如何在UWB和低功耗蓝牙CS间做出选择
在选择室内定位技术时,特定的应用需求决定了最合适的选择。低功耗蓝牙已被广泛集成到各种设备中,包括手机、家庭中心和物联网产品。与此同时,UWB发展迅速并获得更广泛的生态系统支持,特别是在被智能手机和汽车等应用所采纳后。虽然低功耗蓝牙正在推进定位功能,但要充分利用其CS技术的能力,需要升级到支持低功耗蓝牙6.0的新硬件。由于低功耗蓝牙CS仍处于起步阶段,这项技术可能需要数年时间才能获得广泛的市场普及。
低功耗蓝牙CS和UWB均为优秀的定位技术,并且在某些情况下能够互为补充。例如,若要在仓库内追踪一个距离不超过50米的小型资产,低功耗蓝牙CS可用于粗略定位(500厘米以内),而UWB则提供精细定位(小于10厘米)。在当今的许多测距应用中,UWB的部署通常使用2.4GHz低功耗蓝牙无线电进行初始设备发现与身份验证,然后再激活UWB无线电以达成安全的精确测距;可见,这两种技术已被结合使用。实际上,低功耗蓝牙CS只是提供了另一种技术选择,对于许多已经采用低功耗蓝牙RSSI的应用来说,测距的提升可能就是所需要的全部。
覆盖范围、数据传输速率和功耗通常是评估物联网连接技术的关键基准,而定位技术的安全性和部署成本同样备受关注,来探讨一下这两种技术间一些品质因数的比较。
覆盖范围 由于可实现的覆盖范围可受到诸多因素的影响,其也成为一个难以量化的指标。虽然工作频率、数据速率和天线设计都至关重要,但应用环境直接影响可达成的覆盖范围,尤其是在存在多径信号反射的室内环境中。此外,如欧洲等一些地区的规定允许UWB传输功率水平最高可增加10dB(即-31.3dBm),以进一步扩大覆盖范围。
在典型的视距(LOS)条件下,UWB的测距范围可达50米。另一方面,低功耗蓝牙仅能准确测量20至30米范围内的距离。如图6所示,在相同的2500m2覆盖区域内,UWB所需的锚点比低功耗蓝牙更少,从而降低了基础设施、部署和维护成本。换言之,为保持亚米级精度,低功耗蓝牙需要更多的锚点来尽量缩短锚点与标签间的距离。
虽然低功耗蓝牙CS在PBR模式下提高了定位精度至亚米级水平,并且使用RTT模式可以将范围增加到50米以上,但精度和覆盖范围之间会存在权衡(低功耗蓝牙CS-RTT的精度为几米)。因此,对于低功耗蓝牙CS来说,亚米级精度仅限于较短的距离;在覆盖区域的边缘,精度通常会下降,特别是在具有挑战性的多径环境中。
安全性 在科技发达的当今世界,网络安全、黑客攻击和个人信息保护问题始终是人们关注的焦点。不幸的是,我们中的许多人都曾收到来自所用服务或其提供商的数据泄露通知。鉴于大量的数据通过无线方式传输,因此开发具有尽可能强大安全性的连接产品至关重要。
使用低功耗蓝牙CS时,在发起设备和反射设备间建立安全连接是先决条件。该标准将防欺骗功能纳入数据包结构中;经加密、加扰的数据包也是CS程序的一部分。然而,CS技术尚处于起步阶段,其安全漏洞尚未得到充分验证。事实上,低功耗蓝牙CS要想在诸如汽车行业的数字车钥匙等应用场景中被采纳,可能还需数年时间;原因在于车联网联盟(CCC)需要确信低功耗蓝牙CS技术安全、快速且兼容。
与此同时,UWB技术因其强大的安全特性而著称。作为一种基于脉冲并利用飞行时间(ToF)的信号,UWB所遵循的标准——IEEE 802.15.4z——已在物理层(PHY)增添了安全增强措施,包括加密、随机数生成以及其它技术;这些都加大了外部攻击者操纵UWB通信的难度。
在核心层面 UWB使用美国联邦政府广泛采用的加密规范——高级加密标准(AES)协议,以生成并保障数据包传输的安全性。在UWB中,加扰时间戳序列(STS)对设备间信令传输的精确时间进行编码,以确保测距准确性。这些数据用AES密钥加密,以防止时间戳被伪造。此外,一些UWB设备已经达到物联网平台安全评估标准(SESIP)3级认证。
可扩展性与设计挑战低功耗蓝牙CS的结构意味着一次只能有一个设备与另一个设备进行测距。由于不支持广播功能,一个设备可以轮流与多个设备进行测距,但这将增加测量时间并限制可扩展性。即使获取两个设备之间相对准确的距离测量值,也需要执行包含多个事件和子事件的复杂测距流程,从而导致较长的测距时间。虽然这在一些应用(如点对点通信或粗略的接近度检测)中可能是可以接受的,但对于汽车制造装配厂这类场景而言则不可行,因为数百项资产的位置和运输对避免出现停机时间和成本超支等情况至关重要。
另一个需要考虑的是如何在智能手机中利用低功耗蓝牙CS技术。低功耗蓝牙CS确实允许使用多个天线来减轻多径效应的影响;然而,由于天线间距要求非常严格,对于智能手机来说,采用多天线的低功耗蓝牙AoA或甚至低功耗蓝牙CS都将是一个挑战。典型的低功耗蓝牙AoA实施中,需要使用两个接收天线,它们相隔半个波长以确保最大180°的相位差。在2.4 GHz时,低功耗蓝牙的波长(λ)= 125毫米,接收天线需要相隔(λ/2)= 62.5毫米。相比之下,在8GHz时, UWB的波长(λ)= 约37.5毫米,λ/2 = 约18.8毫米;仅仅是低功耗蓝牙天线间距的一小部分。鉴于现代智能手机已经使用了基于多天线的多种无线电技术(5G、Wi-Fi、低功耗蓝牙、NFC、UWB),为支持AoA而调整低功耗蓝牙天线的间距将面临不小的采用障碍。最终,为智能手机设计的低功耗蓝牙芯片很可能会支持低功耗蓝牙CS,但是否将低功耗蓝牙CS作为定位功能来使用,则要取决于设备制造商的选择。