UWB：超寬帶空間感知新秀

邱元陽

編者按：當社會生活從互聯網時代邁向物聯網時代時，位置信息的重要性更加顯而易見。同時，基于位置的定位技術在物聯網中的作用也成為重中之重。互聯網下的定位技術，主要是室外定位，依靠天上的衛星和地面的通信基站實現準確定位。而物聯網下的定位技術，還要涉及室內的高精度定位，這就不是傳統的GPS等定位技術所擅長的了。在室內定位和空間感知技術中，UWB技術作為后起之秀，正越來越受到關注。本次專題，我們分兩期來討論UWB的技術原理和應用領域。

2020年10月，小米正式發布了一項名為“一指連”的新一代連接技術。基于“一指連”技術的手機和智能設備將具備空間感知能力，猶如“室內GPS”，具有“一指操控”和“一指投送”兩大創新功能。當手機指向智能設備，操控界面自動彈出，能夠直接進行操控，極為便捷。

小米的這項新一代連接技術，就是基于UWB的空間定位技術，具備抗干擾能力強、傳輸速率高、功率小、精度高的特點，可用于室內高精定位、物聯網設備交互、文件傳輸等應用場景。此前，蘋果在發布iPhone11的時候，也搭載了支持UWB技術的U1芯片，以顯著提升蘋果手機的空間感知能力的快速文件分享。

那么，UWB技術究竟是什么？有何獨到之處呢？

● 何方神圣——室內定位出新秀

在介紹UWB技術之前，我們先看看主流的室內定位技術有哪些。

1.射頻識別定位技術

利用射頻方式產生電磁場，物品上的RF標簽在經過磁場時生成感應電流，以達到三角定位的目的。

射頻識別作用距離很近，但它可以在幾毫秒內得到厘米級精度的定位信息。由于電磁場具有非視距優點，傳輸范圍大，標簽體積小，造價比較低，在倉庫、工廠、商場廣泛使用在貨物、商品流轉定位上。缺點是不具備通信能力，抗干擾較差，整合難度大。

2.Wi-Fi定位技術

Wi-Fi室內定位的實現方法有兩種：一是通過移動設備和三個無線AP的信號強度，通過差分算法，來比較精準地對人和車輛進行三角定位;二是事先記錄大量的位置點信號強度形成數據庫，對比新加入設備的信號強度來確定位置。

Wi-Fi定位可以在廣泛的應用領域內實現復雜的大范圍定位、監測和追蹤任務，總精度比較高，但是用于室內定位的精度只能達到2米左右，無法做到精準定位。由于無線路由器和移動終端比較普及，這種定位方式可以與其他客戶共享網絡，硬件成本很低，并且降低了射頻干擾，適用于對人或車的定位導航，在醫療機構、主題公園、工廠、商場等場合使用。

3.地磁定位技術

地球的磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分。基本磁場是地磁場的主要部分，起源于地球內部，是比較穩定的靜磁場。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，相對比較微弱。由于現代化建筑都采用的是鋼筋混凝土結構，會在小范圍內對地磁產生干擾，非均勻的磁場環境便會因其路徑不同產生不同的磁場觀測結果。IndoorAtlas就是根據這一原理，利用地磁在室內的這種變化來進行室內定位和導航，精度可以達到0.1～2m。

用這種技術進行定位需要先將室內樓層平面圖上傳到IndoorAtlas的地圖云中，再實地記錄目標地點不同方位的地磁場并上傳至云端，這樣就能利用已記錄過的地磁信息進行精確室內導航。但地磁信號容易受到環境中不斷變化的電、磁信號源干擾，定位結果不穩定。

4.藍牙定位技術

基于BLE（Bluetooth Low Energy）的定位技術，能夠在短距離內實現低功耗無線傳輸和室內定位實時追蹤。在室內安裝適當的藍牙局域網接入點后，將網絡配置成基于多用戶的基礎網絡連接模式，并保證藍牙局域網接入點始終是這個網絡的主設備。藍牙接收端距離發射端的距離越近，信號強度越強，反之信號強度越弱，根據信號強度與距離的關系，通過信號強度的變化就能達到定位目的。

藍牙受周圍環境干擾小，定位誤差小，成本低，便于集成，但在前期基站建設時需要大面積鋪設藍牙設備。

可以看出，這些室內定位技術都各有一些缺點。于是，UWB閃亮登場。

5.UWB定位技術

UWB是超寬帶（Ultra Wide Band）技術的英文縮寫，它是一項與傳統通信技術有極大差異的無線通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有3.1～10.6GHz量級的帶寬，在無線室內定位領域具有良好的前景。

UWB傳輸速率高，發射功率低，穿透能力強，抗干擾效果好，并且是基于極窄脈沖的無載波無線技術。這些優點使它在室內定位中可得到精確的結果，精度達到0.1～0.5m，可用于戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。

● 技術剖析——優點缺點看原理

UWB技術始于20世紀60年代興起的脈沖通信技術，利用頻譜極寬的超短脈沖進行通信，又稱為基帶通信、無載波通信，主要用于軍用雷達、定位和通信系統中。UWB技術是一種無載波通信技術，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，只在需要時發送出脈沖電波，大大減少了能耗（如圖1）。由于這種脈沖電波的寬度控制在1ns以下，需要占用很寬的頻帶，因而實現幾百兆到1Gbps以上速率的通信成為可能。

1.系統實現

在發射端，UWB發射器直接用脈沖激勵天線，可采用非常低廉的寬帶發射器。在接收端，UWB接收機不需要中頻處理，因此UWB系統結構的實現比較簡單（如圖2）。在工程實現上，UWB也比其他無線技術要簡單得多，只需以一種數學方式產生脈沖，并對脈沖產生調制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，大大減小系統的復雜性，降低設備成本。

FCC（美國聯邦通信委員會）為UWB分配了3.1～10.6GHz共7.5GHz頻帶（如下頁圖3），還對其輻射功率做出了更為嚴格的限制，將其限定在-41.3dBm頻帶內。

2.數據傳輸

從圖中可以看出，UWB技術通過超大帶寬和低發射功率，實現了低功耗水平上的快速數據傳輸。

UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，并且不單獨占用現有比較擁擠的頻率資源，而是共享其他無線技術的頻帶。UWB信號的傳輸范圍在10m以內，傳輸速率可達500Mbps，是實現個人通信和無線局域網的理想調制技術。

3.精確定位

由于UWB脈沖的時間寬度極短，因此也可以采用高精度定時來進行距離測算。目前常用的UWB測距方法有三種：①TOF（Time of flight），通過測量UWB信號在基站與標簽之間飛行的時間來實現測距;②TDOA（Time Difference of Arrival），利用UWB信號由標簽到達各個基站的時間差來進行定位;③PDOA（Phase Difference Of Arrival），利用到達角相位來測量基站與標簽之間的方位關系。以TDOA測距定位算法為例，根據信號到達的時間差，通過雙曲線交叉實現定位，其定位系統包括UWB接收器、UWB參考標簽和主動UWB標簽。定位過程中由UWB接收器接收標簽發射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再進行測距定位計算分析。

由于沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信功能合一。UWB具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，其定位精度可達厘米級。

4.安全低耗

UWB的信號能量分散在極寬的頻帶范圍內，其功率譜密度甚至低于自然的電子噪聲，有用信息完全淹沒在噪聲中，在采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，被截獲的概率和被檢測的概率都很低，具有很好的安全性能。UWB系統使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間在0.2～1.5ns之間，占空因數很低，因此系統功耗很低，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百微瓦至幾十毫瓦。

UWB技術是一種新穎的無線通信方式，它傳輸速率高、抗多徑能力強、穿透能力強、功耗低、成本低、截獲概率低、系統復雜度低，能與其他無線通信系統共享頻譜，作為短距離超寬帶無線數據傳輸方式受到人們的普遍關注，已經成為無線個域網（WPAN）的首選技術。UWB具有傳統無線通信系統無法比擬的技術特點。

● 孰優孰劣——定位技術大比拼

不同的技術發展階段產生了不同的室內定位技術，如藍牙、RFID、Wi-Fi、UWB、超聲波等，這些技術各有特點，各自適合不同的應用領域。但是從基本的定位需求來看，還是可以進行一番比較的。

1.數據傳輸能力

比較室內定位的幾種技術途徑，在Wi-Fi、藍牙、ZigBee、UWB中，速度最慢的是ZigBee和藍牙，傳輸距離最短的是UWB和藍牙（如圖4）。Wi-Fi在802.11g規范下的速度是54Mbps，而在802.11n下已達到300Mbps，802.11ac（Wi-Fi 5）能達到1Gbps，802.11ax（Wi-Fi 6）及802.11ay甚至能達到10G bps以上。

需要注意的是，UWB在較老的802.15.3a規范下最高速度是110Mbps，而802.15.4a規范的UWB傳輸速度則能達到幾百Mbps，傳輸距離能達到300m。

無線通信的頻率越高或波長越短，可傳輸的數據越多，但可接收信號的范圍就越小。以Wi-Fi為例，802.11n采用2.4GHz的頻率，傳輸距離為100～300m，802.11ac采用5GHz的頻率，覆蓋范圍只有幾十米，而采用60GHz頻度的802.11ad，覆蓋范圍也就一個客廳那么大，出門就沒信號了。為解決這個問題，很多Wi-Fi路由器都做成雙頻或三頻的，甚至能自動切換，近距離時用5GHz來提高傳輸速度，遠了就切換成2.4GHz來保持信號穩定。

2.定位精度

2019年，由HID Global、恩智浦、三星、博世、索尼、LitePoint和TTA等公司組建了FiRa聯盟，旨在利用超寬帶（UWB）技術推動用戶無縫體驗。FiRa的名稱Fine Ranging代表“精確測距”，突出了UWB技術在測量距離或確定目標相對位置時提供的前所未有的精確度的獨特能力。UWB具有高精度優勢的原因有以下幾個：

（1）抗多徑能力強。帶寬決定了信號在多徑環境下的距離分辨能力，UWB的帶寬很寬，多徑分辨能力強，能夠分辨并剔除大部分多徑干擾信號的影響，得到精度很高的定位結果，在距離分辨能力上高于其他傳統系統，復雜環境下其精度甚至可以達到Wi-Fi、藍牙等傳統系統的百倍以上。

（2）時間戳精度高。超寬帶脈沖信號的帶寬在納秒級，在采用高精度定時來進行定位時，引入的誤差通常小于幾厘米。

（3）電磁兼容性強。UWB的發射功率低，信號帶寬大，能夠很好地隱蔽在其他類型信號和環境噪聲之中，傳統的接收機無法識別和解調，不會與其他通信業務互相干擾。

（4）能效較高。UWB具有500MHz以上的射頻帶寬，能夠提供極大的擴頻增益，使得UWB通信系統能效較高，在長距離應用中，不需要額外的功率放大器即可達到200m的距離，同時實現6.8Mbps的空中速率，有助于提高定位精度。

下表是UWB與Wi-Fi、藍牙等室內定位技術在定位精度和距離范圍方面的比較。可以看出，幾種室內定位技術相比，UWB的定位精度是最高的，并且覆蓋范圍也較大。

3.安全性能

UWB目前最新的協議標準是802.15.4，但卻有兩個版本，分別是802.15.4a和802.15.4z，4z版本的標準由NXP主導研發，與4a版本最大的區別就在于加密。UWB有一個重要的物理特性可以用于加密和身份認證，而且不可能被破解，這個特性就是無線電的光速飛行時間，而光速是不可能被超越的。這樣，UWB就可以提供一個精確的、無法偽造的“在場”證明。

有了通信和定位的基本功能，以及不可破解的加密方式的加持，對移動支付和一些安全系數要求較高的應用來說，就是最佳方案了。而且，UWB的成本也較低，如果應用到手機、汽車等智能產品上，其應用體驗將會帶來質的飛躍。

● 應用展望——云里霧里話迷茫

UWB作為一種無線通信技術，其應用主要有兩種：一是測距，一是定位。

UWB還可以識別個人朝向或遠離安全入口，同時可驗證安全憑證，并讓授權個人通過入口而無需刷卡。這使得UWB技術能夠在智慧門禁、汽車無鎖化啟動以及系統識別認證等方面得到很好的應用。近年來，蘋果、小米、大眾、特斯拉、Qorvo等眾多巨頭廠商也在積極嘗試通過UWB技術實現在手機、汽車、智能家居等領域的應用。

在FiRa聯盟的推動下，通過制訂標準和認證，主導廠商正努力建立跨芯片組、設備和基礎設施服務的互操作UWB生態系統，使精準測距功能可以蓬勃發展，最終為無縫用戶體驗樹立新標準。

2019年，中國移動、華為、高通、百度等120余家單位聯合成立了精準定位聯盟，旨在聯合產業界打造“5G+位置”行業生態，服務于垂直行業應用落地。

根據市場調研機構Techno Systems Research的報告，預計2027年全球UWB市場出貨量將超過22億顆。其中，智能手機將會是出貨量最大的部分，緊隨其后的是汽車、智能家居、可穿戴設備、消費電子標簽，及實時定位系統。

然而用戶的感覺卻是雷聲大雨點小。小米在推出“一指連”后，也沒能給用戶的震撼感受推波助瀾，蕩起的漣漪漸漸平復。就連首開手機中使用UWB先河的蘋果，也沒有給用戶帶來持續的驚喜，反而讓人誤以為UWB也是用于手機的一種通信技術，而且相關的配套設備和應用還比較麻煩。

另外，眾多投資機構一波一波帶著憧憬的UWB調研和投資，也沒有明顯的效果和回報。UWB應用的最后一公里，似乎還沒有打通。各大公司對UWB的預期也各不相同，在UWB應用遭遇瓶頸時，市場也走向撲朔迷離。

如果UWB的地面系統能夠完善，所有的問題也許就會迎刃而解。當UWB從商場到小區、從學校到政府、從城市到區域都開始布設并提供服務，逐漸實現全國乃至全球聯網時，這個愿景下的UWB哪怕只是回歸它的測距和定位的基本功能，室內厘米級精度的三維位置信息也會讓它大放異彩。

● 結束語

我們正在加速走向萬物互聯時代，IoT除了5G、Wi-Fi、藍牙推動之外，未來UWB也是一個很好的推動選擇。這些短距離通信技術都有很大的發展空間和市場機會，都可以利用自身的優勢，與細分物聯網場景緊密結合，共同推動信息化時代的發展。

在自動化和智能化生產、生活中，智能設備可以感應到各種外界信息，但卻往往無法準確地確定自己的位置信息，從而脫離人的控制進行基于位置的自動化精細作業。當通信和位置信息相結合，在軍事需求和商業市場的推動下，UWB技術將會進一步發展和成熟起來。

因為UWB具有獨特的技術優勢，所以它改變人們的連接方式，成為下一代改變游戲規則的無線通信技術也有可能。即使不會全面爆發，至少，它也可能會成為物聯網時代的下一個風口。