UWB到底是什么技術？
本文轉載自微信公眾號「鮮棗課堂」，作者小棗君 。轉載本文請聯系鮮棗課堂公眾號。
昨日，小米高管曾學忠通過微博，正式發(fā)布了“一指連”UWB技術，引起全網的廣泛關注。
根據介紹，基于這項“一指連”技術，手機和智能設備將具備空間感知能力，猶如“室內GPS”。當手機指向智能設備，控制卡片就能自動彈出，能夠直接進行操控。
將手機指向電扇，手機就會彈出快捷控制卡片，一鍵開啟電扇
將手機指向電視，手機就變成電視遙控器，還能一鍵投屏
不得不說，小米的營銷能力是真的強，一項并不新鮮的技術，加以包裝和冠名，硬是做出了全球首發(fā)的推廣效果。(勿噴，我也是米粉)
沒錯，這個UWB，就是去年9月11日蘋果發(fā)布iPhone11的時候，同步推出的那個UWB。
當時，iPhone11全系搭載了支持UWB技術的U1芯片。
蘋果曾經表示，U1芯片將顯著提升蘋果iPhone手機的空間感知(Spatial Awareness)能力。通過Airdrop(隔空投送)應用，蘋果還展示了基于UWB技術的快速文件分享。
就在上個月蘋果秋季發(fā)布會的時候，也曾透露，蘋果的Apple Watch Series 6將搭載U1芯片和超寬帶天線，以實現空間感知能力。
那么問題來了，什么是空間感知能力?UWB到底是什么技術?除了空間感知，UWB還能干些什么?
通過本文，小棗君將一一為你揭曉這些問題的答案。
什么是空間感知能力
所謂的空間感知能力，就是感知方位的能力。更直接一點，就是定位能力。
說白了，利用UWB技術，手機和智能設備可以更精準地實現室內定位，不僅可以感知自己的位置，還可以感知周邊其它手機或設備的位置。
小米的空間感知
厘米級定位能力
說到定位，相信大家都很熟悉。我們經常會使用例如百度地圖這樣的APP，里面就有定位和導航的服務。
定位服務幫助我們掌握位置信息，指示方向，增加自身的安全感和掌控感，給我們的工作生活帶來了很大的便利。
那么，UWB技術和我們現在常用的定位技術，又有什么不同呢?
我們現在最常用的定位技術，是衛(wèi)星定位。
衛(wèi)星定位，是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術。它的特點非常明顯，就是精度高、速度快、成本低。
大家所熟知的GPS、北斗等，都屬于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)，可以提供衛(wèi)星定位服務。(延伸閱讀：“北斗”背后的GNSS技術，到底是個啥?)
為了更好地消除誤差、提高反應速度，GNSS會引入一些天基或陸基的輔助手段。結合輔助手段的GNSS，也被稱為A-GNSS。A就是Assisted，“輔助”的意思。
現在比較常用的A-GNSS，是通過陸基的移動通信網絡，傳送增強改正數據，提供輔助信息，加強和加快衛(wèi)星導航信號的搜索跟蹤性能和速度，縮短定位時間，提高定位精度。
A-GNSS系統(tǒng)架構
不管是GNSS，還是A-GNSS，都有一個明顯的缺點，就是不能實現室內定位。原因顯而易見，衛(wèi)星信號會被建筑物遮擋啊。 然而，隨著時代的發(fā)展，室內定位的業(yè)務場景卻越來越多，用戶對室內定位的需求越來越強烈。例如地下車庫導航、商場尋找店鋪或同伴，甚至兒童走失尋回。
于是，一些人開始嘗試利用各種短距離通信技術，開發(fā)高精度的室內定位系統(tǒng)，用于迎合用戶需求，賺小錢錢?？晒┻x擇的技術，就包括Wi-Fi，藍牙，UWB等。
什么是UWB
Wi-Fi和藍牙大家都比較熟悉。UWB是什么呢?
UWB，就是Ultra Wideband，超寬帶技術。它源于20世紀60年代興起的脈沖通信技術。
了解通信的同學都知道，一般的通信體制都是利用一個高頻載波來調制一個窄帶信號，通信信號的實際占用帶寬并不高。
而UWB不同于傳統(tǒng)的通信技術，它通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來實現無線傳輸的。由于脈沖時間寬度極短，因此可以實現頻譜上的超寬帶：使用的帶寬在500MHz以上。
FCC(美國聯邦通信委員會)為UWB分配了 3.1~10.6 GHz共 7.5 GHz頻帶，還對其輻射功率做出了比FCC Part15.209更為嚴格的限制，將其限定-41.3dBm頻帶內。
簡而言之，這項技術通過超大帶寬和低發(fā)射功率，實現低功耗水平上的快速數據傳輸。
由于UWB脈沖的時間寬度極短，因此也可以采用高精度定時來進行距離測算。
相比Wi-Fi和藍牙定位技術，UWB具有如下優(yōu)勢：
1)抗多徑能力強，定位精度高：帶寬決定了信號在多徑環(huán)境下的距離分辨能力(成正比關系)。UWB的帶寬很寬，多徑分辨能力強，能夠分辨并剔除大部分多徑干擾信號的影響，得到精度很高的定位結果。UWB可以在距離分辨能力上高于其他傳統(tǒng)系統(tǒng)，復雜環(huán)境下其精度甚至可以達到Wi-Fi、藍牙等傳統(tǒng)系統(tǒng)的百倍以上。
2)時間戳精度高：超寬帶脈沖信號的帶寬在納秒級，由定時來計算位置時，引入的誤差通常小于幾厘米。
3)電磁兼容性強：UWB 的發(fā)射功率低，信號帶寬寬，能夠很好地隱蔽在其它類型信號和環(huán)境噪聲之中，傳統(tǒng)的接收機無法識別和接收，必須采用與發(fā)射端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調，所以不會對其他通信業(yè)務造成干擾，同時也能夠避免其他通信設備對其造成干擾。
4)能效較高：UWB具有500MHz以上的射頻帶寬，能夠提供極大的擴頻增益，使得UWB通信系統(tǒng)能效較高。這意味著對于電池供電設備，系統(tǒng)的工作時間可以大大延長，或是同樣發(fā)射功率限制下，覆蓋范圍比傳統(tǒng)技術大得多。通常在短距離應用中，UWB發(fā)射機的發(fā)射功率普遍低于1mW;在長距離應用中，不需要額外的功率放大器即可達到200米的距離，同時實現6.8Mbps的空中速率。
基于上述技術優(yōu)勢，采用UWB能夠構成高精度的室內定位系統(tǒng)。
UWB和其它定位技術的對比
目前，常用的UWB測距方法有三種，分別是：(1)TOF(Time of flight)：通過測量UWB信號在基站與標簽之間飛行的時間來實現測距。(2)TDOA(Time Difference of Arrival)：利用UWB信號由標簽到達各個基站的時間差來進行定位。(3)PDOA(Phase Difference Of Arrival)：利用到達角相位來測量基站與標簽之間方位關系。
限于篇幅，我們將在后續(xù)詳細介紹UWB的算法原理。
UWB的產業(yè)發(fā)展
在2002年以前，UWB被廣泛用于軍事方面的用途。2002年，FCC(美國聯邦通信委員會)對UWB做了如前文所說的功率上的嚴格限制，才將UWB技術解禁，準許進入民用領域。
此后，UWB技術進入了高速發(fā)展期，各種技術方案圍繞著UWB國際標準的制定也展開了激烈的競爭。
2007年，IEEE在802.15.4a標準中對UWB技術進行了標準化。經過近十年的發(fā)展，UWB的標準也在不斷完善。
說到UWB的產業(yè)鏈，就不得不提到Decawave公司。
Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片廠商。他們提供低成本的芯片出售，零售價格在幾美元。芯片型號是DW1000，符合IEEE 802.15.4-2011 UWB標準協(xié)議(在理想條件下，最大可測量范圍為300m)。
DW1000芯片
去年，在蘋果公司的產品發(fā)布會后，基于Decawave芯片DW1000的定位廠商INTRANAV連發(fā)兩條推特，聲稱其套件支持與iPhone11的互操作，Decawave也轉發(fā)了該推特。這說明，蘋果U1有極大的可能支持IEEE 802.15.4。
其它從事UWB技術研究的國際廠商還包括Ubisense、BeSpoon。
這些廠商使用了自己的UWB解決方案，通常以模組套件的形式推出，但均不支持IEEE 802.15.4。
要實現更好的空間感知，需要應用生態(tài)的支持。為了構建整個應用生態(tài)，不同廠家設備性需要實現互操作、互兼容?？梢灶A見，未來所有廠家設備都將可能支持IEEE 802.15.4標準。
本次小米支持UWB，尚不確認具體的產業(yè)鏈合作伙伴是哪些。國內目前宣稱在做UWB的企業(yè)，包括精位科技、聯睿電子、紐瑞芯、浩云科技等。
值得一提的是，國內還有大量的中小型創(chuàng)業(yè)團隊在從事UWB解決方案的開發(fā)，主要針對的就是室內高精度定位和智能家居、智能園區(qū)、智能廠房等場景。
結 語
目前，除了蘋果和小米之外，三星也非?？春肬WB技術，認為其將成為下一代可以改變游戲規(guī)則的無線通信技術之一。
這些一線廠商的力挺，相信將會對UWB技術有全面的推動作用。UWB的規(guī)模化商用進程，有望進一步加快。UWB上下游產業(yè)鏈的成熟速度，也會加快。
眾所周知，我們正在加速走向萬物互聯時代。雖然5G是現在的熱門，但5G并不能通吃所有的物聯場景。以Wi-Fi 6、藍牙、UWB為代表的短距離通信技術，仍然有很大的發(fā)展空間和市場機會。這些技術可以根據自身的特點，與細分物聯網場景緊密結合，給用戶提供更好的服務體驗。
UWB能否不負眾望，全面爆發(fā)?讓我們拭目以待!
