准确定位人员和物品的需求一直是带动企业发展的巨大经济推动力，也是消费者所期待的生活方式。据 Gartner 预测，到2030年，室内定位服务市场规模将达到550亿美元。针对最终应用的各类需求，超宽带（UWB）、低功耗蓝牙（Bluetooth® LE）及Wi-Fi等室内定位技术应运而生。最近，UWB凭借其卓越的定位精度、低延迟及强大的安全特性在商业领域得到广泛采纳。其通过类似雷达的脉冲传输实现厘米级定位精度，适用于从遗失物品搜寻到楼宇安全门禁，再到运动员成绩追踪，乃至室内导航等多种应用。 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。 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 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。 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：
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 |
