超寬帶定位技術(shù)方法比較 ：到達時間差（TDoA）和飛行時間測距（ToF）
一、超寬帶（UWB）定位方法簡介
超寬帶是一種短距離的無線通信技術(shù)，但是同時它也可以應用在室內(nèi)定位當中，跟藍牙和WIFI定位方法不同，位置信息并不是基于信號強度（RSSI）進行計算，而是通過無線信號的飛行時間（ToF）計算的。信號飛行的速度是光速（固定值），所以只要知道飛行時間就可以計算出兩個設(shè)備的距離。
超寬帶技術(shù)分為兩種定位方法：到達時間差（TDoA）和飛行時間測距（ToF）。
超寬帶設(shè)備分為兩種角色：標簽Tag和基站Anchor；例如在人員定位場景，每個人會佩戴有一個標簽，基站會分布在被定位區(qū)域的多個位置。
1.1飛行時間測距（ToF）
標簽和基站之間會通過無線收發(fā)至少3次交互之后，可以得到標簽和基站之間的距離信息。
以下圖中最常用的3消息雙向測距方法為例，標簽和基站的測距流程如下圖所看到，標簽可以看做設(shè)備A（Device A），基站可以看做設(shè)備B（Device B），設(shè)備A主動發(fā)起第一次測距消息，設(shè)備B響應，得到4個時間戳，設(shè)備A等待Treply2之后再發(fā)起，設(shè)備B接收，再得到2個時間戳。因此可以得到如下四個時間差：
Tround1、Treply1、Round2、Treply2
飛行時間計算方法，可以使用如下公式計算：
最后乘以光速就可以得到設(shè)備A和B之間的距離。圖1-2是得到各個基站的距離之后，標簽定位的過程。
標簽和各個基站無線信號的交互如下圖所示：
圖 1-2 標簽與各個基站測距TOF流程圖
圖1-3是根據(jù)到各個基站的測距信息，以基站為中心畫圓，就可以得到一個交點，交點就是標簽的位置。
圖 1-3 雙向測距方法定位流程圖
1.2到達時間差（TDoA）
到達時間差（TDoA）技術(shù)，分為有線同步和無線同步，由于有線同步技術(shù)對布線和網(wǎng)絡(luò)的要求較高，成本比較高，因此一般會采用無線同步技術(shù)，本文介紹的到達時間差（TDoA）技術(shù)都是基于無線同步。
標簽將數(shù)據(jù)包發(fā)送到被基站覆蓋的區(qū)域內(nèi)，附近的所有基站都會收到標簽的無線信號，但不會返回任何無線信號。由于基站與標簽的距離間隔不同，因此消息在不同的時刻到達每個基站。這些時間差乘以空間中恒定的光速得到標簽和基站之間的距離差，這樣就可以形成多點定位計算的基礎(chǔ)，從而確定標簽的相對坐標。另外該技術(shù)的決定性因素是所有基站必須被同步。
基站之間同步和標簽定位的無線數(shù)據(jù)包如下圖所示：
圖 1-4 基站同步和標簽發(fā)射定位流程圖
得到各個基站的距離差之后，可以畫雙曲線，同理交點就是標簽的位置。
圖 1-5 到達時間差方法定位流程圖
二、優(yōu)缺點比較
2.1電池壽命
到達時間差（TDoA）技術(shù)，標簽定位一次只需要發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送一次所用的時間<200us，從而可以將電池的壽命延長數(shù)年。
飛行時間測距（ToF），標簽必須發(fā)射和接收，定位一次需要跟至少三個基站實現(xiàn)測距，需要實現(xiàn)至少9次的數(shù)據(jù)交互，所以功耗會大大降低。
結(jié)論：到達時間差（TDoA）技術(shù)更優(yōu)。
2.2可伸縮性（系統(tǒng)容量）
到達時間差（TDoA）技術(shù)，分為上行TdoA和下行TDoA。
(1) 上行TDoA，標簽只需要發(fā)射一次，按照有效數(shù)據(jù)12個字節(jié)計算，發(fā)射時間<151us，所以理論上容量可以達到單區(qū)域同時定位6622個標簽，但是根據(jù)ALOHA理論，保證盡可能小的沖撞情況下，只能18%的標簽同時工作，也就是6622*18% = 1192個標簽可以正常工作。
(2) 下行TDoA，標簽不需要發(fā)射，只需要接收，標簽容量可以做到無限，但是標簽功耗會大，而且所有的數(shù)據(jù)在標簽匯集，需要標簽自身解算或者傳送到服務器計算。
飛行時間測距（ToF），得到一次測距數(shù)據(jù)需要至少3次數(shù)據(jù)交互，得到一次定位數(shù)據(jù)需要至少9次數(shù)據(jù)交互；標簽和其他標簽之間如果希望不沖突，需要做好時間分配；理論上可以支持100個標簽同時工作，但是根據(jù)經(jīng)驗，需要留出測距的保護時間，所以一個標簽定位刷新率5赫茲的情況下，同時工作的標簽不會超過10個。
結(jié)論：到達時間差（TDoA）技術(shù)更優(yōu)。
2.3可擴展性（區(qū)域大小）
到達時間差（TDoA）技術(shù)，以三角形或者四邊形為最小單位，同步方式可以做到主基站同步從基站，而且主基站也可以同步其他主基站，這樣只需要注意基站在現(xiàn)場布局形狀，就可以做到無限基站的擴展；而且增加的基站不會對其他現(xiàn)有的基站造成任何影響。
飛行時間測距（ToF），同樣可以做到無限擴展區(qū)域，但是因為該方法測距過程的復雜性，因此需要現(xiàn)有基站的配合才可以使用。
結(jié)論：到達時間差（TDoA）技術(shù)更優(yōu)。
2.4物料成本
到達時間差（TDoA）技術(shù)，標簽因為只需要發(fā)射，不需要接收，所以可以省掉接收和發(fā)送的無線切換開關(guān)以及周邊的場效應管等器件；
飛行時間測距（ToF），標簽發(fā)送和接收都需要，因此成本要高一些。
結(jié)論：到達時間差（TDoA）技術(shù)更優(yōu)。
2.5定位精度
到達時間差（TDoA）技術(shù)和飛行時間測距（ToF）均可以達到<30厘米的精度。
到達時間差（TDoA）技術(shù)需要基站之間進行同步，相對來說比較依賴溫度的變化，如果基站使用的是普通晶振，定位精度會差一些；如果使用TCXO（溫補型晶振），定位精度跟飛行時間測距（ToF）差別不大。
結(jié)論：到達時間差（TDoA）技術(shù)和飛行時間測距（ToF）持平。
2.6系統(tǒng)健壯
到達時間差（TDoA）技術(shù)，定位一次需要基站發(fā)射一次同步包，標簽發(fā)射一次定位包，因此只是存在兩次的交互過程即可實現(xiàn)定位。
飛行時間測距（ToF），標簽與單個基站需要3次數(shù)據(jù)交互，定位一次需要至少三個基站交互，總共9次收發(fā)過程，增加了測距的時間，容易受到干擾，造成測距和定位的成功率會下降。
結(jié)論：到達時間差（TDoA）技術(shù)更健壯。
三、結(jié)論
總體來說，到達時間差（TDoA）的方法會更優(yōu)于飛行時間測距（ToF）。但是飛行時間測距（ToF）由于測距流程簡單，所以會相對來說更容易開發(fā)一些，對功耗和標簽容量沒有要求的場景基本可以滿足，例如實驗室少量機器人的定位。
