「精选知识讲堂」｜不一样的UWB（上）

2019年9月11日，苹果发布iPhone 11，首次内置UWB（Ultra-Wide Band，超宽带）技术，彻底点燃了UWB技术市场。各大智能手机厂商纷纷跟上，三星、谷歌、小米等均在自己产品上装备了UWB。

近日，随着万众瞩目的苹果秋季发布会告一段落，几款新产品也进入大众视野。在硬件的布置方面，苹果将U1芯片（苹果自研的UWB超宽带芯片）嵌入到AirPods Pro耳机盒中。U1芯片应用从AirDrop到AirTag，又到2022 WWDC发布的AR应用以及NI（Nearby Interaction，近场交互）构想，如今又被内置到耳机中。不难看出，苹果正通过软硬件一齐发力，继续引导UWB在C端市场的爆发。

UWB技术是一种利用纳秒（ns）至皮秒（ps）级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信技术。其具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势。移动设备一旦配备 UWB 可以实现诸多基于精确测距和安全低功耗通信的创新应用体验，比如免提接入、资产查找、导航、移动支付、移动共享、AR/VR锚点等。

UWB历史“悠久”

追溯UWB的历史，还得从脉冲无线电的发展简史说起。

1893年

1893年，德国物理学家海因里希-赫兹用火花放电来产生电磁波。

1901年

意大利电气工程师古列尔莫马可尼(Guglielmo Marconi)横跨大西洋2100多英里发送了字母S。

20世纪50年代

林肯实验室和斯佩里公司发明了一-种相控阵雷达系统(ESR) 用于海洋用途。

1960年代

人们首次开发出UWB，应用一直局限于军事、雷达定位及测距等方面。

直到2002年

UWB才获得FCC批准，允许在雷达、公共安全和数据通信应用中免许可使用 UWB 系统。

2002年

WiMedia联盟致力于促进个人区域网络中设备之间的无线多媒体连接和互操作性，推出首个 UWB 规范。

2018年

UWB 联盟肩负着为 UWB 生态系统发声的使命，通过端对端以及与供应商无关的互操作项目支持 UWB 技术的发展。

2019年

FiRa联盟成立，利用可相互操作的 UWB 技术的安全精细测距和定位功能提供无缝的用户体验。

2020 年

OMLOX联盟成立，推出集成了所有现有技术（如 UWB、BLE、RFID、5G 或 GPS）的行业标准，并通过统一接口提供定位数据。

2021年

全球车联联盟 (CCC)数字密钥版本 3.0 规范发布，增加了蓝牙 LE 和 UWB，以实现无源无钥匙接入和发动机启动。

以上是UWB近些年来发展历程中的重要里程碑。

当前，UWB正处于市场增长期，根据UWB联盟的市场预测，预计到 2025年将生产超过10亿台支持UWB的设备，80%的智能手机和相关附件以及11%的汽车接入设备将配备UWB技术。

日益强大的UWB 生态系统

随着技术发展和应用推进，UWB生态系统也日益强大。从芯片、天线、UWB RTLS解决方案、到汽车和移动设备，产业链各个环节的头部厂商纷纷进驻。

UWB的技术标准化工作主要由IEEE定义。UWB的商用化推广，包括使用场景推进，互操作协调，生态建设等工作目前主要由2018年成立的UWB 联盟和和2019年成立的FiRa联盟来进行推进和协调。其中FiRa更关注UWB定位相关的特性与应用。R&S是 FiRa 的成员，在 FiRa 认证小组中发挥积极的作用。

OMLOX主要负责推出精确实时工业室内定位系统的开放标准，目的是定义开放接口，用于可互操作的本地化系统，使各行各业能够通过单一的****使用来自不同供应商的不同应用。

跨行业组织全球车联联盟 (CCC)主要是为智能手机到汽车提供安全的连接解决方案。CCC 正在开发一种基于蓝牙低功耗 (BLE) 与超宽带 (UWB) 相结合的规范，以实现无源无钥匙接入，并允许安全和准确定位。

从技术角度科普UWB

FCC对于超宽带UWB技术的定义这样规定：传输任意时刻10dB滚降点绝对带宽(FH-FL) > 500MHz的信号或者分数带宽2*(FH-FL)/ (FH+FL) > 20%的信号称为超宽带UWB信号。

由于UWB信号采用持续时间很短的窄脉冲，具有较强的时间和空间分辨率，因此具有良好的抗多径性能，并且可以提供优秀的定位精度，定位精度可以达到10cm级别。

UWB定位的基本原理是利用TOF（Time of Flight）进行精确测距，例如通过TDOA（到达时间差定位），TOA（到达时间定位），TWR（双向测距法），AOA（到达角定位）算法来实现终端的定位。

由于UWB的带宽达到500MHz，使得UWB脉冲的时间分辨率非常高，可以做到0.16ns的脉冲宽度，因此测距的精度就越高。简单的说，高精度的测距实际上相当于高精度的时间测量。

OF的工作原理如上图所示，Initiator发送Poll包给Responder，Responder在经过T-reply的时间之后发送相应数据包，这个相应数据包包含了T-reply的时间，Initiator通过发包时间、收包时间和解析到的Responder的响应时间，可以计算得到TOF，TOF再乘以光速就得到了Initiator和Responder之间的距离。