UWB 到底是什么技术?

2020/10/13 22:06:07 来源:鲜枣课堂 作者:小枣君 责编:孤城

昨日,小米高管曾学忠通过微博,正式发布了 “一指连”UWB 技术,引起全网的广泛关注。

根据介绍,基于这项 “一指连”技术,手机和智能设备将具备空间感知能力,犹如 “室内 GPS”。当手机指向智能设备,控制卡片就能自动弹出,能够直接进行操控。

▲将手机指向电扇,手机就会弹出快捷控制卡片,一键开启电扇

▲将手机指向电视,手机就变成电视遥控器,还能一键投屏

不得不说,小米的营销能力是真的强,一项并不新鲜的技术,加以包装和冠名,硬是做出了全球首发的推广效果。(勿喷,我也是米粉)

没错,这个 UWB,就是去年 9 月 11 日苹果发布 iPhone11 的时候,同步推出的那个 UWB。

当时,iPhone11 全系搭载了支持 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。

就在上个月苹果秋季发布会的时候,也曾透露,苹果的 Apple Watch Series 6 将搭载 U1 芯片和超宽带天线,以实现空间感知能力。

那么问题来了,什么是空间感知能力?UWB 到底是什么技术?除了空间感知,UWB 还能干些什么?

通过本文,小枣君将一一为你揭晓这些问题的答案。

什么是空间感知能力

所谓的空间感知能力,就是感知方位的能力。更直接一点,就是定位能力。

说白了,利用 UWB 技术,手机和智能设备可以更精准地实现室内定位,不仅可以感知自己的位置,还可以感知周边其它手机或设备的位置。

▲小米的空间感知

▲厘米级定位能力

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。

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。

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。

▲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。

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。

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。

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 Decawave 公司。

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)。

▲DW1000 芯片

去年,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。

本次小米支持 UWB,尚不确认具体的产业链合作伙伴是哪些。国内目前宣称在做 UWB 的企业,包括精位科技、联睿电子、纽瑞芯、浩云科技等。

值得一提的是,国内还有大量的中小型创业团队在从事 UWB 解决方案的开发,主要针对的就是室内高精度定位和智能家居、智能园区、智能厂房等场景。

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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关键词:UWB

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