超宽带定位（UWB 定位）是最新出现的室内定位技术之一。在 UWB 定位之前，有类似的技术被称为基带、脉冲和无载波技术。美国国防部最早使用“超宽带”一词。UWB 室内定位在1990 年代后期开始商业化。UWB 无线电是一种频谱访问方法，可以在个域网空间上提供高速数据速率通信。
根据美国联邦通信委员会的定义，UWB 定位被定义为占据频谱的一部分大于中心载波频率的 20%，或带宽大于 500 MHz 的射频信号。
UWB 是一种通信信道，可在很宽的频谱范围内传播信息。这使得 UWB 定位发射器可以传输大量数据，同时消耗很少的传输能量。超宽带可用于定位，利用到达时间差（TDOA）或射频信号获得参考点与目标之间的距离。
UWB 定位系统依赖于传输极短脉冲并使用能够以非常低的功率谱密度传播无线电能量（在宽频带上）的技术。这种高带宽为通信提供了高数据吞吐量。UWB 脉冲的低频使信号能够有效地穿过常见物体，例如跌落、家具和其他物体。
超宽带 (UWB) 定位如何工作？
UWB 为您的设备提供第六感。这些信号在从 NANO 到个人区域网络 (PAN) 的空间范围内工作。由于其低通光谱密度，它旨在在很近的地方和宽带宽上运行。UWB 遵循 802.16.5 标准并与对等设备进行通信。
UWB 采用脉冲无线电在短周期内传输大带宽，同时消耗很少的功率。UWB 使用高脉冲重复率通过每秒传输更多脉冲来提高定位精度和数据速率。
降低脉冲重复率以提高测距性能，使该技术适用于雷达和成像。
测量不是基于接收信号强度指标，而是基于飞行时间 (ToF) 和到达角 (AoA) (RSSI)。为了提高三边测量精度，需要三个或更多接收器，但视线更为重要。跟踪 UWB 标签时，它们会发出包含 ID、ToF 和时间戳数据的脉冲。信号被附近的节点拾取并发送到跟踪源进行处理。ToF 测量用于确定几厘米内标签的距离和方向。
本地化有三个主要用途：
- 通信和传感器
- 定位和资产跟踪
- 雷达
事实上，UWB 定位技术可以为许多应用提供实时室内精确跟踪，例如用于紧急服务的移动库存和定位信标、盲人和视障人士的室内导航、人员或仪器的跟踪以及军事侦察。UWB 定位信号为室内环境提供准确的位置和位置估计。
超宽带技术特点
与其他短距离通信协议相比，UWB 的频谱密度如上所示。UWB 因其 500Mhz 的高带宽而脱颖而出。它在信号密集的环境中高效运行，几乎没有干扰。它在 3.1 到 10.6 GHz 的频率范围内运行，并且需要从 0.5mW 到 41.3 dBm/MHz 的传输功率。在10米半径内，UWB信号的有效视距范围为10-150m，数据速率高达1Gbit/s。
为什么最近超宽带室内定位备受关注？
一般而言，UWB 定位系统的高数据速率可以达到 100 兆比特每秒 (Mbps)，这使其成为近场数据传输的绝佳解决方案。
此外，高带宽和极短的脉冲波形有助于减少多径干扰的影响，并有助于确定发射器和相应接收器之间突发传输的 TOA，这使得 UWB 成为比其他技术更理想的室内定位解决方案。
单个脉冲的长度确定最小差分路径延迟，而周期脉冲确定最大可观察多路径延迟，以便明确执行多路径分辨率。
此外，超宽带脉冲的低频使信号能够有效地穿过墙壁和物体等障碍物，从而提高了超宽带定位精度。事实上，UWB 提供了高准确率，可以将误差降至亚厘米。因此，对于需要高精度结果的关键定位应用，UWB 定位可以被认为是最合适的选择之一。
UWB室内定位技术不同于红外线和超声波传感器等其他定位技术，由于其高带宽和信号调制，它不需要视线，并且不受其他通信设备的存在或外部噪声的影响。此外，UWB 设备的成本并不昂贵，而且与信标等其他类似技术相比，消费者的电力更少。
许多室内定位系统是使用 UWB 技术在商业上实现的。一个著名的定位系统示例是Ubisense 系统。在 Ubisense 系统中，用户携带将 UWB 信号传输到固定传感器的标签，这些传感器使用信号通过到达时间 (TOA) 方法确定用户的位置。
UWB 室内定位的法律问题
虽然 UWB 室内定位确实有其优势，但 UWB 应用必须将其操作限制在具有宽 UWB 频率范围的短频率范围内，以降低干扰概率。为了规范 UWB 室内定位的广泛使用，开发了免许可（未许可）和单独许可框架。许多国家和主管部门已采用免许可框架进行 UWB 定位，例如美国、欧盟和许多亚太国家。这些框架需要应用特殊的面罩和操作条件。联邦通信委员会、欧洲国家、韩国和日本一致同意将 3100 至 10,600 MHz 频段的全部或部分用于此类广泛的应用。
在美国，对超宽带定位系统的带宽和功率谱密度有非常严格的要求。规定的发射频率由国家电信和信息管理局 (NTIA) 规定。
UWB定向定位系统实施的挑战之一是根据国家关于使用频率的规定，避免以规定频率传输信号。许多国家不为新设备提供 UWB 频率分配，除非它符合 NTIA 关于频谱投诉的指南或其他发达国家的任何同等要求。
超宽带室内定位优势
使用 UWB 室内导航系统的一个优点是它无需许可证，因为它的功率低。UWB 不属于无线电设备，因为它的低功率信号不会干扰大多数现有的无线电系统。与其他定位系统相比，UWB 功耗低，可提高电源效率以延长设备的电池寿命。UWB 定位使用脉冲，允许发射器仅在脉冲传输期间发送，从而在无线电上产生严格的占空比，以最小化基线功耗。
此外，超宽带定位通信的复杂性是在接收器中实现的，而不是在发射器中。此功能为发送方提供低功耗，并尽可能将复杂性转移到接收方。此外，UWB 因其大带宽而具有非常高水平的多径分辨率。大带宽提供了频率分集，使时间调制超宽带 (TM-UWB) 信号能够抵抗多路径问题和干扰。时间调制的 UWB 具有较低的拦截和检测概率，它用于一些特定的应用，例如军事。
用于室内定位系统的 UWB 比传统信号更好地穿透障碍物（如墙壁、家具和人），并且它们实现了相同的数据速率。然而，由于功率限制，常见的 UWB 定位系统可能难以穿透墙壁。
UWB 传输涉及非常短的脉冲，最近引起了极大的兴趣。非常短的脉冲在多径分量的可分辨性方面具有优势。以多径为特征的环境中的许多接收信号是信号延迟复制的叠加。这在 UWB 中已被避免，因为由于 UWB 的脉冲非常短，发射器和接收器之间路径附近的物体和表面的反射往往不会在时间上重叠。这意味着 UWB 对直接多径分量具有理想的直接解析能力。
超宽带室内定位弱点
尽管 UWB 定位系统在许多应用中都有其优势，但它也有一些弱点。例如，由于配置错误，可能会干扰在超宽频谱中运行的附近系统。在美国，用于通信应用的 UWB 频率范围为 3.1 至 10.6 GHz，其工作频率与全球微波接入互操作性 (WiMAX) 和数字电视等流行通信产品相同。在某些国家，它还可能会干扰系统，例如第三代 3G 无线系统。
有人担心许多 UWB 定位设备可能会对 GPS 和飞机导航无线电设备造成有害干扰。为了克服这些问题，已经开发了各种技术来消除对其他敏感服务的有害干扰，例如检测和避免。
现有系统也可能对uwb定位系统产生干扰。UWB 室内定位系统的信号可能会传播到包含窄带系统现有频率的其他带宽上。这种干扰可以通过使用最小均方误差 (MMSE) 多用户检测方案来抑制强窄带干扰来提高。此外，多个UWB标签同时测距可能会给信道访问控制带来一些问题，从而导致UWB定位精度降低。
尽管在 UWB 中使用非常短的脉冲具有许多优点，但 UWB 接收器需要以相对于脉冲速率在时间上非常高的精度来完成信号采集、同步和跟踪。这些步骤非常耗时。定位是导航系统中最重要和最具挑战性的阶段之一，已经开发了不同的技术来提高性能。虽然 UWB 定位除了提供许多其他功能（例如，免许可、低功耗不会干扰大多数现有无线电系统、大带宽和高数据速率通信）外，还提供高精度定位，但 UWB 定位技术可能会影响 GPS和飞机导航无线电设备，也可能对在超宽频谱中运行的现有系统造成干扰。Mapsted 分析说，UWB 跟踪系统已成为室内定位的领先技术之一，并已用于大量应用。值得庆幸的是，Mapsted 使用革命性的算法来利用各种定位系统，并为世界提供唯一不依赖使用蓝牙信标、WiFI 或 UWB 信号的室内定位系统。
UWB 与其他定位技术有何不同？
要回答“UWB 定位如何工作”的问题，让我们看一下它与 GPS 的对比。今天，室内定位技术由于其在广泛的军事和民用应用中的应用而几乎是一种新奇事物。虽然 GPS 是户外导航的代名词，但室内导航提出了大多数其他技术尚未解决的一系列独特挑战。这正是重点转移到 UWB 的原因。尽管传统的短程通信协议已经趋于平缓，但 UWB 仍然保持一致和自适应。虽然不可移动的障碍物、人员和其他信号干扰会降低蓝牙和 Wifi 的范围和数据速率，但它们对 UWB 设备或其对室内物体执行三边测量的能力没有影响，这使 UWB 与当今已知的任何定位技术不同。