一文深刻解析UWB是什么技术?

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本文来自鲜枣课堂

日前,随着苹果AirTag的发布,市场上又掀起了对UWB技术的新一轮关注。其实早在iPhone 11发布的时候,苹果就宣布为全系手机搭载支持UWB技术的U1芯片。

苹果曾经表示,U1芯片将显著提升苹果iPhone手机的空间感知(Spatial Awareness)能力。通过Airdrop(隔空投送)应用,苹果还展示了基于UWB技术的快速文件分享。

籍着这次发布,我们来重新了解一下UWB技术。

定位技术的选择 
 
说到定位,相信大家都很熟悉。我们经常会使用例如百度地图这样的APP,里面就有定位和导航的服务。
 
定位服务帮助我们掌握位置信息,指示方向,增加自身的安全感和掌控感,给我们的工作生活带来了很大的便利。
 
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那么,UWB技术和我们现在常用的定位技术,又有什么不同呢?
 
我们现在最常用的定位技术,是卫星定位。
 
卫星定位,是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。它的特点非常明显,就是精度高、速度快、成本低。
 
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大家所熟知的GPS、北斗等,都属于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS),可以提供卫星定位服务。(延伸阅读:“北斗”背后的GNSS技术,到底是个啥?)
 
为了更好地消除误差、提高反应速度,GNSS会引入一些天基或陆基的辅助手段。结合辅助手段的GNSS,也被称为A-GNSS。A就是Assisted,“辅助”的意思。
 
现在比较常用的A-GNSS,是通过陆基的移动通信网络,传送增强改正数据,提供辅助信息,加强和加快卫星导航信号的搜索跟踪性能和速度,缩短定位时间,提高定位精度。
 
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A-GNSS系统架构
 
不管是GNSS,还是A-GNSS,都有一个明显的缺点,就是不能实现室内定位。原因显而易见,卫星信号会被建筑物遮挡啊。
 
然而,随着时代的发展,室内定位的业务场景却越来越多,用户对室内定位的需求越来越强烈。例如地下车库导航、商场寻找店铺或同伴,甚至儿童走失寻回。
 
于是,一些人开始尝试利用各种短距离通信技术,开发高精度的室内定位系统,用于迎合用户需求,赚小钱钱。可供选择的技术,就包括Wi-Fi,蓝牙,UWB等。
 
什么是UWB 
 
Wi-Fi和蓝牙大家都比较熟悉。UWB是什么呢?
 
UWB,就是Ultra Wideband,超宽带技术。它源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。
 
了解通信的同学都知道,一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号,通信信号的实际占用带宽并不高。
 
而UWB不同于传统的通信技术,它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短,因此可以实现频谱上的超宽带:使用的带宽在500MHz以上。
 
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FCC(美国联邦通信委员会)为UWB分配了 3.1~10.6 GHz共 7.5 GHz频带,还对其辐射功率做出了比FCC Part15.209更为严格的限制,将其限定-41.3dBm频带内。
 
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简而言之,这项技术通过超大带宽和低发射功率,实现低功耗水平上的快速数据传输。
 
由于UWB脉冲的时间宽度极短,因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。
 
相比Wi-Fi和蓝牙定位技术,UWB具有如下优势:
 
1、抗多径能力强,定位精度高
带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力(成正比关系)。UWB的带宽很宽,多径分辨能力强,能够分辨并剔除大部分多径干扰信号的影响,得到精度很高的定位结果。
 
UWB可以在距离分辨能力上高于其他传统系统,复杂环境下其精度甚至可以达到Wi-Fi、蓝牙等传统系统的百倍以上。
 
2、时间戳精度高
超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级,由定时来计算位置时,引入的误差通常小于几厘米。 
 
3、电磁兼容性强
UWB 的发射功率低,信号带宽宽,能够很好地隐蔽在其它类型信号和环境噪声之中,传统的接收机无法识别和接收,必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调,所以不会对其他通信业务造成干扰,同时也能够避免其他通信设备对其造成干扰。 
 
4、能效较高
UWB具有500MHz以上的射频带宽,能够提供极大的扩频增益,使得UWB通信系统能效较高。这意味着对于电池供电设备,系统的工作时间可以大大延长,或是同样发射功率限制下,覆盖范围比传统技术大得多。
 
通常在短距离应用中,UWB发射机的发射功率普遍低于1mW;在长距离应用中,不需要额外的功率放大器即可达到200米的距离,同时实现6.8Mbps的空中速率。
 
基于上述技术优势,采用UWB能够构成高精度的室内定位系统。
 
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UWB和其它定位技术的对比
 
目前,常用的UWB测距方法有三种,分别是:
 
(1)TOF(Time of flight):通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来实现测距。
 
(2)TDOA(Time Difference of Arrival):利用UWB信号由标签到达各个基站的时间差来进行定位。
 
(3)PDOA(Phase Difference Of Arrival):利用到达角相位来测量基站与标签之间方位关系。
 
限于篇幅,我们将在后续详细介绍UWB的算法原理。
 
UWB的产业发展 
 
在2002年以前,UWB被广泛用于军事方面的用途。2002年,FCC(美国联邦通信委员会)对UWB做了如前文所说的功率上的严格限制,才将UWB技术解禁,准许进入民用领域。
 
此后,UWB技术进入了高速发展期,各种技术方案围绕着UWB国际标准的制定也展开了激烈的竞争。
 
2007年,IEEE在802.15.4a标准中对UWB技术进行了标准化。经过近十年的发展,UWB的标准也在不断完善。
 
说到UWB的产业链,就不得不提到被Qorvo收购的Decawave公司
 
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Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片厂商。他们提供低成本的芯片出售,零售价格在几美元。芯片型号是DW1000,符合IEEE 802.15.4-2011 UWB标准协议(在理想条件下,最大可测量范围为300m)。
 
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DW1000芯片
 
之前,在苹果公司的产品发布会后,基于Decawave芯片DW1000的定位厂商INTRANAV连发两条推特,声称其套件支持与iPhone11的互操作,Decawave也转发了该推特。这说明,苹果U1有极大的可能支持IEEE 802.15.4。
 
其它从事UWB技术研究的国际厂商还包括Ubisense、BeSpoon。
 
这些厂商使用了自己的UWB解决方案,通常以模组套件的形式推出,但均不支持IEEE 802.15.4。
 
要实现更好的空间感知,需要应用生态的支持。为了构建整个应用生态,不同厂家设备性需要实现互操作、互兼容。可以预见,未来所有厂家设备都将可能支持IEEE 802.15.4标准。
 
结  语 
 
目前,除了苹果和小米之外,三星也非常看好UWB技术,认为其将成为下一代可以改变游戏规则的无线通信技术之一。
 
这些一线厂商的力挺,相信将会对UWB技术有全面的推动作用。UWB的规模化商用进程,有望进一步加快。UWB上下游产业链的成熟速度,也会加快。
 
众所周知,我们正在加速走向万物互联时代。虽然5G是现在的热门,但5G并不能通吃所有的物联场景。以Wi-Fi 6、蓝牙、UWB为代表的短距离通信技术,仍然有很大的发展空间和市场机会。这些技术可以根据自身的特点,与细分物联网场景紧密结合,给用户提供更好的服务体验。
 
UWB能否不负众望,全面爆发?让我们拭目以待!
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