由于在室内受到钢筋混凝土的遮挡,GPS定位器在室内无法获取GPS卫星信号,这种情况下设备会自动切换为LBS基站定位,即直接获取基站的位置,所以造成了位置的偏差,所以室内定位就成为了卫星定位的盲区。于是乎,要想解决室内定位难题就必须另辟蹊径。而一种新型的室内定位技术-UWB(超宽带技术)很好的解决了室内定位的难题。相比于WIFI、iBeacons这两种室内定位技术,它具有传输速率高、发射功率低、穿透能力强、无载波、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、定位精度超高等优点,所以UWB可以称得上是室内定位领域的拯救者。

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下面我们具体介绍一些UWB技术的由来、优点、应用场景以及应用价值、发展中的问题等。

一、UWB技术的起源。

UWB最先在1990年美国国防部高级研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)评估短脉冲波技术的报告中出现,用于将短脉冲波与其他传统形式的无线技术区分开来。2002年2月,美国联邦通信委员会(FCC)公布了超宽带无线通信的初步规范,正式解除了超宽带在民用领域的限制。这在UWB的发展史上是划时代的事件,它极大地促进了相关的学术研究,也成为超宽带技术正式走向商业化的一个里程碑。超宽带技术是一种脉冲无线电技术,它与传统的通信技术有很大差异,它不是利用载波信号来传输数据,而是通过收发信机之间的纳秒级极短脉冲来完成数据的传输。FCC将超宽带信号定义为任何相对带宽不小于20%或者绝对带宽不小于500MHz并满足功率谱限制的信号。FCC为UWB分配了3.1 GHz~10.6GHz共7.5GHz频带,还对其辐射功率做出了比FCC Part15.209更为严格的限制,将其限定-41.3dBm频带内。

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二、UWB技术的优点

1.系统容量大,传输速度快

根据香农公式,带宽越宽,系统的最大传输速率就越大。传统的无线载波通信系统由于频带窄,必须采用多进制的调制方式才能使信号的传输速率达到100Mbps以上,这就要求信噪比在一个很高的水平上,同时也大大增加了系统构建的复杂性。而UWB通信的带宽都在500MHz以上,其传输速率也达到1Gbps以上。

2.发射功率低

UWB具有1GHz以上的频带宽度,极大的带宽保证了较低的发射功率。在短距离无线通信应用中,发射机发射的UWB信号功率要低于1mW,这大大延长了电池寿命,保证了较长的系统工作时间,同时对人体的辐射危害也更小。

3.多径分辨率高

UWB信号采用持续时间很短的窄脉冲,具有较强的时间和空间分辨率,系统的多径分辨率高,整个系统能够充分利用发射信号的能量。此外,UWB信号具有良好的抗多径性能,对于信道衰减不敏感,接收机通过分级便可以获得很强的康衰减能力,在室内或者建筑物比较密集的场合可以获得良好的定位效果,同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高的精度。

4.系统保密性好

UWB发射功率低,仅在1mW以下。它可以把信号弥散在一个极宽的频带范围内,对于一般的通信信号而言,UWB信号类似于白噪声可以安全低隐藏起来;而UWB信号的功率谱密度要低于普通的环境噪声,要将UWB信号从环境噪声中甄别出来不是一件容易的事情,这很好地保证了UWB信号的安全性。

5.定位精度高

UWB信号具有超宽频带的特性,使得UWB系统的距离分辨精度是其他系统的成千上百倍。UWB信号的距离分辨能力可达到厘米级,这是其它窄带系统望尘莫及的。

三、应用场景以及应用价值

1.智慧工厂领域

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在信息化技术和自动化技术迅速发展的今天,大型工厂企业的信息化统一管理、自动化生产的持续进行以及利用物联网技术预知、防范、杜绝安全事故的发生是趋势所向。同时,通过对各类安全事故案例分析,大多存在人为因素。因此,管控住人的“不安全行为”是一切安全管理工作的基础,尤其是化工、电力等安全隐患较大的行业,对于人员的精准定位和管理是重中之重。UWB技术可以很好的为工厂生产提供高精度的、智能的、可靠的技术支持。对人员和物资的精准定位将是智慧工厂的首要前提。目前工厂人员定位系统在国外的一些先进制造业、化工、炼化等领域都得到了很好的应用,大大提高了现场作业的安全环境,并且极大程度地降低管理成本,对于中国的工业4.0而言,UWB技术将无疑发挥中流砥柱的作用。

2.智能家居

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现在社会,智能家居的概念已经深入人心。相较于通过移动终端对家里的冰箱、洗衣机、空调、热水器进行远程控制的初级智能家居,UWB技术可以对室内的所有家居进行定位,从而可以形成室内家居布局图,这样的话,主人可以更加精准的对家居位置进行实时掌握,并且做出合理的调整,使得室内更加有序、条理、居住舒适。而且在寻找物品位置时更为便利。

3.司法监狱

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监狱本身的作用就是约束犯人,但是即便是有众多的监狱管理人员,也是无法做到对监狱中每一个罪犯的位置做到实时掌握,这很容易发生监狱系统的管理疏漏。而UWB很容易解决人员定位的问题,在监狱中只需要对必要的位置安装一定量的基站设备,在给每一个人员配发用于定位的标签,这样管理人员就可以通过终端的定位管理系统轻松实时掌握每个人员的位置,从而提高了司法监狱的管理效力。

四、UWB在发展中的问题

超宽带通信应用中存在的一个重要问题是与其他通信系统的共存和兼容问题。由于超宽带系统使用很宽的频带,所以和很多其他的无线通信系统频段重叠。FCC规定UWB设备主要的工作频段将位于3.1GHz和10.6GHz之间,这个频段内,其发射功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。而在此频段以外,实行更严格的功率控制标准。

除了要考虑对已有通信系统的干扰外,还要考虑对已有非通信业务有可能产生的干扰。除FCC之外,日本在2006年也提出了自己的UWB频率范围和发射功率控制标准。相比UWB,WLAN存在几个明显的技术优势。WLAN工作在免许可频段,标准化程度较高,且WLAN产品已经非常成熟,随着802.11n在未来几年的大规模应用,设备成本也将会下降到现有802.11g产品的水平。因此,在未来支持高速视频流传输上,如家庭网络中设备的无线互连,WLAN和UWB存在一定程度的应用和定位重叠。当然WLAN技术是为支持PC之间的无线连接开发的,因此在消费电子领域环境下的应用存在耗电和带宽的局限性。

尽管目前UWB的发展中存在着频率管制、标准化等难题,也还必须面对其他无线技术的竞争,但是可以预见,随着无线多媒体应用越来越普及,UWB将在消费电子领域、通信领域获得大规模应用。