UWB将开启一个新时代

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1912 年 4 月 14 日深夜,RMS 泰坦尼克号发送了一条求救信息:它刚刚撞上冰山,正在下沉。尽管广播紧急无线信号今天是常见的,但在20世纪初,这是最尖端的技术。这得益于过去 20 年开发的宽带无线电的发明:火花隙发射器( spark-gap transmitter)。
 
火花隙发射器
 
火花隙无线电由 Heinrich Hertz 在 1880 年代开发,由 Guglielmo Marconi 改进,他于 1901 年成功地跨大西洋发送了第一个无线电传输。泰坦尼克号灾难之后,使用火花隙发射机的无线电报迅速在大型轮船普及,1912 年的《无线电法》更是要求所有航海船只保持 24 小时的无线电值班。火花隙无线电是当时最先进的技术,可实现船舶之间的无线通信,并在第一次世界大战期间使用。
 
火花隙无线电的架构与我们目前用在手机、WiFi 网络和蓝牙设备的无线收发器架构有很大不同。现代窄带通信系统调制连续波形射频 (RF) 信号以传输和接收信息。但在当时,火花隙发射器通过电火花产生电磁波,并且没有调制窄带射频信号。火花是使用通过跨两个导体之间的间隙的电弧放电的电容产生的。这些非常短的时间放电会在电线中产生振荡电流,然后激发出一种电磁波,该电磁波辐射出去并且可以在很远的距离内被电磁波拾取。根据众所周知的时频二元性原理,类似于电火花的时间上的短脉冲会产生频率上的宽带信号,这是二十多年来通信的基础。
 
需要注意的有趣一点是火花隙收音机无法支持连续传输,例如声音信号。一条消息必须由一系列火花组成,传输离散的信息片段,使其成为第一个数字收音机。这种特性非常适合传输摩尔斯电码。然而,当时人们认为火花隙收音机不可能在不丢失信息的情况下传输连续的信号,如语音或音乐。香农和奈奎斯特早在几十年前就展示了如何使用数字调制技术来做到这一点。
 
数字调制知识的这种差距,加上难以产生高功率火花隙传输是火花隙无线电的致命缺点。第一次世界大战后,使用真空管开发了基于载波的发射器,产生可以携带音频的连续波。如今,几乎所有无线收发器都使用相同的架构,这一切都基于美国工程师 Edwin Armstrong 在 1918 年的工作。称为超外差无线电,这种架构使用混频将接收到的窄带信号转换为相对较低的中频 (IF),即然后在基带电路中处理。从 1920 年左右开始,这项创新催生了 AM 收音机,十年后又出现了 FM 收音机。到 1920 年代后期,唯一仍在使用的火花发射器是海军舰艇上的传统装置。宽带无线电实际上已经死了。
 
100 年后宽带的重生
 
为什么 Apple 会在 2019 年发布带有超宽带 (UWB) 收发器的 iPhone 11,该收发器是在其新的 U1 无线处理器芯片上实现的。答案需要一些侦探工作来寻找可以追溯到上世纪中叶的线索。
 
第一条线索是 1930 年代和第二次世界大战期间在世界各地的绝密实验室开发的另一种基于脉冲的宽带无线电技术:雷达。RADAR 的故事已经讲过很多次了;它在不列颠海战和太平洋海战中都提供了关键优势。
 
为了更好地简述本次的技术,我们来重温一下雷达的原理。RADAR 能够确定物体的范围、角度和速度。战后,基于脉冲的收发器再次开始获得发展动力。从 1960 年代到 1990 年代,这项技术被限制在机密程序下的军事应用,既是定位又是通信技术。到 1980 年代中期,美国天主教大学的 Harmuth 和 Sperry Rand Corp 的 Ross 和 Robbins 等 UWB 先驱的大量研究论文、书籍和专利变得可用。由于宽带提供位置数据的独特能力,这一重要的信息来源重新引起了人们对 UWB 系统的兴趣。
 
苹果对 UWB 的第一个用途是提供定位数据。定位支持增强现实 (AR)、虚拟现实 (VR)、游戏、设备恢复、文件共享和广告信标等领域的许多应用。
 
被Wi-Fi击败
 
在上文中,我们讲述了宽带无线电的诞生。事实上,宽带无线电的故事还没有结束……
 
宽带无线电的故事
 
随着 1990 年代无线通信需求的增长,超宽带 (UWB) 的优势变得更加明显。但是 UWB 系统的商业部署需要在频率分配、谐波和功率限制等方面达成全球协议。随着对 UWB 商业化兴趣的增加,UWB 系统的开发商开始向 FCC 施压,要求批准其用于商业用途。2002 年,联邦通信委员会 (FCC) 终于允许未经许可使用的 UWB 系统。几年后,欧洲电信标准协会 (ETSI) 制定了自己的法规,遗憾的是与 FCC 法规略有不同。其他地区紧随其后,通常与 FCC 或 ETSI 保持一致。
 
UWB 系统使用短时(即皮秒到纳秒)电磁脉冲来传输和接收信息。它们还具有非常低的占空比,其定义为脉冲出现的时间与总传输时间的比率。根据 2000 年代制定的发射法规,UWB 信号被定义为频谱大于 500 MHz 的信号。大多数国家现在都同意 UWB 的最大输出功率,定义为 -41.3 dBm/MHz。
 
随着法规的到位,公司联盟开始形成,以标准化物理层和媒体访问控制 (MAC) 层。2002 年,WiMedia 联盟成立,这是一个非营利性行业贸易组织,旨在促进 UWB 技术的采用、监管、标准化和多供应商互操作性。2004 年,无线 USB 推广组和 UWB 论坛紧随其后。
 
为了理解这些联盟所做的选择,我们应该将它们置于语境中。
 
在2002 年,WiFi 还是一项相对较新的技术。802.11b 路由器于 1999 年推出,使用 2.4 GHz 频段时的理论最大速度为 11 Mbit/s。802.11a 标准也是在 1999 年定义的,并承诺在 5 GHz 频带中的理论最大速度为 54 Mbit/s,但由于其较高的芯片组成本,在消费领域没有受到关注。2003 年,802.11g 标准推出,在 2.4 GHz 频段提供了 54 Mbit/s 的理论最大速度。尽管事实证明 802.11g 标准取得了巨大的成功,但数据速率仍然受到拥挤的 2.4 GHz 频段的限制,该频段是当时无线 LAN 的骨干,运行在这个频段的还有微波炉和无绳电话!
 
正是考虑到这些限制,市场提出了新一代 UWB 无线电。随着法规的出台,人们很难抗拒支持 UWB 的高数据速率的承诺。事实上,FCC 在 3.1 和 10.6 GHz 之间分配的 7.5 GHz 带宽对于无线通信工程师来说是极其宝贵的资源。这就是基于 UWB 多频带正交频分复用 (OFDM) 以 480 Mbit/s 的数据速率提出短距离(即几米)文件传输规范的方式。经过几年的发展,第一个零售产品于 2007 年年中开始出货。这在很大程度上是一种过度设计的无线电,以相对经典的方式多路复用多个宽带宽载波,本身并不是类似于火花隙无线电的基于脉冲的无线电。
 
尽管当时 OFDM UWB 制造了很多噪音并且产品很有前途,但它在 2000 年代后期推向市场却遭遇了一场挑战——2008 年的大衰退,这导致消费电子产品的零售额大幅下降。此外,虽然不同的 UWB 联盟都在开发新产品,但 WiFi 联盟并没有停滞不前。2006年,经过多年的发展和谈判,他们发布了802.11n标准的初稿。它支持多路输入和多路输出 (MIMO) 概念以复用信道,其开发目的是提供高达 600 Mb/s 的数据速率。尽管该标准的最终版本在 2009 年 10 月之前并未发布,但支持该标准草案的路由器于 2007 年开始抢先发货。
 
给OFDM UWB 棺材打上的最后一颗钉子来自技术本身。当时提出的OFDM UWB收发器RF架构的复杂性和严格的时序要求,导致产品成本相对较高,功耗低。
 
上述事件和技术过度设计的芯片组的结合标志着高速 UWB 无线电的消亡。当时 UWB 芯片组的领导者 WiQuest 在 2008 年初拥有 85% 的市场份额,于 2008 年 10 月 31 日停止运营。UWB 论坛因与 WiMedia 联盟的方法不一致而未能就标准达成一致后解散。WiMedia 联盟在将其所有规范和技术转让给无线 USB 推广组和蓝牙特别兴趣组后于 2009 年停止运营。然而,蓝牙特别兴趣小组在同年放弃了作为蓝牙 3.0 一部分的 UWB 的开发。
 
不幸的是,在第一个基于火花隙无线电的 UWB 系统退役几乎整整一个世纪之后,这种基于 OFDM 无线电架构的 UWB 无线电的新迭代正在失宠。
 
然而,尽管困难重重,世界将不必再等一个世纪,就能看到新的和改进的 UWB 无线电实现。事实上,火花隙无线电将成为这次 UWB 复兴带来更多的灵感。
 
UWB的复兴
 
在上文中,我们讨论了过度设计的正交频分复用 (OFDM) 收发器的超宽带 (UWB) 的失败。这标志着所提议的应用——短距离非常高的数据速率(即几百 Mbps)无线链路的终结——而不是技术。事实上,UWB 的历史有点复杂:当高速无线 UWB 提案开始衰落时,其他 UWB 应用正在蓬勃发展。
 
从二战开始,微波系统的快速发展为UWB系统的发展铺平了道路。在 1960 年代,劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 和洛斯阿拉莫斯国家实验室 (LANL) 正在研究脉冲发射器、接收器和天线。这些研究项目并非纯粹的学术研究;开发脉冲系统确实有很大的动力:UWB 可以提供超高分辨率,然后可以用于对象定位、表征和识别。到 1970 年代,UWB 雷达主要用于军事应用。随着研究的不断进展,发现了其他应用,并且在 1990 年代末,多个 UWB 雷达被用于广泛的应用:林业应用、城市地区的穿墙检测、
 
为了真正理解超宽带的吸引力,我们首先要掌握时频二元性和傅立叶变换。简单来说,这种对偶性表明,如果您有一个无限长的周期时间信号,它将具有无限小的带宽。另一方面,如果您有一个无限短的脉冲信号,它将具有无限大的带宽。换句话说,这意味着您可以用时间换取带宽。你为什么要那样做?这有多种原因,但一个非常重要的原因是实现超高分辨率定位。
 
确定射频设备之间的距离有两种基本方法:您可以使用接收信号强度 (RSS) 或信号的飞行时间 (ToF)。RSS 是一种实现起来非常简单的技术,可以被任何无线收发器使用,这也解释了为什么它被如此广泛地使用。然而,它的准确性受到严重限制:两个静止物体之间的感知距离将根据其直接路径上的障碍物而变化。例如,如果您有两个设备相距 10 米,但被砖墙隔开,提供 12 dB 的衰减,您会认为这两个设备相距 40 米。ToF 解决了这个问题。通过测量从一个设备到另一个设备所需的时间,您可以精确地提取两个对象之间的距离。在
 
ToF 显然是在空间中准确定位物体的方法。然而,一个缺点是你需要处理光速,这是相当快的。事实上,光传播 10 厘米只需要 333 皮秒。如果要以厘米精度测量物体之间的距离,则系统需要亚纳秒精度。实现这种精度的最简单方法是发送时间非常短的信号,由于时频二元性,这需要 UWB 信号。
 
使用 ToF 精确测量距离的可能性在很大程度上解释了 UWB 在最近几年的复兴。准确定位市场在多个领域都在快速增长,未来几年应该会继续保持两位数的增长。多家公司现在都加入了 UWB 的行列,最新的是 Apple,它为 iPhone 11 配备了 UWB 芯片 U1,这似乎是它自己的设计。凭借实施实时定位系统 (RTLS) 的能力,UWB 能够在包括工业 4.0、物联网和车辆在内各种市场中实现大量新应用。
 
正如我们在本文中看到的,时间可以换取带宽,这可以有利地用于定位。但它也可以提供其他优势。接下来,我们将探讨 UWB 在许多无线应用中的另一个关键优势:极低的延迟。
 
低延迟为王
 
作为工程师,我们将延迟理解为触发操作与其响应之间的时间间隔。从无线链路的角度来看,这是发送数据帧和接收数据之间的时间延迟。但是消费者对延迟有一种本能的反应。玩格斗和体育游戏的游戏玩家会体验到延迟,因为在按下按钮和在屏幕上看到预期动作之间存在延迟。这种延迟可能是游戏中生死攸关的问题!显示器和外围设备正在以减少的延迟(例如,240 Hz 刷新率游戏监视器)进行积极营销,因此,令人惊讶的是,有线外围设备在游戏圈中仍然无处不在。
 
电线,就像人们记忆中那样古老的装置,在延迟方面的优势仍然无可争议。
 
随着对延迟更敏感的应用程序成为主流,如今对延迟的追求越来越强烈。例如,佩戴增强现实 (AR) 或虚拟现实 (VR) 耳机的设计师和游戏玩家会体验到延迟,因为他们的动作和视觉反应之间存在令人不安的滞后。AR 和 VR 使用户在最轻微的延迟开始时就容易晕车。此外,当角色在屏幕上的嘴唇与他们的声音不同步时,家庭影院所有者就会诅咒这些延迟,虽然可以小心地延迟录制的视频以校准延迟,但需要现场干预的馈送无法从这种策略中受益。这种涉及实时交互的无线延迟问题很容易表现出来,就像在智能手机上打字并看到按键与通过无线耳机传来的按键音频反馈不同步一样。一些手机制造商会通过让键盘音频反馈不通过无线耳机来隐藏这一限制。然而具有讽刺意味的是,在带有准系统有线耳机的过时电话上使用现已失效的音频插孔不会造成延迟问题!这个问题更深入,工业工程师将延迟视为关键传感器和控制系统中不可接受的延迟。
 
总而言之,当前的无线技术无法提供可接受的游戏、AR/VR、实时视频或工业物联网体验,因此这些应用在 2020 年仍然是有线应用的市场。
 
大脑通常可以辨别出几十毫秒或更长时间的延迟,一些乐器演奏者能够“感觉到”3 毫秒的延迟。无线延迟有多种原因。它首先是光速的结果,与电线类似。然而,在人类尺度上,光速并不是限制因素,因为 100 米的无线通信只会产生 333 ns 的延迟。第二个原因是收发器中的处理时间。但这通常不是限制因素,因为处理器通常可以在几微秒内完成对帧的操作。第三个原因也是最重要的一个原因是收发器可以传输其数据的速度。在无线收发器中,每个数据帧都必须完全接收后才能进行处理。这意味着传输和接收数据的速度是导致延迟的重要因素。例如,以 1 Mbps 的数据速率传输 1000 位帧将导致 1 ms 的延迟。这被称为通话时间。除了通话时间外,还有媒体访问控制层所需的时间,即MAC-Time,它与协议使用的通信栈有关,可能包括载波侦听、帧确认、帧重传、流控制等。MAC 时间因应用而异,与通话时间相比,MAC 时间可以从可以忽略不计变成主导因素。最终,MAC 时间通常与通话时间相关,因此可以压缩通话时间的无线电能够提供更短的延迟。
 
结合所有这些因素,很难公平地比较不同无线电的延迟。每种技术都有其目标应用,这意味着 MAC 层已相应开发。需要 99.999% 可靠性的无线链路不会有与尽力而为广播系统相同的延迟。然而,延迟总是有限的,并且源自无线电的通话时间,这是一个很好的比较点。ZigBee 规范背后的 IEEE 802.15.4 标准提供 250 kbps 的数据传输速率,而 BLE 4.2 支持 1 Mbps 和 BLE 5 2 Mbps。这些数据速率为 BLE 提供了几毫秒的通话时间,为 IEEE 802.15.4 提供了数十毫秒的通话时间。这些通话时间被 MAC 层进一步“放大”,并导致更长的整体延迟,可能超过 100 毫秒,
 
减少延迟的一个好方法是提高数据速率,Wi-Fi 很好地应用了这种方法。随着 802.11 标准现在支持在单个链路上传输数百 Mbps 的数据,我们现在可以看到单个帧的亚毫秒级延迟。然而,这种延迟是以功耗为代价的。Wi-Fi 标准支持超过 2000 字节的大数据包,并使用需要耗电电路的复杂调制。
 
延迟实际上是 5G 网络发展背后的主要驱动因素之一。承诺几毫秒的延迟,5G 将提供比 LTE 快10 倍的 改进。然而,5G 无线电具有与 Wi-Fi 类似的缺点,即功耗非常高,阻碍了它们在大多数物联网设备中的使用。因此,我们可以在几毫秒内将数据路由数百公里,但使用较低功率的无线电完成最后一百米需要更多时间。
 
UWB 弥合了长距离、高数据速率收发器(Wi-Fi 和 5G)与短距离低数据速率解决方案(如 BLE 和 Zigbee)之间的差距。UWB 使用快速的 2 ns 脉冲来达到数十 Mbps 的数据速率。这提供了比 BLE 短一个数量级的通话时间,达到亚毫秒级延迟。当与 5G 结合时,UWB 是提供最后 100 米低延迟连接的有力候选者。
 
UWB 的亚毫秒延迟和相对较大的数据速率可以实现多种新的交互体验和应用,而这些体验和应用以前是其他短距离无线电无法实现的。然而,UWB 的一个非常重要的方面,即物联网革命所需的一个方面,尚未讨论:低功耗操作。
 
低功耗是黄金
 
在一个一切都无线化并且所有设备都需要远程控制的世界中,功耗的重要性正在显着增加。
 
在由四部分(传感器、微控制器、PMU 和收发器)组成的简单传感器节点中,无线收发器在很大程度上是总功耗的主要贡献者。事实上,用于无线功能的功率百分比可以超过总功耗的 90%。无线耳机、游戏控制器和电脑键盘和鼠标的功耗由无线收发器带来的。
 
在过去的 15 年中,降低功耗一直在推动无线芯片的发展。经过多年的发展,BLE于2006年被批准用于解决蓝牙的功耗问题。最近,蓝牙 5.2 增加了一些功能,以减少不同应用程序的消耗,包括音频。然而,这些修改大多是渐进的。从根本上说,功耗的降低受到架构的物理限制;基于载波的收发器总是需要大量功率来启动、稳定和维持其 RF 振荡器。经过二十年的优化,蓝牙已经到了收益递减的地步。所有窄带技术都是如此:获得一个数量级需要无线传输的新范式。原因如下:
 
获得一个数量级需要无线传输的新范式
 
在上图中,您可以看到所有窄带无线电架构(如蓝牙)中固有的两个显著功率损失:
 
晶体振荡器开销(左下)削弱了低数据速率性能:蓝牙使用 ~20 MHz 晶体振荡器,需要几毫瓦来启动和稳定。UWB 无线电可以使用不需要高频晶体振荡器的脉冲运行,并且可以设计为以低定时功耗开销运行。
 
载波开销(中上)会影响高数据速率性能:如第 4 部分所述,在窄带宽信道(例如蓝牙无线电中使用的信道)上传输大量数据需要大量时间和功率。可以传输大量数据当分布在宽带宽上时速度要快得多,使发射器保持开启的持续时间要短得多,并显著降低功耗。这意味着对于相同的消耗功率,UWB 可以传输更多的数据。(最右上角)
 
如果你从头开始设计一个短距离 (50-100m) 无线协议,以最大限度地减少功耗和延迟并最大限度地提高数据速率,您可能会经历以下思考过程:
 
首先,尽量减少发射器和接收器的开机时间。为此,每个信号都应尽可能短。从时频二元性我们知道,时间短的信号带宽很宽,因此该解决方案将使用宽带通信,因此选择了免授权UWB频谱。
 
其次,确保发射器和接收器能够尽快启动和关闭。这使得难以使用使用传统高精度 RF 振荡器的收发器。最小化功耗的最佳架构是使用 UWB 脉冲无线电,而无需 RF 载波本身。
从上图中的数据可以看出,该方法为短距离通信提供了尽可能低的功率分布。
 
由于 UWB 不使用高频载波振荡器,因此 UWB 收发器可以非常快速地开启,并且在给定功率水平下传输的数据速率远高于窄带无线电。
 
秘密终于揭晓
 
在文章的开头我们提了一个问题,那就是为什么苹果 2019 年在 iPhone 11 中植入了 UWB 收发器?在 2020 年初, UWB 芯片供应商 Decawave 被Qorvo以大约5亿美元的价格被收购?为什么通用汽车、福特汽车、丰田汽车、尼桑汽车、本田汽车、现代汽车、大众汽车、宝马汽车和梅赛德斯汽车等汽车制造商都在投资 UWB?
 
答案现在很清楚:UWB 提供了准确定位、超低功耗、超低延迟和高带宽的独特组合,这是任何其他短距离无线技术无法比拟的。2021 年的超宽带部署侧重于精确定位和基于位置的服务:安全无钥匙进入、免提支付和室内导航。即将推出具有高达蓝牙 10 倍带宽的低功耗和无电池数据物联网网络。
 
正如大家所熟知,蓝牙在低带宽、低保真通信(例如无线耳机和耳塞)方面取得了巨大成功。那么,为什么苹果要在 iPhone 11 中设计另一个收发器呢?那就是为超出蓝牙设计限制的新兴应用提供服务,尤其是准确定位。
 
在前文中,我们探讨了像蓝牙这样的窄带协议如何具有基本限制,这使其不如 UWB 那样适合极低功耗、低延迟和无电池应用:
 
数据速率限制:蓝牙规范将空中带宽限制为仅 3 Mbps,并且在大多数系统中限制为小于 1 Mbps。UWB 可以以数十 Mbps 的速度运行。
 
低数据速率功率:即使在最低数据速率下,振荡器开销和长数据包持续时间也可将蓝牙的最小功率保持在几毫瓦。为低功耗操作和数据流量身定制的 UWB可以以低于 10 μW 的速度传输 1 kbps,从而使由能量收集供电的无电池传感器成为可能。
 
延迟:蓝牙延迟通常超过 100 毫秒,耳机用户将其视为回声、长时间的音频延迟和通话时互相交谈。这种延迟使得蓝牙对于游戏控制器和 AR/VR 等交互式应用没有吸引力,对于工业传感器和控制系统来说也是不可接受的。UWB 为近实时机器控制和交互式娱乐系统提供亚毫秒级延迟。
 
定位:定位服务和精准定位是UWB众所周知的强项,可以在10厘米精度内测量相对位置。这是蓝牙无法实现的,它很难获得几米以下的精度。
 
抗干扰性:3-10 GHz 频段变得拥挤。除了LTE、5G和WiFi,包括最近发布的WiFi 6E,都占据了这个频谱的不同部分。实现稳健的 UWB 通信是可能的,但必须谨慎完成,以便在不妨碍所有其他基于载波的信号并有效拒绝它们的情况下运行。
 
事实上,对于短距离、低功耗的应用,UWB 优于 WLAN 和 Zigbee 以及经典的蓝牙和 BLE:
 
对于短距离、低功耗的应用,UWB 优于 WLAN 和 Zigbee 以及经典的蓝牙和 BLE
 
此图表比较了 Zigbee、BLE 和 UWB 的 200kbps 完整链路的能效:
 
比较了 Zigbee、BLE 和 UWB 的 200kbps 完整链路的能效
 
当您将激励和稳定载波频率以及传输窄带数据所需的所有功耗加起来时,总和比 UWB 高 1-2 个数量级(专为低功率运行而设计)。
 
今天的 UWB 与 100 年前的火花隙前辈不同。尽管自近一个世纪前火花隙消失以来窄带无线电一直主导着通信,但超宽带正处于大规模复兴的开始。毕竟,它是大约 20 年来第一个包含在智能手机中的新的未经许可的频谱无线技术,其他手机制造商也纷纷效仿苹果公司的做法。UWB 的“超能力”直接解决了窄带无法提供的新应用的功率、带宽和延迟需求。UWB 非常适合主导许多新兴的低功耗、低延迟、更高数据速率的应用,并为无电池应用铺平道路。
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