Uwb

UWB技术介绍

UWB(超宽带技术)是什么

uwb（超宽带技术）是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。

UWB的特点

• 超宽频，其频率覆盖从 3G5G，6G10G 共 7G 的频段，单信道带宽超过 500MHz
• 功率低，按 FCC 等法规，其输出功率被限制在-41dBm/MHz，按单个信道 500MHz计算，其信道功率为-14.3dBm
• 超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点

优点

• 功耗更低
• 抗干扰能力更强
• 传输效率更高
• 抗多径能力更强
• 防窃听

影响UWB信号质量因素

• 多径效应影响 超宽带UWB信号在传播过程中，会受到周围环境如墙壁、玻璃和桌面等室内物品的反射和折射的影响，产生多路径效应。信号在延迟、幅值和相位等方面的变化，从而产生能量衰减，信噪比下降，导致首达信号并非直达信号，引起测距误差，UWB定位精度也随之下降。
• 多址效应影响 在多个用户环境下，其他用户的UWB信号会干扰目标信号，从而降低了估计的准确性。减小这种干扰的一种方法就是把来自不同用户的信号从时间上分开，也即对不同节点使用不同的时隙进行传输。
• NLOS（非视距信号传播）的影响 视距传播(LOS)是保证信号测量结果准确的首要、必要的前提条件，当移动定位目标和UWB基站之间不能满足条件时，UWB信号的传播只能在折射和衍射等非视距条件下完成，达到接收终端。此时第一个到达的脉冲的时间并不代表TOA的真实值，首达脉冲的方向也不是AOA的真实值，这样就会造成一定的定位误差。
• UWB穿透遮挡物信号减弱对UWB定位精度的影响 UWB信号穿透普通的砖墙时，信号值会减弱将近一半左右。因穿透墙体引起的信号传输时间的变化也会影响定位精度。 各类遮挡物对UWB信号穿透的影响程度如下所示：
  • 实体墙：一堵实体墙的这种遮挡将使得UWB信号衰减60-70%，定位精度误差上升30厘米左右，两堵或者两堵以上的实体墙遮挡，将使得UWB无法定位。
  • 钢板：钢铁对UWB脉冲信号吸收很严重，将使得UWB无法定位。
  • 玻璃：玻璃遮挡对UWB定位精度没太大影响。
  • 木板或纸板：一般厚度10厘米左右的木板或纸板对UWB定位精度没太大影响。
  • 电线杆或树木：线杆或者树木遮挡时，需要考虑它们之间距离UWB基站或者标签的距离。比如，UWB基站和定位标电签间距50米，电线杆或者树木正好在两者中间，25米处，这种遮挡就无大的影响，如离UWB基站或标签距离很近，比如小于1米，影响就很大。
• 无线干扰对UWB设备精度的影响 由于UWB信号的脉冲持续时间很短，可以认为接受的信号与干扰脉冲是不相关的，因此，经相关处理后，它们的影响可以忽略不计

UWB的应用

测距

UWB测距主要采用双向测距(Two-way Ranging)方法，以下所有的方法都包括两个节点：设备A和设备B，默认设备A是测距的发起者，设备B是响应者；双向测距主要分为以下两种方法（1和2）：

1. 单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)
2. 双边双向测距(Double-sided Two-way Ranging)

单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)

单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)，单侧双向测距（SS-TWR）是对单个往返消息时间上的简单测量，设备A主动发送数据到设备B，设备B返回数据响应设备A。

测距流程

设备A（Device A）主动发送（TX）数据，同时记录发送时间戳，设备B（Device B）接收到之后记录接收时间戳；延时Treply之后，设备B发送数据，同时记录发送时间戳，设备A接收数据，同时记录接收时间戳。 所以可以拿到两个时间差数据，设备A的时间差Tround和设备B的时间差Treply，最终得到无线信号的飞行时间Tprop如下： 两个差值时间都是基于本地的时钟计算得到的，本地时钟误差可以抵消，但是不同设备之间会存在微小的时钟偏移，假设设备A和B的时钟偏移分别为eA和eB，因此得到的飞行时间会随着Treply的增加而增加，测距误差的方程如下： Treply越小，测距越准确。另外Treply不仅仅是设备B接收到发送的时间，也包括装载数据和发送数据耗费的时间（UWB除了支持定位之外，也可以传输数据，标准可以装载128字节，扩展模式可以装载1024字节数据） 随着Treply和时钟偏移的增加，会增加飞行时间的误差，从而使得测距不准确。 因此单边双向测距（SS-TWR）并不常用，但对于特定的应用，如果对于精度要求不是很高，但是需要更短的测距时间可以采用。

双边双向测距（Double-sided Two-way Ranging）

双边双向测距（Double-sided Two-way Ranging）是单边双向测距的一种扩展测距方法，记录了两个往返的时间戳，最后得到飞行时间，虽然增加了响应的时间，但会降低测距误差。双边双向测距根据发送消息个数不同，分为两种方法：

1. 4消息方式（4 messages）
2. 3消息方式（3 messages）

双边双向测距4消息方式

分为两次测距，设备A主动发起第一次测距消息，设备B响应，得到4个时间戳；然后过了一段时间，设备B主动发起测距，设备A响应，同样得到4个不同的时间戳。最终可以得到如下四个时间差：