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　　一、前世：UWB概述

　　超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）： 超過(guò)中心頻率 20%的相對(duì)帶寬，或擁有 500MHz 以上的絕對(duì)帶寬。通常UWB指的是脈沖無(wú)線電超帶寬（Impulse Radio Ultra-Wideband，IR-UWB) 。

　　UWB不是新東西，早期主要用于面向B端的高精度定位，自19年蘋(píng)果發(fā)布支持UWB的iPhone11后，面向C端的應(yīng)用吸引了手機(jī)廠商和汽車(chē)廠商的關(guān)注。

　　2004年以前，IEEE 802.15.3a致力于基于UWB的10米范圍內(nèi)的無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸。2004年，IEEE成立802.15.4a工作組開(kāi)發(fā)UWB物理層標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)向高精度定位。FCC為UWB分配了3.1-10.6GHZ共7.5GHZ頻帶，但嚴(yán)格限定UWB輻射功率功率為 -14dBm。

　　UWB定位芯片行業(yè)老大是Decawave。國(guó)內(nèi)這方面積累相對(duì)弱點(diǎn)，但也有跟進(jìn)的。另還有NXP全場(chǎng)景的UWB芯片，三星就是用他們的。蘋(píng)果用的是自研的U1芯片。Decawave是目前全球最大的UWB定位芯片廠家，Decawave擁有從芯片的開(kāi)發(fā)套件各種產(chǎn)品，而且很便宜，試用成本低。

　　二、UWB定位技術(shù)

　　UWB定位基礎(chǔ)是ToF/ToA測(cè)距。單純的TOF算法有一個(gè)比較嚴(yán)格的約束：發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步。這是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題，但是一種Double-sided Two-way Ranging的算法巧妙的避開(kāi)了這個(gè)問(wèn)題，它既利用了TOF測(cè)距的優(yōu)良特點(diǎn)，同時(shí)又極大的去除了TOF的同步問(wèn)題，從而為T(mén)OF的實(shí)用化掃清了道路。

　　UWB定位的另一個(gè)基礎(chǔ)是利用AOA和AOD測(cè)角。需要有至少兩根天線，距離為d，當(dāng)電磁波發(fā)射過(guò)來(lái)時(shí)，兩根天線具有一個(gè)光程差。而學(xué)過(guò)電磁波原理的人都知道，知道相位差就能知道光程差，知道光程差與天線距離，就能算出夾角。因此，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)波的相位差就可以得到夾角。這就是測(cè)角的原理。

　　通過(guò)測(cè)角的定位原理是：已知2個(gè)或以上基站的位置，加上AoA/AoD 測(cè)量的角度，即可確定終端的位置。通過(guò)測(cè)距的定位原理是：基于ToF計(jì)算3個(gè)或以上基站到終端的距離，即可確定終端的位置。那么，如果基站只有一個(gè)怎么辦呢？我們通常是通過(guò)天線陣列來(lái)搞定。

　　三點(diǎn)測(cè)距定位是有缺陷的，因?yàn)樗枰獪y(cè)量TOF，需要基站和終端之間的同步。因此，業(yè)界通常采用的是另一種方法，叫TDOA。通過(guò)測(cè)量出兩個(gè)不同基站與終端的傳輸時(shí)延差來(lái)進(jìn)行定位，每個(gè)基站對(duì)應(yīng)一條雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是目標(biāo)點(diǎn)。因?yàn)榛镜奈恢檬枪潭ǖ模局g進(jìn)行同步與基站和移動(dòng)終端之間進(jìn)行同步要容易實(shí)現(xiàn)得多。

　　上述討論的主要是絕對(duì)定位，接下來(lái)討論相對(duì)定位技術(shù)的應(yīng)用。UWB相對(duì)定位的原理是一個(gè)設(shè)備帶有兩個(gè)天線，通過(guò)基于到達(dá)相位差的AoA測(cè)量角度，通過(guò)基于ToF的SS-TWR測(cè)距測(cè)量距離。結(jié)合兩個(gè)設(shè)備之間的相對(duì)距離和方位角，可計(jì)算兩個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置。優(yōu)點(diǎn)是部署簡(jiǎn)單，無(wú)需要部署額外基站。

　　UWB納秒級(jí)窄脈沖和低占空比，使UWB可以實(shí)現(xiàn)cm級(jí)定位精度，這就是UWB在定位方面相比其它所有非脈沖通信的優(yōu)勢(shì)。UWB天然具有更高的安全性，其使用測(cè)量時(shí)延的方式而非信號(hào)強(qiáng)度的方式，可以有效防止中繼攻擊。

　　Decawave做過(guò)一個(gè)多種定位技術(shù)的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，UWB在精度和可靠性上都優(yōu)于其它技術(shù)，同時(shí)，也在安全性、時(shí)延、可擴(kuò)展性和功耗上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

　　相對(duì)于新興的藍(lán)牙5.1定位技術(shù)來(lái)說(shuō)，筆者認(rèn)為，UWB有五勝：

　　1、UWB在定位方面更專(zhuān)用。藍(lán)牙還可能要兼顧其他功能，從定位技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，就有太多的冗余東東了，這個(gè)角度上，UWB勝。

　　2、多徑效應(yīng)。比如在房間里等空間應(yīng)用，信號(hào)反射如果有多個(gè)，可能就很難區(qū)分。這方面UWB的短脈沖和低占空比，反射不易疊加，可精確區(qū)分。這一點(diǎn)上，UWB勝。

　　3、測(cè)量原理。從前文可知，UWB更精確。

　　4、誤差。信號(hào)強(qiáng)度距離的平方負(fù)相關(guān)，藍(lán)牙的測(cè)距只能叫評(píng)估，不能叫測(cè)量。評(píng)估遠(yuǎn)還是近，但無(wú)法明確指出是幾點(diǎn)幾米。舉個(gè)例子，假設(shè)測(cè)角誤差為5度，若兩個(gè)設(shè)備相距10米，則定位偏差為1.8m左右，但若是相距50m，定位偏差則可能高達(dá)8.87m。這是因?yàn)榻嵌却_定后，形成的是一個(gè)錐形，錐形越長(zhǎng)，開(kāi)口越大。這里我沒(méi)畫(huà)圖，大家想象一下？這方面，UWB誤差更小。

　　5、技術(shù)成熟度。目前來(lái)說(shuō)UWB比藍(lán)牙5.1定位的軟硬件要更加成熟，至少我們現(xiàn)在看到了UWB成熟的產(chǎn)品。

　　三、UWB數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

　　UWB高速數(shù)據(jù)傳輸，主要遵循04年以前的802.15.3規(guī)范，本來(lái)想打造無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)，Intel和三星都非常積極，但是在Wi-Fi 5/6的出現(xiàn)后，優(yōu)勢(shì)不再明顯。后面標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)定下來(lái)，產(chǎn)業(yè)也沒(méi)跟上去，就黃掉了。

　　現(xiàn)在，演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)是802.15.4規(guī)范下的UWB低速數(shù)據(jù)傳輸，主要服務(wù)于精準(zhǔn)定位和安全通信。它的主要演進(jìn)方向?yàn)榫_性、數(shù)據(jù)速率和安全性三個(gè)方面。

　　在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)安全傳輸方面，UWB相比NFC感知范圍廣、傳輸速率高、防中繼攻擊能力強(qiáng)，相比Wi-Fi更適用于低速率、密集終端的惡劣環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸。我們不說(shuō)UWB要替換NFC，但基于其精確測(cè)距，UWB完全可以作為NFC的一種輔助模式存在，提高用戶(hù)交互體驗(yàn)。

　　另外，在高速數(shù)據(jù)傳輸方面，當(dāng)前主要集中在更高的頻譜和更復(fù)雜的調(diào)制方式等方面，脈沖UWB并不在考慮范疇。

　　四、今生：UWB應(yīng)用場(chǎng)景

　　隨著移動(dòng)設(shè)備使能UWB，UWB應(yīng)用場(chǎng)景從標(biāo)簽與固定基站之間交互，逐步演化為基于相對(duì)定位的移動(dòng)設(shè)備與固定基站/移動(dòng)設(shè)備之間交互。

　　智慧門(mén)禁。安全性的關(guān)鍵在于證明“人與憑證都在”。證明“人在這里”，與憑證同等重要。業(yè)界多結(jié)合多種技術(shù)一起使用，例如使用藍(lán)牙進(jìn)行設(shè)備發(fā)現(xiàn)，UWB 則用于精準(zhǔn)定位，而 NFC 則是用于手機(jī)沒(méi)電情況下的備用進(jìn)入手段。UWB是輔助手段，傳統(tǒng)手段應(yīng)該繼續(xù)存在！

　　定位服務(wù)。有傳統(tǒng)的定位，也可利用UWB定位來(lái)做鏡頭跟蹤，也可以用在就近配對(duì)場(chǎng)景中。例如，耳機(jī)與電腦配對(duì)，當(dāng)來(lái)了電話，把手機(jī)拿過(guò)來(lái)，耳機(jī)自動(dòng)與手機(jī)配對(duì)等。

　　精準(zhǔn)離線尋人找物。這是一整套解決方案，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是手機(jī)不聯(lián)網(wǎng)，也可以通過(guò)第三方的手機(jī)獲得GPS定位粗略位置，然后，再結(jié)合AR，通過(guò)UWB獲取設(shè)備精確位置。比如蘋(píng)果的AirTag。

　　新型交互方式。在屏幕上滑動(dòng)后，與軌跡方向的設(shè)備進(jìn)行交互，指向性交互的模式也是類(lèi)似的。

　　互動(dòng)游戲。比如：兩人各自通過(guò)一個(gè)滑塊將移動(dòng)的小球打到另一個(gè)設(shè)備的屏幕上，也可以進(jìn)行多人AR對(duì)戰(zhàn)，或者重新定位多屏互動(dòng)。

　　當(dāng)前各大終端廠商都在UWB方面已開(kāi)始有部分應(yīng)用。主要場(chǎng)景有無(wú)感數(shù)字鑰匙、指向性交互、尋人找物等，對(duì)于手機(jī)公司來(lái)說(shuō)，UWB 未來(lái)可能成為像藍(lán)牙、GPS 一樣的標(biāo)配。

　　五、未來(lái)：思考和總結(jié)

　　最后是一些關(guān)于UWB相對(duì)定位前景思考。我們知道，基本上所有智能手機(jī)都支持Bluetooth和Wi-Fi，但NFC并不是。UWB至少需要像NFC一樣規(guī)模的部署。另外，還需要有殺手級(jí)的應(yīng)用。

　　本文觀點(diǎn)總結(jié)為以下四點(diǎn)，歡迎大家一起參考討論：

　　（1）UWB相對(duì)定位是UWB技術(shù)的著重應(yīng)用點(diǎn)；

　　（2）如果定位需求可靠性、穩(wěn)定性、精確性和可重現(xiàn)性，UWB相比藍(lán)牙5.1更具優(yōu)勢(shì)；

　　（3）UWB低速數(shù)據(jù)傳輸而非高速數(shù)據(jù)傳輸；

　　（4）UWB還有比較長(zhǎng)的路要走，至少需要像NFC一樣規(guī)模的部署。另外，還需要有殺手級(jí)的應(yīng)用。