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閑說無線定位技術(shù)

2018-12-21 15:28 媒體投稿

導(dǎo)讀:早浩瀚的歷史長河中,古人不停地追尋北斗的方向,尋覓茫茫大海的歸途。在有限的近代史中,呈現(xiàn)出無線的樂趣,無線技術(shù)風(fēng)起云涌,爭奇斗艷。你方唱吧,我登場,各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)十年,其中佼佼者分別為WIFI\BLUE\ZIGBEE\UWB。

早浩瀚的歷史長河中,古人不停地追尋北斗的方向,尋覓茫茫大海的歸途。在有限的近代史中,呈現(xiàn)出無線的樂趣,無線技術(shù)風(fēng)起云涌,爭奇斗艷。你方唱吧,我登場,各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)十年,其中佼佼者分別為WIFI\BLUE\ZIGBEE\UWB。



一、 WIFI:美女影星的鋼琴

WiFi不得不提起一個(gè)女人海蒂拉瑪,她真是個(gè)奇女子。年少的她迷上了表演,不辭萬里到柏林學(xué)習(xí)表演,樣貌標(biāo)志的她,很快就在好萊塢立足,但成也美貌,敗也美貌。她始終活在赫本的陰影下。有人可能會問這跟WiFi有什么關(guān)系?其實(shí)在海蒂拉瑪沒有學(xué)習(xí)表演前,她是學(xué)習(xí)通信專業(yè)的。她的第一任丈夫是個(gè)軍火商,在那時(shí)汲取很多關(guān)于通信的知識,她在二戰(zhàn)期間通過鋼琴的啟發(fā),提出了一個(gè)概念:通過讓無線電信號跳頻讓無限電制導(dǎo)的魚雷不受干擾,并取得專利。1940年,海蒂·拉瑪與他人一同發(fā)明了能夠抵擋電波干擾的軍事通訊系統(tǒng),它就是“擴(kuò)頻通訊技術(shù)”,也就是CDMA的前身,成了世上首個(gè)獲“發(fā)明界奧斯卡”獎(jiǎng)的女科學(xué)家。被廣泛用于今天的手機(jī)、衛(wèi)星通訊和無線互聯(lián)網(wǎng),她因而被后世尊為“CDMA之母”和“WiFi之母”!后來人們通過這個(gè)發(fā)明手機(jī),WiFi等技術(shù),電信巨頭高通也因?yàn)檫@個(gè)概念發(fā)家。而然她和數(shù)學(xué)家圖靈一樣,他們的思想都太多超越,并不當(dāng)時(shí)人們所理解,郁郁而終。


把WiFi變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的是沙利文,在1990年,澳大利亞科學(xué)與工業(yè)研究所的射電天文學(xué)家沙利文和他的同伴在研究一個(gè)課題,如何在一個(gè)密閉的空間里,讓無線網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸,和有線網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸一樣快捷穩(wěn)定。WiFi就這樣誕生,由于這是澳大利亞政府出資,所以政府擁有專利權(quán),我們?nèi)粘I钪灰玫蒙蟇iFi的產(chǎn)品都得交專利費(fèi)。作為21世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,WiFi也讓澳大利亞政府掙盆滿缽滿。沙利文也被澳大利亞人稱為WiFi之父。


WiFi(Wireless Fidelity),是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備(如PDA、手機(jī))等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。WiFi是一個(gè)無線網(wǎng)路通信技術(shù)的品牌,由Wi-Fi聯(lián)盟(Wi-Fi Alliance)所持有,目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。WiFi信號最初并不是為定位而設(shè)計(jì)的,通常是單天線、帶寬小,室內(nèi)復(fù)雜的信號傳播環(huán)境使得傳統(tǒng)的基于到達(dá)時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差(TOA/TDOA)的測距方法難以實(shí)現(xiàn),基于到達(dá)信號角度的方法也同樣難以實(shí)現(xiàn),如果在WiFi網(wǎng)絡(luò)中安裝能定向的天線又需要額外的花費(fèi).

定位方式一種是通過移動(dòng)設(shè)備和三個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的無線信號強(qiáng)度,通過差分算法,來比較精準(zhǔn)地對人和車輛的進(jìn)行三角定位。另一種是事先記錄巨量的確定位置點(diǎn)的信號強(qiáng)度,通過用新加入的設(shè)備的信號強(qiáng)度對比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫,來確定位置(“指紋”定位),指紋算法相比較三角定位算法精度更高。WiFi定位可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位,但精度只能達(dá)到2米左右,無法做到精準(zhǔn)定位。因此適用于對人或者車的定位導(dǎo)航,可以于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主題公園、工廠、商場等各種需要室內(nèi)定位導(dǎo)航的場合。

小米以及把WiFi模組價(jià)格做到十元的價(jià)格,進(jìn)一步推動(dòng)普及應(yīng)用。


二、 BLUETOOTH:國王的藍(lán)色牙齒

藍(lán)牙的名字來源于10世紀(jì)丹麥國王Harald Blatand,因?yàn)檫@個(gè)國王非常喜愛吃藍(lán)莓,牙齒總是被染成藍(lán)色,所以得到了Bluetooth這個(gè)綽號。當(dāng)時(shí)藍(lán)莓因?yàn)轭伾之惖木壒时徽J(rèn)為是不適合食用的東西,因此這位愛嘗新的國王也成為創(chuàng)新與勇于嘗試的象征。


藍(lán)牙的創(chuàng)始人是瑞典愛立信公司,愛立信早在1994年就已進(jìn)行研發(fā)。1997年,愛立信與其他設(shè)備生產(chǎn)商聯(lián)系,并激發(fā)了他們對該項(xiàng)技術(shù)的濃厚興趣。 1998年2月,5個(gè)跨國大公司,包括愛立信、諾基亞、IBM、東芝及Intel組成了一個(gè)特殊興趣小組(SIG),他們共同的目標(biāo)是建立一個(gè)全球性的小范圍無線通信技術(shù),即現(xiàn)在的藍(lán)牙。

藍(lán)牙4.0實(shí)際是個(gè)三位一體的藍(lán)牙技術(shù),它將三種規(guī)格合而為一,分別是傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和高速藍(lán)牙技術(shù),這三個(gè)規(guī)格可以組合或者單獨(dú)使用。藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)目前部署的也比較多,也是相對比較成熟的技術(shù)。藍(lán)牙跟WiFi的區(qū)別不是太大,精度會比WiFi稍微高一點(diǎn)。藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的代表是Nokia,推出了HAIP的室內(nèi)精確定位解決方案,采用基于藍(lán)牙的三角定位技術(shù),除了使用手機(jī)的藍(lán)牙模塊外,還需部署藍(lán)牙基站,最高可以達(dá)到亞米級定位精度。

藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、短距離、低功耗,容易集成在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中。只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟,就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行定位。藍(lán)牙傳輸不受視距的影響,但對于復(fù)雜的空間環(huán)境,藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差,受噪聲信號干擾大且在于藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格比較昂貴。

三、 ZIGBEE:飛舞的紫峰

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗的無線通信技術(shù),用于傳感控制應(yīng)用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出,并由其TG4工作組制定規(guī)范。。這一名稱(又稱紫蜂協(xié)議)來源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息,也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之,ZigBee就是一種便宜的,低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。2001年8月,ZigBee Alliance成立。相近的技術(shù)是Z-WAVE。



四、 UWB:八戒的釘耙

超寬帶(UWB)定位技術(shù)原為軍用雷達(dá)技術(shù)用在對地探測測距、定位、定向,后發(fā)現(xiàn)在精準(zhǔn)定位方面有很好的應(yīng)用,目前UWB技術(shù)成為民用室內(nèi)精準(zhǔn)定位的帶頭大哥。猶如掉入凡間的天蓬元帥,降維用釘耙去耕地了,UWB形狀類似釘耙的耙釘。



UWB技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代,主要用于軍事雷達(dá)。由于它具有隱蔽性好、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢,逐漸應(yīng)用于通信和定位領(lǐng)域。2002年2月,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)公布了超寬帶無線通信的初步規(guī)范,正式解除了超寬帶在民用領(lǐng)域的限制。這在UWB的發(fā)展史上是劃時(shí)代的事件,它極大地促進(jìn)了相關(guān)的學(xué)術(shù)研究,也成為超寬帶技術(shù)正式走向商業(yè)化的一個(gè)里程碑。超寬帶技術(shù)是一種脈沖無線電技術(shù),它與傳統(tǒng)的通信技術(shù)有很大差異,它不是利用載波信號來傳輸數(shù)據(jù),而是通過收發(fā)信機(jī)之間的納秒級極短脈沖來完成數(shù)據(jù)的傳輸。FCC將超寬帶信號定義為任何相對帶寬不小于20%或者絕對帶寬不小于500MHz并滿足功率譜限制的信號。其中和分別表示功率相對于峰值功率下降10dBm的高端和低端頻率。同時(shí)FCC為UWB分配了3.1 GHz ~10.6GHz共7.5GHz的頻帶,還對其輻射功率做出了比FCC Part15.209更為嚴(yán)格的限制,將其限定在-41.3dBm頻帶內(nèi)。

超寬帶通信不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波,而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù),因此具有GHz量級的帶寬。由于超寬帶定位技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn),前景相當(dāng)廣闊。


超寬帶的主要優(yōu)勢有,低功耗、對信道衰落(如多徑、非視距等信道)不敏感、抗干擾能力強(qiáng)、不會對同一環(huán)境下的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾、穿透性較強(qiáng)(能在穿透一堵磚墻的環(huán)境進(jìn)行定位),在室內(nèi)或者建筑物比較密集的場合可以獲得良好的定位效果,同時(shí)在進(jìn)行測距、定位、跟蹤時(shí)也能達(dá)到更高的精度,應(yīng)用于靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤,能提供很高的定位準(zhǔn)確度和定位精度。從技術(shù)上看,無論是從定位精度、安全性、抗干擾、功耗等角度來分析,UWB無疑是最理想的工業(yè)室內(nèi)定位技術(shù)之一。 目前主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋罕O(jiān)獄犯人定位、工廠工人設(shè)備定位、養(yǎng)老院老人定位、隧道人員定位、工地施工人員定位等等。

UWB在中國有種技術(shù)叫DACAWAVE ,還有一種叫精位科技JINGWEI