「精選知識(shí)講堂」｜不一樣的UWB（上）

2019年9月11日，蘋(píng)果發(fā)布iPhone 11，首次內(nèi)置UWB（Ultra-Wide Band，超寬帶）技術(shù)，徹底點(diǎn)燃了UWB技術(shù)市場(chǎng)。各大智能手機(jī)廠商紛紛跟上，三星、谷歌、小米等均在自己產(chǎn)品上裝備了UWB。

近日，隨著萬(wàn)眾矚目的蘋(píng)果秋季發(fā)布會(huì)告一段落，幾款新產(chǎn)品也進(jìn)入大眾視野。在硬件的布置方面，蘋(píng)果將U1芯片（蘋(píng)果自研的UWB超寬帶芯片）嵌入到AirPods Pro耳機(jī)盒中。U1芯片應(yīng)用從AirDrop到AirTag，又到2022 WWDC發(fā)布的AR應(yīng)用以及NI（Nearby Interaction，近場(chǎng)交互）構(gòu)想，如今又被內(nèi)置到耳機(jī)中。不難看出，蘋(píng)果正通過(guò)軟硬件一齊發(fā)力，繼續(xù)引導(dǎo)UWB在C端市場(chǎng)的爆發(fā)。

UWB技術(shù)是一種利用納秒（ns）至皮秒（ps）級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線通信技術(shù)。其具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢(shì)。移動(dòng)設(shè)備一旦配備 UWB 可以實(shí)現(xiàn)諸多基于精確測(cè)距和安全低功耗通信的創(chuàng)新應(yīng)用體驗(yàn)，比如免提接入、資產(chǎn)查找、導(dǎo)航、移動(dòng)支付、移動(dòng)共享、AR/VR錨點(diǎn)等。

UWB歷史“悠久”

追溯UWB的歷史，還得從脈沖無(wú)線電的發(fā)展簡(jiǎn)史說(shuō)起。

1893年

1893年，德國(guó)物理學(xué)家海因里希-赫茲用火花放電來(lái)產(chǎn)生電磁波。

1901年

意大利電氣工程師古列爾莫馬可尼(Guglielmo Marconi)橫跨大西洋2100多英里發(fā)送了字母S。

20世紀(jì)50年代

林肯實(shí)驗(yàn)室和斯佩里公司發(fā)明了一-種相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)(ESR) 用于海洋用途。

1960年代

人們首次開(kāi)發(fā)出UWB，應(yīng)用一直局限于軍事、雷達(dá)定位及測(cè)距等方面。

直到2002年

UWB才獲得FCC批準(zhǔn)，允許在雷達(dá)、公共安全和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中免許可使用 UWB 系統(tǒng)。

2002年

WiMedia聯(lián)盟致力于促進(jìn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的無(wú)線多媒體連接和互操作性，推出首個(gè) UWB 規(guī)范。

2018年

UWB 聯(lián)盟肩負(fù)著為 UWB 生態(tài)系統(tǒng)發(fā)聲的使命，通過(guò)端對(duì)端以及與供應(yīng)商無(wú)關(guān)的互操作項(xiàng)目支持 UWB 技術(shù)的發(fā)展。

2019年

FiRa聯(lián)盟成立，利用可相互操作的 UWB 技術(shù)的安全精細(xì)測(cè)距和定位功能提供無(wú)縫的用戶體驗(yàn)。

2020 年

OMLOX聯(lián)盟成立，推出集成了所有現(xiàn)有技術(shù)（如 UWB、BLE、RFID、5G 或 GPS）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)統(tǒng)一接口提供定位數(shù)據(jù)。

2021年

全球車聯(lián)聯(lián)盟 (CCC)數(shù)字密鑰版本 3.0 規(guī)范發(fā)布，增加了藍(lán)牙 LE 和 UWB，以實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)鑰匙接入和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

以上是UWB近些年來(lái)發(fā)展歷程中的重要里程碑。

當(dāng)前，UWB正處于市場(chǎng)增長(zhǎng)期，根據(jù)UWB聯(lián)盟的市場(chǎng)預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到 2025年將生產(chǎn)超過(guò)10億臺(tái)支持UWB的設(shè)備，80%的智能手機(jī)和相關(guān)附件以及11%的汽車接入設(shè)備將配備UWB技術(shù)。

日益強(qiáng)大的UWB 生態(tài)系統(tǒng)

隨著技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推進(jìn)，UWB生態(tài)系統(tǒng)也日益強(qiáng)大。從芯片、天線、UWB RTLS解決方案、到汽車和移動(dòng)設(shè)備，產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的頭部廠商紛紛進(jìn)駐。

UWB的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作主要由IEEE定義。UWB的商用化推廣，包括使用場(chǎng)景推進(jìn)，互操作協(xié)調(diào)，生態(tài)建設(shè)等工作目前主要由2018年成立的UWB 聯(lián)盟和和2019年成立的FiRa聯(lián)盟來(lái)進(jìn)行推進(jìn)和協(xié)調(diào)。其中FiRa更關(guān)注UWB定位相關(guān)的特性與應(yīng)用。R&S是 FiRa 的成員，在 FiRa 認(rèn)證小組中發(fā)揮積極的作用。

OMLOX主要負(fù)責(zé)推出精確實(shí)時(shí)工業(yè)室內(nèi)定位系統(tǒng)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，目的是定義開(kāi)放接口，用于可互操作的本地化系統(tǒng)，使各行各業(yè)能夠通過(guò)單一的****使用來(lái)自不同供應(yīng)商的不同應(yīng)用。

跨行業(yè)組織全球車聯(lián)聯(lián)盟 (CCC)主要是為智能手機(jī)到汽車提供安全的連接解決方案。CCC 正在開(kāi)發(fā)一種基于藍(lán)牙低功耗 (BLE) 與超寬帶 (UWB) 相結(jié)合的規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)鑰匙接入，并允許安全和準(zhǔn)確定位。

從技術(shù)角度科普UWB

FCC對(duì)于超寬帶UWB技術(shù)的定義這樣規(guī)定：傳輸任意時(shí)刻10dB滾降點(diǎn)絕對(duì)帶寬(FH-FL) > 500MHz的信號(hào)或者分?jǐn)?shù)帶寬2*(FH-FL)/ (FH+FL) > 20%的信號(hào)稱為超寬帶UWB信號(hào)。

由于UWB信號(hào)采用持續(xù)時(shí)間很短的窄脈沖，具有較強(qiáng)的時(shí)間和空間分辨率，因此具有良好的抗多徑性能，并且可以提供優(yōu)秀的定位精度，定位精度可以達(dá)到10cm級(jí)別。

UWB定位的基本原理是利用TOF（Time of Flight）進(jìn)行精確測(cè)距，例如通過(guò)TDOA（到達(dá)時(shí)間差定位），TOA（到達(dá)時(shí)間定位），TWR（雙向測(cè)距法），AOA（到達(dá)角定位）算法來(lái)實(shí)現(xiàn)終端的定位。

由于UWB的帶寬達(dá)到500MHz，使得UWB脈沖的時(shí)間分辨率非常高，可以做到0.16ns的脈沖寬度，因此測(cè)距的精度就越高。簡(jiǎn)單的說(shuō)，高精度的測(cè)距實(shí)際上相當(dāng)于高精度的時(shí)間測(cè)量。

OF的工作原理如上圖所示，Initiator發(fā)送Poll包給Responder，Responder在經(jīng)過(guò)T-reply的時(shí)間之后發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)包，這個(gè)相應(yīng)數(shù)據(jù)包包含了T-reply的時(shí)間，Initiator通過(guò)發(fā)包時(shí)間、收包時(shí)間和解析到的Responder的響應(yīng)時(shí)間，可以計(jì)算得到TOF，TOF再乘以光速就得到了Initiator和Responder之間的距離。