超寬帶定位技術方法比較 ：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，但是同時它也可以應用在室內定位當中，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備的距離。
超寬帶技術分為兩種定位方法：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，標簽可以看做設備A（Device A），基站可以看做設備B（Device B），設備A主動發起第一次測距消息，設備B響應，得到4個時間戳，設備A等待Treply2之后再發起，設備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，分為有線同步和無線同步，由于有線同步技術對布線和網絡的要求較高，成本比較高，因此一般會采用無線同步技術，本文介紹的到達時間差（TDoA）技術都是基于無線同步。
標簽將數據包發送到被基站覆蓋的區域內，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，從而確定標簽的相對坐標。另外該技術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據包如下圖所示：
圖 1-4 基站同步和標簽發射定位流程圖
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、優缺點比較
2.1電池壽命
到達時間差（TDoA）技術，標簽定位一次只需要發送一次數據，發送一次所用的時間<200us，從而可以將電池的壽命延長數年。
飛行時間測距（ToF），標簽必須發射和接收，定位一次需要跟至少三個基站實現測距，需要實現至少9次的數據交互，所以功耗會大大降低。
結論：到達時間差（TDoA）技術更優。
2.2可伸縮性（系統容量）
到達時間差（TDoA）技術，分為上行TdoA和下行TDoA。
(1) 上行TDoA，標簽只需要發射一次，按照有效數據12個字節計算，發射時間<151us，所以理論上容量可以達到單區域同時定位6622個標簽，但是根據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，而且所有的數據在標簽匯集，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），得到一次測距數據需要至少3次數據交互，得到一次定位數據需要至少9次數據交互；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，但是根據經驗，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。
結論：到達時間差（TDoA）技術更優。
2.3可擴展性（區域大小）
到達時間差（TDoA）技術，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域，但是因為該方法測距過程的復雜性，因此需要現有基站的配合才可以使用。
結論：到達時間差（TDoA）技術更優。
2.4物料成本
到達時間差（TDoA）技術，標簽因為只需要發射，不需要接收，所以可以省掉接收和發送的無線切換開關以及周邊的場效應管等器件；
飛行時間測距（ToF），標簽發送和接收都需要，因此成本要高一些。
結論：到達時間差（TDoA）技術更優。
2.5定位精度
到達時間差（TDoA）技術和飛行時間測距（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。
結論：到達時間差（TDoA）技術和飛行時間測距（ToF）持平。
2.6系統健壯
到達時間差（TDoA）技術，定位一次需要基站發射一次同步包，標簽發射一次定位包，因此只是存在兩次的交互過程即可實現定位。
飛行時間測距（ToF），標簽與單個基站需要3次數據交互，定位一次需要至少三個基站交互，總共9次收發過程，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。
結論：到達時間差（TDoA）技術更健壯。
三、結論
總體來說，到達時間差（TDoA）的方法會更優于飛行時間測距（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。
