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UWB-AOA vs. 蓝牙AOA,谁是面向未来的新技术

来源: 发布时间:2022-03-11 9871 次浏览

蓝牙AOA这两年挺火的,但你知道吗,UWB也有AOA,甚至性能更优、成本更低,工程师们正努力让这项新技术成为现实。

01、什么是AOA

AOA(Angle of Arrival)是一项专业术语,指的是测量无线电信号的到达角度,这项技术通常被用于无线电定位。常通过天线阵列技术来测量AOA到达角度。


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AOA与采用哪种无线电技术无关,蓝牙有AOA定位,5G有AOA定位,UWB也可以有AOA定位。除了AOA外,小伙伴有时可能还会遇到AOD(Angle of Departure)这个词,AOA与AOD主要是上下行方式不同,可以认为是同样的技术。

02、UWB-AOA与蓝牙AOA对比

1. 基站数量对比

UWB-AOA1:20蓝牙AOA

(1200平米、天花板3米的空旷环境)


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? UWB-AOA:单基站覆盖半径>20米,对安装高度无要求

?蓝牙AOA:单基站覆盖半径为安装高度的1~2倍

2. 定位精度对比

? UWB-AOA:单台大范围2维定位+小范围3维定位。UWB不仅可以测信号方向,还能厘米级测距,定位更准确。标签高度不影响定位精度。

?蓝牙AOA:单台小范围2维粗糙定位。蓝牙AOA能测信号方向,但不能测距离。要先假设标签的高度是固定的,再测得信号来向与该高度平面的交点投影位置。当标签被举起或放下有高度变化时,会严重影响定位精度。


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3. 抗多径干扰对比


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?UWB-AOA:UWB技术更容易识别直达路径,在障碍物多的复杂环境中定位精度更优。

?蓝牙AOA:蓝牙技术无法区分直达和反射路径,测得的是包含墙壁等障碍物反射后的混叠信号,在复杂环境下定位精度低、稳定度差。

4. 抗无线电干扰对比

?UWB-AOA:UWB频段在工信部规范下,与其它无线电没有冲突。而且UWB是超宽带信号,对常见电磁干扰(都是窄带)抵抗力更强。

?蓝牙AOA:蓝牙所用2.4G频段非常拥挤,容易受到其它电子设备干扰,包括WIFI、蓝牙耳机、智能家居、甚至无线鼠标等。

5. 成本与趋势对比

苹果、三星、小米、OPPO、VIVO、谷歌等都已经发布或即将发布多款集成UWB的手机和消费电子产品,UWB的市场趋势正在形成。随着UWB进入手机生态,众多国内外初创公司正在将UWB芯片的成本大幅降低,逐渐达到蓝牙芯片价位。蓝牙相对UWB的成本和普及度优势正在丧失,而蓝牙相对UWB的物理性能局限会更加凸显。

6. UWB-AOA优势小结


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03、蓝牙AOA为什么覆盖范围小?

蓝牙AOA更大的问题就是天线覆盖范围太小(即下图俯仰角范围做不大,通常<60°),典型蓝牙AOA基站覆盖半径≈1至2倍的安装高度。例如,当蓝牙AOA基站安装在高度3米的天花板下时,每台基站覆盖半径只有3~6米。考虑到标签高度的影响,一些有经验的集成商会直接按照“覆盖半径=安装高度”来部署。


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原因1:随着俯仰角增大,相同测角误差引起的平面定位误差增大

蓝牙AOA定位原理是先测量好信号来向(即通过上图的俯仰角和方位角来确定),然后求该方向与标签高度平面(一般是地面+1米)的交点投影到地面,就是标签位置(x, y)。但因为俯仰角测量有误差(典型±3度精度),所以当俯仰角较小时(<60°),标签定位点投影到地面的xy理论误差尚小;但当俯仰角较大时(例如>60°),同样的俯仰角测量误差(上图误差e)会引起定位误差d的大幅变化。因为蓝牙无法测距(只能靠RSSI信号强度去估算,有米级误差),这个问题无解。下图是同样的俯仰角测量误差时,俯仰角变化与定位误差关系的仿真图。


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而UWB-AOA可以通过TOF测距。定位原理是先测方向,再沿着该方向测量标签距离,单台基站可以直接输出标签的3D坐标,该坐标的投影是2D坐标。误差变得非常小,而且不随俯仰角范围有明显变化。在实际设计中,全迹的UWB-AOA基站配合良好的天线设计可以覆盖近乎0~90°俯仰角的完整半球。

原因2:随着俯仰角增大,平面蓝牙天线阵列测俯仰角误差增大

还有些次要原因造成蓝牙AOA俯仰角小,比如蓝牙天线是2.4G,频率比UWB低,天线尺寸比UWB大,很难做出小尺寸同时兼顾0~90°全范围俯仰角的天线设计。蓝牙天线通常采用贴片排布的PCB天线(下图),在测量俯仰角时,随着俯仰角变大角度分辨率逐渐降低,性能变差。


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再次,蓝牙是窄带信号,对环境障碍物的多径反射比UWB要更加敏感,很容易测量到错误的角度,从而造成更大的误差。

04、UWB-AOA单基站介绍


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通过创新天线阵列设计,UWB-AOA单台基站即可实现大范围2维定位和小范围3维定位。传统UWB基站需要至少3台才能独立2维定位。


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UWB-AOA单基站传统UWB基站部署方式和数量对比图

05、总结

UWB-AOA是高精度、低成本、面向未来的新一代室内定位技术,未来将获得广泛应用。