一文講透超寬帶（UWB）前世今生

???UWB大火與巨頭入局

傳聞已久的蔚來手機可能即將要發(fā)布了。據(jù)工信部官網(wǎng)顯示：申請單位為蔚來移動科技有限公司、型號為N2301的手機已正式完成入網(wǎng)。相關認證信息顯示，N2301支持UWB，可以被用作蔚來汽車的數(shù)字鑰匙。

圖 1 蔚來手機概念圖

UWB是什么？

為什么好多手機廠商都在提UWB。

數(shù)字鑰匙是什么？

好像最近發(fā)布的新車都在提這個概念。

UWB與數(shù)字鑰匙之間又是什么關系呢？

如果您也有以上疑問，信馳達科技近期將陸續(xù)發(fā)布的《超寬帶（UWB）知識大融通系列文章》為您一一作答。

UWB并不是一項新技術，但它真正進入大眾視野，是2019年蘋果發(fā)布iPhone 11的時候，盡管發(fā)布會上Phil Schiller完全沒有提到U1芯片，人們只是從背景幻燈片中看到了U1芯片，但卻足以引起行業(yè)的強烈關注。后來人們才知道蘋果在iPhone 11中內置U1芯片，用以增強iPhone的空間感知能力（Spatial Awareness）。其中U1芯片的“U”即是指Ultra-WideBand（超寬帶，UWB）。

圖 2 蘋果發(fā)布會U1芯片

小米也緊隨其后，發(fā)布了其基于UWB打造的“一指連”技術：手機指向某臺智能設備，能自動喚起該設備控制卡片直接進行操控，而無需人為進行選擇。手機和智能設備通過“一指連”具備了空間感知能力。

圖 3 小米UWB一指連

三星也認為UWB將是一種改變游戲規(guī)則的無線通信技術，其重磅旗艦Galaxy Note20 Ultra首次引入UWB，新增Point to Share功能實現(xiàn)便捷高效的文件共享（其實就類似于iOS系統(tǒng)的AirDrop功能）。

圖 4 三星發(fā)布UWB手機

自iPhone 11以來，全系iPhone標配U1芯片，除iPhone外，蘋果將U1芯片也嵌入到自家多款產品中（Watch Series 6 及更新版本、HomePod mini、第二代 HomePod、新款 AirPods Pro 充電殼和 AirTags）。前段時間，“地表最強蘋果分析師”郭明錤指出，U1芯片將規(guī)格升級，由16 nm制程升級至7 nm，用以更好的支持Vision Pro，蘋果真是前所未有的重視UWB技術。

圖 5 郭明錤推文

除手機廠商，車企也把目光不約而同地投向了UWB技術。老牌車企寶馬BMW iX M60和BMW iX xDrive40全球首發(fā)UWB數(shù)字鑰匙，新勢力蔚來ET7國內首發(fā)UWB數(shù)字鑰匙，近期新能源巨頭比亞迪發(fā)布全球首搭UWB數(shù)字鑰匙的MPV騰勢D9。無論是老牌車企還是造車新勢力，均強調自己使用了UWB技術。

圖 6 寶馬蔚來騰勢采用UWB技術

???UWB溯源與早期研究

追溯UWB（超寬帶，Ultra-WideBand）的歷史，不得不提到脈沖無線電（IR，Impulse Radio）。因為在早期，UWB就叫做“脈沖無線電技術”（也叫做基帶傳輸技術、無載波傳輸技術）。

圖 7 脈沖無線電發(fā)展簡史

這里有三位值得我們記住的人：

? 1887年，德國物理學家海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）利用火花間隙****（Spark Gap Transmitter）產生脈沖無線電證實了電磁波的存在。

? 1893年，“最接近神的男人”尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）利用脈沖無線電向公眾展示了無線電通信的可能。

? 1901年，意大利電氣工程師古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）利用脈沖無線電橫跨大西洋3500公里傳輸摩斯碼序列。

現(xiàn)代意義上UWB在通信領域的研究與應用，始于20世紀60年代興起的脈沖通信技術：

? 1969年至1984年間，美國天主教大學（Catholic University of America）的Harmuth出版的書籍和論文，奠定了UWB收發(fā)器的設計基礎。

? 幾乎在同一時間，Sperry Rand公司的Ross和Robbins，獨立地在多個應用領域開創(chuàng)性地使用了UWB技術。

? 1973年，Ross發(fā)表的專利（US Patent 3728632）是UWB通信領域的一個重要里程碑。

除通信外，UWB在雷達領域的研究與應用，也同時得到發(fā)展：

? 1950年代末，林肯實驗室（Lincoln Laboratory）和斯佩里研究中心（Sperry Research Center）開發(fā)的相控陣雷達系統(tǒng)，這是現(xiàn)代UWB技術研究的開端。

? 1974年，GSSI公司憑借Morey設計的用于穿透地面的UWB雷達系統(tǒng)取得了商業(yè)成功。

? 1977年，美國空軍羅馬航空發(fā)展中心（USAF's Rome Air Development Center）的Paul van Etten對UWB雷達系統(tǒng)進行實驗測試，促進了UWB系統(tǒng)設計和天線概念的發(fā)展。

???UWB定義與原理淺析

20世紀60年代開始，UWB一直是美國軍方的作戰(zhàn)技術之一。

1989年，美國國防部旗下的國防高級研究計劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）才首次使用了“UWB”這個稱呼，并規(guī)定：若信號在-20dB處的絕對帶寬大于1.5GHz或相對帶寬大于25%，則該信號為超寬帶信號。

2002年，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC，F(xiàn)ederal Communications Commission）批準了民用的超寬帶無線技術，并且對超寬帶信號進行了重新定義與規(guī)范：

? 在-10dB處的絕對帶寬（B）大于500 MHz且中心頻率（fC）高于2.5 GHz，或相對帶寬（Bfrac）大于0.2且中心頻率（fC）低于2.5 GHz。其中fC=(fH+fL)/2，B=fH-fL，Bfrac=B/fC

圖 8 UWB原理圖

? 頻率范圍介于 3.1 GHz 至 10.6 GHz 之間且輻射功率限制為-41.3dBm

圖 9 UWB帶寬比較

傳統(tǒng)的無線通信是采用射頻 (RF，Radio Frequency)載波來傳送信號，利用載波的頻率和功率在一定范圍內變化來傳輸信息。UWB則是以脈沖無線電進行信號傳送，脈沖無線電每秒可發(fā)送多達10億個代表0和1的脈沖信號，這些脈沖信號的時域極窄(納秒或皮秒級)，頻域極寬（數(shù)Hz到數(shù)GHz），其中的低頻部分可以實現(xiàn)穿墻通信（雷達應用）。脈沖信號的****功率極低，甚至低于背景噪音，基本不會對其他窄帶信號產生干擾。

圖 10 UWB脈沖波形

通過對UWB信號原理的分析，我們不難得出UWB的以下優(yōu)點：

? 信道容量大：UWB帶寬在500 MHz以上，根據(jù)香農公式，帶寬越寬，信道容量越大。

? 傳輸速率高：UWB在10米左右的范圍內可實現(xiàn)數(shù)百Mbit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

? ****功率低：UWB信號****功率低，能耗低，對人體的輻射危害幾乎可以忽略不計。

? 多徑分辨率高：UWB信號具有較強的時間和空間分辨率，對信道衰減不敏感，抗衰減能力強。

? 系統(tǒng)保密性好：UWB信號的功率譜密度要低于普通的環(huán)境噪聲，使得UWB信號難以甄別。

? 定位精度高：UWB信號的特性使得其距離分辨精度可達到厘米級。

? 穿透能力強：UWB窄脈沖具有很強的穿透能力，能穿透障礙物并識別障礙物后隱藏的物體。

???UWB標準與聯(lián)盟組織

IEEE 802.15.3a

由于UWB具備的巨****展?jié)摿蛷V闊應用前景，UWB的標準之爭隨著FCC于2002年批準UWB民用開始就非常激烈，到2003年初，美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）開始制定IEEE 802.15.3a時收到了超過20種UWB方案，在經歷了市場的篩選之后，最終剩下的UWB方案主要是：

? 由英特爾、德州儀器主導的MB-OFDM方案。

? 由摩托羅拉、XtremeSpectrum主導的DS-CDMA方案。

不過后來這兩個方案均未通過IEEE的最終表決。而且由于MB-OFDM與DS-UWB這兩種UWB方案有著本質區(qū)別，彼此無法兼容，IEEE 802.15.3a無法統(tǒng)一兩種方案，在2006年，IEEE解散了802.15.3a工作組。

IEEE 802.15.4a

在制定IEEE 802.15.3a技術標準的同時，IEEE 802.15.4a標準也開始被制定，2007年至今，UWB技術主要在IEEE 802.15.4標準工作組進行演進。2011年版本最終完善，這個標準即IEEE 802.15.4a-2011。2018年，出于安全性考慮，IEEE 802.15.4a-2011升級到IEEE 802.15.4z。最新的IEEE 802.15.4z標準定義了LRP（Low Rate Pulse）和HRP（High Rate Pulse）兩種UWB物理層規(guī)范。

目前，推動UWB發(fā)展的重要組織有：

? IEEE Standards Association（IEEE標準組織）：UWB是IEEE 802.15.4標準中的一部分內容，在IEEE內，由802.15 TG4Z工作組維護，負責UWB標準的物理層以及MAC層相關測距技術的研究，主要成員包括了：NXP、蘋果、Decawave、三星等，值得一提的是Decawave 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Michael McLaughlin是創(chuàng)建 IEEE 802.15.4a 標準的工程師團隊的一員。

? UWB Alliance（UWB聯(lián)盟）：致力于提供有力的監(jiān)管和頻譜管理環(huán)境，以最大限度地促進 UWB 的發(fā)展。大力參與優(yōu)化頻譜共享，同時最大限度地減少干擾。倡導不斷擴大的無線多元宇宙的共存，并與成員和利益相關者合作，為“讓一切共同發(fā)揮作用”的戰(zhàn)略提供思想領導。旨在促進垂直行業(yè)展示 UWB 對于物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 的價值，構建涵蓋從芯片到服務的整個 UWB 價值鏈的全球生態(tài)系統(tǒng)。（核心成員包括：博世、Qorvo、KIA、Ubisense、小米等。）

? FiRa Consortium（FiRa聯(lián)盟）：FiRa 名稱代表“fine ranging”，發(fā)音為“fee-rah”，凸顯了 UWB 技術在測量目標距離或確定位置時提供前所未有的準確性和安全性的獨特能力。愿景是通過為人員和設備提供精確的位置感知來改變我們與環(huán)境互動的方式。旨在為廣泛的產品和解決方案公司提供了一種快速解決生態(tài)系統(tǒng)和互操作性挑戰(zhàn)的方法，以實現(xiàn)未來的共同成功。（核心成員包括：蘋果、博世、思科、谷歌、NXP、Qorvo、高通、三星等。）

? Car Connectivity Consortium（CCC聯(lián)盟）：創(chuàng)建可持續(xù)且靈活的生態(tài)系統(tǒng)，標準化車輛和智能手機之間的接口。旨在通過提高互操作性和減少市場碎片化，為所有車輛和移動設備提供一致的用戶體驗。代表全球大多數(shù)汽車和智能手機行業(yè)，使命是將所有相關行業(yè)聚集在一起，為未來車輛到智能手機連接的解決方案制定行業(yè)標準。CCC 促進汽車信息、通信和娛樂系統(tǒng)集成操作中移動設備、服務和應用程序的連接。移動設備 OEM 和車輛 OEM 之間的協(xié)調，打造易于使用、方便、安全和隱私保護以及廣泛功能的產品。（核心成員包括：蘋果、小米、寶馬、福特、通用、谷歌、NXP、奔馳、大眾、三星等。）

? PROFIBUS & PROFINET International（PI國際）：omlox是PI國際推出的全球首個工業(yè)級開放式定位技術標準，旨在利用來自不同制造商的元件來實施靈活的實時定位解決方案，利用omlox定義的技術，來自不同制造商的基于UWB的設備可以位于一個定位區(qū)域中，并且可以整體映射互補定位技術的位置信息。（核心成員包括：埃森哲、亞馬遜、卡奧斯、浪潮、Qorvo、西門子等。）

國內的UWB相關組織主要是車機互聯(lián)方向：

? 智慧車聯(lián)產業(yè)生態(tài)聯(lián)盟（ICCE）：著力于匯聚產業(yè)各方力量，聯(lián)合開展移動終端和汽車互聯(lián)與協(xié)作相關應用場景、需求、技術、標準的研究及應用推廣， 推進技術、產業(yè)與應用研發(fā)相結合，形成良好的合作氛圍及協(xié)作機制，廣泛開展與國內外廠商的交流合作，致力于建設全球化的合作平臺， 實現(xiàn)共贏。主要關注方向包括但不限于汽車數(shù)據(jù)、數(shù)字車鑰匙、移動智能終端-車互聯(lián)協(xié)作等。聯(lián)盟秉承技術中立的原則， 業(yè)務方向的技術路線由成立后的工作組共同商議決定。（核心成員包括：中國汽車工業(yè)協(xié)會、華為、信通院、比亞迪、東風、長城、廣汽、吉利、上汽等。）

? 智慧車聯(lián)開放聯(lián)盟（ICCOA）：以小米、OPPO、vivo三家手機廠商為發(fā)起單位，聯(lián)合國內主流車企和行業(yè)相關Tier 1，立足于手機-汽車互聯(lián)互通創(chuàng)新發(fā)展。以匯聚智能車機產業(yè)力量、共建智慧車聯(lián)開放與協(xié)作生態(tài)為使命，通過開展智能終端與汽車互聯(lián)協(xié)作的相關場景、技術、標準的研究及應用推廣，實現(xiàn)手機與汽車、科技與數(shù)據(jù)、硬件與軟件等的深度融合，減少產業(yè)碎片化，促進移動終端和汽車之間的互聯(lián)互通和用戶體驗的提升。（核心成員包括：小米、OPPO、vivo、長安、吉利、上汽。）

? 互聯(lián)網(wǎng)金融身份認證聯(lián)盟（IIFAA）：聯(lián)盟發(fā)展與行業(yè)趨勢日趨融合，逐漸形成了“專注可信數(shù)字身份建設，連接數(shù)字世界無限可能”的新使命，和生態(tài)合作伙伴一起探索未來數(shù)字身份下的技術創(chuàng)新、場景變革以及商業(yè)機遇，賦能用戶安全暢行數(shù)字世界。目前正在大力推動聲紋識別應用，智慧出行場景中的數(shù)字車鑰匙應用，人臉識別在遠程開戶、自助通關等場景中的應用相關的多項安全標準制定，通過聯(lián)盟共創(chuàng)，彌補標準領域的空白點，為行業(yè)應用提供安全指標的參考。（核心成員包括：信通院、螞蟻金服、華為、三星、阿里巴巴、中興。）

歷史上為UWB發(fā)展做出過貢獻，值得一提的有：

? MBOA聯(lián)盟（Multiband OFDM Alliance）：致力于將MB-OFDM UWB技術以聯(lián)盟的名義向IEEE 802.15.3a提交作為UWB技術的標準提案。聯(lián)盟成員最多時超過50家，都是消費電子、個人計算機、半導體、數(shù)字影像等領域的重要廠商。由于IEEE 802.15.3a的UWB技術最終未能完成，MBOA最后與WiMedia合并。

? WiMedia聯(lián)盟（WiMedia Alliance）：致力于配合IEEE 802.15.3a進行高速UWB的研究及推廣。IEEE 802.15.3a致力于高速UWB底層標準的研究制定，WiMedia致力于高速UWB高層標準的研究制定。后由于IEEE 802.15.3a標準未果，與MBOA合并。2009年，WiMedia 將所有規(guī)范轉移給藍牙特別興趣小組（SIG）、無線 USB 促進組織（Wireless USB Promoter Group）和 USB 開發(fā)者論壇（USB Implementers Forum）。WiMedia聯(lián)盟于2010年停止運營。

???UWB功能與應用領域

根據(jù)UWB的特性，其基礎功能分為：數(shù)據(jù)傳輸、雷達成像、測距定位。

? 在數(shù)據(jù)傳輸方面，業(yè)內曾對UWB用于短距離無線傳輸寄予厚望。但是2009年同時作為競爭者的 Wi-Fi 技術發(fā)展迅猛，迅速搶占了短距離無線傳輸市場，UWB 最終退出了無線個域網(wǎng)（WPAN）傳輸這個舞臺。業(yè)內也曾有許多UWB用于可穿戴設備通信的研究。但是2013年低功耗藍牙（BLE）成為了可穿戴設備的主流連接技術。因為現(xiàn)階段的可穿戴設備與智能手機之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，UWB的優(yōu)勢在實際應用中較難體現(xiàn)。

? 在雷達成像方面，UWB雷達一直是戰(zhàn)后傷員搜尋、地震或塌方后人員搜救的主流方案。UWB生物雷達可以在無需導體或傳感器接觸生命體的情況下，實現(xiàn)非接觸、遠距離檢測生命體呼吸及心臟跳動等信息。UWB雷達利用無線信號的多普勒效應，檢測周邊電磁環(huán)境的變化，通過電磁環(huán)境變化的特征，判斷是否存在運動或者活體呼吸。UWB雷達在車身域可作為活體雷達和踢腳雷達，可有效提升車輛安全性和便利性。

? 在測距定位方面，UWB憑借其厘米級的測距定位能力被市場重新發(fā)現(xiàn)了價值，這與人們日益增長的實時定位服務（RTLS）需求不無關系。從小物件的防丟，到敏感人員或貴重物資的監(jiān)控，從汽車數(shù)字鑰匙，到自主代客泊車（AVP，Automated Valet Parking）。目前各大手機廠商和主機廠以及產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的企業(yè)，都在瞄準UWB測距定位方面的應用去做相應的創(chuàng)新。

基于以上提及的UWB基礎功能，我們大致可把UWB應用領域劃分為消費電子、智能汽車、工業(yè)應用三大類：

圖 11 UWB應用領域

? 消費電子領域：智能手機、智能家居、新零售、增強現(xiàn)實 （AR） /虛擬現(xiàn)實 （VR）、體育賽事。

蘋果在iPhone11及以后機型全系標配UWB芯片，AirPods、HomePod等也內置UWB芯片，蘋果升級UWB芯片用以支持新發(fā)布的VisionPro；UWB可以跟蹤運動員的快速運動過程，已在許多專業(yè)體育賽事中運用。

? 智能汽車領域：數(shù)字鑰匙、生物雷達、踢腳雷達、自主代客泊車（AVP）

數(shù)字鑰匙采用UWB技術可以防中繼攻擊，從而提高車輛安全性，UWB模塊加裝在車身域可以極大的提升用戶體驗；UWB應用在停車場，可以實現(xiàn)自主代客泊車。

? 工業(yè)應用領域：工廠車間、工業(yè)機器人、采礦、倉儲物流。

工業(yè)領域算是UWB在國內最早的ToB應用，工廠、煤礦使用UWB對人員、物資進行精準定位，從而提高安全性和運營效率；UWB 標簽可跟蹤叉車和工具，以便實時查看工作進展，從而有助于提高工作流程的效率。

關于信馳達

深圳市信馳達科技有限公司（RF-star）是一家專注于物聯(lián)網(wǎng)射頻通信方案的高科技公司，2010年成立之初即成為美國TI公司官方授權方案商，之后陸續(xù)得到Silicon Labs、Nordic、Realtek和ASR等海內外知名芯片企業(yè)的認可和支持。公司提供物聯(lián)網(wǎng)無線模塊和應用方案，包括BLE、Wi-Fi、UWB、Wi-SUN、LoRa、Zigbee、Thread、Matter等。