和折射而產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，導(dǎo)致信號衰減和測距誤差的問題。特別一提，＂水＂會吸收 UWB 脈沖信號、影響最終定位，開發(fā)者須將這個變數(shù)納入考慮。

與＂接收信號強度指示＂(RSSI) 邏輯類似，＂到達(dá)時間＂(TOA) 利用＂各個發(fā)射端將信號傳送至接收端＂的時間，惟因傳播速度飛快、恐拉大距離誤差，對設(shè)備的時間同步性要求極高，難以滿足室內(nèi)定位空間小、成本有限需求，因此衍生出 TDOA 技術(shù)：依據(jù)＂多個接收器＂vs.＂同一信號發(fā)射端＂所接收到的時間差計算其間距離和發(fā)射端坐標(biāo)。＂角度定位＂的接收端須建置＂指向式天線＂或＂天線數(shù)組＂接收信號差異，據(jù)以推算收、發(fā)雙方的相對角度，再參考接收端的平面高度而得出發(fā)射端坐標(biāo)。

圖1：＂到達(dá)時間差＂(TDOA) 激似 GPS，將多個參考點 (錨點) 部署在場所中并且時間同步。行動設(shè)備將發(fā)送信標(biāo)，當(dāng)錨接收到信號時便將為其添加時間戳，后將來自多個錨點的時間戳送回中央定位引擎，根據(jù)信號的到達(dá)時間差進行 X、Y、Z 多邊定位演算
資料來源：Decawave；https://www.decawave.com/technology1/

接收器抗衰減能力佳，但基地臺部署與數(shù)量是關(guān)鍵
UWB 的信號接收表現(xiàn)不俗，由于對通道衰減不敏感，UWB 接收器可藉分級獲得良好的抗衰減效果。這意味著：在室內(nèi)或建筑物等密集場合可獲得更好的定位，加上超寬帶助陣，精度亦較高，距離分辨率可達(dá)＂釐米級＂。然須留意的是，這種基于信號時間的定位方法，一旦遇到墻體遮擋需要重新部署，且同等面積上的隔間數(shù)量增加一倍，基地臺的用量也需隨之倍增。另一方面，相較于 Wi-Fi 需要中繼站接取，UWB 遙控／遙測相對安全；而 IEEE 802.15.4z 擴展協(xié)議，亦為傳統(tǒng) UWB 無線電的所有已知攻擊增加物理層 (PHY) 保護。

新創(chuàng)公司 Spark Microsystems 新近推出兩款 UWB 射頻 (RF) 收發(fā)器芯片——SR1010 和 SR1020，擬于今年第三季量產(chǎn)；前者覆蓋 3～6GHz 頻段、后者為 6～10GHz，傳輸率達(dá) 20Mbps。他們主張，1nJ/bit 的能量效率是百米 UWB 應(yīng)用的標(biāo)竿，比藍(lán)牙低功耗 (BLE) 低 30～40 倍，更適合游戲外圍設(shè)備、增強現(xiàn)實／虛擬現(xiàn)實 (AR/VR) 耳機、智能家居設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的無電池?zé)o線傳感器。該公司表示，BLE 的通話時間通常為幾毫秒，會有數(shù)十毫秒等待時間；相較之下，SR1000 UWB 收發(fā)器在 50 微秒內(nèi)即可發(fā)送 1kb 數(shù)據(jù)，大幅縮短影音串流的無線延遲。

不只定位精細(xì)，量測廠商羅德史瓦茲 (Rohde & Schwarz, R&S) 表示，基于 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)的 UWB，可在 75 米的超長距離進行＂釐米級＂精確位置測量，且傳輸率仍可維持在 27 Mbps，是實現(xiàn)低延遲、高精度、安全可靠的局域網(wǎng)定位服務(wù) (LBS) 的理想選擇。R&S 是現(xiàn)今唯一能為 5G FR2 和 UWB 提供研發(fā)和生產(chǎn) RF 測試平臺者，與 Decawave 合作在 CMP200 無線電通信測試儀增加 UWB 測試功能——UWB 聯(lián)盟創(chuàng)始成員 Decawave 提供 3.5～6.5GHz 頻段作為測試 (DW3000 芯片組)，但 5.8GHz 和 10.6GHz 的高頻段更受矚目。

圖2：R&S CMP200 無線電通信測試儀
資料來源：R&S；https://www.rohde-schwarz.com/tw/product/cmp200-productstartpage_63493-601281.html

低功率譜密度，與其他無線技術(shù)共存不干擾
UWB 時域有三大特征：脈沖無線電 (Impulse Radio, IR)、直接序列超寬帶 (DS-UWB) 和多頻帶正交頻分多任務(wù) (MB-OFDM)。后兩者歷經(jīng)多年分庭抗禮后，MB-OFDM 因可與各種窄頻系統(tǒng)并存運作、便于應(yīng)對各種法規(guī)調(diào)整，擴充性及兼容性較佳而出線，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (Bluetooth SIG) 亦于 2006 年宣布整合 MB-OFDM UWB，市面上已見成品：Insight SiP 公司去年推出內(nèi)建微控制器 (MCU) 的 UWB＋BLE RF 模塊——ISP3010，基于 DecaWave DW1000 UWB RF 收發(fā)器和諾迪克 (Nordic) nRF52832 2.4GHz 多功能藍(lán)牙單芯片 (SoC) 建構(gòu)。

ISP3010 于今年第一季開始量產(chǎn)，內(nèi)嵌的每個 MCU 都有自己的天線，在長達(dá) 50 米的范圍內(nèi)，精度可達(dá)到 10 釐米；對于 50 米以上的應(yīng)用，ISP3010 可結(jié)合具有相同精度的外部優(yōu)化 UWB 天線使用。ISP3010 可與功能強大的板載 32 位 ARM Cortex M4 CPU 浮點處理器共同協(xié)作，作為獨立標(biāo)簽之用；另備有數(shù)字接口，可被集成到更大、更復(fù)雜的定位方案。就在 2018 年底，UWB 再度卷土重來，由現(xiàn)代 (Hyundai)、起亞 (KIA)、斑馬 (Zebra)、Decawave、Alteros、Novelda 和 Ubisense 共同創(chuàng)始的新一代 UWB 聯(lián)盟正式啟動。

圖3：ISP3010-UX-TB測試板
資料來源：Insight SiP；https://www.insightsip.com/fichiers_insightsip/pdf/ble/ISP3010/isp_uwb_AN190702.pdf

之后不到一年時間，由 HID Global、恩智浦 (NXP)、三星 (Samsung)、博世 (Bosch)、索尼 (Sony)、LitePoint 和電信技術(shù)協(xié)會 (TTA) 等另組 FiRa (fine ranging) 聯(lián)盟。顧名思義，F(xiàn)iRa 更為聚焦＂精確測距＂，旨在制訂 UWB 標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證，建立跨芯片組、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的互操作性，推動 UWB 生態(tài)系統(tǒng)和用戶無縫體驗。FiRa 聯(lián)盟副主席、亦是恩智浦嵌入式安全副總裁 Charles Dachs 指出，UWB 具低功率譜密度 (PSD) 特性，幾乎不會干擾其他無線標(biāo)準(zhǔn)，非常適合與其他無線技術(shù)一起使用，包括藍(lán)牙、Wi-Fi 和用于行動支付的近場通信 (NFC)。

安全、實時、遠(yuǎn)程，UWB 從工商走入消費
瑞薩電子 (Renesas) 亦面向安防、庫存、包裹和應(yīng)急人員追蹤，以及病患監(jiān)控和視頻會議推出 UWB 運動檢測器——CXWL0009 UWB，可另行選搭 MCU 使用；同時獲得無廠半導(dǎo)體公司 3db Access AG 的 UWB 技術(shù)授權(quán)，將提供突破性的多接收器 UWB 遠(yuǎn)程安全測距解決方案，強化 MCU 和 RF 的連結(jié)能力。過去，UWB 多被用于工、商環(huán)境的立即尋址，但近來問鼎消費市場意圖明顯。早就涉足 UWB 的資產(chǎn)追蹤技術(shù)公司 Wiser Systems，就從工廠叉車／貨盤的定位器拓展至消費領(lǐng)域。

圖4：WISER 天線節(jié)點＋Locator 卷標(biāo)定位器套組、評估板、開發(fā)工具包
資料來源：Wiser Systems；https://www.wisersystems.com/products-1

用戶可通過應(yīng)用程序編程接口 (API) 客制化軟件觸發(fā)異常警報，例如：邊界破壞、對時間敏感的警告或違反其他參數(shù)的警報，還可將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入庫存管理、制程控制儀表板、企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 或其他內(nèi)部系統(tǒng)。雖然重工業(yè)是最初營收貢獻者，但隨著 UWB 卷標(biāo)價格下降，他們亦面向消費大眾推出名為＂Find-ly＂的行動應(yīng)用程序，可生成高度準(zhǔn)確的實時位置數(shù)據(jù)，并發(fā)出目標(biāo)物進出、靜止不動或與敏感／危險物品接近的報告，也可根據(jù)異常的運動／靜止?fàn)顟B(tài)創(chuàng)建警報，其核心功能是：實時顯示關(guān)鍵項目的位置，進而安全、實時、遠(yuǎn)程監(jiān)視這些項目。

例如，寵物追蹤和老人／小孩的穿戴設(shè)備——包括：建立區(qū)域出界警報、注冊健康檢查和跌倒檢測 (定位信號迅速垂直下降)。通過無線校準(zhǔn)工具可在數(shù)分鐘內(nèi)完成部署，并允許用戶自行調(diào)整網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) (Mesh) 以優(yōu)化性能、或控制傳輸速率以延長電池壽命，網(wǎng)格中所有標(biāo)簽都經(jīng)由定期 ping 注冊實時狀態(tài)。目前已有醫(yī)療機構(gòu)和老人護理機構(gòu)正對＂Find-ly＂進行測試，Wiser 并公開演示用以追蹤家中竉物移動或識別遙控器位置。顯而易見，上述市場正在成為兵家必爭之地；其中，老人防跌更是通信技術(shù)競相投入的熱門業(yè)務(wù)。

UWB 聯(lián)盟＆ FiRa 聯(lián)盟競合，左右產(chǎn)業(yè)生態(tài)
不同于高頻毫米波 (mmWave) 強調(diào)可嵌入天花板或墻體做大范圍偵測，UWB 因功率小、電磁波輻射低，對生物較無危害，更適合做成貼片、鈕扣、手環(huán)或項鏈 (圈) 等貼身穿戴以偵測猝不及防的踉蹌前兆。另一個指標(biāo)是：蘋果 (Apple) iPhone 11 系列嵌入 UWB——恩智浦認(rèn)為這等于明確認(rèn)可 UWB 技術(shù)的價值，對于未來創(chuàng)建生態(tài)系幫助良多。日前蘋果 RF 主要供貨商 Qorvo 收購 UWB 聯(lián)盟創(chuàng)始公司 Decawave，尤其受到關(guān)注。此舉意在提升 IR-UWB 在通信、汽車、物聯(lián)網(wǎng)的市場滲透率，并希冀順勢擴張 UWB 在 Android 的市占。

圖5：UWB 應(yīng)用情境
資料來源：NXP提供

Qorvo 的如意算盤是：借 Decawave 之力滲透 IEEE、CCC (國際汽車聯(lián)機聯(lián)盟)、UWB 聯(lián)盟和 FiRa 聯(lián)盟，參與定義物理層 (PHY) 工作、確保跨應(yīng)用的操作，期讓 UWB 成為標(biāo)配并通吃 iOS 與 Android 終端市場 (Android 陣營的三星，亦計劃于今年領(lǐng)航搭載 UWB)。除了借助行動設(shè)備載具，UWB 還能聯(lián)袂人工智能 (AI) 學(xué)習(xí)個性化手勢凌空操作目標(biāo)設(shè)備。與此同時，Decawave 看好蘋果能引領(lǐng)穿戴設(shè)備連網(wǎng)與 VR/AR 精準(zhǔn)定位和動作擷取的需求，又相偕安全產(chǎn)品供貨商 Allegion 一起加入 FiRa 聯(lián)盟，似乎為兩個聯(lián)盟的合作搭起友誼的橋梁。

這一連串動作被視作蘋果準(zhǔn)備大力推動 UWB 前奏，關(guān)于 UWB 追蹤設(shè)備及手機遙控解鎖汽車的傳言更不絕于市：盛傳可能以＂AirTags＂命名類似 Tile 智能藍(lán)牙磁貼追蹤器，搭配 iPhone 11 UWB U1 定位器芯片并鏈接 iCloud。這是蘋果繼 2014 年 iOS 7 發(fā)布 iBeacon 藍(lán)牙信標(biāo)后，又一 LBS 里程碑。呼之欲出的 UWB 標(biāo)簽可貼附于任何物品或塞進錢包中，連結(jié)脫機尋找 (Offline Finding) 等應(yīng)用程序及增強現(xiàn)實，追蹤可聚焦至 5～10 釐米。此外，傳聞蘋果和德國車廠 BMW (寶馬) 正在合作導(dǎo)入 iPhone CarKey 解鎖功能，惟截稿前官方尚未證實。

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