UWB技術(shù)好不好？

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(shù)，手機和智能設(shè)備可以更精準(zhǔn)地實現(xiàn)室內(nèi)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(shè)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(jīng)常會使用例如百度地圖這樣的APP，里面就有定位和導(dǎo)航的服務(wù)。

定位服務(wù)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(shù)和我們現(xiàn)在常用的定位技術(shù)，又有什么不同呢？

我們現(xiàn)在最常用的定位技術(shù)，是 衛(wèi)星定位 。

衛(wèi)星定位，是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點位測量的技術(shù)。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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），可以提供衛(wèi)星定位服務(wù)。

為了更好地消除誤差、提高反應(yīng)速度，GNSS會引入一些天基或陸基的輔助手段。結(jié)合輔助手段的GNSS，也被稱為A-GNSS。A就是Assisted，“輔助”的意思。

現(xiàn)在比較常用的A-GNSS，是通過陸基的移動通信網(wǎng)絡(luò)，傳送增強改正數(shù)據(jù)，提供輔助信息，加強和加快衛(wèi)星導(dǎo)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(gòu)

不管是GNSS，還是A-GNSS，都有一個明顯的缺點，就是不能實現(xiàn) 室內(nèi)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(nèi)定位的業(yè)務(wù)場景卻越來越多，用戶對室內(nèi)定位的需求越來越強烈。例如地下車庫導(dǎo)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?yán)酶鞣N短距離通信技術(shù)，開發(fā)高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)，用于迎合用戶需求，賺小錢錢?？晒┻x擇的技術(shù)，就包括Wi-Fi，藍(lán)牙，UWB等。

什么是UWB

Wi-Fi和藍(lán)牙大家都比較熟悉。UWB是什么呢？

UWB，就是Ultra Wideband，超寬帶技術(shù)。 它源于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)。

了解通信的同學(xué)都知道，一般的通信體制都是利用一個高頻載波來調(diào)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(shù)，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(xiàn)無線傳輸?shù)摹Ｓ捎诿}沖時間寬度極短，因此可以實現(xiàn)頻譜上的超寬帶：使用的帶寬在500MHz以上。

FCC（美國聯(lián)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(yán)格的限制，將其限定-41.3dBm頻帶內(nèi)。

簡而言之，這項技術(shù)通過超大帶寬和低發(fā)射功率，實現(xiàn)低功耗水平上的快速數(shù)據(jù)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(jìn)行距離測算。

相比Wi-Fi和藍(lán)牙定位技術(shù)，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(guān)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(jié)果。UWB可以在距離分辨能力上高于其他傳統(tǒng)系統(tǒng)，復(fù)雜環(huán)境下其精度甚至可以達(dá)到Wi-Fi、藍(lán)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(jìn)行解調(diào)，所以不會對其他通信業(yè)務(wù)造成干擾，同時也能夠避免其他通信設(shè)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(shè)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(shù)大得多。通常在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機的發(fā)射功率普遍低于1mW；在長距離應(yīng)用中，不需要額外的功率放大器即可達(dá)到200米的距離，同時實現(xiàn)6.8Mbps的空中速率。

基于上述技術(shù)優(yōu)勢，采用UWB能夠構(gòu)成高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)。

UWB和其它定位技術(shù)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(biāo)簽之間飛行的時間來實現(xiàn)測距。

（2）TDOA（Time Difference of Arrival）：利用UWB信號由標(biāo)簽到達(dá)各個基站的時間差來進(jìn)行定位。

（3）PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到達(dá)角相位來測量基站與標(biāo)簽之間方位關(guān)系。

限于篇幅，我們將在后續(xù)詳細(xì)介紹UWB的算法原理。

UWB的產(chǎn)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，F(xiàn)CC（美國聯(lián)邦通信委員會）對UWB做了如前文所說的功率上的嚴(yán)格限制，才將UWB技術(shù)解禁，準(zhǔn)許進(jìn)入民用領(lǐng)域。

此后，UWB技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展期，各種技術(shù)方案圍繞著UWB國際標(biāo)準(zhǔn)的制定也展開了激烈的競爭。

2007年，IEEE在802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)中對UWB技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)過近十年的發(fā)展，UWB的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善。

說到UWB的產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(xiàn)更好的空間感知，需要應(yīng)用生態(tài)的支持。為了構(gòu)建整個應(yīng)用生態(tài)，不同廠家設(shè)備性需要實現(xiàn)互操作、互兼容。可以預(yù)見，未來所有廠家設(shè)備都將可能支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。

本次小米支持UWB，尚不確認(rèn)具體的產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴是哪些。國內(nèi)目前宣稱在做UWB的企業(yè)，包括精位科技、聯(lián)睿電子、紐瑞芯、浩云科技等。

值得一提的是，國內(nèi)還有大量的中小型創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊在從事UWB解決方案的開發(fā)，主要針對的就是室內(nèi)高精度定位和智能家居、智能園區(qū)、智能廠房等場景。

結(jié) 語

目前，除了蘋果和小米之外，三星也非?？春肬WB技術(shù)，認(rèn)為其將成為下一代可以改變游戲規(guī)則的無線通信技術(shù)之一。

這些一線廠商的力挺，相信將會對UWB技術(shù)有全面的推動作用。UWB的規(guī)?；逃眠M(jìn)程，有望進(jìn)一步加快。UWB上下游產(chǎn)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(lián)時代。雖然5G是現(xiàn)在的熱門，但5G并不能通吃所有的物聯(lián)場景。以Wi-Fi 6、藍(lán)牙、UWB為代表的短距離通信技術(shù)，仍然有很大的發(fā)展空間和市場機會。這些技術(shù)可以根據(jù)自身的特點，與細(xì)分物聯(lián)網(wǎng)場景緊密結(jié)合，給用戶提供更好的服務(wù)體驗。