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蘋果，這家始終保持創(chuàng)新活力的公司，不僅推出了一代代引領(lǐng)潮流的iPhone手機(jī)，更有大量新技術(shù)因iPhone的使用而迅速走紅。在2019年的iPhone 11發(fā)布會(huì)上，蘋果公司首次將超寬帶（Ultra Wide Band：UWB）技術(shù)用于手機(jī)中。為此，業(yè)界預(yù)測(cè)，UWB技術(shù)有望成為蘋果室內(nèi)定位的突破口。 其實(shí)，在2002年前后，UWB也曾經(jīng)如日中天。有了蘋果的加持，沉寂了近10個(gè)年頭的UWB技術(shù)這一次能否再次煥發(fā)青春成功實(shí)現(xiàn)逆襲呢？ UWB的過去和現(xiàn)在 與藍(lán)牙和WiFi一樣，UWB是一種短距離無線通信協(xié)議，最主要的特征是帶寬很寬，遠(yuǎn)大于現(xiàn)存的窄帶通信系統(tǒng) (包括802.11系列和2/3/4和5G中的sub 6G)。與同類產(chǎn)品不同的是，它的工作頻率非常高，頻率范圍很廣，可以用來捕捉高精度的空間和方向數(shù)據(jù)。 早在90年代，隨著對(duì)無線通信需求的增長(zhǎng)，UWB的好處變得更加明顯。不過，因UWB系統(tǒng)的商業(yè)化部署需要在頻率分配、諧波和功率限制等方面達(dá)成全球協(xié)議，直到2002年，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）才最終允許使用超寬帶系統(tǒng)。同年，WiMedia聯(lián)盟成立，這是一個(gè)非盈利的行業(yè)貿(mào)易組織，旨在促進(jìn)UWB技術(shù)的采用、監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)化和多供應(yīng)商互操作性。幾年后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）也制定了自己的法規(guī)，但與FCC法規(guī)略有不同。 
圖1：FCC將3.1-10.6GHz頻譜之間的7.5GHz分配給了UWB（圖源：ice.rwth-aachen網(wǎng)站） FCC在3.1-10.6GHz頻譜之間分配了7.5GHz給UWB，這就是基于UWB多波段正交頻分復(fù)用（OFDM）提出數(shù)據(jù)速率為480mbit/s的短距（即幾米）文件傳輸?shù)囊?guī)范。經(jīng)過幾年的發(fā)展，第一款UWB零售產(chǎn)品于2007年年中開始出貨。當(dāng)時(shí)OFDM UWB初入市，產(chǎn)品前景一片大好。但事與愿違，UWB的應(yīng)用并未如愿全面鋪開，反而逐漸淡出了市場(chǎng)。 當(dāng)時(shí)UWB芯片組的領(lǐng)導(dǎo)者WiQuest在2008年初占據(jù)85%的市場(chǎng)份額，但在2008年10月31日卻停止了運(yùn)營。UWB論壇因與WiMedia聯(lián)盟的方法不同而未能達(dá)成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)而被解散。WiMedia聯(lián)盟在將其所有規(guī)范和技術(shù)轉(zhuǎn)讓給USB推廣小組和藍(lán)牙特別興趣小組之后，于2009年停止了其業(yè)務(wù)。遺憾的是，藍(lán)牙特別興趣小組在同一年放棄了作為藍(lán)牙3.0一部分的UWB的開發(fā)。最終的結(jié)果是，硅谷的一批UWB初創(chuàng)公司陣亡，WiMedia聯(lián)盟也在2010年停止運(yùn)作。 歸納起來，UWB敗走市場(chǎng)的原因主要有兩點(diǎn)： ● 一是產(chǎn)品生不逢時(shí)，入市時(shí)間恰逢2008年全球金融危機(jī)，導(dǎo)致消費(fèi)電子產(chǎn)品零售額大幅下降。 ● 二是OFDM UWB技術(shù)本身的原因。當(dāng)時(shí)提出的OFDM-UWB收發(fā)機(jī)射頻結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其嚴(yán)格的時(shí)序要求導(dǎo)致了相對(duì)較高的產(chǎn)品成本，功耗也比較大，市場(chǎng)接受度不高。 目前UWB通信主要有兩種主流的發(fā)展思路：傳統(tǒng)的脈沖調(diào)制UWB和基于OFDM的UWB（MB-OFDM-UWB）。大家現(xiàn)在都在說的UWB應(yīng)用，一般是指脈沖調(diào)制UWB。由于UWB采用的脈沖寬度極窄，使得它在高精度定位中具有非常大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 今天在市場(chǎng)上應(yīng)用的UWB技術(shù)也非10年前的802.15.4a技術(shù)，而是經(jīng)過UWB專家們完善后的技術(shù)——在2018年推出的新標(biāo)準(zhǔn)即802.15.4z，將物理層分為高速率和低速率兩個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，并在高速率中加入定位功能。 UWB逆襲的資本 WiFi、藍(lán)牙、NFC是目前最常用的個(gè)人局域網(wǎng)通信方式。基于傳輸速度、距離、耗電量、安全性、價(jià)格或者用戶需求等各方面考慮，這些技術(shù)在不同的場(chǎng)合有著各自的優(yōu)勢(shì)。比如：WiFi傳輸距離遠(yuǎn)，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。但是WiFi也存在著安全性不高、傳輸速率偏慢的缺點(diǎn)；NFC對(duì)數(shù)據(jù)有著較高的安全保護(hù)，因此在支付相關(guān)的應(yīng)用中被普遍采用，但其主要缺點(diǎn)是傳輸距離較短；藍(lán)牙定位始于2014年前后，首先開始于監(jiān)控定位。隨著藍(lán)牙Mesh的推出，已經(jīng)有百余種具有藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)功能的產(chǎn)品獲得認(rèn)證，其中包含芯片、協(xié)議棧、模組及終端產(chǎn)品供應(yīng)商等。全新藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)新增了尋向功能，可實(shí)現(xiàn)更高精度的定位。藍(lán)牙傳輸不受視距的影響，但對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大。另外，藍(lán)牙定位范圍較短，不適合空曠的場(chǎng)合。 相比上述幾種通信方式，UWB技術(shù)更適合應(yīng)用在小范圍、高分辨率的圖像和視頻的無線個(gè)人局域網(wǎng)，優(yōu)勢(shì)也非常明顯。
圖2：UWB具有較高的傳輸速率且功耗很低（數(shù)據(jù)來源：IEEE Industrial Electronics Society） ● 定位精度高：現(xiàn)在，當(dāng)人們提到無線連接技術(shù)時(shí)，馬上就會(huì)想到藍(lán)牙和WiFi。與這些技術(shù)相比，UWB在精度、定位能力和射頻安全性等方面更勝一籌。我們知道，帶寬決定了信號(hào)在多徑環(huán)境下的距離分辨能力。UWB的帶寬很寬，多徑分辨能力強(qiáng)，能夠分辨并剔除大部分多徑干擾信號(hào)的影響，得到精度很高的定位結(jié)果。在復(fù)雜環(huán)境下，UWB的距離分辨精度甚至可以達(dá)到藍(lán)牙和WiFi系統(tǒng)的百倍以上。 ● 傳輸速率高：UWB采用的是500MHz以上的大帶寬。由于信道容量與帶寬成正比，因此，UWB具備較高的傳輸速率。通常，UWB能在10米左右的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 ● 安全性高：在IEEE 802.15.4z中指定的一個(gè)物理層（PHY），UWB可以利用其他技術(shù)中不可用的關(guān)鍵安全擴(kuò)展，允許安全技術(shù)，如加密和隨機(jī)數(shù)生成，阻止攻擊者訪問UWB通信。 ● 系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)：從射頻機(jī)制層面來說，UWB發(fā)射的脈沖波抗干擾能力比連續(xù)的電磁波強(qiáng)，并且UWB的工作頻段在3GHz-10GHz，相比擁擠的2.4GHz頻段，外界的干擾信號(hào)少很多。 ● 功耗較低：UWB發(fā)射時(shí)需要的平均功率很低，特別是在短距離通信應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率普遍低于1mW。較低的發(fā)射功率可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間，另外對(duì)人體的電磁波輻射也會(huì)很小。 潛力巨大的UWB應(yīng)用 根據(jù)Market&Market的預(yù)測(cè)，全球?qū)崟r(shí)定位系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將由2018年的31.9億美元，增長(zhǎng)到2023年的87.9億美元，市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長(zhǎng)率為22.5%。UWB技術(shù)以其精度高、傳輸速度快、可靠性高等特點(diǎn)，非常適合在各種環(huán)境中定位移動(dòng)的人和物，比如用于汽車、移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)類設(shè)備等交叉領(lǐng)域。UWB的問世直接將定位的精度從米級(jí)提高到了厘米級(jí)，是一項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的技術(shù)革新。
圖3：2017-2023年全球?qū)崟r(shí)定位系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè) (億美元)（數(shù)據(jù)來源：Market&Market） ● 精準(zhǔn)的室內(nèi)實(shí)時(shí)定位：室內(nèi)實(shí)時(shí)定位的重要性不言而喻�；叵胍幌�，我們很多人都有迷失在大型商場(chǎng)或地下停車場(chǎng)的經(jīng)歷。目前技術(shù)相對(duì)成熟的室內(nèi)定位技術(shù)有藍(lán)牙、WiFi，部分細(xì)分領(lǐng)域也有采用ZigBee、RFID等技術(shù)的。接下來，UWB技術(shù)有望成為室內(nèi)實(shí)時(shí)定位中異軍突起的一只生力軍。 ● 高精度的物品追蹤：利用到達(dá)角（AoA）技術(shù)，UWB測(cè)量的實(shí)時(shí)精度可提供厘米級(jí)的高精度設(shè)備定位服務(wù)。不僅如此，UWB設(shè)備還可以確定一個(gè)物體是靜止的、移動(dòng)的，接近的還是遠(yuǎn)離的。例如，支持UWB的系統(tǒng)知道你是否正在接近一個(gè)鎖著的門，并且可以確定你是在門口還是在門外面。他們還可以決定當(dāng)你到達(dá)一個(gè)特定的位置時(shí)，鎖是否應(yīng)該被打開。在一個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景中，UWB可以在你的車駛近時(shí)打開車庫，當(dāng)你靠近入口時(shí)打開你家的門。 ● 手機(jī)中的定位功能：目前，幾乎所有智能手機(jī)都采用了GPS定位/北斗定位系統(tǒng)，正常情況下，GPS定位誤差在25米左右。蘋果iPhone 11的三款手機(jī)均配備了自研的U1芯片，支持室內(nèi)導(dǎo)航和物品跟蹤服務(wù)�，F(xiàn)在蘋果利用的UWB是一種雷達(dá)技術(shù)，按照蘋果自己的講法，其準(zhǔn)確度可以接近厘米級(jí)。三星新推出的Galaxy Note20 Ultra智能手機(jī)已經(jīng)將UWB納入其中，并有望在今年及以后更廣泛的計(jì)算設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 外圍設(shè)備上使用。 再有就是小米的“一指連”。10月12日，雷軍宣布他們魔改了小米10系列手機(jī)和一系列智能家居設(shè)備，加入“一指連”UWB技術(shù)，內(nèi)置UWB芯片和陣列天線，借助小米自研天線排列及算法，讓手機(jī)和智能設(shè)備之間具備空間感知能力。根據(jù)雷軍的介紹，“一指連”小米UWB技術(shù)，是具備超精準(zhǔn)定位的新一代連接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的厘米級(jí)定位。 ● 更加智能的汽車鑰匙：在2019年下半年，汽車制造商紛紛推出計(jì)劃，實(shí)施基于UWB的無鑰匙汽車門禁，并將探索UWB支持的新用例，如車內(nèi)乘客檢測(cè)、自動(dòng)代客泊車、自動(dòng)泊車、停車場(chǎng)進(jìn)入和免下車支付等。對(duì)于即將到來的UWB浪潮，備受期待的一個(gè)用例就是通過智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)無鑰匙門禁（PKE）。通過PKE，駕駛員可以在不使用機(jī)械鑰匙的情況下解鎖和啟動(dòng)汽車。即使遙控鑰匙裝在駕駛員的口袋或錢包中，當(dāng)進(jìn)入解鎖車門的適當(dāng)范圍內(nèi)時(shí)，遙控鑰匙將被“喚醒”。進(jìn)入汽車后，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到遙控鑰匙，以激活點(diǎn)火啟動(dòng)按鈕。另一個(gè)有趣的應(yīng)用是用于汽車出入的步行模式識(shí)別，這在大眾概念車上得到了演示。大眾UWB車鑰匙采用高精度傳感技術(shù)和人工智能來學(xué)習(xí)個(gè)性化的用戶手勢(shì)。 2019年11月12日，NXP公司宣布，將在其UWB產(chǎn)品組合中增加一款新的汽車UWB IC--NXP NCJ29D5。NXP NCJ29D5是新一代UWB IC中的第一款，專門針對(duì)全球汽車工業(yè)的需求而設(shè)計(jì)，與NXP連接和安全解決方案（如藍(lán)牙、NFC和安全元件（SE））結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)了真正安全的免提智能接入。隨著UWB芯片的問世，NXP、寶馬集團(tuán)、大陸集團(tuán)和其他公司正通過汽車連接聯(lián)盟（CCC）和IEEE共同致力于UWB的實(shí)現(xiàn)，以確保在車輛、移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)設(shè)備的交叉點(diǎn)獲得最佳的客戶體驗(yàn)。這些標(biāo)準(zhǔn)化工作旨在為基于UWB的免提智能接入和其他汽車本地化用例制定一個(gè)全球標(biāo)準(zhǔn)。此外，新的UWB IC帶來最大程度的保護(hù)，防止汽車盜竊通過中繼攻擊。 ● 無人倉庫：電商在我國的迅猛發(fā)展使得對(duì)于物流倉儲(chǔ)的要求越來越高，人工已經(jīng)無法滿足高效率的要求。京東在上海嘉定建立了全球首個(gè)全流程無人倉庫，最重要的環(huán)節(jié)就是對(duì)于機(jī)器人的定位。UWB技術(shù)的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)的路線控制，維護(hù)更靈活，成本也更低。 ● 工業(yè)與醫(yī)療：UWB技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用也值得期待，將其獨(dú)有的精準(zhǔn)定位功能用在安全防護(hù)、設(shè)備控制、工序流程監(jiān)管等方面，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)還能大幅降低事故的發(fā)生率；在未來的智慧醫(yī)療和養(yǎng)老領(lǐng)域，UWB也有望扮演重要的角色，通過室內(nèi)導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)護(hù)人員的緊急定位以及特殊人群的防走失、位置監(jiān)控等；抗擊新冠肺炎是全球當(dāng)前最重要的防疫工作，保持合理的社交距離是防止疫情蔓延的有效手段，現(xiàn)在已經(jīng)有人提出利用UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)社交隔離，當(dāng)一個(gè)穿著內(nèi)置UWB芯片的可穿戴設(shè)備的員工離某人太近時(shí)就會(huì)發(fā)出警報(bào)。 結(jié)論 UWB的潛力是巨大的，有太多值得我們期待的應(yīng)用需要深度挖掘。即使許多企業(yè)用例還需要幾年時(shí)間，但有一點(diǎn)是肯定的，那就是UWB技術(shù)有望改變我們未來的生活和工作方式。希望這次UWB能夠成功實(shí)現(xiàn)逆襲，而不是空歡喜一場(chǎng)。 文章來源：貿(mào)澤電子 作者：M博士 |
