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UWB技术规范
1.1、UWB 基本信息
UWB（Ultra Wideband）定义：DARPA 和 FCC 针对UWB 提出了不同的定义，但只是参数上有细微的差异。
1.2、UWB的特点
首先是超宽频，其频率覆盖从 3G~5G，6G~10G 共 7G 的频段，单信道带宽超过 500MHz。其次是其功率低，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。
超短脉冲，维持时间为零点几纳秒。
1.3、UWB的几种技术规格
基带窄脉冲
IR-UWB： 直接通过天线传输，不需要对正弦波调制。这种系统实时简单，成本低、功耗低、抗多径强、良好的穿透性等。后来被 802.15.4a 标准所采用。
在 IEEE 802.15.4a-2007 的规范中，定义了两种物理层，
一种为CSS 技术（德国 Nanotron 提供芯片，工作在 2.4G，窄带定位技术）；一种为 IR-UWB技术。两种技术比较如下：
带通载波调制
DS-UWB（直接序列码分多址） MB-UWB（多带正交频分复用）由于技术之争UWB 用于数据传输的方案最终没有达成统一方案。后续由于 802.11n 等技术的发展及其快速普及，导致 UWB 的优势不够明显，到最后的没落。
UWB报文结构
UWB工作频段/信道
全球可用的频段分布表如下：
| 区域 | 允许工作频段 |
| 欧洲 | 6.0 to 10.6 GHz |
| 美国 | 3.1 to 10.6 GHz |
| 日本 | 7.25 to 10.25 GHz |
| 韩国 | 7.2 to 10.2 GHz |
| 新加坡 | 3.4 to 10.6 GHz |
| 中国 | 6.0 to 9.0 GHz |
UWB信道划分
信道划分中，有两种信道，一种是 500MHz 信道，另外一种为 1GHz 信道，在沃旭的产品开发中，目前主要采用 500MHz 信道。即信道 1、2、3、5 这四个信道。
输出功率和法规
FCC 的规定，最高不超过-41dBm/MHz
国内的功率规定
工作速率和灵敏度
DW1000 提供三种不同的工作速率，为 110Kbps，850Kbps，6.8Mbps，在不同频率和不同速率下，对应的灵敏度不同。
测试条件：25℃ 丢包率：1%
频率偏差: ±10%
| 信道 | 速率 | 接收灵敏度(dBm) |
| 5 | 110Kbps | -103 |
| 850Kbps | -102 | |
| 6.8 Mbps | -93 |
市场上主要的UWB芯片供应商：
市场上的UWB 产品，一种是采用 SoC 的产品开发，一种是采用 FPGA 的方式开发。
Decawave（爱尔兰 www.decawave.com）：主要是用户定位
BeSpoon (法国www.bespoon.com)：主要是用户定位
Novelda（https://www.xethru.com/）：主要是用于 UWB 雷达
技术特性：
1、输出功率低
按802.15.4a 的协议规格，UWB 的输出功率为-41dBm/MHz，按500MHz 理解，总积分的功率为-14dBm，对WiFi 而言，按20MHz 计算，一般功率在100mW，也就是20dBm，其功率是大概是UWB 的2000~5000 倍。
2、穿透性
UWB 能有效穿透墙体等，但会带来一定的信号衰减。下面的表格为工作在信道2（4G Hz为中心频点）下的穿透带来的信号衰减。
3、多径识别
什么是多径：
电磁波从发射端到接收到，可能是直接传送，也可以能是通过发生到到目标。在一般的窄带通信中，一般处理信号强度最强的一个，不一点是最先到达的信号。而在UWB 通讯中，根据时间差，能准确识别第一个达到（First Path）的信号。但在直接或穿透达到的时候，只能认为第一个多径达到的信号。
UWB 和所有的其他电磁波信号一样，是无法穿透金属的。典型多径：
多径识别：
4、精度
关于精度，主要涉及到下面的三个精度。
a、测距精度：
测距的精度，主要影响的因数有两个，一个是所采用的测距算法，另外一个方面是所采用的时钟精度。测距算法，主要是采用SDS-TWR，尽可能消除由于时钟偏差带来的误差；
时钟精度：在测距系统中，可以选择用0.5PPM 的时钟TCXO，带来更好的精度。测距精度可以控制在10 厘米内。可以通过采用TCXO 等方法来改善精度
b、ToF 距离偏差
ToF 是电磁波在介质中飞行时间。在通常情况下，按光速计算，但由于电磁波穿过其他介质，其传输速度会低于光速，导致所得到的时间超过实际距离在空气中传播的实际。
c、时间同步精度
在沃旭的无线定位系统中，支持通过测距的方式和TDOA 的方式，在TDOA 的方式下，所有的定位基站需要通过无线的方式实现同步。系统的同步精度达到0.3ns。和有线同步的方式相比，极大地简化了系统，并且系统可以无限制扩展，不会受到有线距离的控制。也简化了项目实施的难度。
d、定位精度
定位精度为0.3 米。系统定位，受到多种环境因素的影响，而不是测距能达到10 厘米 的精度，定位就能达到10 厘米的精度。定位要达到10 厘米的精度，只能在实验室里面不受任何干扰的理想环境。任何一个信号的扰动，都可能给系统带来的偏差。
5、冲突与避免
a、射频冲突
在DW1000 的设备中，其射频不支持冲突侦听避免(CSMA) 机制，若两个标签同时测距，会导致射频冲突。由于采用双向测距的方式，根据配置不同，其测距持续的时间也不同。
| 速率 | 一次测距需要时间（ms） | 4 个基站测距（ms） |
| 110Kbps | 7 | 28 |
| 850Kbps | 5 | 20 |
| 6.8Mbps | 2 | 8 |
b、自由冲突
自由冲突，只能是标签比较少的情况下，在只有18% 的占空比的情况下，有97% 的几率不会冲突。所有，在测距的模式下，所有标签按1Hz （1 秒一次的频率进行测距）工作，用6.8Mbps 的速率，180ms/8 = 22.5。也就是说，不能超过22 个标签。实际使用不能超过20 个标签。所以，这只能用在地容量的场景。
c、可控冲突
若为了提升系统的容量，可以采用冲突控制的方式，增加一个射频来实现控制标签，轮流测距，这样最高可以实现1000ms/8 = 125 个标签和基站的测距。
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关于测距
1、测距方法
在测距系统中，采用对称双边双向测距Symmetric double-sided two-way ranging (SDSTWR)
这种测距方式的误差主要取决于下面几个因素：
a、 设备A、B 的时钟误差；
b、 设备处理的平均延时时间；
2、典型测距场景
在很多常见下，需要应用到无线精确测距，这里主要有点对点测距，点对多点测距，空间自由测距三种模式，满足各种场景中的不同应用。
2.1、点对多点测距
主要应用在两个设备之间的测距，这种测距最为简单，测距精度较好，便利性强。因为测距是最为基本的功能，可以基于测距进行二次深度整合。
比较典型的应用是比如行车在运行中，需要知道其精准位置，可以通过测距完成；囚犯在保外就医等，狱警可以通过精确测距，可以通过测距把囚犯控制在安全距离之内，管理人员也可以通过平台确保无徇私行为；无人机和之间进行精确测距，可以进行无人机跟拍等；旅行团可以通过UWB 控制每个人和导游之间的距离，确保无人跟丢。
2.2、空间自由测距
空间自由测距是一种比较特殊的测距模式，主要是所有目标在空间中都是一种处于运动的状态，设备每次测距测距前，需要了解周围有谁；测距的目标比较多的情况下，需要做好分配，避免他们之间相互干扰，最终都无法进行测距。
空间自由测距主要用于下面两个目标：
1、空间关系网的形成，比如无人机编队，可以所有目标之间的空间距离，形成自组网，在没有GNSS 系统的时候，可以借助UWB 形成空间编队的位置关系网；
若此系统应用在无线通讯的Mesh 网络中，也能为Mesh 提供距离参数作为决策手段。
2、防撞，比如在火车轨道上行走的维修机车，可以基于这种动态测距形成另外一种保障。
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关于定位
3.1、定位维度
定位维度是根据现场应用需要和现场客观情况进行选择。零维场景主要是用于出入的判断，一维场景主要是长宽比例不协调的场景，典型为隧道场景，在工厂也会存在一维场景，在一维场景下，被定位目标会被拉到一条线上；二维场景是定位出XY 坐标，没有高度信息；三维有高度信息，但需要在系统建设的时候，基站需要具有高度差，才能保障到在Z 轴有一定的精度。
3.2、零维
在UWB 定位中，要保证比较好的零维定位，一般是通过测距实现，用于距离限制，比如距离基站多少米内，都认为是进入了零维区域。
3.3、一维
一维定位可以用ToF，TDoA 或融合AoA 等技术实现，即使不在两个基站形成的直线上标签， 也会被定位在这条直线上。
实际位置情况：
定位结果：
3.4、二维
二维定位会显示出被定位目标的XY 坐标，若基站安装高度一致，其标签的安装高度不会影响到定位的结果。
3.5、三维
三维得到的结果是XYZ 的三维坐标，若基于测距的方式，基站安装的高度差需要得到保障，另外一种就是通过AoA 的方式，但AoA 的角度分辨需要在Z 轴上，才能有Z 轴的精度。
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定位方法
目前，UWB 定位主要是通过 TOF 测距定位，TDoA 定位，AoA 定位，前面两种一般可以单独使用，后面的 AoA 一般是和 ToF 或 TDoA 进行融合定位。
4.1、ToF定位
ToF 定位是基于测距的方式，标签和每个需要定位的基站发起测距，测距完成后进行位置计算，零维模式下，只需要和一个基站测距即可；一维模式下，至少需要和一个基站测距；二维模式下，一般需要需要三个或以上基站测距，特殊模式下可以和两个基站测距。三维需要和 四个基站进行测距；
一维特殊情况，将基站放在最顶端，只需要和一个基站测距也可以完成一维定位。
二维特殊情况，可以只和两个基站测距
一般情况下二维定位
4.2、TDoA定位
TDoA 是基于到达时间差定位，系统中需要有精确时间同步功能。TDOA 的首要问题是解决时间同步问题，时间同步有两种，
一种是通过有线做时间同步，有线时间同步可以控制在0.1ns 以内，同步精度非常高，但由于采用有线，所有设备要么采用中心网络的方式，要么采用级联的方式，但增加了网络维护的复杂度，也增加了施工的复杂度，成本升高。并且，系统中还有一个专用的有线时间同步器，价格昂贵。
一种是通过无线做时间同步，采用无线同步一般可以达到0.25ns，精度稍逊于有线时间同步，但其系统相对来说更为简单，定位基站只需要供电，数据回传可以采用WiFi 的方式，有效降低了成本，基站时间同步之后，标签发送一个广播报文，基站收到之后，标记接收到此报文的时间戳，将才内容发送到计算服务器，计算服务器更加其他基站的定位报文的时间戳，计算出被定为目标的位置。
4.3、AoA定位
AoA 定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度，一般不单独使用，由于AoA 涉及到角度分辨率的问题，若单纯AoA 定位，若离基站越远，定位精度就越差。AoA 可以配合ToF 测距时下定位，此模式下，单基站就可以完成定位。
也可以两个基站通过AoA实现定位
4.4、定位方法的选择
定位方法选择涉及到多方面因素，在系统中需要综合判断，以更好地满足系统的使用。
4.4.1 容量因素
在基于测距模式，相对来说容量比较低；在TDOA 模式下，若采用6.8Mbps 的传送速率，标签的报文限制在12 个字节内，每个报文的持续时间为95 微秒，按18% 的系统占空比计算，每个标签按1Hz 的频率工作，系统容量接近1500 个标签。若ToF 配合AoA 使用，能显著提升系统融合，比如，只和其中一个基站测距，其他基站辅助做角度判断，完成定位，系统容量能显著提升。
4.4.2 定位模式与功耗
这里主要比较一下ToF 和TDoA 两种模式下的功耗，ToF 模式下，标签需要逐一和基站测距，需要多次测距，一般一轮测距下来，需要5ms 以上。TDoA 定位，标签只需要发送一个报文即可完成定位，一般从准备到发送完成也在0.5ms 内完成，其功耗显著低于ToF 模式。
4.4.3 环境因素
环境因素是多方面的，最为典型的是区域内定位和区域外定位；由于TDoA 是基于到达时间差，将到达时间差转换为距离差之后，一般采用双曲线算法，
而双曲线算法的局限性决定了在基站围成的区域内定位精度高，在区域外定位精度比较差。而类似电厂等环境复杂的场景，系统面临建设的巨大难度，用TDoA 定位就很难满足应用的需求。这种模式下，可以采用ToF 定位，或采用TDoA 融合AoA 的定位方法解决。
4.5、位置计算
位置计算有多种模式可以选择，典型的主要有下面四种：
第一种，在服务器上做计算，这是比较常规的应用；
第二种，在基站上做计算，这是被定位目标比较少的情况下，可以有效节省成本；
第三种，在标签上做计算，这种主要是用在机器人，无人机的定位模式下，需要快速反应，将计算结果输出到目标平台；
第四种，自主空间定位，所有的设备各自计算，用于空间自组网。
4.6、系统功耗
除了定位模式的差异之外，还有一些其他影响功耗的因素
由于基站一般有交流电直接供电，标签基本上是用电池供电，其电池待机时长是一个重要指标。影响功耗的主要因素：
1、 工作时间
工作时间分两个，一个是发送时间，一个是接收时间，要特别说明的是，DW1000 在接收模式下，其功耗更高。工作时间占空比越大，系统功耗越高；
2、系统恢复时间
一方面是CPU 的恢复时间，另外一个方面是DW1000 的恢复时间，目前DW1000 恢复需要接近7ms；
3、 工作频度
工作频度越高，耗电越多，比如1 秒工作一次，即工作频度为1Hz，若要降低功耗，可以调整到0.5Hz，甚至0.01 Hz。
4、 智能休眠
在不运动的时候，采取降低定位频率或不再定位的方法，来有效降低功耗。在硬件设计中，增加运动传感器实现此功能，当被定位目标静止的时候，降低定位频率，重新运动的时候，把设备再唤醒，能有效降低设备功耗，最为典型的是对物的定位。
4.7、定位系统一般架构
在这个方案中，典型是本地做位置计算，将业务运营和管理放入云端服务器，本地管理终端和手机可以通过网络接入到云端。
听说关注公众号的都是大牛
