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UWB
UWB（超寬帶，Ultra-Wideband）是一種短距離無線通信技術(shù)，它提供比當(dāng)前使用的其他定位技術(shù)更精確的讀數(shù)，使用飛行時間（ToF）和到達(dá)角（AoA）計(jì)算，UWB可以實(shí)時地確定+/-10厘米范圍內(nèi)的位置。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：低延遲、高可靠性、高刷新率下具有高精度和可擴(kuò)展性，即使在嚴(yán)苛環(huán)境下也是如此。
建立在IEEE 802.15.4a/z標(biāo)準(zhǔn)之上的UWB技術(shù)，在寬頻譜上工作，允許在低功率下快速傳輸數(shù)據(jù)。因此，UWB可提供高度準(zhǔn)確和精確的位置和精細(xì)測距測量，同時還支持高級別的安全性，以保護(hù)訪問證書和數(shù)據(jù)通信。
在商業(yè)上，UWB有著廣闊的應(yīng)用前景。2019年，蘋果宣布在iPhone 11中采用了其新出的U1芯片，從這款芯片開始，UWB全面開啟了在消費(fèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)用之旅。隨后，UWB進(jìn)入了其他一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。在工業(yè)4.0時代，UWB是實(shí)時定位系統(tǒng)（RTLS）領(lǐng)域中發(fā)展超級快的技術(shù)之一，其可靠性和抗干擾能力使其成為工業(yè)環(huán)境下無線通信的不二選擇。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，UWB確保了對汽車的安全訪問權(quán)限。
UWB技術(shù)概況
誕生于20世紀(jì)60年代的UWB，初始時僅用于軍事用途，它可以精確跟蹤10厘米以內(nèi)的物體，覆蓋范圍在10-200米，抗干擾能力強(qiáng)。與其他無線數(shù)據(jù)傳輸方式截然不同，UWB是一種基于脈沖圖形無線電的技術(shù)，在時域中發(fā)送數(shù)據(jù)，頻率范圍從3.1到10.6 GHz。
當(dāng)然，脈沖方法傳輸數(shù)據(jù)就需要占用更多的頻譜才能可靠地工作，這也是將其命名為超寬帶的原因。因頻譜較寬，脈沖數(shù)據(jù)可以非?？焖俚匕l(fā)送，而不會失去準(zhǔn)確性。UWB單個頻帶通常為500MHz，而4G LTE頻帶僅為5至20MHz，Wi-Fi頻帶為20MHz至80MHz。通常，UWB可以達(dá)到4Mbps到675Mbps或更高的數(shù)據(jù)速率，這遠(yuǎn)比NFC的424Kbps和藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)2.1Mbps速度快得多，但低于Wi-Fi 6的2Gbps。
不會干擾同時工作的其他無線設(shè)備（如Wi-Fi或藍(lán)牙設(shè)備）是UWB的另一特點(diǎn)。為了避免相互干擾，大多數(shù)無線技術(shù)通常都會被限制在非常窄的頻帶內(nèi)。UWB的工作電平非常低，基本上落在其他無線技術(shù)的基底噪聲內(nèi)，有效規(guī)避了相互干擾問題。
歸納起來，UWB代表的“超寬帶”，是一個頻譜很寬，很容易檢測，但功率足夠低，不會干擾其他信號，能夠?qū)崿F(xiàn)極其精確位置跟蹤的短程無線通信技術(shù)。支持UWB的設(shè)備可以以驚人的速度在短距離內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。大多數(shù)情況下，這些“基于脈沖的”無線電波用于通過精確計(jì)時無線脈沖在兩個不同設(shè)備之間傳播所需的時間來測量位置。
進(jìn)軍安全測距和定位領(lǐng)域
如前所述，UWB并不是一項(xiàng)新技術(shù)，它開始時被定位為一種與Wi-Fi類似的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，但由于各種原因，包括功率限制，在商業(yè)用途上一直沒有取得成功。當(dāng)該技術(shù)重新定位，主要朝著基于脈沖無線電、基于IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的安全測距和定位技術(shù)發(fā)展之后，為UWB賦予了安全、可靠、厘米級精確距離和位置測量的能力。UWB的主要吸引力在于其極高的位置和方向精度，可以精確定位物體的位置，誤差僅有幾個厘米，大大高于藍(lán)牙、GPS和其他跟蹤方法。這一應(yīng)用已經(jīng)在Apple AirTag和Samsung Galaxy SmartTag Plus等聯(lián)網(wǎng)跟蹤設(shè)備中有了具體展現(xiàn)。
在汽車行業(yè)，寶馬、奧迪、福特和現(xiàn)代等制造商均表示，配備UWB的設(shè)備有朝一日可能會成為一把安全的汽車數(shù)字鑰匙。雖然目前已經(jīng)存在各種形式的無鑰匙進(jìn)入技術(shù)，但UWB的采用將使車輛能夠在幾厘米內(nèi)實(shí)時測量遙控鑰匙的確切位置，與其他無線標(biāo)準(zhǔn)相比，UWB極大地提高了車輛的安全性。未來，你可以用支持UWB的設(shè)備（比如智能手機(jī)）或使用其數(shù)字鑰匙平臺的可穿戴設(shè)備解鎖車輛，不必隨身攜帶單獨(dú)的遙控鑰匙。
隨著UWB技術(shù)向大規(guī)模商用過渡，企業(yè)深知UWB技術(shù)的成功必須基于可互操作、通用和互聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)。成立于2019年8月的FiRa（Fine Ranging）聯(lián)盟是一個非營利協(xié)會，支持在接入控制、基于位置的服務(wù)和設(shè)備到設(shè)備服務(wù)等用例中使用UWB技術(shù)，旨在全面發(fā)展UWB生態(tài)系統(tǒng)，以便精細(xì)測距功能的新用例能夠成功。該聯(lián)盟目前擁有100多名成員，其中包括半導(dǎo)體、手機(jī)、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和汽車等行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，如NXP、Samsung 、小米、Oppo、Bosch、思科、Sony、HID、現(xiàn)代汽車等。
有了NFC和藍(lán)牙，為何還要UWB？
如果說我們討論的超寬帶應(yīng)用聽起來很熟悉，那是因?yàn)槠渲性S多已經(jīng)使用了NFC和藍(lán)牙技術(shù)。這就引出了一個問題，既然已經(jīng)有了NFC和藍(lán)牙，為什么我們還要考慮另一種無線技術(shù)呢？什么時候UWB才是優(yōu)選？
在設(shè)計(jì)室內(nèi)定位系統(tǒng)時，工程師們先想到或者常使用的技術(shù)往往都會是Wi-Fi和藍(lán)牙低能耗（BLE）。這些技術(shù)對數(shù)據(jù)通信非常有用，但它們都不是為實(shí)時定位服務(wù)（RTLS）而發(fā)明的。另外，Wi-Fi、藍(lán)牙和其他窄帶無線電系統(tǒng)可以達(dá)到數(shù)米的精度，加之室內(nèi)大量電子設(shè)備之間相互的電磁干擾，很難實(shí)時準(zhǔn)確地檢測到它們的位置。因此，這些技術(shù)并不能滿足所有室內(nèi)實(shí)時定位需求。
那么，什么時候UWB才是首推選擇呢？
當(dāng)高速數(shù)據(jù)傳輸、高精度的快速位置檢測和/或低干擾風(fēng)險是關(guān)鍵要求時，就是UWB的主場了。與窄帶無線技術(shù)相比，寬帶意味著UWB即使在擁擠的多徑信號環(huán)境中也能提供穩(wěn)定的連接，幾乎沒有干擾還能精確定位。因此，UWB提供了比藍(lán)牙和NFC更高的定位精度。NFC工作頻率為13.56MHz，大多數(shù)情況下要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砭嚯x必須非常近。UWB的傳輸距離介于藍(lán)牙和NFC之間，應(yīng)用更加靈活。還有，UWB在需要額外安全性的場景中也能很好地工作，例如無線車輛接入。當(dāng)然，并不是說UWB可以直接取代市場上已經(jīng)存在的其他無線技術(shù)。相反，UWB與BLE技術(shù)的結(jié)合更能惠及智能家居、汽車、消費(fèi)類和工業(yè)等應(yīng)用。對于不同的用例來說，UWB給了我們一個更好、更通用的選擇。
要說UWB有什么缺點(diǎn)，從技術(shù)角度看，該技術(shù)的特殊之處就在于它并沒有太多缺點(diǎn)，它節(jié)能、通用、經(jīng)濟(jì)高效，幾乎不受外來攻擊和干擾。但從應(yīng)用角度看，性價比不高確實(shí)是UWB目前主要的短板。NFC和藍(lán)牙解決方案都很便宜，尤其是對于低功率信標(biāo)或無源NFC標(biāo)簽。兩相比較，UWB不僅價格高，并且還需要工作在有源條件下。
UWB的應(yīng)用前景
盡管UWB每年都被集成到更多的智能手機(jī)中，但人們手中的大多數(shù)設(shè)備仍然沒有配備傳輸或接收UWB信號的設(shè)備，這嚴(yán)重阻礙了這項(xiàng)技術(shù)在消費(fèi)者世界的潛力。雖有Apple AirTag和三星Galaxy SmartTag Plus 等設(shè)備的加持，目前UWB的采用率仍然不高。在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，UWB的普及率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及藍(lán)牙、NFC和Wi-Fi，但UWB擁有的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢仍讓人們看到它在未來的應(yīng)用潛力。
01、汽車安全無鑰匙進(jìn)入（汽車數(shù)字鑰匙）
雖然這項(xiàng)技術(shù)尚未被整個汽車行業(yè)采用，但它的使用量每年都在增加。寶馬在其一些較新的車型如iX中已經(jīng)使用UWB進(jìn)行無鑰匙進(jìn)入。將超寬帶用于數(shù)字鑰匙的核心優(yōu)勢之一是UWB可以有效防止外部攻擊。
02、自動駕駛中的實(shí)時信息傳遞
UWB每秒可以發(fā)射10億個脈沖，測距精度能精確到幾厘米以內(nèi)。自動駕駛汽車恰恰需要這種可靠且響應(yīng)速度超快的傳感器，以確保車輛的駕駛安全。還有什么比UWB更合適的技術(shù)能夠幫助無人駕駛汽車“看到”周圍的物體呢？不過，目前UWB尚未在自動駕駛汽車中得到充分利用。未來，預(yù)計(jì)UWB有望在聯(lián)網(wǎng)車輛中被用作提供準(zhǔn)確、實(shí)時信息的無線通信技術(shù)。
03、資產(chǎn)跟蹤
在智能手機(jī)中，蘋果和三星已經(jīng)利用UWB技術(shù)分別讓他們的智能手機(jī)通過AirTag和Galaxy Smart Tag+設(shè)備實(shí)現(xiàn)室內(nèi)跟蹤。其中，AirTag無線追蹤器是BLE與UWB兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，借助UWB技術(shù)，用戶可以在手機(jī)上看到 AirTag 離得有多遠(yuǎn)，該往哪個方向?qū)ふ?。在工業(yè)領(lǐng)域，我們可以用UWB技術(shù)來跟蹤工廠中數(shù)量龐大的、昂貴的工具、零件和設(shè)備，確保不會丟失任何有價值的物品。
04、智能家居設(shè)備的定位及自動控
在智能家居行業(yè)UWB的應(yīng)用潛力巨大。極其簡單的應(yīng)用可以是，通過向智能家居系統(tǒng)中的智能音箱發(fā)送指令尋找不知忘在家中某個角落的智能手機(jī)。又或者借助UWB使得智能家居變得更智能，例如用帶有UWB的智能手機(jī)控制家居設(shè)備、當(dāng)主人離家門較近時通過對UWB數(shù)字門鎖進(jìn)行編程使其自動解鎖等。
05、體育運(yùn)動中的實(shí)時跟蹤
在運(yùn)動項(xiàng)目中，UWB可以被用來跟蹤場上球員的位置，以利于技術(shù)統(tǒng)計(jì)和裁判。甚至，UWB天線被放置在足球內(nèi)部，并以每秒大約2000次的速度更新足球的位置，這些應(yīng)用不僅幫助裁判做出準(zhǔn)確判罰，還能讓現(xiàn)場解說人員提出更具前瞻性的見解。當(dāng)然，這些應(yīng)用可能屬于錦上添花，并不如消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用那樣看起來更具商業(yè)價值。
UWB發(fā)展現(xiàn)狀及行業(yè)展望
2019年9月，蘋果宣布將在iPhone 11中引入專門設(shè)計(jì)的U1 UWB收發(fā)器。很快，這樣的創(chuàng)新激勵了三星和小米等其他智能手機(jī)制造商對UWB的研發(fā)及應(yīng)用。Qorvo和STMicroelectronics等半導(dǎo)體廠商迅速捕捉到這一商機(jī)，他們通過收購DecaWave和BeSpoon快速進(jìn)入UWB市場。
在消費(fèi)電子市場，蘋果公司帶有UWB收發(fā)器的U1芯片已經(jīng)嵌入到iPhone、AppleWatch、iPad和AirTag等設(shè)備中。利用UWB的高速傳輸能力，大幅提高了“隔空投送”功能的傳輸速度。此外，蘋果還向應(yīng)用程序開發(fā)人員開放了U1接口，并將其同步到IEEE802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)。通過訪問Apple’s Nearby Interaction 協(xié)議和API，開發(fā)者將能夠利用UWB的空間感知來構(gòu)建應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序只需靠近配備U1的iPhone或Apple Watch即可與配件通信。目前，U1芯片可與Qorvo和NXP的UWB收發(fā)器兼容。
NXP是第一家提供系統(tǒng)級UWB解決方案的公司，NXP Trimension產(chǎn)品組合中的公測版UWB開發(fā)工具，與Apple產(chǎn)品中的U1芯片兼容，支持開發(fā)用于iPhone和Apple Watch的新超寬帶應(yīng)用。這個開發(fā)工具基于Trimention SR150和SR040，這是一個專門的UWB物聯(lián)網(wǎng)解決方案組合，依據(jù)FiRa Consortium規(guī)范，所有PHY/MAC操作都在UWB IC內(nèi)處理，開發(fā)人員可快速將解決方案推向市場。
Qorvo是射頻解決方案的優(yōu)秀提供商，該公司于2021年6月宣布其DW3000系列產(chǎn)品與蘋果公司的iPhone和Apple Watch中使用的U1芯片達(dá)成互操作性。這種兼容性將使開發(fā)人員能夠根據(jù)與配備U1的iPhone或Apple Watch的位置、距離和方向輕松評估新的應(yīng)用體驗(yàn)。DW3000是Qorvo的下一代超寬帶（UWB）芯片組系列，有四個UWB芯片組系列DW3110、DW3120、DW3210、DW3220，針對低功耗電池操作應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。通過UWB信道5（6.5 GHz）和信道9（8 GHz），支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達(dá)6.8 Mbps，同時提供精確定位，測距精度在10厘米以內(nèi)，角度測量精度在+/-5度以內(nèi)。
圖2：Qorvo下一代超寬帶芯片組DW3000（圖源：Mouser）
在汽車行業(yè)，傳統(tǒng)的遙控鑰匙允許用戶鎖定和解鎖汽車、打開車窗或啟動發(fā)動機(jī)?，F(xiàn)在，這些功能可全部由數(shù)字鑰匙（Digital Key）提供。除此之外，符合汽車互聯(lián)互通聯(lián)盟（CCC）規(guī)范的數(shù)字鑰匙還可以擴(kuò)展額外的舒適功能，實(shí)現(xiàn)對汽車訪問權(quán)限的完全控制。例如，無論物理距離如何，CCC數(shù)字鑰匙允許用戶在家人和朋友之間共享訪問權(quán)限，這個訪問權(quán)限可以在瞬間和任何時間內(nèi)傳輸。隨著CCC數(shù)字鑰匙3.0版規(guī)范的面世，智能手機(jī)變成全數(shù)字汽車鑰匙的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確定。Digital Key 3.0版本基于UWB獨(dú)特的定位功能，提供真正的無鑰匙汽車接入，它不僅提供了與傳統(tǒng)的基于遙控鑰匙的解決方案相同的舒適性和安全性，而且在操作上無需與智能手機(jī)進(jìn)行交互，這意味著用戶不必從口袋里掏出手機(jī)就可以打開應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)真正的免提訪問。
2023年3月，三星推出的配備UWB功能的Exynos Connect U100芯片，經(jīng)過優(yōu)化，可在汽車、移動和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)安全測距和精確感測。三星U100芯片將閃存、射頻、基帶和電源管理技術(shù)集成在一個芯片上，非常適用于緊湊型設(shè)備，如Galaxy SmartTag+。該芯片還具有板載加擾時間戳序列（STS）功能，這是一種物理加密技術(shù)，允許對數(shù)據(jù)包的時間戳進(jìn)行設(shè)備級加密。三星Exynos Connect U100已獲得FiRa聯(lián)盟的認(rèn)證，同時符合CCC數(shù)字鑰匙3.0規(guī)范。
NXP NCJ29D5是NXP新一代UWB IC系列的第一款產(chǎn)品，專用于滿足汽車的連接和功能安全需求。它實(shí)現(xiàn)了多個引人注目的新用例，包括：UWB IC使汽車能夠知道用戶的確切位置；當(dāng)你靠近時，汽車上的超寬帶門鎖會自動解鎖，提供安全的免提開啟功能；當(dāng)用戶將手機(jī)放在口袋或包中，同樣能夠打開和啟動汽車，并通過智能手機(jī)享受安全的遠(yuǎn)程泊車服務(wù)。此外，ToF計(jì)算使得UWB不易受到基于信號放大的中繼攻擊，因此這款UWB IC可以很大限度地避免了盜車風(fēng)險。
圖4：NXP NCJ29D5評估板（圖源：NXP）
在面向物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽的安全超寬帶解決方案中，NXP Trimension SR150和SR040是首個取得FiRa認(rèn)證的UWB芯片集。2021年10月，F(xiàn)iRa聯(lián)盟宣布了新的認(rèn)證計(jì)劃，Trimension SR150和SR040是第一個獲得PHY/MAC一致性和互操作性基礎(chǔ)（Base）認(rèn)證的芯片組。FiRa認(rèn)證意味著NXP超寬帶芯片組已經(jīng)過獨(dú)立授權(quán)測試實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證，符合新版本的IEEE UWB標(biāo)準(zhǔn)802.15.4z。其中，Trimension SR040支持低功耗操作，減少了對外部組件的需求，專為紐扣電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而設(shè)計(jì)，如UWB跟蹤器和標(biāo)簽。內(nèi)置的NXP FiRa MAC支持互操作性，加快了產(chǎn)品上市速度。Trimension SR040還可以與BLE或其他連接控制器集成在一個設(shè)備中，以利于開發(fā)出更多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。Trimension SR150主要增加了到達(dá)角（AoA）技術(shù)，提高了精確度，非常適合各種大型基礎(chǔ)設(shè)施的UWB應(yīng)用，如門禁裝置、室內(nèi)本地化設(shè)置和支付方案，以及消費(fèi)品如電視和游戲機(jī)等。另外，多個采用SR150的設(shè)備可放置在同一個房間作為超寬帶錨，以幫助定位在房間內(nèi)移動的人和物體。
圖5：第一個獲得FiRa聯(lián)盟PHY/MAC一致性和互操作性基礎(chǔ)認(rèn)證的SR040芯片（圖源：NXP）
UWB技術(shù)出現(xiàn)在商業(yè)市場上已經(jīng)有幾年的時間，不過，它的應(yīng)用遠(yuǎn)未達(dá)到Wi-Fi或藍(lán)牙那么普遍，目前只在市場上一些較昂貴的設(shè)備上能夠見到它的身影。究其原因，我們發(fā)現(xiàn)，盡管UWB每年都被集成到更多的智能手機(jī)中，但人們手中的大多數(shù)設(shè)備仍然沒有配備傳輸或接收UWB信號的設(shè)備，嚴(yán)重阻礙了這項(xiàng)技術(shù)在消費(fèi)行業(yè)的發(fā)展速度。隨著UWB技術(shù)逐步進(jìn)入車輛和跟蹤市場，預(yù)計(jì)這種情況很快就會發(fā)生變化。市場咨詢公司Statista的數(shù)據(jù)表明，2022年，基于UWB技術(shù)的全球乘用車接入控制市場規(guī)模約為5,650萬美元，成為整個市場中主要的細(xì)分市場。預(yù)計(jì)該市場將在未來幾年增長，到2031年將達(dá)到2.304億美元。
當(dāng)前，UWB市場正面臨來自藍(lán)牙、GPS和Wi-Fi等替代產(chǎn)品的激烈競爭。雖然UWB在許多方面優(yōu)于藍(lán)牙和Wi-Fi，如高安全性、低功耗、高帶寬、雙向通信等，使其在許多應(yīng)用中都能獲得好評，然而，UWB因行業(yè)使用量不高導(dǎo)致它的產(chǎn)品價格較高，市場推廣仍然艱難。
結(jié)語
超寬帶是一種無線技術(shù)，能夠提供比其他無線技術(shù)更準(zhǔn)確的實(shí)時跟蹤和定位能力。內(nèi)置超寬帶芯片的智能手機(jī)可以找到帶有UWB標(biāo)簽的錢包、鑰匙和其他個人物品。
著名的分析機(jī)構(gòu)Mordor Intelligence的預(yù)測顯示，UWB市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從2023年的15.5億美元增長到2028年的34.5億美元，復(fù)合年增長率為17.37%。智能手機(jī)等消費(fèi)電子設(shè)備的日益普及和滲透推動了該市場的增長。此外，由于UWB技術(shù)比Wi-Fi和RFID的測距和定位精度更高，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）中對RTLS有需求的應(yīng)用已經(jīng)開始從Wi-Fi和RFID轉(zhuǎn)向UWB技術(shù)，以提高效率、縮短交付周期并降低成本，這也是UWB市場增長的一個重要原因。
智能手機(jī)被認(rèn)為是出貨量極大的消費(fèi)類產(chǎn)品，盡管并非所有智能手機(jī)都具有UWB技術(shù)，但自2019年9月iPhone 11問世以來，包括谷歌、三星和小米在內(nèi)的許多公司都發(fā)布了采用UWB技術(shù)的產(chǎn)品。在物聯(lián)網(wǎng)中，AirTag、AirPod和智能家居市場中的設(shè)備都被考慮在內(nèi)。
這些只是已經(jīng)出現(xiàn)的用例，考慮到無線智能設(shè)備的普遍性，UWB的優(yōu)勢又如此明顯，預(yù)計(jì)在未來幾年我們將聽到更多關(guān)于UWB技術(shù)廣泛應(yīng)用的消息。
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