「精選知識講堂」｜不一樣的UWB（上）

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

近日，隨著萬眾矚目的蘋果秋季發(fā)布會告一段落，幾款新產(chǎn)品也進入大眾視野。在硬件的布置方面，蘋果將U1芯片（蘋果自研的UWB超寬帶芯片）嵌入到AirPods Pro耳機盒中。U1芯片應用從AirDrop到AirTag，又到2022 WWDC發(fā)布的AR應用以及NI（Nearby Interaction，近場交互）構(gòu)想，如今又被內(nèi)置到耳機中。不難看出，蘋果正通過軟硬件一齊發(fā)力，繼續(xù)引導UWB在C端市場的爆發(fā)。

UWB技術(shù)是一種利用納秒（ns）至皮秒（ps）級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。其具有抗干擾性能強、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。移動設備一旦配備 UWB 可以實現(xiàn)諸多基于精確測距和安全低功耗通信的創(chuàng)新應用體驗，比如免提接入、資產(chǎn)查找、導航、移動支付、移動共享、AR/VR錨點等。

UWB歷史“悠久”

追溯UWB的歷史，還得從脈沖無線電的發(fā)展簡史說起。

1893年

1893年，德國物理學家海因里希-赫茲用火花放電來產(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50年代

林肯實驗室和斯佩里公司發(fā)明了一-種相控陣雷達系統(tǒng)(ESR) 用于海洋用途。

1960年代

人們首次開發(fā)出UWB，應用一直局限于軍事、雷達定位及測距等方面。

直到2002年

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

2002年

WiMedia聯(lián)盟致力于促進個人區(qū)域網(wǎng)絡中設備之間的無線多媒體連接和互操作性，推出首個 UWB 規(guī)范。

2018年

UWB 聯(lián)盟肩負著為 UWB 生態(tài)系統(tǒng)發(fā)聲的使命，通過端對端以及與供應商無關的互操作項目支持 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)的安全精細測距和定位功能提供無縫的用戶體驗。

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)標準，并通過統(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，增加了藍牙 LE 和 UWB，以實現(xiàn)無源無鑰匙接入和發(fā)動機啟動。

以上是UWB近些年來發(fā)展歷程中的重要里程碑。

當前，UWB正處于市場增長期，根據(jù)UWB聯(lián)盟的市場預測，預計到 2025年將生產(chǎn)超過10億臺支持UWB的設備，80%的智能手機和相關附件以及11%的汽車接入設備將配備UWB技術(shù)。

日益強大的UWB 生態(tài)系統(tǒng)

隨著技術(shù)發(fā)展和應用推進，UWB生態(tài)系統(tǒng)也日益強大。從芯片、天線、UWB RTLS解決方案、到汽車和移動設備，產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的頭部廠商紛紛進駐。

UWB的技術(shù)標準化工作主要由IEEE定義。UWB的商用化推廣，包括使用場景推進，互操作協(xié)調(diào)，生態(tài)建設等工作目前主要由2018年成立的UWB 聯(lián)盟和和2019年成立的FiRa聯(lián)盟來進行推進和協(xié)調(diào)。其中FiRa更關注UWB定位相關的特性與應用。R&S是 FiRa 的成員，在 FiRa 認證小組中發(fā)揮積極的作用。

OMLOX主要負責推出精確實時工業(yè)室內(nèi)定位系統(tǒng)的開放標準，目的是定義開放接口，用于可互操作的本地化系統(tǒng)，使各行各業(yè)能夠通過單一的****使用來自不同供應商的不同應用。

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

從技術(shù)角度科普UWB

FCC對于超寬帶UWB技術(shù)的定義這樣規(guī)定：傳輸任意時刻10dB滾降點絕對帶寬(FH-FL) > 500MHz的信號或者分數(shù)帶寬2*(FH-FL)/ (FH+FL) > 20%的信號稱為超寬帶UWB信號。

由于UWB信號采用持續(xù)時間很短的窄脈沖，具有較強的時間和空間分辨率，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，定位精度可以達到10cm級別。

UWB定位的基本原理是利用TOF（Time of Flight）進行精確測距，例如通過TDOA（到達時間差定位），TOA（到達時間定位），TWR（雙向測距法），AOA（到達角定位）算法來實現(xiàn)終端的定位。

由于UWB的帶寬達到500MHz，使得UWB脈沖的時間分辨率非常高，可以做到0.16ns的脈沖寬度，因此測距的精度就越高。簡單的說，高精度的測距實際上相當于高精度的時間測量。

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