精度、安全性与效率的巅峰较量：UWB与低功耗蓝牙的终极对决！

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2024-08-15 17:26:51 927

精确定位人员和物品的需求一直是推动企业发展的关键经济动力，同时也是消费者追求的生活方式。根据Gartner的预测，到2030年，室内定位服务市场的规模将达到550亿美元。为了满足各种最终应用需求，超宽带（UWB）、低功耗蓝牙（Bluetooth? LE）以及Wi-Fi等室内定位技术应运而生。近年来，UWB凭借其卓越的定位精度、低延迟以及强大的安全性，已在商业领域广泛应用。UWB利用类似雷达的脉冲传输技术实现厘米级的定位精度，适用于从遗失物品追踪到楼宇安全门禁、运动员成绩追踪以及室内导航等多种场景。

虽然UWB在微定位方面表现出色，但低功耗蓝牙凭借其低功耗、经济性和广泛的采纳度，在物联网生态系统中仍然不可或缺。作为短距个人局域网的事实标准，低功耗蓝牙运用多种技术进行定位计算，包括接收信号强度指示（RSSI）、到达角（AoA）和出发角（AoD）技术等，以提供距离及方位信息。此外，低功耗蓝牙即将引入一种称为“信道探测（CS）”的高精度测距技术，利用测量无线电信号间的相位差和/或无线电信号的飞行时间来估算距离，从而显著提高了定位精度。

本文将深入剖析UWB与低功耗蓝牙定位技术，探讨它们的特性、应用领域及最新进展。借助对比分析，文章聚焦于这些技术的精度、可靠性和安全性，旨在帮助企业、工业及消费领域应用（如室内定位、资产追踪或楼宇安全门禁等）选择最合适的技术。

UWB与低功耗蓝牙的初步比较

首先，让我们从宏观视角来审视UWB技术与传统低功耗蓝牙RSSI、AoA、AoD以及低功耗蓝牙CS技术间的差异。表1对此进行了一些归纳，帮助您根据应用需求和产品设计要求，判断哪种技术最为匹配。

表1，UWB与低功耗蓝牙定位技术的比较

了解UWB

UWB的起源可追溯到20世纪初，而“超宽带（Ultra-Wideband）”这一术语则在1989年由美国政府提出，并在随后的几年里投入资金进行技术开发。最初，UWB仅限于军事用途，直到21世纪初才开始商业化。近二十年后，随着内置UWB U1芯片的苹果iPhone 11手机发布，UWB技术迎来大规模市场应用，如今它已嵌入智能手机、汽车和众多物联网设备中。

不同于其它技术，UWB专门设计用于实现精准、安全、实时的位置、距离和方向测量。正如其名，UWB采用极短的约2纳秒脉冲，在宽达500MHz的信道带宽上传输数据。工作在3.1-10.6GHz的频率范围内，它能够在远距离内以厘米级精度追踪目标。UWB通过飞行时间（ToF）计算距离，来获得如此级别的精度；其中ToF是指UWB脉冲在两个设备（如锚点和标签）间往返所需的时间。

图1，UWB采用飞行时间技术测量两个设备间的距离

相较于幅度或频率调制载波信号，脉冲信号的采用让UWB系统能够更快地初始化链路并以较少的重复次数发送数据。如图2所示，左侧的UWB信号比右侧窄带信号具有显著更快的上升和下降时间，从而能够精确测量信号的到达时间，增强了对多径效应和其它无线电干扰的抗干扰能力。通过在宽频带上分散能量，并以-41.3dBm的极低功率水平进行传输，UWB对于像低功耗蓝牙这样的窄带无线电信号而言，就如同宽带噪声。

图2，出现反射情况的UWB脉冲无线电，与低功耗蓝牙窄带信号的对比

UWB可以采用多种不同的拓扑结构来实现，包括双向测距（TWR）、到达时间差（TDoA）和到达相位差（PDoA），从而在功耗、部署规模和成本方面带来灵活性与权衡。因此，测距可以在两台设备之间、多台（数千台）设备之间，或者在没有任何固定锚点基础设施的情况下进行。

此外，UWB信号传输极为安全，任何试图拦截和放大信号（如中继攻击）的行为都难以成功；使得UWB在信号空间中具有低检测概率、难以截获以及抗干扰的信号特性，让它成为下图中众多位置服务应用的理想选择。

图3，UWB应用场景

人们越来越认识到，UWB技术作为一种多功能解决方案，价值不仅仅局限于测距，还具备固有的雷达功能——其可用作短距雷达系统，用于存在检测、手势识别甚至生命体征监测。这是通过在一个或多个接收天线上同时发射UWB雷达帧并接收信道脉冲响应（CIR）来实现的；随后，雷达算法通过分析CIR来感知数米外的运动、存在或手势。

了解蓝牙与低功耗蓝牙信道探测技术

自2004年问世以来，低功耗蓝牙已成为物联网领域的基石，其以低成本、长电池寿命和易于集成到消费品及服务中而备受赞誉。低功耗蓝牙在诸多应用中表现出色，从传统的音频流和数据传输，到汽车钥匙扣、智能家居小工具以及移动设备。其效率源于低功耗的特性、在2.4GHz频段40个信道上进行数据传输的能力，以及为大型设备网络构建网状网络的功能。

低功耗蓝牙定位系统的核心在于信标（Beacon）的应用。如图4所示，有两种技术用于位置估算——三边测量法和三角测量法。其中，三边测量作为最常用的方法，要求至少有两个已知距离的参考低功耗蓝牙信标，并使用RSSI来估算距离。另一方面，三角测量法则依赖于两个或三个参考点之间的已知距离，并通过测量角度——即AoA或AoD，来估算距离及方向。

图4，基于低功耗蓝牙的三边测量法和三角测量法定位估算

低功耗蓝牙5.1引入了基于三角测量法的定向技术，提供了两种定位估算方法：

AoA：一个配备单天线的发射器发送特殊信号；一个具有多天线的接收器通过测量相位差来确定信号的方向。
AoD：一个具备多天线的固定发射器发送信号；一个带有单天线的接收器通过测量相位差来确定信号的方向。

如今，得益于创新的“信道探测”技术，低功耗蓝牙超越了RSSI、AoA/AoD等方法，在定位能力上取得新的突破。这项新技术代表了低功耗蓝牙测距方式的重大飞跃；它采用相位测距（PBR）和往返时间（RTT）两种方法来准确确定两个低功耗蓝牙设备间的距离。通过发送并分析不同频率下无线信号的相位变化，PBR能够实现亚米级的定位准确度，从而带来更精确的距离估算。另一方面，基于无线电信号ToF的RTT提供了增强的安全性（时间延迟更难被破解）、更大的测距范围，并可在信道探测过程中与PBR一起使用。

低功耗蓝牙信道探测（CS）技术引入了新的物理层；相较于传统的40个信道，它使用72个信道上的振幅位移键控调制。同时，这一技术还被集成至低功耗蓝牙协议栈负责信道探测设置、定时与安全的链路层中。

让我们用简化的语言理解低功耗蓝牙CS中PBR的工作原理。如图5所示，设备A向设备B发送一个无线信号，设备B检测信号相位并将其回传给设备A；随后，设备A比较发送信号与接收信号的相位差异来计算信号传输的距离。通过在不同频率上执行这一操作，低功耗蓝牙设备便能够利用相位信息精确测量距离。

图5，低功耗蓝牙信道探测的相位测距技术

低功耗蓝牙CS被定位为比低功耗蓝牙RSSI更安全、更准确的定位技术。当然，它仅提供距离测量而非方向信息；其两种模式（PBR和RTT）可以在范围、精度和安全性间进行权衡。此外，使用低功耗蓝牙CS技术估算距离涉及两个设备间一系列复杂的通信过程，这些事件在后处理测量结果时会消耗大量电能，最终导致较长的测距时间和不佳的用户体验。尽管可以使用高级算法来提高测距精度，但会以消耗功率和缩短电池寿命为代价。

如何在UWB和低功耗蓝牙CS间做出选择

在选择室内定位技术时，特定的应用需求决定了最合适的选择。低功耗蓝牙已被广泛集成到各种设备中，包括手机、家庭中心和物联网产品。与此同时，UWB发展迅速并获得更广泛的生态系统支持，特别是在被智能手机和汽车等应用所采纳后。虽然低功耗蓝牙正在推进定位功能，但要充分利用其CS技术的能力，需要升级到支持低功耗蓝牙6.0的新硬件。由于低功耗蓝牙CS仍处于起步阶段，这项技术可能需要数年时间才能获得广泛的市场普及。

低功耗蓝牙CS和UWB均为优秀的定位技术，并且在某些情况下能够互为补充。例如，若要在仓库内追踪一个距离不超过50米的小型资产，低功耗蓝牙CS可用于粗略定位（500厘米以内），而UWB则提供精细定位（小于10厘米）。在当今的许多测距应用中，UWB的部署通常使用2.4GHz低功耗蓝牙无线电进行初始设备发现与身份验证，然后再激活UWB无线电以达成安全的精确测距；可见，这两种技术已被结合使用。实际上，低功耗蓝牙CS只是提供了另一种技术选择，对于许多已经采用低功耗蓝牙RSSI的应用来说，测距的提升可能就是所需要的全部。

覆盖范围、数据传输速率和功耗通常是评估物联网连接技术的关键基准，而定位技术的安全性和部署成本同样备受关注。接下来，让我们来探讨一下这两种技术间一些品质因数的比较。

覆盖范围

由于可实现的覆盖范围可受到诸多因素的影响，其也成为一个难以量化的指标。虽然工作频率、数据速率和天线设计都至关重要，但应用环境直接影响可达成的覆盖范围，尤其是在存在多径信号反射的室内环境中。此外，如欧洲等一些地区的规定允许UWB传输功率水平最高可增加10dB（即-31.3dBm），以进一步扩大覆盖范围。

在典型的视距（LOS）条件下，UWB的测距范围可达50米。另一方面，低功耗蓝牙仅能准确测量20至30米范围内的距离。如图6所示，在相同的2500m²覆盖区域内，UWB所需的锚点比低功耗蓝牙更少，从而降低了基础设施、部署和维护成本。换言之，为保持亚米级精度，低功耗蓝牙需要更多的锚点来尽量缩短锚点与标签间的距离。

虽然低功耗蓝牙CS在PBR模式下提高了定位精度至亚米级水平，并且使用RTT模式可以将范围增加到50米以上，但精度和覆盖范围之间会存在权衡（低功耗蓝牙CS-RTT的精度为几米）。因此，对于低功耗蓝牙CS来说，亚米级精度仅限于较短的距离；在覆盖区域的边缘，精度通常会下降，特别是在具有挑战性的多径环境中。

图6，UWB和低功耗蓝牙覆盖场景比较

安全性

在科技发达的当今世界，网络安全、黑客攻击和个人信息保护问题始终是人们关注的焦点。不幸的是，我们中的许多人都曾收到来自所用服务或其提供商的数据泄露通知。鉴于大量的数据通过无线方式传输，因此开发具有尽可能强大安全性的连接产品至关重要。

蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth SiG）正在努力确保低功耗蓝牙CS将成为一种安全可靠的设备间通信定位技术。使用低功耗蓝牙CS时，在发起设备和反射设备间建立安全连接是先决条件。该标准将防欺骗功能纳入数据包结构中；经加密、加扰的数据包也是CS程序的一部分。然而，CS技术尚处于起步阶段，其安全漏洞尚未得到充分验证。事实上，低功耗蓝牙CS要想在诸如汽车行业的数字车钥匙等应用场景中被采纳，可能还需数年时间；原因在于车联网联盟（CCC）需要确信低功耗蓝牙CS技术安全、快速且兼容。

与此同时，UWB技术因其强大的安全特性而著称。作为一种基于脉冲并利用飞行时间（ToF）的信号，UWB所遵循的标准——IEEE 802.15.4z——已在物理层（PHY）增添了安全增强措施，包括加密、随机数生成以及其它技术；这些都加大了外部攻击者操纵UWB通信的难度。

在核心层面，UWB使用美国联邦政府广泛采用的加密规范——高级加密标准（AES）协议，以生成并保障数据包传输的安全性。在UWB中，加扰时间戳序列（STS）对设备间信令传输的精确时间进行编码，以确保测距准确性。这些数据用AES密钥加密，以防止时间戳被伪造。此外，一些UWB设备已经达到物联网平台安全评估标准（SESIP）3级认证。

可扩展性与设计挑战

低功耗蓝牙CS的结构意味着一次只能有一个设备与另一个设备进行测距。由于不支持广播功能，一个设备可以轮流与多个设备进行测距，但这将增加测量时间并限制可扩展性。即使获取两个设备之间相对准确的距离测量值，也需要执行包含多个事件和子事件的复杂测距流程，从而导致较长的测距时间。虽然这在一些应用（如点对点通信或粗略的接近度检测）中可能是可以接受的，但对于汽车制造装配厂这类场景而言则不可行，因为数百项资产的位置和运输对避免出现停机时间和成本超支等情况至关重要。

另一个需要考虑的是如何在智能手机中利用低功耗蓝牙CS技术。低功耗蓝牙CS确实允许使用多个天线来减轻多径效应的影响；然而，由于天线间距要求非常严格，对于智能手机来说，采用多天线的低功耗蓝牙AoA或甚至低功耗蓝牙CS都将是一个挑战。典型的低功耗蓝牙AoA实施中，需要使用两个接收天线，它们相隔半个波长以确保最大180°的相位差。在2.4 GHz时，低功耗蓝牙的波长（λ）= 125毫米，接收天线需要相隔（λ/2）= 62.5毫米。相比之下，在8GHz时， UWB的波长（λ）= 约37.5毫米，λ/2 = 约18.8毫米；仅仅是低功耗蓝牙天线间距的一小部分。鉴于现代智能手机已经使用了基于多天线的多种无线电技术（5G、Wi-Fi、低功耗蓝牙、NFC、UWB），为支持AoA而调整低功耗蓝牙天线的间距将面临不小的采用障碍。最终，为智能手机设计的低功耗蓝牙芯片很可能会支持低功耗蓝牙CS，但是否将低功耗蓝牙CS作为定位功能来使用，则要取决于设备制造商的选择。

另一方面，UWB已经应用于所有主流智能手机中，用于寻找个人物品、解锁汽车和室内导航。对于室内资产跟踪，UWB可以通过上行链路TDoA（UL-TDoA）技术，将UWB标签发送或“广播”至时间同步的锚点网络；这些锚点随后与中央定位引擎（网关）通信以计算标签的位置，从而实现对数百甚至数千个设备的规模化追踪。以工厂仓库为例，如上文图6所示，UL-TDoA还可以与下行链路TDoA（DL-TDoA）相结合，以定位资产标签，然后使用手机或其它设备导航至这些资产标签。

Qorvo如何应对基于位置的应用

作为物联网连接解决方案的领导者，Qorvo已拥有一系列UWB解决方案来应对需要极高精度的定位应用，特别是在室内环境中。Qorvo的UWB解决方案包括多代UWB收发器、天线、交钥匙模块和软件栈，支持TWR、TDoA和PDoA的实施。Qorvo还与世界各地的众多企业在UWB设计和制造领域建立了合作关系，以协助客户实现从概念验证到生产设计的全过程。

除UWB外，Qorvo还针对智能家居、照明和低功耗物联网应用提供了一套低功耗蓝牙/Matter解决方案。该产品组合包括为网关、家庭中心设备和终端设备优化，且易于使用并经过认证的解决方案。其中，Qorvo带来的一个关键差异化优势在于ConcurrentConnect 技术；该技术可以同时管理基于不同标准及协议运行的多个设备间的通信，且无明显延迟。

结语

本文探讨了UWB、低功耗蓝牙RSSI、AoA和CS技术的演变、功能与应用，重点关注它们在定位服务中的作用。UWB以其卓越的精度和抗干扰能力在资产跟踪和访问控制等需要高精确度和安全性的应用中表现突出。与此同时，低功耗蓝牙作为物联网生态系统中的核心技术，通过创新的定向和信道探测技术增强了其定位能力。工程师可以通过综合考虑准确性、可靠性、安全性和成本等关键因素，来选择最适合其特定应用的技术。

免责声明：本文采摘自Qorvo半导体，本文仅代表作者个人观点，不代表金航标及行业观点，只为转载与分享，支持保护知识产权，转载请注明原出处及作者，如有侵权请联系我们删除。

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