準確定位人員和物品的需求一直是帶動企業(yè)發(fā)展的巨大經(jīng)濟推動力，也是消費者所期待的生活方式。據(jù) Gartner 預測，到2030年，室內(nèi)定位服務市場規(guī)模將達到550億美元。針對最終應用的各類需求，超寬帶（UWB）、低功耗藍牙（Bluetooth LE）及Wi-Fi等室內(nèi)定位技術(shù)應運而生。最近，UWB憑借其卓越的定位精度、低延遲及強大的安全特性在商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛采納。其通過類似雷達的脈沖傳輸實現(xiàn)厘米級定位精度，適用于從遺失物品搜尋到樓宇安全門禁，再到運動員成績追蹤，乃至室內(nèi)導航等多種應用。

雖然UWB在微定位方面表現(xiàn)出色，但低功耗藍牙憑借其低功耗、經(jīng)濟性和廣泛的采納度，在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中仍然不可或缺。作為短距個人局域網(wǎng)的事實標準，低功耗藍牙運用多種技術(shù)進行定位計算，包括接收信號強度指示（RSSI）、到達角（AoA）和出發(fā)角（AoD）技術(shù)等，以提供距離及方位信息。此外，低功耗藍牙即將引入一種稱為“信道探測（CS）”的高精度測距技術(shù)，利用測量無線電信號間的相位差和/或無線電信號的飛行時間來估算距離，從而顯著提高了定位精度。

本文將深入剖析UWB與低功耗藍牙定位技術(shù)，探討它們的特性、應用領(lǐng)域及最新進展。借助對比分析，文章聚焦于這些技術(shù)的精度、可靠性和安全性，旨在幫助企業(yè)、工業(yè)及消費領(lǐng)域應用（如室內(nèi)定位、資產(chǎn)追蹤或樓宇安全門禁等）選擇最合適的技術(shù)。

UWB與低功耗藍牙的初步比較

首先，讓我們從宏觀視角來審視UWB技術(shù)與傳統(tǒng)低功耗藍牙RSSI、AoA、AoD以及低功耗藍牙CS技術(shù)間的差異。表1對此進行了一些歸納，幫助您根據(jù)應用需求和產(chǎn)品設計要求，判斷哪種技術(shù)最為匹配。

表1，UWB與低功耗藍牙定位技術(shù)的比較

了解UWB

UWB的起源可追溯到20世紀初，而“超寬帶（Ultra-Wideband）”這一術(shù)語則在1989年由美國政府提出，并在隨后的幾年里投入資金進行技術(shù)開發(fā)。最初，UWB僅限于軍事用途，直到21世紀初才開始商業(yè)化。近二十年后，隨著內(nèi)置UWB U1芯片的蘋果iPhone 11手機發(fā)布，UWB技術(shù)迎來大規(guī)模市場應用，如今它已嵌入智能手機、汽車和眾多物聯(lián)網(wǎng)設備中。

不同于其它技術(shù)，UWB專門設計用于實現(xiàn)精準、安全、實時的位置、距離和方向測量。正如其名，UWB采用極短的約2納秒脈沖，在寬達500MHz的信道帶寬上傳輸數(shù)據(jù)。工作在3.1-10.6GHz的頻率范圍內(nèi)，它能夠在遠距離內(nèi)以厘米級精度追蹤目標。UWB通過飛行時間（ToF）計算距離，來獲得如此級別的精度；其中ToF是指UWB脈沖在兩個設備（如錨點和標簽）間往返所需的時間。

圖1，UWB采用飛行時間技術(shù)測量兩個設備間的距離

相較于幅度或頻率調(diào)制載波信號，脈沖信號的采用讓UWB系統(tǒng)能夠更快地初始化鏈路并以較少的重復次數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2所示，左側(cè)的UWB信號比右側(cè)窄帶信號具有顯著更快的上升和下降時間，從而能夠精確測量信號的到達時間，增強了對多徑效應和其它無線電干擾的抗干擾能力。通過在寬頻帶上分散能量，并以-41.3dBm的極低功率水平進行傳輸，UWB對于像低功耗藍牙這樣的窄帶無線電信號而言，就如同寬帶噪聲。

圖2，出現(xiàn)反射情況的UWB脈沖無線電，與低功耗藍牙窄帶信號的對比

UWB可以采用多種不同的拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，包括雙向測距（TWR）、到達時間差（TDoA）和到達相位差（PDoA），從而在功耗、部署規(guī)模和成本方面帶來靈活性與權(quán)衡。因此，測距可以在兩臺設備之間、多臺（數(shù)千臺）設備之間，或者在沒有任何固定錨點基礎設施的情況下進行。

此外，UWB信號傳輸極為安全，任何試圖攔截和放大信號（如中繼攻擊）的行為都難以成功；使得UWB在信號空間中具有低檢測概率、難以截獲以及抗干擾的信號特性，讓它成為下圖中眾多位置服務應用的理想選擇。

圖3，UWB應用場景

人們越來越認識到，UWB技術(shù)作為一種多功能解決方案，價值不僅僅局限于測距，還具備固有的雷達功能——其可用作短距雷達系統(tǒng)，用于存在檢測、手勢識別甚至生命體征監(jiān)測。這是通過在一個或多個接收天線上同時發(fā)射UWB雷達幀并接收信道脈沖響應（CIR）來實現(xiàn)的；隨后，雷達算法通過分析CIR來感知數(shù)米外的運動、存在或手勢。

了解藍牙與低功耗藍牙信道探測技術(shù)

自2004年問世以來，低功耗藍牙已成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的基石，其以低成本、長電池壽命和易于集成到消費品及服務中而備受贊譽。低功耗藍牙在諸多應用中表現(xiàn)出色，從傳統(tǒng)的音頻流和數(shù)據(jù)傳輸，到汽車鑰匙扣、智能家居小工具以及移動設備。其效率源于低功耗的特性、在2.4GHz頻段40個信道上進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ约盀榇笮驮O備網(wǎng)絡構(gòu)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡的功能。

低功耗藍牙定位系統(tǒng)的核心在于信標（Beacon）的應用。如圖4所示，有兩種技術(shù)用于位置估算——三邊測量法和三角測量法。其中，三邊測量作為最常用的方法，要求至少有兩個已知距離的參考低功耗藍牙信標，并使用RSSI來估算距離。另一方面，三角測量法則依賴于兩個或三個參考點之間的已知距離，并通過測量角度——即AoA或AoD，來估算距離及方向。

圖4，基于低功耗藍牙的三邊測量法和三角測量法定位估算

低功耗藍牙5.1引入了基于三角測量法的定向技術(shù)，提供了兩種定位估算方法：

AoA：一個配備單天線的發(fā)射器發(fā)送特殊信號；一個具有多天線的接收器通過測量相位差來確定信號的方向。

AoD：一個具備多天線的固定發(fā)射器發(fā)送信號；一個帶有單天線的接收器通過測量相位差來確定信號的方向。

如今，得益于創(chuàng)新的“信道探測”技術(shù)，低功耗藍牙超越了RSSI、AoA/AoD等方法，在定位能力上取得新的突破。這項新技術(shù)代表了低功耗藍牙測距方式的重大飛躍；它采用相位測距（PBR）和往返時間（RTT）兩種方法來準確確定兩個低功耗藍牙設備間的距離。通過發(fā)送并分析不同頻率下無線信號的相位變化，PBR能夠?qū)崿F(xiàn)亞米級的定位準確度，從而帶來更精確的距離估算。另一方面，基于無線電信號ToF的RTT提供了增強的安全性（時間延遲更難被破解）、更大的測距范圍，并可在信道探測過程中與PBR一起使用。

低功耗藍牙信道探測（CS）技術(shù)引入了新的物理層；相較于傳統(tǒng)的40個信道，它使用72個信道上的振幅位移鍵控調(diào)制。同時，這一技術(shù)還被集成至低功耗藍牙協(xié)議棧負責信道探測設置、定時與安全的鏈路層中。

讓我們用簡化的語言理解低功耗藍牙CS中PBR的工作原理。如圖5所示，設備A向設備B發(fā)送一個無線信號，設備B檢測信號相位并將其回傳給設備A；隨后，設備A比較發(fā)送信號與接收信號的相位差異來計算信號傳輸?shù)木嚯x。通過在不同頻率上執(zhí)行這一操作，低功耗藍牙設備便能夠利用相位信息精確測量距離。

圖5，低功耗藍牙信道探測的相位測距技術(shù)

低功耗藍牙CS被定位為比低功耗藍牙RSSI更安全、更準確的定位技術(shù)。當然，它僅提供距離測量而非方向信息；其兩種模式（PBR和RTT）可以在范圍、精度和安全性間進行權(quán)衡。此外，使用低功耗藍牙CS技術(shù)估算距離涉及兩個設備間一系列復雜的通信過程，這些事件在后處理測量結(jié)果時會消耗大量電能，最終導致較長的測距時間和不佳的用戶體驗。盡管可以使用高級算法來提高測距精度，但會以消耗功率和縮短電池壽命為代價。

如何在UWB和低功耗藍牙CS間做出選擇

在選擇室內(nèi)定位技術(shù)時，特定的應用需求決定了最合適的選擇。低功耗藍牙已被廣泛集成到各種設備中，包括手機、家庭中心和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。與此同時，UWB發(fā)展迅速并獲得更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)支持，特別是在被智能手機和汽車等應用所采納后。雖然低功耗藍牙正在推進定位功能，但要充分利用其CS技術(shù)的能力，需要升級到支持低功耗藍牙6.0的新硬件。由于低功耗藍牙CS仍處于起步階段，這項技術(shù)可能需要數(shù)年時間才能獲得廣泛的市場普及。

低功耗藍牙CS和UWB均為優(yōu)秀的定位技術(shù)，并且在某些情況下能夠互為補充。例如，若要在倉庫內(nèi)追蹤一個距離不超過50米的小型資產(chǎn)，低功耗藍牙CS可用于粗略定位（500厘米以內(nèi)），而UWB則提供精細定位（小于10厘米）。在當今的許多測距應用中，UWB的部署通常使用2.4GHz低功耗藍牙無線電進行初始設備發(fā)現(xiàn)與身份驗證，然后再激活UWB無線電以達成安全的精確測距；可見，這兩種技術(shù)已被結(jié)合使用。實際上，低功耗藍牙CS只是提供了另一種技術(shù)選擇，對于許多已經(jīng)采用低功耗藍牙RSSI的應用來說，測距的提升可能就是所需要的全部。

覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸速率和功耗通常是評估物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的關(guān)鍵基準，而定位技術(shù)的安全性和部署成本同樣備受關(guān)注。接下來，讓我們來探討一下這兩種技術(shù)間一些品質(zhì)因數(shù)的比較。

覆蓋范圍

由于可實現(xiàn)的覆蓋范圍可受到諸多因素的影響，其也成為一個難以量化的指標。雖然工作頻率、數(shù)據(jù)速率和天線設計都至關(guān)重要，但應用環(huán)境直接影響可達成的覆蓋范圍，尤其是在存在多徑信號反射的室內(nèi)環(huán)境中。此外，如歐洲等一些地區(qū)的規(guī)定允許UWB傳輸功率水平最高可增加10dB（即-31.3dBm），以進一步擴大覆蓋范圍。

在典型的視距（LOS）條件下，UWB的測距范圍可達50米。另一方面，低功耗藍牙僅能準確測量20至30米范圍內(nèi)的距離。如圖6所示，在相同的2500m2覆蓋區(qū)域內(nèi)，UWB所需的錨點比低功耗藍牙更少，從而降低了基礎設施、部署和維護成本。換言之，為保持亞米級精度，低功耗藍牙需要更多的錨點來盡量縮短錨點與標簽間的距離。

雖然低功耗藍牙CS在PBR模式下提高了定位精度至亞米級水平，并且使用RTT模式可以將范圍增加到50米以上，但精度和覆蓋范圍之間會存在權(quán)衡（低功耗藍牙CS-RTT的精度為幾米）。因此，對于低功耗藍牙CS來說，亞米級精度僅限于較短的距離；在覆蓋區(qū)域的邊緣，精度通常會下降，特別是在具有挑戰(zhàn)性的多徑環(huán)境中。

圖6，UWB和低功耗藍牙覆蓋場景比較

安全性

在科技發(fā)達的當今世界，網(wǎng)絡安全、黑客攻擊和個人信息保護問題始終是人們關(guān)注的焦點。不幸的是，我們中的許多人都曾收到來自所用服務或其提供商的數(shù)據(jù)泄露通知。鑒于大量的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸，因此開發(fā)具有盡可能強大安全性的連接產(chǎn)品至關(guān)重要。

藍牙特別興趣小組（Bluetooth SiG）正在努力確保低功耗藍牙CS將成為一種安全可靠的設備間通信定位技術(shù)。使用低功耗藍牙CS時，在發(fā)起設備和反射設備間建立安全連接是先決條件。該標準將防欺騙功能納入數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中；經(jīng)加密、加擾的數(shù)據(jù)包也是CS程序的一部分。然而，CS技術(shù)尚處于起步階段，其安全漏洞尚未得到充分驗證。事實上，低功耗藍牙CS要想在諸如汽車行業(yè)的數(shù)字車鑰匙等應用場景中被采納，可能還需數(shù)年時間；原因在于車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（CCC）需要確信低功耗藍牙CS技術(shù)安全、快速且兼容。

與此同時，UWB技術(shù)因其強大的安全特性而著稱。作為一種基于脈沖并利用飛行時間（ToF）的信號，UWB所遵循的標準——IEEE 802.15.4z——已在物理層（PHY）增添了安全增強措施，包括加密、隨機數(shù)生成以及其它技術(shù)；這些都加大了外部攻擊者操縱UWB通信的難度。

在核心層面，UWB使用美國聯(lián)邦政府廣泛采用的加密規(guī)范——高級加密標準（AES）協(xié)議，以生成并保障數(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌踩浴Ｔ赨WB中，加擾時間戳序列（STS）對設備間信令傳輸?shù)木_時間進行編碼，以確保測距準確性。這些數(shù)據(jù)用AES密鑰加密，以防止時間戳被偽造。此外，一些UWB設備已經(jīng)達到物聯(lián)網(wǎng)平臺安全評估標準（SESIP）3級認證。

可擴展性與設計挑戰(zhàn)

低功耗藍牙CS的結(jié)構(gòu)意味著一次只能有一個設備與另一個設備進行測距。由于不支持廣播功能，一個設備可以輪流與多個設備進行測距，但這將增加測量時間并限制可擴展性。即使獲取兩個設備之間相對準確的距離測量值，也需要執(zhí)行包含多個事件和子事件的復雜測距流程，從而導致較長的測距時間。雖然這在一些應用（如點對點通信或粗略的接近度檢測）中可能是可以接受的，但對于汽車制造裝配廠這類場景而言則不可行，因為數(shù)百項資產(chǎn)的位置和運輸對避免出現(xiàn)停機時間和成本超支等情況至關(guān)重要。

另一個需要考慮的是如何在智能手機中利用低功耗藍牙CS技術(shù)。低功耗藍牙CS確實允許使用多個天線來減輕多徑效應的影響；然而，由于天線間距要求非常嚴格，對于智能手機來說，采用多天線的低功耗藍牙AoA或甚至低功耗藍牙CS都將是一個挑戰(zhàn)。典型的低功耗藍牙AoA實施中，需要使用兩個接收天線，它們相隔半個波長以確保最大180°的相位差。在2.4 GHz時，低功耗藍牙的波長（λ）= 125毫米，接收天線需要相隔（λ/2）= 62.5毫米。相比之下，在8GHz時， UWB的波長（λ）= 約37.5毫米，λ/2 = 約18.8毫米；僅僅是低功耗藍牙天線間距的一小部分。鑒于現(xiàn)代智能手機已經(jīng)使用了基于多天線的多種無線電技術(shù)（5G、Wi-Fi、低功耗藍牙、NFC、UWB），為支持AoA而調(diào)整低功耗藍牙天線的間距將面臨不小的采用障礙。最終，為智能手機設計的低功耗藍牙芯片很可能會支持低功耗藍牙CS，但是否將低功耗藍牙CS作為定位功能來使用，則要取決于設備制造商的選擇。

另一方面，UWB已經(jīng)應用于所有主流智能手機中，用于尋找個人物品、解鎖汽車和室內(nèi)導航。對于室內(nèi)資產(chǎn)跟蹤，UWB可以通過上行鏈路TDoA（UL-TDoA）技術(shù)，將UWB標簽發(fā)送或“廣播”至時間同步的錨點網(wǎng)絡；這些錨點隨后與中央定位引擎（網(wǎng)關(guān)）通信以計算標簽的位置，從而實現(xiàn)對數(shù)百甚至數(shù)千個設備的規(guī)模化追蹤。以工廠倉庫為例，如上文圖6所示，UL-TDoA還可以與下行鏈路TDoA（DL-TDoA）相結(jié)合，以定位資產(chǎn)標簽，然后使用手機或其它設備導航至這些資產(chǎn)標簽。

Qorvo如何應對基于位置的應用

作為物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案的領(lǐng)導者，Qorvo已擁有一系列UWB解決方案來應對需要極高精度的定位應用，特別是在室內(nèi)環(huán)境中。Qorvo的UWB解決方案包括多代UWB收發(fā)器、天線、交鑰匙模塊和軟件棧，支持TWR、TDoA和PDoA的實施。Qorvo還與世界各地的眾多企業(yè)在UWB設計和制造領(lǐng)域建立了合作關(guān)系，以協(xié)助客戶實現(xiàn)從概念驗證到生產(chǎn)設計的全過程。

除UWB外，Qorvo還針對智能家居、照明和低功耗物聯(lián)網(wǎng)應用提供了一套低功耗藍牙/Matter解決方案。該產(chǎn)品組合包括為網(wǎng)關(guān)、家庭中心設備和終端設備優(yōu)化，且易于使用并經(jīng)過認證的解決方案。其中，Qorvo帶來的一個關(guān)鍵差異化優(yōu)勢在于ConcurrentConnect 技術(shù)；該技術(shù)可以同時管理基于不同標準及協(xié)議運行的多個設備間的通信，且無明顯延遲。

結(jié)語

本文探討了UWB，以及低功耗藍牙RSSI、AoA和CS技術(shù)的演變、功能與應用，特別是它們在定位服務中的角色。UWB以其高精度和抗干擾能力著稱，在資產(chǎn)跟蹤和訪問控制等要求高精確度、安全性的應用中表現(xiàn)出色。與此同時，低功耗藍牙仍然是物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的基礎技術(shù)，并通過諸如定向和信道探測技術(shù)等創(chuàng)新來增強其定位能力。工程師可通過對準確性、可靠性、安全性和成本等關(guān)鍵因素的綜合分析，來確定最適合其特定應用的技術(shù)。