「精選知識講堂」｜不一樣的UWB（上）

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

近日，隨著萬眾矚目的蘋果秋季發布會告一段落，幾款新產品也進入大眾視野。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發布的AR應用以及NI（Nearby Interaction，近場交互）構想，如今又被內置到耳機中。不難看出，蘋果正通過軟硬件一齊發力，繼續引導UWB在C端市場的爆發。

UWB技術是一種利用納秒（ns）至皮秒（ps）級的非正弦波窄脈沖傳輸數據的無線通信技術。其具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等諸多優勢。移動設備一旦配備 UWB 可以實現諸多基于精確測距和安全低功耗通信的創新應用體驗，比如免提接入、資產查找、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多英里發送了字母S。

20世紀50年代

林肯實驗室和斯佩里公司發明了一-種相控陣雷達系統(ESR) 用于海洋用途。

1960年代

人們首次開發出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、公共安全和數據通信應用中免許可使用 UWB 系統。

2002年

WiMedia聯盟致力于促進個人區域網絡中設備之間的無線多媒體連接和互操作性，推出首個 UWB 規范。

2018年

UWB 聯盟肩負著為 UWB 生態系統發聲的使命，通過端對端以及與供應商無關的互操作項目支持 UWB 技術的發展。

2019年

FiRa聯盟成立，利用可相互操作的 UWB 技術的安全精細測距和定位功能提供無縫的用戶體驗。

2020 年

OMLOX聯盟成立，推出集成了所有現有技術（如 UWB、BLE、RFID、5G 或 GPS）的行業標準，并通過統一接口提供定位數據。

2021年

全球車聯聯盟 (CCC)數字密鑰版本 3.0 規范發布，增加了藍牙 LE 和 UWB，以實現無源無鑰匙接入和發動機啟動。

以上是UWB近些年來發展歷程中的重要里程碑。

當前，UWB正處于市場增長期，根據UWB聯盟的市場預測，預計到 2025年將生產超過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。

日益強大的UWB 生態系統

隨著技術發展和應用推進，UWB生態系統也日益強大。從芯片、天線、UWB RTLS解決方案、到汽車和移動設備，產業鏈各個環節的頭部廠商紛紛進駐。

UWB的技術標準化工作主要由IEEE定義。UWB的商用化推廣，包括使用場景推進，互操作協調，生態建設等工作目前主要由2018年成立的UWB 聯盟和和2019年成立的FiRa聯盟來進行推進和協調。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 認證小組中發揮積極的作用。

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

跨行業組織全球車聯聯盟 (CCC)主要是為智能手機到汽車提供安全的連接解決方案。CCC 正在開發一種基于藍牙低功耗 (BLE) 與超寬帶 (UWB) 相結合的規范，以實現無源無鑰匙接入，并允許安全和準確定位。

從技術角度科普UWB

FCC對于超寬帶UWB技術的定義這樣規定：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發送Poll包給Responder，Responder在經過T-reply的時間之后發送相應數據包，這個相應數據包包含了T-reply的時間，Initiator通過發包時間、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。