UWB-AOA vs. 藍牙AOA,誰是面向未來的新技術
藍牙AOA這兩年挺火的,但你知道嗎,UWB也有AOA,甚至性能更優、成本更低,工程師們正努力讓這項新技術成為現實。
一、什么是AOA
AOA(Angle of Arrival)是一項專業術語,指的是測量無線電信號的到達角度,這項技術通常被用于無線電定位。常通過天線陣列技術來測量AOA到達角度。
AOA與采用哪種無線電技術無關,藍牙有AOA定位,5G有AOA定位,UWB也可以有AOA定位。除了AOA外,小伙伴有時可能還會遇到AOD(Angle of Departure)這個詞,AOA與AOD主要是上下行方式不同,可以認為是同樣的技術。
二、UWB-AOA與藍牙AOA對比
1.基站數量對比
UWB-AOA:單基站覆蓋半徑>20米,對安裝高度無要求
藍牙AOA:單基站覆蓋半徑為安裝高度的1~2倍
2. 定位精度對比
UWB-AOA:單臺大范圍2維精確定位+小范圍3維定位。UWB不僅可以測信號方向,還能厘米級測距,定位更準確。標簽高度不影響定位精度。
藍牙AOA:單臺小范圍2維粗糙定位。藍牙AOA能測信號方向,但不能測距離。要先假設標簽的高度是固定的,再測得信號來向與該高度平面的交點投影位置。當標簽被舉起或放下有高度變化時,會嚴重影響定位精度。
UWB-AOA:UWB技術更容易識別直達路徑,在障礙物多的復雜環境中定位精度更優。
藍牙AOA:藍牙技術無法區分直達和反射路徑,測得的是包含墻壁等障礙物反射后的混疊信號,在復雜環境下定位精度低、穩定度差。
4. 抗無線電干擾對比
UWB-AOA:UWB頻段在工信部規范下,與其它無線電沒有沖突。而且UWB是超寬帶信號,對常見電磁干擾(都是窄帶)抵抗力更強。
藍牙AOA:藍牙所用2.4G頻段非常擁擠,容易受到其它電子設備干擾,包括WIFI、藍牙耳機、智能家居、甚至無線鼠標等。
5. 成本與趨勢對比
蘋果、三星、小米、OPPO、VIVO、谷歌等都已經發布或即將發布多款集成UWB的手機和消費電子產品,UWB的市場趨勢正在形成。隨著UWB進入手機生態,眾多國內外初創公司正在將UWB芯片的成本大幅降低,逐漸達到藍牙芯片價位。藍牙相對UWB的成本和普及度優勢正在喪失,而藍牙相對UWB的物理性能局限會更加凸顯。
6. UWB-AOA優勢小結
三、藍牙AOA為什么覆蓋范圍小?
藍牙AOA最大的問題就是天線覆蓋范圍太?。聪聢D俯仰角范圍做不大,通常<60°),典型藍牙AOA基站覆蓋半徑≈1至2倍的安裝高度。例如,當藍牙AOA基站安裝在高度3米的天花板下時,每臺基站覆蓋半徑只有3~6米。 考慮到標簽高度的影響,一些有經驗的集成商會直接按照“覆蓋半徑=安裝高度”來部署。
原因1:隨著俯仰角增大,相同測角誤差引起的平面定位誤差增大
藍牙AOA定位原理是先測量好信號來向(即通過上圖的俯仰角和方位角來確定),然后求該方向與標簽高度平面(一般是地面+1米)的交點投影到地面,就是標簽位置(x, y)。但因為俯仰角測量有誤差(典型±3度精度),所以當俯仰角較小時(<60°),標簽定位點投影到地面的xy理論誤差尚??;但當俯仰角較大時(例如>60°),同樣的俯仰角測量誤差(上圖誤差e)會引起定位誤差d的大幅變化。因為藍牙無法精確測距(只能靠RSSI信號強度去估算,有米級誤差),這個問題無解。下圖是同樣的俯仰角測量誤差時,俯仰角變化與定位誤差關系的仿真圖。
而UWB-AOA可以通過TOF精確測距。定位原理是先測方向,再沿著該方向測量標簽距離,單臺基站可以直接輸出標簽的3D坐標,該坐標的投影是2D坐標。誤差變得非常小,而且不隨俯仰角范圍有明顯變化。在實際設計中,全跡的UWB-AOA基站配合良好的天線設計可以覆蓋近乎0~90°俯仰角的完整半球。
原因2:隨著俯仰角增大,平面藍牙天線陣列測俯仰角誤差增大
還有些次要原因造成藍牙AOA俯仰角小,比如藍牙天線是2.4G,頻率比UWB低,天線尺寸比UWB大,很難做出小尺寸同時兼顧0~90°全范圍俯仰角的天線設計。藍牙天線通常采用貼片排布的PCB天線(下圖),在測量俯仰角時,隨著俯仰角變大角度分辨率逐漸降低,性能變差。
再次,藍牙是窄帶信號,對環境障礙物的多徑反射比UWB要更加敏感,很容易測量到錯誤的角度,從而造成更大的誤差。
四、UWB-AOA單基站介紹
通過創新天線陣列設計,UWB-AOA單臺基站即可實現大范圍2維定位和小范圍3維定位。傳統UWB基站需要至少3臺才能獨立2維定位。
UWB-AOA單基站和傳統UWB基站部署方式和數量對比圖
五、總結
UWB-AOA是高精度、低成本、面向未來的新一代室內定位技術,未來將獲得廣泛應用。