UWB超宽带技术又是什么黑科技？

　　以iPhone 11为代表的一系列新品揭开了神秘的面纱，与“果粉”见面。
　　新iPhone的特点和参数，相信大家通过各大媒体的介绍已经有所了解。不过有一个细节，不知道大家有没有注意到——本次发布的全系列新款iPhone，全部搭载了支持超宽带（UWB）技术的U1芯片。
　　根据官方的宣传，这项新技术将显著提升苹果手机的空间感知（Spatial Awareness）能力。
　　
　　那么问题来了，空间感知能力是什么意思？U1芯片到底能做什么？UWB超宽带技术又是什么黑科技？所有这些，会不会引领新一轮的智能设备应用创新？
　　通过本文，笔者将一一为你揭晓这些问题的答案。
　　什么是空间感知能力
　　所谓的空间感知能力，就是感知方位的能力。更直接一点，就是定位能力。
　　根据苹果公司的介绍，搭载U1芯片的新iPhone，进一步提升了手机的定位功能，不仅可以感知自己手机的位置，还可以感知周边其他手机的位置。
　　在使用隔空投送（AirDrop，苹果设备提供的一种无线分享文件的功能）时，基于U1芯片提供的空间感知能力，只需将你的iPhone指向其他人的iPhone，系统就会优先排序（离得越近，优先级越高），让你更快速地共享文件。
　　说白了，利用U1的定位能力，iPhone11可以实现“离我越近越先得到响应”的应用效果。
　　说到定位，相信大家都很熟悉。我们经常会使用例如高德地图或百度地图这样的APP，里面就有定位和导航的服务。
　　定位服务帮助我们掌握位置信息，指示方向，增加自身的安全感和掌控感，给我们的工作生活带来了很大的便利。
　　那么，UWB技术和我们现在常用的定位技术，又有什么不同呢？
　　我们现在常用的定位技术，主要包括卫星定位和基站定位。
　　卫星定位，是利用人造地球卫星进行点位测量的技术，也是目前使用最为广泛、最受用户欢迎的定位技术。它的特点非常突出，就是精度高、速度快、使用成本低。
　　大家所熟知的美国的全球定位系统（GPS）、中国的北斗（BDS）、欧洲的伽利略（Galileo）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS），都是卫星定位系统。
　　基站定位的原理和雷达有相似之处。雷达定位大家都知道，就是发射雷达波，根据目标的反射，进行空间位置测算。
　　
　　基站定位的话，基站就相当于是一个“雷达”。
　　通常，在城市中，一部手机会在多个基站的信号覆盖之下。手机会对不同基站的下行导频信号进行“测量”，得到各个基站的信号TOA（到达时刻）或TDOA（到达时间差）。根据这个测量结果，结合基站的坐标，就能够计算出手机的坐标值。
　　画个图，一看就明白了：
　　
　　所有上述这些定位手段，都有一个明显的缺点，就是无法穿透建筑物，不能实现室内定位。
　　卫星定位，需要接收机接收到足够的卫星信号。当进入室内，或有遮挡时，卫星信号很微弱，无法有效定位。
　   可以看出，当发现的卫星数量降低时，定位误差从10米增加到66米。
　　一方面，卫星和基站定位技术无法满足室内定位的需求。另一方面，室内定位的业务场景却越来越多，例如地下车库导航、商场寻找店铺和商品，甚至儿童走失，都对室内定位有迫切需求。
　　在需求持续上升的背景下，人们开发了一系列技术，尝试利用其它类型的锚节点来提供定位能力。这就包括了Wi-Fi，蓝牙，UWB等技术。
　　什么是UWB
　　Wi-Fi和蓝牙大家都比较熟悉。那么，UWB又是什么？
　　UWB，就是Ultra Wideband，超宽带技术。它源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。
　　了解通信的同学都知道，一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号，通信信号的实际占用带宽并不高。
　　而UWB不同于传统的通信技术，它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短，因此可以实现频谱上的超宽带：使用的带宽在500MHz以上。
　　
　　FCC（美国联邦通信委员会）为UWB分配了3.1~10.6 GHz共7.5 GHz频带，还对其辐射功率做出了比FCC Part15.209更为严格的限制，将其限定-41.3dBm频带内。
　　
　　简而言之，这项技术通过超大带宽和低发射功率，实现低功耗水平上的快速数据传输。
　　由于UWB脉冲的时间宽度极短，因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。
　　相比Wi-Fi和蓝牙定位技术，UWB具有如下优势：
　　1）抗多径能力强，定位精度高：带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力（成正比关系）。UWB的带宽很宽，多径分辨能力强，能够分辨并剔除大部分多径干扰信号的影响，得到精度很高的定位结果。UWB可以在距离分辨能力上高于其他传统系统，复杂环境下其精度甚至可以达到Wi-Fi、蓝牙等传统系统的百倍以上。
　　2）时间戳精度高：超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级，由定时来计算位置时，引入的误差通常小于几厘米。
　　3）电磁兼容性强：UWB的发射功率低，信号带宽宽，能够很好地隐蔽在其它类型信号和环境噪声之中，传统的接收机无法识别和接收，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，所以不会对其他通信业务造成干扰，同时也能够避免其他通信设备对其造成干扰。
　　4）能效较高：UWB具有500MHz以上的射频带宽，能够提供极大的扩频增益，使得UWB通信系统能效较高。这意味着对于电池供电设备，系统的工作时间可以大大延长，或是同样发射功率限制下，覆盖范围比传统技术大得多。通常在短距离应用中，UWB发射机的发射功率普遍低于1mW；在长距离应用中，不需要额外的功率放大器即可达到200米的距离，同时实现6.8Mbps的空中速率。
　　基于上述技术优势，采用UWB能够构成高精度的室内定位系统。
　　
　　▲UWB和其它定位技术的对比
　　目前，常用的UWB测距方法有三种，分别是：
　　（1）TOF（Time of flight）：通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来实现测距。
　　（2）TDOA（Time Difference of Arrival）：利用UWB信号由标签到达各个基站的时间差来进行定位。
　　（3）PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到达角相位来测量基站与标签之间方位关系。
　　限于篇幅，我们将在后续详细介绍UWB的算法原理。
　　UWB的产业发展
　　在2002年以前，UWB被广泛用于军事方面的用途。2002年，FCC（美国联邦通信委员会）对UWB做了如前文所说的功率上的严格限制，才将UWB技术解禁，准许进入民用领域。
　　此后，UWB技术进入了高速发展期，各种技术方案围绕着UWB国际标准的制定也展开了激烈的竞争。
　　2007年，IEEE在802.15.4a标准中对UWB技术进行了标准化。经过近十年的发展，UWB的标准也在不断完善。
　　说到UWB的产业链，就不得不提到Decawave公司。
　　
　　Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片厂商。他们提供低成本的芯片出售，零售价格在几美元。芯片型号是DW1000，符合IEEE 802.15.4-2011 UWB标准协议（在理想条件下，最大可测量范围为300m）。
　　
　　▲DW1000芯片
　　在苹果公司的产品发布会后，基于Decawave芯片DW1000的定位厂商INTRANAV连发两条推特，声称其套件支持与iPhone11的互操作，Decawave也转发了该推特。这说明，苹果U1有极大的可能支持IEEE 802.15.4。
　　其它从事UWB技术研究的厂商还包括Ubisense、BeSpoon。
　　这些厂商使用了自己的UWB解决方案，通常以模组套件的形式推出，但均不支持IEEE 802.15.4。
　　要实现更好的空间感知，需要应用生态的支持。为了构建整个应用生态，不同厂家设备性需要实现互操作、互兼容。可以预见，未来所有厂家设备都将可能支持IEEE 802.15.4标准。
　　UWB的定位效果
　　为了客观评判不同的室内定位技术，多个国际组织一直在积极组织室内定位比赛。
　　目前国际上三个高规格的室内定位比赛包括：
　　1）微软室内定位比赛（Microsoft Indoor Localization Competition，MILC）
　　2）美国国家标准与技术研究院（NIST）举办的PerfLoc（Performance Evaluation of Smart-phone Indoor Localization Apps）
　　3）国际室内定位与室内导航大会（IPIN）室内定位比赛：IPIN competition
　　微软的MILC比赛被公认为评判高精度室内定位技术最好的舞台。
　　下面列出了历年MILC比赛中基于基础设施组前三名的成绩：
　　
　　可以看出，从2015年开始，UWB的优势逐渐显示出来，已成为高精度定位技术中最有前景的技术。同时，Decawave的DW1000也是具体定位方案中的主流选择。8家获奖的UWB团队中，有7家都使用了DW1000。
　　
　　▲2018年的比赛使用性能极高的激光SLAM构建地图（左图）并基于此实时输出真实位置轨迹（右图），由此作为比赛的评价依据
　　
　　▲比赛场地在葡萄牙波尔图证卷交易所宫，现场环境十分复杂
　　2018年的比赛首次评价动态精度，比赛场地非常复杂，结果的导向性很强。
　　在这项赛事中，来自美国卡内基梅隆大学的Anthony Rowe团队值得一提。这个团队是室内定位领域的翘楚，三次进入前三名，2018年更是获得第一名和并列第二名。
　　更重要的是，2018年该团队取得第一名的技术路线是UWB+增强现实（AR），而iPhone 11 Pro则成为了首款同时支持AR和UWB的手机。这足以证明该团队具有极强的技术洞察力。
　　此外，来自中国的南京爱锑奕电子科技有限公司也非常值得关注。
　　他们是一个新兴团队，切入UWB市场一年后就参加了2018年的比赛，取得了并列第二名的成绩。这是迄今为止国内队伍在该项赛事中的最好成绩。
　　
　　上图是南京爱锑奕团队在比赛中输出的实时轨迹。可以看到，除少部分区域外，大部分区域都输出了精度很高的定位坐标。蓝色为激光SLAM实时轨迹，绿色点为爱锑奕团队输出的轨迹，红色为矢量误差。
　　
　　上图是参加各支队伍的平均定位误差对比。爱锑奕团队的平均定位误差是0.4米，而几个传统强队，如RaceLogic、俄罗斯研究院等同样使用UWB技术，却只取得了接近1米甚至更差的成绩，这充分说明了2018年比赛难度之大。
　　结 语
　　总而言之，这次新款iPhone对UWB的全面支持，对UWB技术的规模化商用推广是一次非常宝贵的机会。这也将加速UWB上下游产业链的发展和成熟。
　　随着5G的到来，我们正在加速走向万物互联时代，越来越多的物联网设备和应用将会出现。UWB技术可以根据自身的特点，与这些物联网场景紧密结合，给用户提供更好的服务体验。
　　包括智能家居、增强现实、移动支付、看护跟踪、地质勘探、室内导航，都将是UWB技术的用武之地，拥有非常广阔的发展前景。
　　根据相关机构的预测，未来UWB技术将在室内定位市场中占据30%~40%的市场份额，2022年市场规模将有望达到164亿美元。
　　UWB的美好未来，让我们拭目以待！