一文讲透超宽带（UWB）前世今生
UWB大火与巨头入局
传闻已久的蔚来手机可能即将要发布了。据工信部官网显示：申请单位为蔚来移动科技有限公司、型号为N2301的手机已正式完成入网。相关认证信息显示，N2301支持UWB，可以被用作蔚来汽车的数字钥匙。
图 1 蔚来手机概念图
UWB是什么？
为什么好多手机厂商都在提UWB。
数字钥匙是什么？
好像最近发布的新车都在提这个概念。
UWB与数字钥匙之间又是什么关系呢？
如果您也有以上疑问，乐虎游戏科技近期将陆续发布的知识大融通系列文章为您一一作答。
UWB并不是一项新技术，但它真正进入大众视野，是2019年苹果发布iPhone 11的时候，尽管发布会上Phil Schiller完全没有提到U1芯片，人们只是从背景幻灯片中看到了U1芯片，但却足以引起行业的强烈关注。后来人们才知道苹果在iPhone 11中内置U1芯片，用以增强iPhone的空间感知能力（Spatial Awareness）。其中U1芯片的“U”即是指Ultra-WideBand（超宽带，UWB）。
图 2 苹果发布会U1芯片
小米也紧随其后，发布了其基于UWB打造的“一指连”技术：手机指向某台智能设备，能自动唤起该设备控制卡片直接进行操控，而无需人为进行选择。手机和智能设备通过“一指连”具备了空间感知能力。
图 3 小米UWB一指连
三星也认为UWB将是一种改变游戏规则的无线通信技术，其重磅旗舰Galaxy Note20 Ultra首次引入UWB，新增Point to Share功能实现便捷高效的文件共享（其实就类似于iOS系统的AirDrop功能）。
图 4 三星发布UWB手机
自iPhone 11以来，全系iPhone标配U1芯片，除iPhone外，苹果将U1芯片也嵌入到自家多款产品中（Watch Series 6 及更新版本、HomePod mini、第二代 HomePod、新款 AirPods Pro 充电壳和 AirTags）。前段时间，“地表最强苹果分析师”郭明錤指出，U1芯片将规格升级，由16 nm制程升级至7 nm，用以更好的支持Vision Pro，苹果真是前所未有的重视UWB技术。
图 5 郭明錤推文
除手机厂商，车企也把目光不约而同地投向了UWB技术。老牌车企宝马BMW iX M60和BMW iX xDrive40全球首发UWB数字钥匙，新势力蔚来ET7国内首发UWB数字钥匙，近期新能源巨头比亚迪发布全球首搭UWB数字钥匙的MPV腾势D9。无论是老牌车企还是造车新势力，均强调自己使用了UWB技术。
图 6 宝马蔚来腾势采用UWB技术
UWB溯源与早期研究
追溯UWB（超宽带，Ultra-WideBand）的历史，不得不提到脉冲无线电（IR，Impulse Radio）。因为在早期，UWB就叫做“脉冲无线电技术”（也叫做基带传输技术、无载波传输技术）。
图 7 脉冲无线电发展简史
这里有三位值得乐虎游戏记住的人：
► 1887年，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）利用火花间隙发射器（Spark Gap Transmitter）产生脉冲无线电证实了电磁波的存在。
► 1893年，“最接近神的男人”尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）利用脉冲无线电向公众展示了无线电通信的可能。
► 1901年，意大利电气工程师古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）利用脉冲无线电横跨大西洋3500公里传输摩斯码序列。
现代意义上UWB在通信领域的研究与应用，始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术：
► 1969年至1984年间，美国天主教大学（Catholic University of America）的Harmuth出版的书籍和论文，奠定了UWB收发器的设计基础。
► 几乎在同一时间，Sperry Rand公司的Ross和Robbins，独立地在多个应用领域开创性地使用了UWB技术。
► 1973年，Ross发表的专利（US Patent 3728632）是UWB通信领域的一个重要里程碑。
除通信外，UWB在雷达领域的研究与应用，也同时得到发展：
► 1950年代末，林肯实验室（Lincoln Laboratory）和斯佩里研究中心（Sperry Research Center）开发的相控阵雷达系统，这是现代UWB技术研究的开端。
► 1974年，GSSI公司凭借Morey设计的用于穿透地面的UWB雷达系统取得了商业成功。
► 1977年，美国空军罗马航空发展中心（USAF's Rome Air Development Center）的Paul van Etten对UWB雷达系统进行实验测试，促进了UWB系统设计和天线概念的发展。
UWB定义与原理浅析
20世纪60年代开始，UWB一直是美国军方的作战技术之一。
1989年，美国国防部旗下的国防高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）才首次使用了“UWB”这个称呼，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。
2002年，美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communications Commission）批准了民用的超宽带无线技术，并且对超宽带信号进行了重新定义与规范：
► 在-10dB处的绝对带宽（B）大于500 MHz且中心频率（fC）高于2.5 GHz，或相对带宽（Bfrac）大于0.2且中心频率（fC）低于2.5 GHz。其中fC=(fH+fL)/2，B=fH-fL，Bfrac=B/fC
图 8 UWB原理图
► 频率范围介于 3.1 GHz 至 10.6 GHz 之间且辐射功率限制为-41.3dBm
图 9 UWB带宽比较
传统的无线通信是采用射频 (RF，Radio Frequency)载波来传送信号，利用载波的频率和功率在一定范围内变化来传输信息。UWB则是以脉冲无线电进行信号传送，脉冲无线电每秒可发送多达10亿个代表0和1的脉冲信号，这些脉冲信号的时域极窄(纳秒或皮秒级)，频域极宽（数Hz到数GHz），其中的低频部分可以实现穿墙通信（雷达应用）。脉冲信号的发射功率极低，甚至低于背景噪音，基本不会对其他窄带信号产生干扰。
图 10 UWB脉冲波形
通过对UWB信号原理的分析，乐虎游戏不难得出UWB的以下优点：
► 信道容量大：UWB带宽在500 MHz以上，根据香农公式，带宽越宽，信道容量越大。
► 传输速率高：UWB在10米左右的范围内可实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。
► 发射功率低：UWB信号发射功率低，能耗低，对人体的辐射危害几乎可以忽略不计。
► 多径分辨率高：UWB信号具有较强的时间和空间分辨率，对信道衰减不敏感，抗衰减能力强。
► 系统保密性好：UWB信号的功率谱密度要低于普通的环境噪声，使得UWB信号难以甄别。
► 定位精度高：UWB信号的特性使得其距离分辨精度可达到厘米级。
► 穿透能力强：UWB窄脉冲具有很强的穿透能力，能穿透障碍物并识别障碍物后隐藏的物体。
UWB标准与联盟组织
IEEE 802.15.3a
由于UWB具备的巨大发展潜力和广阔应用前景，UWB的标准之争随着FCC于2002年批准UWB民用开始就非常激烈，到2003年初，美国电气与电子工程师协会（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）开始制定IEEE 802.15.3a时收到了超过20种UWB方案，在经历了市场的筛选之后，最终剩下的UWB方案主要是：
► 由英特尔、德州仪器主导的MB-OFDM方案。
► 由摩托罗拉、XtremeSpectrum主导的DS-CDMA方案。
不过后来这两个方案均未通过IEEE的最终表决。而且由于MB-OFDM与DS-UWB这两种UWB方案有着本质区别，彼此无法兼容，IEEE 802.15.3a无法统一两种方案，在2006年，IEEE解散了802.15.3a工作组。
IEEE 802.15.4a
在制定IEEE 802.15.3a技术标准的同时，IEEE 802.15.4a标准也开始被制定，2007年至今，UWB技术主要在IEEE 802.15.4标准工作组进行演进。2011年版本最终完善，这个标准即IEEE 802.15.4a-2011。2018年，出于安全性考虑，IEEE 802.15.4a-2011升级到IEEE 802.15.4z。最新的IEEE 802.15.4z标准定义了LRP（Low Rate Pulse）和HRP（High Rate Pulse）两种UWB物理层规范。
目前，推动UWB发展的重要组织有：
► IEEE Standards Association（IEEE标准组织）：UWB是IEEE 802.15.4标准中的一部分内容，在IEEE内，由802.15 TG4Z工作组维护，负责UWB标准的物理层以及MAC层相关测距技术的研究，主要成员包括了：NXP、苹果、Decawave、三星等，值得一提的是Decawave 的联合创始人 Michael McLaughlin是创建 IEEE 802.15.4a 标准的工程师团队的一员。
► UWB Alliance（UWB联盟）：致力于提供有力的监管和频谱管理环境，以最大限度地促进 UWB 的发展。大力参与优化频谱共享，同时最大限度地减少干扰。倡导不断扩大的无线多元宇宙的共存，并与成员和利益相关者合作，为“让一切共同发挥作用”的战略提供思想领导。旨在促进垂直行业展示 UWB 对于物联网和工业 4.0 的价值，构建涵盖从芯片到服务的整个 UWB 价值链的全球生态系统。（核心成员包括：博世、Qorvo、KIA、Ubisense、小米等。）
► FiRa Consortium（FiRa联盟）：FiRa 名称代表“fine ranging”，发音为“fee-rah”，凸显了 UWB 技术在测量目标距离或确定位置时提供前所未有的准确性和安全性的独特能力。愿景是通过为人员和设备提供精确的位置感知来改变乐虎游戏与环境互动的方式。旨在为广泛的产品和解决方案公司提供了一种快速解决生态系统和互操作性挑战的方法，以实现未来的共同成功。（核心成员包括：苹果、博世、思科、谷歌、NXP、Qorvo、高通、三星等。）
► Car Connectivity Consortium（CCC联盟）：创建可持续且灵活的生态系统，标准化车辆和智能手机之间的接口。旨在通过提高互操作性和减少市场碎片化，为所有车辆和移动设备提供一致的用户体验。代表全球大多数和智能手机行业，使命是将所有相关行业聚集在一起，为未来车辆到智能手机连接的解决方案制定行业标准。CCC 促进汽车信息、通信和娱乐系统集成操作中移动设备、服务和应用程序的连接。移动设备 OEM 和车辆 OEM 之间的协调，打造易于使用、方便、安全和隐私保护以及广泛功能的产品。（核心成员包括：苹果、小米、宝马、福特、通用、谷歌、NXP、奔驰、大众、三星等。）
► PROFIBUS & PROFINET International（PI国际）：omlox是PI国际推出的全球首个工业级开放式定位技术标准，旨在利用来自不同制造商的元件来实施灵活的实时定位解决方案，利用omlox定义的技术，来自不同制造商的基于UWB的设备可以位于一个定位区域中，并且可以整体映射互补定位技术的位置信息。（核心成员包括：埃森哲、亚马逊、卡奥斯、浪潮、Qorvo、西门子等。）
国内的UWB相关组织主要是车机互联方向：
► 智慧车联产业生态联盟（ICCE）：着力于汇聚产业各方力量，联合开展移动终端和汽车互联与协作相关应用场景、需求、技术、标准的研究及应用推广， 推进技术、产业与应用研发相结合，形成良好的合作氛围及协作机制，广泛开展与国内外厂商的交流合作，致力于建设全球化的合作平台， 实现共赢。主要关注方向包括但不限于汽车数据、数字车钥匙、移动智能终端-车互联协作等。联盟秉承技术中立的原则， 业务方向的技术路线由成立后的工作组共同商议决定。（核心成员包括：中国汽车工业协会、华为、信通院、比亚迪、东风、长城、广汽、吉利、上汽等。）
► 智慧车联开放联盟（ICCOA）：以小米、OPPO、vivo三家手机厂商为发起单位，联合国内主流车企和行业相关Tier 1，立足于手机-汽车互联互通创新发展。以汇聚智能车机产业力量、共建智慧车联开放与协作生态为使命，通过开展智能终端与汽车互联协作的相关场景、技术、标准的研究及应用推广，实现手机与汽车、科技与数据、硬件与软件等的深度融合，减少产业碎片化，促进移动终端和汽车之间的互联互通和用户体验的提升。（核心成员包括：小米、OPPO、vivo、长安、吉利、上汽。）
► 互联网金融身份认证联盟（IIFAA）：联盟发展与行业趋势日趋融合，逐渐形成了“专注可信数字身份建设，连接数字世界无限可能”的新使命，和生态合作伙伴一起探索未来数字身份下的技术创新、场景变革以及商业机遇，赋能用户安全畅行数字世界。目前正在大力推动声纹识别应用，智慧出行场景中的数字车钥匙应用，人脸识别在远程开户、自助通关等场景中的应用相关的多项安全标准制定，通过联盟共创，弥补标准领域的空白点，为行业应用提供安全指标的参考。（核心成员包括：信通院、蚂蚁金服、华为、三星、阿里巴巴、中兴。）
历史上为UWB发展做出过贡献，值得一提的有：
► MBOA联盟（Multiband OFDM Alliance）：致力于将MB-OFDM UWB技术以联盟的名义向IEEE 802.15.3a提交作为UWB技术的标准提案。联盟成员最多时超过50家，都是消费电子、个人计算机、半导体、数字影像等领域的重要厂商。由于IEEE 802.15.3a的UWB技术最终未能完成，MBOA最后与WiMedia合并。
► WiMedia联盟（WiMedia Alliance）：致力于配合IEEE 802.15.3a进行高速UWB的研究及推广。IEEE 802.15.3a致力于高速UWB底层标准的研究制定，WiMedia致力于高速UWB高层标准的研究制定。后由于IEEE 802.15.3a标准未果，与MBOA合并。2009年，WiMedia 将所有规范转移给蓝牙特别兴趣小组（SIG）、无线 USB 促进组织（Wireless USB Promoter Group）和 USB 开发者论坛（USB Implementers Forum）。WiMedia联盟于2010年停止运营。
UWB功能与应用领域
根据UWB的特性，其基础功能分为：数据传输、雷达成像、测距定位。
► 在数据传输方面，业内曾对UWB用于短距离无线传输寄予厚望。但是2009年同时作为竞争者的 Wi-Fi 技术发展迅猛，迅速抢占了短距离无线传输市场，UWB 最终退出了无线个域网（WPAN）传输这个舞台。业内也曾有许多UWB用于可穿戴设备通信的研究。但是2013年低功耗蓝牙（BLE）成为了可穿戴设备的主流连接技术。因为现阶段的可穿戴设备与智能手机之间传输的数据量并不大，UWB的优势在实际应用中较难体现。
► 在雷达成像方面，UWB雷达一直是战后伤员搜寻、地震或塌方后人员搜救的主流方案。UWB生物雷达可以在无需导体或传感器接触生命体的情况下，实现非接触、远距离检测生命体呼吸及心脏跳动等信息。UWB雷达利用无线信号的多普勒效应，检测周边电磁环境的变化，通过电磁环境变化的特征，判断是否存在运动或者活体呼吸。UWB雷达在车身域可作为活体雷达和踢脚雷达，可有效提升车辆安全性和便利性。
► 在测距定位方面，UWB凭借其厘米级的测距定位能力被市场重新发现了价值，这与人们日益增长的实时定位服务（RTLS）需求不无关系。从小物件的防丢，到敏感人员或贵重物资的监控，从汽车数字钥匙，到自主代客泊车（AVP，Automated Valet Parking）。目前各大手机厂商和主机厂以及产业链各环节的企业，都在瞄准UWB测距定位方面的应用去做相应的创新。
基于以上提及的UWB基础功能，乐虎游戏大致可把UWB应用领域划分为、智能汽车、工业应用三大类：
图 11 UWB应用领域
► 消费电子领域：智能手机、、新零售、增强现实 （AR） /虚拟现实 （VR）、体育赛事。
苹果在iPhone11及以后机型全系标配UWB芯片，AirPods、HomePod等也内置UWB芯片，苹果升级UWB芯片用以支持新发布的VisionPro；UWB可以跟踪运动员的快速运动过程，已在许多专业体育赛事中运用。
► 智能汽车领域：数字钥匙、生物雷达、踢脚雷达、自主代客泊车（AVP）
数字钥匙采用UWB技术可以防中继攻击，从而提高车辆安全性，UWB模块加装在车身域可以极大的提升用户体验；UWB应用在停车场，可以实现自主代客泊车。
► 工业应用领域：工厂车间、工业机器人、采矿、仓储物流。
工业领域算是UWB在国内最早的ToB应用，工厂、煤矿使用UWB对人员、物资进行精准定位，从而提高安全性和运营效率；UWB 标签可跟踪叉车和工具，以便实时查看工作进展，从而有助于提高工作流程的效率。
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