天华中威科技微波小课堂_如何为你的应用选择UWB的拓扑结构

UWB系统考虑因素回顾

在本节中，我们来简要介绍一下UWB的系统组件，以及硬件和软件选择如何影响系统的性能。

锚点和标签

要了解UWB系统，您需要理解锚点和标签这两个术语。锚点通常就是固定的UWB设备。标签通常是指移动的UWB设备。锚点和标签可交换信息，以便确定两者之间的距离。标签的确切位置可通过与多个锚点通信来确定。

一些设备即可作为锚点，也可作为标签。例如，当两个移动手机使用UWB来计算相互之间的距离时，它们可以在计算过程中转化角色，交替地用作标签和锚点。

存储单元和处理能力

典型的UWB设备需要具备一定程度处理能力和特定功能。对于简单的标签，要求处理器具有少量的闪存（可编程非易失性存储器）和数据存储器（易失性随机存取存储器，或RAM）。对于锚点应用，比如到达时间差(TDoA)中使用的锚点，可能需要具有更多闪存和RAM的处理器，在许多情况下还需要数据回传。

图1显示了标签（具有运动检测）或锚点（具有回传接口，如以太网或Wi-Fi接口）的常见架构。对于锚点，可能需要不同类型的处理器，具体取决于系统规模和工作负载/吞吐量需求。

图1：典型的UWB架构（锚点和标签）

天线
另一个系统考虑因素就是天线。不同的应用会需要不同的天线。例如，标签通常使用小型全向性天线。锚点则可能要使用定向天线，具体取决于拓扑结构。

软件栈

UWB通信组件和应用之间的重要互连就是UWB软件栈，如图2所示。软件栈有助于协调与外部设备的互操作性和共存。此外，软件可实现UWB通信组件和内部微控制器之间的通信。例如，在控制智能手机和汽车之间的连接时，软件负责协调通信。

软件还可以同时管理多个应用和用例。例如，某个解决方案可能是控制扬声器、照明装置、加热系统等智能家居生态系统的组成部分。它可以与所有UWB标签和UWB支持设备通信，同时利用位置信息控制环境、锁门和开门、启用和禁用报警系统等。UWB软件栈可同时处理所有这些不同的情况。

图2：Qorvo的UWB软件栈示例

使用UWB软件栈可确保UWB通信组件满足不同应用的需求。此外，从最终用户和整体系统设计角度来说，利用该软件的许多功能可以让事情变得更简单。

功能优先级排序

在一些应用场景下，不同功能需要进行优先级排序。例如，假设在某个应用中，电源管理和电池使用寿命很重要，比位置更新速率或数据吞吐量更重要。在这种情况下，可使用软件优化功耗，将设备设置为不用时关闭，需要通信时开启。

另一种情况就是，传感器LOS信号不理想或是来自不同的方向。此时，可使用软件将结果平均，以获得精确的距离信息；软件还可以平滑处理比其他信号更嘈杂的信号。为了获得更精确的结果（尤其是在快速移动应用中），或为了添加有关设备方向的信息，软件还可以将来自UWB芯片组的数据与来自惯性测量装置（包括加速计、陀螺仪和磁力计等）的数据整合在一起。

UWB拓扑结构比较和选择

UWB利用ToF的概念，这是一种通过将信号的ToF乘以光速来测量两个无线电收发器之间距离的方法。基于这个基本原理，可根据目标应用的需求以不同的方式实现UWB定位技术。

最佳拓扑结构主要由应用决定。这也就是说，设计工程师首先要将应用和拓扑结构匹配。可供选择的方法有：

?双向测距(TWR)：如图3所示，TWR方法可通过测定UWB射频信号的ToF，然后将该时间乘以光速来计算标签与锚点之间的距离。汽车无钥门禁系统就是使用TWR方法的一个应用示例TWR可生成一个安全空间，类似于一个安全气泡，同时确保在应用的时候，这个气泡保持高精度的安全控制。

图3：在安全气泡中利用UWB标签和锚点计算安全距离

如果您在两个设备之间实施TWR方案，则可以获得设备之间的距离信息。在TWR方案的基础上，您还可以在移动标签和固定锚点之间实现2D甚至3D位置测量；称为“三边测量法”。

采用TWR方法，可交换三条消息。标签通过发送一条含已知锚点地址的轮询消息启动TWR。锚点记录轮询接收时间，并回复响应消息。在收到响应消息后，标签记录时间并编写最后一条消息。锚点可利用最后一条消息中的信息确定UWB信号的ToF。

TWR方法也可用于图4和图5所示的2D/3D资产场景。图4显示使用监听器的双向测距，而图5显示使用数据标签回程的TWR。如图5所示，数据回传可以使用多种方法（如Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M等）实现，通过这些方法将数据传输至云。

图4：具有2D/3D资产和监听器的TWR

图5：具有2D/3D资产和数据标签回程的TWR

?到达时间差(TDoA)和反向TDoA：TDoA和反向TDoA方法类似于GPS。在已知的固定场所部署了多个参考点，称为“锚点”，且这些锚点在时间方面实现了紧密同步。如果为TDoA，移动设备将闪烁（也就是定期发送信息），当锚点接收到信标信号时，将基于共同的同步时基标记时间戳。然后，多个锚点的时间戳将转发至中央定位引擎，中央定位引擎将根据每个锚点的信标信号TDoA运行多点定位算法。最后将得到移动设备的2D或3D位置，如图6所示。

反向TDoA更像GPS。在该系统中，锚点发送同步信标（具有固定/已知偏移，以避免发生碰撞），移动设备利用TDoA和多点定位算法来计算其位置，如图7所示。

图6:TDoA

图7：反向TDoA

?到达相位差(PDoA)：另一个UWB拓扑就是PDoA。PDoA可将两个设备之间的距离与两者之间的方位测量结合在一起，如图8所示。利用距离和方位的组合信息，可在没有任何其他基础设施的情况下计算出两个设备的相对位置。为此，其中一个设备必须配备至少2根天线，并且能够测量每根天线处到达信号载波的相位差。相位完全不受天线变形的影响，并且可实现优于10°的测量精度，从而可以在不到5°的情况下确定发射器的方位。

图8：PDoA定位导航服务

对于每种拓扑结构，分别最适合哪种应用？这些用例主要侧重于三个不同的领域：感应式门禁、定位服务和设备对设备（点对点）应用。图9详细介绍了TWR、TDoA、反向TDoA和PDoA拓扑结构的最佳应用。

图9：常见UWB技术的理想应用