1. UWB基本原理

UWB(超宽带技术)是基于IEEE802.15.4a/z标准的利用纳秒级窄脉冲进行数据传输的无线通信技术, 主要服务于微位置(micro-location: a person's placement to within a few inches or feet)应用。

UWB采用2ns宽的脉冲(IR: impusle radio)序列进行距离测量，同时通过对脉冲序列进行BPSK调制进行信息的传递。联合调制的时戳信息和脉冲信号即可实现测距。如图2得益于UWB脉冲的窄特性(1帧4个脉冲宽度，约8ns)，多径信号和直射信号有很好的隔离度，距离观测可通过取检测首个脉冲即可具备较好的抗多径性能。

UWB拓扑主要可以分为：

(1). 双向测距: 测信号飞行时间(TOF) + 基于测距的交会原理(由锚点位置+TOF估计Tag位置)(减低了对时钟的要求，但Tag需要收发)(基于距离方程，和GNSS位置解算相同)

(2) 单向测距(Time Difference of Arrival): 单向测距(Tag到锚点或锚点到Tag), 锚点间需要严格的时间同步+ 基于测距的交会原理(基于距离方程，和GNSS位置解算相同)

(3) 相位差(Phase Difference of Arrival): 双天线测相位差确定到达角 + 基于测角的交会(和蓝牙AOA相同)

2 蓝牙AOA基本原理

蓝牙AOA技术是在蓝牙5.1中引入，即通过检测蓝牙信号的方向，来提高蓝牙定位的精准度，以提供更好的位置服务。如下图依据定位终端的上下模式，蓝牙高精度定位可以分为AOA(Angle of Arrival)和AOD(Angle of Departure)

无论是AOA还是AOD，其测角的原理是一致的，即通过天线阵列获取信号在不同阵元上的相位差。由于不同天线空间位置不同，一个定频信号到达两个天线的波程是不一样的，表现为接收端相位差。如下图所示，到达角q(天线指向与波前进方向夹角)即为:

q = asin[(lf)/(2pd)]

其中f为相位差，l为信号波长，d为天线相位中心距离。

其定位原理即为角度交会：

3. 技术对比

(1) 定位精度(UWB更优)

理想状态下，UWB定位与蓝牙定位均能达到厘米级精度; 在实际场景当中，UWB抗多径性能更好，有效传输距离在10m以上，是蓝牙定位的两倍左右.

(2) 功耗(蓝牙更优)

蓝牙在功耗上要低于UWB. 以相同场景下的基站为例，目前UWB基站需要有源供电、太阳能供电的方式，而蓝牙一块电池就可工作很久，在运营维护上具有明显的优势。

(3) 成本(蓝牙暂时更优)

受制于信号传播距离，蓝牙基站相邻两点距离在6米左右，UWB基站相邻两点在20-50米左右，取决于遮挡情况，设备量上蓝牙需要更多的设备，但UWB单体成本更高，随着UWB技术的不断进步完善，两者间成本的差距会越来越小。

(4)应用场景(UWB (精度更高) to B, 蓝牙(更偏移) to C)

蓝牙定位在民用场景下如医院、商超、停车场等更适用，此类场景以用户为核心，更注重用户在场景内的体验，如寻车、寻位置等。UWB定位在企业场景下更契合，如工厂、化工、电厂等，此类场景以企业为核心，更注重人员的安全与管理，在定位精度的要求上更高，故UWB比蓝牙更适合

4. 面临的挑战

蓝牙AOA面临的挑战:

(1) 信号发射干扰, 复杂楼层/区域环境的多径问题

(2) 天线阵列误差

(3) 天线方向性扰动

(4) 自由频段干扰多的问题。

(5) 密集基站布设和维护问题

(6) 终端支持的普及

UWB面临的挑战：

(1) UWB基站/TAG成本偏高

(2) UWB双向测距的功耗偏高

(2) 基站布设和维护问题

(3) 终端软硬件的普及

主要参考文献:

[1]. Qorvo, Getting back to basics with ultra wideband uwb white paper, 2021

[2]. 蓝色创源，蓝牙AOA高精度定位技术白皮书V2.0, 2021

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