發布時間：2024-08-15作者來源：金航標瀏覽：1268
[敏感詞]定位人員和物品的需求一直是推動企業發展的關鍵經濟動力，同時也是消費者追求的生活方式。根據Gartner的預測，到2030年，室內定位服務市場的規模將達到550億美元。為了滿足各種最終應用需求，超寬帶（UWB）、低功耗藍牙（Bluetooth? LE）以及Wi-Fi等室內定位技術應運而生。近年來，UWB憑借其卓越的定位精度、低延遲以及強大的安全性，已在商業領域廣泛應用。UWB利用類似雷達的脈沖傳輸技術實現厘米級的定位精度，適用于從遺失物品追蹤到樓宇安全門禁、運動員成績追蹤以及室內導航等多種場景。
雖然UWB在微定位方面表現出色，但低功耗藍牙憑借其低功耗、經濟性和廣泛的采納度，在物聯網生態系統中仍然不可或缺。作為短距個人局域網的事實標準，低功耗藍牙運用多種技術進行定位計算，包括接收信號強度指示（RSSI）、到達角（AoA）和出發角（AoD）技術等，以提供距離及方位信息。此外，低功耗藍牙即將引入一種稱為“信道探測（CS）”的高精度測距技術，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與低功耗藍牙定位技術，探討它們的特性、應用領域及[敏感詞]進展。借助對比分析，文章聚焦于這些技術的精度、可靠性和安全性，旨在幫助企業、工業及消費領域應用（如室內定位、資產追蹤或樓宇安全門禁等）選擇最合適的技術。
表1，UWB與低功耗藍牙定位技術的比較
UWB的起源可追溯到20世紀初，而“超寬帶（Ultra-Wideband）”這一術語則在1989年由美國政府提出，并在隨后的幾年里投入資金進行技術開發。最初，UWB僅限于[敏感詞]用途，直到21世紀初才開始商業化。近二十年后，隨著內置UWB U1芯片的蘋果iPhone 11手機發布，UWB技術迎來大規模市場應用，如今它已嵌入智能手機、汽車和眾多物聯網設備中。
不同于其它技術，UWB專門設計用于實現精準、安全、實時的位置、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500MHz的信道帶寬上傳輸數據。工作在3.1-10.6GHz的頻率范圍內，它能夠在遠距離內以厘米級精度追蹤目標。UWB通過飛行時間（ToF）計算距離，來獲得如此級別的精度；其中ToF是指UWB脈沖在兩個設備（如錨點和標簽）間往返所需的時間。
圖1，UWB采用飛行時間技術測量兩個設備間的距離
相較于幅度或頻率調制載波信號，脈沖信號的采用讓UWB系統能夠更快地初始化鏈路并以較少的重復次數發送數據。如圖2所示，左側的UWB信號比右側窄帶信號具有顯著更快的上升和下降時間，從而能夠[敏感詞]測量信號的到達時間，增強了對多徑效應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的極低功率水平進行傳輸，UWB對于像低功耗藍牙這樣的窄帶無線電信號而言，就如同寬帶噪聲。
圖2，出現反射情況的UWB脈沖無線電，與低功耗藍牙窄帶信號的對比
UWB可以采用多種不同的拓撲結構來實現，包括雙向測距（TWR）、到達時間差（TDoA）和到達相位差（PDoA），從而在功耗、部署規模和成本方面帶來靈活性與權衡。因此，測距可以在兩臺設備之間、多臺（數千臺）設備之間，或者在沒有任何固定錨點基礎設施的情況下進行。
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應用的理想選擇。
圖3，UWB應用場景
人們越來越認識到，UWB技術作為一種多功能解決方案，價值不僅僅局限于測距，還具備固有的雷達功能——其可用作短距雷達系統，用于存在檢測、手勢識別甚至生命體征監測。這是通過在一個或多個接收天線上同時發射UWB雷達幀并接收信道脈沖響應（CIR）來實現的；隨后，雷達算法通過分析CIR來感知數米外的運動、存在或手勢。
自2004年問世以來，低功耗藍牙已成為物聯網領域的基石，其以低成本、長電池壽命和易于集成到消費品及服務中而備受贊譽。低功耗藍牙在諸多應用中表現出色，從傳統的音頻流和數據傳輸，到汽車鑰匙扣、智能家居小工具以及移動設備。其效率源于低功耗的特性、在2.4GHz頻段40個信道上進行數據傳輸的能力，以及為大型設備網絡構建網狀網絡的功能。
低功耗藍牙定位系統的核心在于信標（Beacon）的應用。如圖4所示，有兩種技術用于位置估算——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，要求至少有兩個已知距離的參考低功耗藍牙信標，并使用RSSI來估算距離。另一方面，三角測量法則依賴于兩個或三個參考點之間的已知距離，并通過測量角度——即AoA或AoD，來估算距離及方向。
圖4，基于低功耗藍牙的三邊測量法和三角測量法定位估算
低功耗藍牙5.1引入了基于三角測量法的定向技術，提供了兩種定位估算方法：
AoA：一個配備單天線的發射器發送特殊信號；一個具有多天線的接收器通過測量相位差來確定信號的方向。
AoD：一個具備多天線的固定發射器發送信號；一個帶有單天線的接收器通過測量相位差來確定信號的方向。
如今，得益于創新的“信道探測”技術，低功耗藍牙超越了RSSI、AoA/AoD等方法，在定位能力上取得新的突破。這項新技術代表了低功耗藍牙測距方式的重大飛躍；它采用相位測距（PBR）和往返時間（RTT）兩種方法來準確確定兩個低功耗藍牙設備間的距離。通過發送并分析不同頻率下無線信號的相位變化，PBR能夠實現亞米級的定位準確度，從而帶來更[敏感詞]的距離估算。另一方面，基于無線電信號ToF的RTT提供了增強的安全性（時間延遲更難被破解）、更大的測距范圍，并可在信道探測過程中與PBR一起使用。
低功耗藍牙信道探測（CS）技術引入了新的物理層；相較于傳統的40個信道，它使用72個信道上的振幅位移鍵控調制。同時，這一技術還被集成至低功耗藍牙協議棧負責信道探測設置、定時與安全的鏈路層中。
讓我們用簡化的語言理解低功耗藍牙CS中PBR的工作原理。如圖5所示，設備A向設備B發送一個無線信號，設備B檢測信號相位并將其回傳給設備A；隨后，設備A比較發送信號與接收信號的相位差異來計算信號傳輸的距離。通過在不同頻率上執行這一操作，低功耗藍牙設備便能夠利用相位信息[敏感詞]測量距離。
圖5，低功耗藍牙信道探測的相位測距技術
低功耗藍牙CS被定位為比低功耗藍牙RSSI更安全、更準確的定位技術。當然，它僅提供距離測量而非方向信息；其兩種模式（PBR和RTT）可以在范圍、精度和安全性間進行權衡。此外，使用低功耗藍牙CS技術估算距離涉及兩個設備間一系列復雜的通信過程，這些事件在后處理測量結果時會消耗大量電能，最終導致較長的測距時間和不佳的用戶體驗。盡管可以使用高級算法來提高測距精度，但會以消耗功率和縮短電池壽命為代價。
低功耗藍牙CS和UWB均為優秀的定位技術，并且在某些情況下能夠互為補充。例如，若要在倉庫內追蹤一個距離不超過50米的小型資產，低功耗藍牙CS可用于粗略定位（500厘米以內），而UWB則提供精細定位（小于10厘米）。在當今的許多測距應用中，UWB的部署通常使用2.4GHz低功耗藍牙無線電進行初始設備發現與身份驗證，然后再激活UWB無線電以達成安全的[敏感詞]測距；可見，這兩種技術已被結合使用。實際上，低功耗藍牙CS只是提供了另一種技術選擇，對于許多已經采用低功耗藍牙RSSI的應用來說，測距的提升可能就是所需要的全部。
覆蓋范圍、數據傳輸速率和功耗通常是評估物聯網連接技術的關鍵基準，而定位技術的安全性和部署成本同樣備受關注。接下來，讓我們來探討一下這兩種技術間一些品質因數的比較。
由于可實現的覆蓋范圍可受到諸多因素的影響，其也成為一個難以量化的指標。雖然工作頻率、數據速率和天線設計都至關重要，但應用環境直接影響可達成的覆蓋范圍，尤其是在存在多徑信號反射的室內環境中。此外，如歐洲等一些地區的規定允許UWB傳輸功率水平[敏感詞]可增加10dB（即-31.3dBm），以進一步擴大覆蓋范圍。
在典型的視距（LOS）條件下，UWB的測距范圍可達50米。另一方面，低功耗藍牙僅能準確測量20至30米范圍內的距離。如圖6所示，在相同的2500m2覆蓋區域內，UWB所需的錨點比低功耗藍牙更少，從而降低了基礎設施、部署和維護成本。換言之，為保持亞米級精度，低功耗藍牙需要更多的錨點來盡量縮短錨點與標簽間的距離。
雖然低功耗藍牙CS在PBR模式下提高了定位精度至亞米級水平，并且使用RTT模式可以將范圍增加到50米以上，但精度和覆蓋范圍之間會存在權衡（低功耗藍牙CS-RTT的精度為幾米）。因此，對于低功耗藍牙CS來說，亞米級精度僅限于較短的距離；在覆蓋區域的邊緣，精度通常會下降，特別是在具有挑戰性的多徑環境中。
圖6，UWB和低功耗藍牙覆蓋場景比較
在科技發達的當今世界，網絡安全、黑客攻擊和個人信息保護問題始終是人們關注的焦點。不幸的是，我們中的許多人都曾收到來自所用服務或其提供商的數據泄露通知。鑒于大量的數據通過無線方式傳輸，因此開發具有盡可能強大安全性的連接產品至關重要。
藍牙特別興趣小組（Bluetooth SiG）正在努力確保低功耗藍牙CS將成為一種安全可靠的設備間通信定位技術。使用低功耗藍牙CS時，在發起設備和反射設備間建立安全連接是先決條件。該標準將防欺騙功能納入數據包結構中；經加密、加擾的數據包也是CS程序的一部分。然而，CS技術尚處于起步階段，其安全漏洞尚未得到充分驗證。事實上，低功耗藍牙CS要想在諸如汽車行業的數字車鑰匙等應用場景中被采納，可能還需數年時間；原因在于車聯網聯盟（CCC）需要確信低功耗藍牙CS技術安全、快速且兼容。
與此同時，UWB技術因其強大的安全特性而著稱。作為一種基于脈沖并利用飛行時間（ToF）的信號，UWB所遵循的標準——IEEE 802.15.4z——已在物理層（PHY）增添了安全增強措施，包括加密、隨機數生成以及其它技術；這些都加大了外部攻擊者操縱UWB通信的難度。
在核心層面，UWB使用美國聯邦政府廣泛采用的加密規范——高級加密標準（AES）協議，以生成并保障數據包傳輸的安全性。在UWB中，加擾時間戳序列（STS）對設備間信令傳輸的[敏感詞]時間進行編碼，以確保測距準確性。這些數據用AES密鑰加密，以防止時間戳被偽造。此外，一些UWB設備已經達到物聯網平臺安全評估標準（SESIP）3級認證。
低功耗藍牙CS的結構意味著一次只能有一個設備與另一個設備進行測距。由于不支持廣播功能，一個設備可以輪流與多個設備進行測距，但這將增加測量時間并限制可擴展性。即使獲取兩個設備之間相對準確的距離測量值，也需要執行包含多個事件和子事件的復雜測距流程，從而導致較長的測距時間。雖然這在一些應用（如點對點通信或粗略的接近度檢測）中可能是可以接受的，但對于汽車制造裝配廠這類場景而言則不可行，因為數百項資產的位置和運輸對避免出現停機時間和成本超支等情況至關重要。
另一個需要考慮的是如何在智能手機中利用低功耗藍牙CS技術。低功耗藍牙CS確實允許使用多個天線來減輕多徑效應的影響；然而，由于天線間距要求非常嚴格，對于智能手機來說，采用多天線的低功耗藍牙AoA或甚至低功耗藍牙CS都將是一個挑戰。典型的低功耗藍牙AoA實施中，需要使用兩個接收天線，它們相隔半個波長以確保最大180°的相位差。在2.4 GHz時，低功耗藍牙的波長（λ）= 125毫米，接收天線需要相隔（λ/2）= 62.5毫米。相比之下，在8GHz時， UWB的波長（λ）= 約37.5毫米，λ/2 = 約18.8毫米；僅僅是低功耗藍牙天線間距的一小部分。鑒于現代智能手機已經使用了基于多天線的多種無線電技術（5G、Wi-Fi、低功耗藍牙、NFC、UWB），為支持AoA而調整低功耗藍牙天線的間距將面臨不小的采用障礙。最終，為智能手機設計的低功耗藍牙芯片很可能會支持低功耗藍牙CS，但是否將低功耗藍牙CS作為定位功能來使用，則要取決于設備制造商的選擇。
另一方面，UWB已經應用于所有主流智能手機中，用于尋找個人物品、解鎖汽車和室內導航。對于室內資產跟蹤，UWB可以通過上行鏈路TDoA（UL-TDoA）技術，將UWB標簽發送或“廣播”至時間同步的錨點網絡；這些錨點隨后與中央定位引擎（網關）通信以計算標簽的位置，從而實現對數百甚至數千個設備的規模化追蹤。以工廠倉庫為例，如上文圖6所示，UL-TDoA還可以與下行鏈路TDoA（DL-TDoA）相結合，以定位資產標簽，然后使用手機或其它設備導航至這些資產標簽。
除UWB外，Qorvo還針對智能家居、照明和低功耗物聯網應用提供了一套低功耗藍牙/Matter解決方案。該產品組合包括為網關、家庭中心設備和終端設備優化，且易于使用并經過認證的解決方案。其中，Qorvo帶來的一個關鍵差異化優勢在于ConcurrentConnect 技術；該技術可以同時管理基于不同標準及協議運行的多個設備間的通信，且無明顯延遲。
本文探討了UWB、低功耗藍牙RSSI、AoA和CS技術的演變、功能與應用，重點關注它們在定位服務中的作用。UWB以其卓越的精度和抗干擾能力在資產跟蹤和訪問控制等需要高[敏感詞]度和安全性的應用中表現突出。與此同時，低功耗藍牙作為物聯網生態系統中的核心技術，通過創新的定向和信道探測技術增強了其定位能力。工程師可以通過綜合考慮準確性、可靠性、安全性和成本等關鍵因素，來選擇最適合其特定應用的技術。
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