可穿戴设备的无线应用

作者：Luc Darmon 

随着可穿戴设备需要更多的吞吐量，以及更准确的位置定位和距离测量变得非常重要，UWB将成为可穿戴设备基础设施的基石。这种更高的定位精度和吞吐量将使可穿戴设备能够真正进行计算。

在过去的两年里，可穿戴计算已经从一个不切实际的星际迷航般的幻想，变成了每个人都试图进入的下一个热门市场。在短短两年内，谷歌眼镜，我是手表，索尼智能手表，三星Galaxy Gear，以及最近的Apple Watch都已将可穿戴设备推向了世界关注的最前沿。2012年价值7亿美元的智能手表市场在2014年已成为25亿美元的市场。最近，我们看到一股新的健身追踪器腕带，蓝牙戒指，LifeBlogging设备和其他更深奥的可穿戴设备进入市场。

第一代可穿戴设备在很大程度上使用蓝牙与佩戴者的智能手机进行通信。鉴于蓝牙在市场上的普遍性，这是有道理的 - 可穿戴设备的制造商可以通过蓝牙连接到市场上几乎任何智能手机。

早期的可穿戴设备使用无线来传输简短和低带宽的内容，例如SMS大小的消息或更新，来电通知等。但随着可穿戴设备的进步，消费者希望他们的设备做得更多，其他无线技术在满足无线可穿戴设备需求方面可能比蓝牙更强大。

随着可穿戴设备进入市场，它们与用户智能手机的连接是逐一处理的。这是完全合理的，因为设备正在进入一个空的市场。但是，如果可穿戴设备按预期起飞，将需要更复杂的连接，例如大量设备动态连接的网状网络。这在标准低功耗蓝牙（BLE，又名蓝牙4.0）中是不可能的，尽管它是由一些BLE芯片制造商以专有方式开发的。当用户拥有一部智能手机和一台可穿戴设备时，网状网络并不重要，但随着用户开始拥有更多的可穿戴设备，例如智能手表，眼镜显示器和健身手环，网状网络将变得更加重要。此外，随着这些设备开始连接到智能家居和智能办公室，用于安全、环境个性化等应用，以网状方式动态连接到许多设备将变得更加重要。

无线技术在可穿戴设备上的另一个重要用途是位置跟踪。可穿戴设备可以根据自己的位置与环境进行交互，例如在进入房间或接近房间的特定区域时打开灯。当您离智能手机或钱包太远时，可穿戴设备可以通知您。可穿戴设备可以根据可穿戴设备的确切位置和方向增强现实。可穿戴设备可以在您四处走动时跟踪您的健康状况。

但所有这些功能都需要精确和快速的位置感知。如果我想知道当我离智能手机超过5米时，我不会希望每次某种障碍物导致我的手机认为它离无线接入点比实际位置更远时都发出假警报。如果我想知道我什么时候靠近一个朋友，我需要知道它，因为我接近那个朋友，而不是5分钟后，也不是在我还很远的时候。

不幸的是，许多人在使用蓝牙进行位置跟踪时遇到了麻烦，在准确性，延迟和一致性方面存在可衡量的问题。基于BLE的位置接近系统可能需要长达20秒的时间才能注意到您已经进入了关键区域，而基于BLE的位置跟踪通常只能精确到3-6米以内。两个设备之间的距离越远，精度就越差。

位置定位缺乏准确性和速度，阻碍了可穿戴设备和智能手机上基于位置的应用。“室内定位需要提供更高精度，快速和更可靠的功能，以便室内定位应用程序在移动设备和可穿戴设备上真正起飞，”灰熊分析分析师Bruce Krulwich博士说。

蓝牙缺乏定位精度的原因很明显。几乎所有基于蓝牙的位置和距离都是通过信号强度测量的。从逻辑上讲，这是有道理的 - 两个设备之间的距离越远，它们之间的信号就越弱。不幸的是，反之则不然。如果信号强度低，是因为第二个设备很远，还是因为两个设备之间存在障碍物？许多无线网络效应，包括障碍物、反射、折射、多路径接收等，都使信号强度成为不可靠的距离指标。

当然，还有许多其他无线测量距离和位置的方法，例如测量到达时间（ToA）或到达时差（TDoA），它们往往比信号强度更准确。但窄带无线电，如蓝牙和Wi-Fi信号，往往很难用于ToA。窄带传输的形状为逐渐开始和结束的长脉冲。这非常适合高带宽和弹性传输，但这意味着无线电波没有一个可以精确和一致地测量的明确开始和停止。这也意味着反射和折射等无线效应会严重损害无线电波的清晰度。

目前进入市场的这一挑战的一个解决方案，特别是在物联网（IoT）和可穿戴设备中，是超宽带（UWB）无线电。UWB 无线电的设计方式可实现准确、一致且有弹性的位置和距离测量。下图显示了 UWB 与蓝牙等窄带系统的比较：

图 1：蓝牙与 UWB 脉冲比较。

UWB的窄而清晰的无线电脉冲使得测量到达时间变得更加容易，与蓝牙相比，距离测量要准确得多。

更重要的是，下图显示了每个无线电系统在存在反射的情况下的表现：

图 2：蓝牙与 UWB 反射处理比较。

窄带无线电最终被反射损坏，因此其内容仍然被传输，但其信号较弱，不能用于距离测量。另一方面，UWB仍然非常适应到达时间测量。

UWB也可以在网状网络中轻松实现。与蓝牙针对两个设备之间配对通信的设计不同，UWB 支持多对多网状网络通信。

UWB的数据速率不如Wi-Fi高，但在6-7 Mbps时高于蓝牙，并且足以用于可穿戴设备之间的无线通信。大多数可穿戴设备传输短消息，传感器数据，位置跟踪等，但到目前为止几乎不需要更高带宽的通信。（请注意，较旧的 UWB 协议具有更高的吞吐量，高于 100 Mbps，但由于电源要求，这些协议对于小型设备并不成功。现代 UWB 系统可提供 6-7 Mbps 的速率。

迪卡波最近推出了符合IEEE 802.15.4标准的UWB无线单芯片实现，为可穿戴设备打开了UWB的大门。其他公司在设备或印刷电路板（PCB）模块中提供UWB，但单芯片实现更适合可穿戴设备集成。SK电信使用DecaWave的UWB芯片在2014年世界移动通信大会上提供了非常精确的位置跟踪演示，清楚地表明，改进位置测量的基本原理实际上在实践中已经出现。

目前，UWB已用于联网设备，但在配备UWB的智能手机进入市场之前无法与智能手机交互。支持UWB的智能手机已经得到演示，许多手机制造商正在评估UWB芯片，以便集成到未来的型号中。