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UWB到底是什么技术
发布时间:2022-11-23 | 文章来源:硅传科技原创
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  2019年9月11日iPhone11发布,同步推出了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。

  

  2020年秋季发布会时候,苹果再次透露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?

  

  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。手机的空间感知(仅供参考)


  

  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。

  

  UWB技术和我们常用的定位技术的不同?

  

  我们现在最常用的定位技术,是卫星定位,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。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。



  

  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

  

  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。UWB不同于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;UWB它是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。


  

  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。又由于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与其他定位技术的对比,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,我们在这不展开UWB的详细算法原理。

  

  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。

  

  目前,除了之前提到的苹果,小米、三星、比亚迪等都比较看好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Wifi、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!