近日，小米正式發(fā)布“一指連”UWB技術(shù)，引發(fā)全網(wǎng)關(guān)注。在小米的帶動(dòng)下，UWB技術(shù)持續(xù)增溫。UWB技術(shù)既非近期初生的全新技術(shù)，也非前無(wú)古人的鴻蒙初辟。這一始于上世紀(jì)的古老技術(shù)，卻從2019年起又開(kāi)始煥發(fā)了青春與活力。

圖片來(lái)源：小米手機(jī)

UWB技術(shù)既非近期初生的全新技術(shù)，也非前無(wú)古人的鴻蒙初辟。然而，這一始于上世紀(jì)的古老技術(shù)，卻從2019年起又開(kāi)始煥發(fā)了青春與活力。

那么，這項(xiàng)技術(shù)究竟有著怎樣的前世今生？具有哪些方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)？未來(lái)能夠有多么廣闊的應(yīng)用前景？本文將化繁就簡(jiǎn)，盡可能的對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行匯總。

UWB技術(shù)的前世今生

現(xiàn)代意義上的超寬帶UWB無(wú)線(xiàn)技術(shù)，又稱(chēng)脈沖無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，興起于20世紀(jì)60年代。不同于傳統(tǒng)通信技術(shù)，UWB技術(shù)能夠通過(guò)送和接收具有納秒或微秒級(jí)以下的極窄脈沖實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸。由于脈沖時(shí)間寬度極短，因此可以實(shí)現(xiàn)頻譜上的超寬帶：使用的帶寬在500MHz 以上。

這項(xiàng)技術(shù)由Sperry研究中心的Gerald、Ross、Robbins博士，美國(guó)天主教大學(xué)的Henning、Harmuth博士和USAF開(kāi)發(fā)中心共同提出，當(dāng)時(shí)是專(zhuān)屬于軍方使用的技術(shù)，主要用于軍事上的雷達(dá)系統(tǒng)。

UWB技術(shù)在20世紀(jì)70年代獲得了重要的發(fā)展，Ross和Robbins博士在1972年-1987年間對(duì)時(shí)域電磁場(chǎng)波的研究和大量專(zhuān)利使他們成為UWB應(yīng)用領(lǐng)域的先鋒。此后，UWB被主要用于軍用雷達(dá)、定位和低截獲率/低偵測(cè)率的通信系統(tǒng)中。1989年，美國(guó)國(guó)防部首次使用了UWB這一術(shù)語(yǔ)，意指產(chǎn)生、傳輸、接收一段持續(xù)時(shí)間非常短（納秒或以下）的爆發(fā)式射頻能量脈沖。

隨著時(shí)代的發(fā)展，通信技術(shù)的應(yīng)用范圍逐步得到擴(kuò)大。1998年，F(xiàn)CC開(kāi)始征詢(xún)將UWB技術(shù)用于民用的意見(jiàn)。

2002年2月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)公布了超寬帶無(wú)線(xiàn)通信的初步規(guī)范，正式解除了超寬帶在民用領(lǐng)域的限制。這在UWB的發(fā)展史上是劃時(shí)代的事件，它極大地促進(jìn)了相關(guān)的學(xué)術(shù)研究，也成為超寬帶技術(shù)正式走向商業(yè)化的一個(gè)里程碑。

在FCC的規(guī)定中，將相對(duì)帶寬大于0.2或在傳輸?shù)娜魏螘r(shí)刻帶寬大于500MHz的通信系統(tǒng)稱(chēng)為UWB系統(tǒng)，同時(shí)批準(zhǔn)了UWB技術(shù)可用于民用商品。隨后，日本于2006年8月開(kāi)放了超寬帶頻段。

自2002年以后，UWB技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期，各種技術(shù)方案層出不窮。發(fā)展到民用階段，UWB技術(shù)也一直主要面向B端，其典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括工廠(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)、隧道、司法等各種垂直行業(yè)的人員或物資高精度定位。

但是，據(jù)集微網(wǎng)介紹，由于UWB當(dāng)時(shí)策略上有失誤，其選擇與WiFi、藍(lán)牙、USB爭(zhēng)奪市場(chǎng)。最終由于市場(chǎng)時(shí)機(jī)、技術(shù)復(fù)雜度、網(wǎng)速體驗(yàn)等諸多原因而沒(méi)能戰(zhàn)勝WiFi，在線(xiàn)纜取代上又因?yàn)榘l(fā)熱和價(jià)格敗給藍(lán)牙和USB，高成本、高功率和缺乏標(biāo)準(zhǔn)化等三個(gè)硬傷成為其暫時(shí)褪去光芒的主要原因。

2018年，UWB工作小組等組織的專(zhuān)家們一邊繼續(xù)完善802.15.4a，一邊默默的在2018年推出新標(biāo)準(zhǔn)即802.15.4z，將物理層分為高速率和低速率兩個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，并在高速率中加入了定位功能。

2019年8月1日，恩智浦、三星、博世、索尼等公司組建了FiRa聯(lián)盟，參與廠(chǎng)商涵蓋UWB芯片、設(shè)備和應(yīng)用解決方案商，旨在利用超寬帶（UWB）技術(shù)推動(dòng)用戶(hù)無(wú)縫體驗(yàn)，發(fā)展UWB生態(tài)系統(tǒng)。

2019年9月，蘋(píng)果在其發(fā)布的最新手機(jī)iPhone11系列手機(jī)中植入了支持UWB技術(shù)的U1芯片。當(dāng)時(shí)蘋(píng)果介紹稱(chēng)，U1芯片可以進(jìn)一步提升手機(jī)定位功能，在應(yīng)用于隔空傳送時(shí)，距離越近越能率先得到響應(yīng)。

此后，三星、小米相繼推出三星Galaxy Note20 Ultra、小米10系列等搭載UWB技術(shù)的手機(jī)，UWB技術(shù)開(kāi)始在To C領(lǐng)域嶄露頭角。

UWB存在哪些技術(shù)優(yōu)勢(shì)

據(jù)鮮棗課堂介紹，作為目前最廣泛應(yīng)用的定位技術(shù)，衛(wèi)星定位是通過(guò)利用地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量的技術(shù)，具有精度高、速度快、成本低等特點(diǎn)。其中，包括GPS、北斗等都屬于GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，另也有在其基礎(chǔ)上結(jié)合輔助手段以更好地消除誤差、提高反應(yīng)速度的A-GNSS。

但是，對(duì)于衛(wèi)星定位來(lái)說(shuō)，一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。原因顯而易見(jiàn)，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)被建筑物遮擋。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，室內(nèi)定位的業(yè)務(wù)場(chǎng)景卻越來(lái)越多，用戶(hù)對(duì)室內(nèi)定位的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。例如地下車(chē)庫(kù)導(dǎo)航、商場(chǎng)尋找店鋪或同伴等。于是，一些企業(yè)開(kāi)始嘗試開(kāi)發(fā)高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)，UWB技術(shù)開(kāi)始得到關(guān)注。

在FCC的規(guī)定中，為UWB 分配了3.1~10.6 GHz共7.5GHz頻帶，還對(duì)其輻射功率做出了比 FCC Part15.209更為嚴(yán)格的限制，將其限定-41.3dBm頻帶內(nèi)。簡(jiǎn)而言之，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)超大帶寬和低發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)了低功耗水平上的快速數(shù)據(jù)傳輸。

由于UWB與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無(wú)法比擬的技術(shù)特點(diǎn)：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單：當(dāng)前的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來(lái)傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過(guò)發(fā)送納秒級(jí)脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵(lì)天線(xiàn)，不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要的上變頻，從而不需要功用放大器與混頻器，因此，UWB允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。同時(shí)在接收端，UWB接收機(jī)也有別于傳統(tǒng)的接收機(jī)，不需要中頻處理，因此，UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。

高速的數(shù)據(jù)傳輸：民用商品中，一般要求UWB 信號(hào)的傳輸范圍為10m以?xún)?nèi)，再根據(jù)經(jīng)過(guò)修改的信道容量公式，其傳輸速率可達(dá)500Mbit/ s，是實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。UWB 以非常寬的頻率帶寬來(lái)?yè)Q取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨(dú)占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)使用的頻帶。在軍事應(yīng)用中，可以利用巨大的擴(kuò)頻增益來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低截獲率、低檢測(cè)率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳輸。

相比于其他技術(shù)，UWB技術(shù)具有抗多徑能力強(qiáng)、時(shí)間戳精度高、電磁兼容性強(qiáng)、通信系統(tǒng)能效高、發(fā)射功率低等優(yōu)點(diǎn)。

另外，由于后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)制定更新，UWB對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)也有所變化，從而開(kāi)拓和找準(zhǔn)自己的應(yīng)用領(lǐng)域。從功能來(lái)看，UWB有通訊連接和精準(zhǔn)測(cè)距定位兩項(xiàng)，而后者會(huì)是UWB的殺手锏。

室內(nèi)環(huán)境下，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)被嚴(yán)重干擾，GPS或北斗等衛(wèi)星定位方法是不可行的。因此在室內(nèi)或者相對(duì)密閉的空間下，需要一套室內(nèi)的定位體系，常見(jiàn)的室內(nèi)無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)還有：Wi-Fi、藍(lán)牙、紅外線(xiàn)、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波，而UWB是其中的佼佼者。

UWB定位的基本原理是飛行時(shí)間測(cè)算ToF（Time of Flight）。為了實(shí)現(xiàn)始終同步，ToF測(cè)距方法采用了時(shí)鐘偏移量解決時(shí)鐘同步問(wèn)題。其通過(guò)平均正向和反向多次測(cè)量的平均值，減少了對(duì)任何時(shí)鐘偏移量的影響，從而減少測(cè)距誤差，定位精度正常情況下可以達(dá)到10cm，同時(shí)其可探測(cè)移動(dòng)的角度誤差控制在3度以?xún)?nèi)。

但是，由于工作頻段較高和大頻寬，如果在室內(nèi)遇到實(shí)體墻阻擋，會(huì)使得UWB信號(hào)衰減60-70%，定位精度誤差上升30厘米左右，兩堵或者兩堵以上的實(shí)體墻遮擋，將使得UWB無(wú)法定位。

寫(xiě)在最后

據(jù)物聯(lián)傳媒數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)2022年UWB企業(yè)級(jí)應(yīng)用的市場(chǎng)體量將達(dá)到121.5億元，遠(yuǎn)超2016年的2.97億元，實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。

而在智能手機(jī)領(lǐng)域，不只是小米，包括OPPO等手機(jī)廠(chǎng)商也已經(jīng)加入FIRA聯(lián)盟，致力于打造UWB生態(tài)。無(wú)疑，UWB技術(shù)在To C領(lǐng)域?qū)闹悄苁謾C(jī)開(kāi)始突破，或?qū)⒊蔀轭?lèi)似GPS的手機(jī)標(biāo)配，并也將由點(diǎn)及面，成為智能時(shí)代的重要管道。

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