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(lái)手機可能即將要發(fā)布了。據工信部官網(wǎng)顯示：申請單位為蔚來(lái)移動(dòng)科技有限公司、型號為N2301的手機已正式完成入網(wǎng)。相關(guān)認證信息顯示，N2301支持UWB，可以被用作蔚來(lái)汽車(chē)的數字鑰匙。

圖 1 蔚來(lái)手機概念圖

UWB是什么？

為什么好多手機廠(chǎng)商都在提UWB。

數字鑰匙是什么？

好像最近發(fā)布的新車(chē)都在提這個(gè)概念。

UWB與數字鑰匙之間又是什么關(guān)系呢？

如果您也有以上疑問(wèn)，信馳達科技近期將陸續發(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(shù)，但它真正進(jìn)入大眾視野，是2019年蘋(píng)果發(fā)布iPhone 11的時(shí)候，盡管發(fā)布會(huì )上Phil Schiller完全沒(méi)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(guān)注。后來(lái)人們才知道蘋(píng)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(píng)果發(fā)布會(huì )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(shù)：手機指向某臺智能設備，能自動(dòng)喚起該設備控制卡片直接進(jìn)行操控，而無(wú)需人為進(jìn)行選擇。手機和智能設備通過(guò)“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則的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其重磅旗艦Galaxy Note20 Ultra首次引入UWB，新增Point to Share功能實(shí)現便捷高效的文件共享（其實(shí)就類(lèi)似于iOS系統的AirDrop功能）。

圖 4 三星發(fā)布UWB手機

自iPhone 11以來(lái)，全系iPhone標配U1芯片，除iPhone外，蘋(píng)果將U1芯片也嵌入到自家多款產(chǎn)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(shí)間，“地表最強蘋(píng)果分析師”郭明錤指出，U1芯片將規格升級，由16 nm制程升級至7 nm，用以更好的支持Vision Pro，蘋(píng)果真是前所未有的重視UWB技術(shù)。

圖 5 郭明錤推文

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

圖 6 寶馬蔚來(lái)騰勢采用UWB技術(shù)

???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(wú)線(xiàn)電（IR，Impulse Radio）。因為在早期，UWB就叫做“脈沖無(wú)線(xiàn)電技術(shù)”（也叫做基帶傳輸技術(shù)、無(wú)載波傳輸技術(shù)）。

圖 7 脈沖無(wú)線(xiàn)電發(fā)展簡(jiǎn)史

這里有三位值得我們記住的人：

? 1887年，德國物理學(xué)家海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）利用火花間隙****（Spark Gap Transmitter）產(chǎn)生脈沖無(wú)線(xiàn)電證實(shí)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(wú)線(xiàn)電向公眾展示了無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電橫跨大西洋3500公里傳輸摩斯碼序列。

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

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

? 幾乎在同一時(shí)間，Sperry Rand公司的Ross和Robbins，獨立地在多個(gè)應用領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng )性地使用了UWB技術(shù)。

? 1973年，Ross發(fā)表的專(zhuān)利（US Patent 3728632）是UWB通信領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。

除通信外，UWB在雷達領(lǐng)域的研究與應用，也同時(shí)得到發(fā)展：

? 1950年代末，林肯實(shí)驗室（Lincoln Laboratory）和斯佩里研究中心（Sperry Research Center）開(kāi)發(fā)的相控陣雷達系統，這是現代UWB技術(shù)研究的開(kāi)端。

? 1974年，GSSI公司憑借Morey設計的用于穿透地面的UWB雷達系統取得了商業(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雷達系統進(jìn)行實(shí)驗測試，促進(jìn)了UWB系統設計和天線(xiàn)概念的發(fā)展。

???UWB定義與原理淺析

20世紀60年代開(kāi)始，UWB一直是美國軍方的作戰技術(shù)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(gè)稱(chēng)呼，并規定：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(huì )（FCC，Federal Communications Commission）批準了民用的超寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)，并且對超寬帶信號進(jìn)行了重新定義與規范：

? 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

傳統的無(wú)線(xiàn)通信是采用射頻 (RF，Radio Frequency)載波來(lái)傳送信號，利用載波的頻率和功率在一定范圍內變化來(lái)傳輸信息。UWB則是以脈沖無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行信號傳送，脈沖無(wú)線(xiàn)電每秒可發(fā)送多達10億個(gè)代表0和1的脈沖信號，這些脈沖信號的時(shí)域極窄(納秒或皮秒級)，頻域極寬（數Hz到數GHz），其中的低頻部分可以實(shí)現穿墻通信（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(huì )對其他窄帶信號產(chǎn)生干擾。

圖 10 UWB脈沖波形

通過(guò)對UWB信號原理的分析，我們不難得出UWB的以下優(yōu)點(diǎn)：

? 信道容量大：UWB帶寬在500 MHz以上，根據香農公式，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(shí)現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。

? ****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(shí)間和空間分辨率，對信道衰減不敏感，抗衰減能力強。

? 系統保密性好：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****展潛力和廣闊應用前景，UWB的標準之爭隨著(zhù)FCC于2002年批準UWB民用開(kāi)始就非常激烈，到2003年初，美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）開(kāi)始制定IEEE 802.15.3a時(shí)收到了超過(guò)20種UWB方案，在經(jīng)歷了市場(chǎng)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(guò)后來(lái)這兩個(gè)方案均未通過(guò)IEEE的最終表決。而且由于MB-OFDM與DS-UWB這兩種UWB方案有著(zhù)本質(zhì)區別，彼此無(wú)法兼容，IEEE 802.15.3a無(wú)法統一兩種方案，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(shù)標準的同時(shí)，IEEE 802.15.4a標準也開(kāi)始被制定，2007年至今，UWB技術(shù)主要在IEEE 802.15.4標準工作組進(jìn)行演進(jìn)。2011年版本最終完善，這個(gè)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物理層規范。

目前，推動(dòng)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(guān)測距技術(shù)的研究，主要成員包括了：NXP、蘋(píng)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管和頻譜管理環(huán)境，以最大限度地促進(jìn) UWB 的發(fā)展。大力參與優(yōu)化頻譜共享，同時(shí)最大限度地減少干擾。倡導不斷擴大的無(wú)線(xiàn)多元宇宙的共存，并與成員和利益相關(guān)者合作，為“讓一切共同發(fā)揮作用”的戰略提供思想領(lǐng)導。旨在促進(jìn)垂直行業(yè)展示 UWB 對于物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 的價(jià)值，構建涵蓋從芯片到服務(wù)的整個(gè) UWB 價(jià)值鏈的全球生態(tài)系統。（核心成員包括：博世、Qorvo、KIA、Ubisense、小米等。）

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

? Car Connectivity Consortium（CCC聯(lián)盟）：創(chuàng )建可持續且靈活的生態(tài)系統，標準化車(chē)輛和智能手機之間的接口。旨在通過(guò)提高互操作性和減少市場(chǎng)碎片化，為所有車(chē)輛和移動(dòng)設備提供一致的用戶(hù)體驗。代表全球大多數汽車(chē)和智能手機行業(yè)，使命是將所有相關(guān)行業(yè)聚集在一起，為未來(lái)車(chē)輛到智能手機連接的解決方案制定行業(yè)標準。CCC 促進(jìn)汽車(chē)信息、通信和娛樂(lè )系統集成操作中移動(dòng)設備、服務(wù)和應用程序的連接。移動(dòng)設備 OEM 和車(chē)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(chǎn)品。（核心成員包括：蘋(píng)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(gè)工業(yè)級開(kāi)放式定位技術(shù)標準，旨在利用來(lái)自不同制造商的元件來(lái)實(shí)施靈活的實(shí)時(shí)定位解決方案，利用omlox定義的技術(shù)，來(lái)自不同制造商的基于UWB的設備可以位于一個(gè)定位區域中，并且可以整體映射互補定位技術(shù)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(mén)子等。）

國內的UWB相關(guān)組織主要是車(chē)機互聯(lián)方向：

? 智慧車(chē)聯(lián)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟（ICCE）：著(zhù)力于匯聚產(chǎn)業(yè)各方力量，聯(lián)合開(kāi)展移動(dòng)終端和汽車(chē)互聯(lián)與協(xié)作相關(guān)應用場(chǎng)景、需求、技術(shù)、標準的研究及應用推廣， 推進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)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(kāi)展與國內外廠(chǎng)商的交流合作，致力于建設全球化的合作平臺， 實(shí)現共贏(yíng)。主要關(guān)注方向包括但不限于汽車(chē)數據、數字車(chē)鑰匙、移動(dòng)智能終端-車(chē)互聯(lián)協(xié)作等。聯(lián)盟秉承技術(shù)中立的原則， 業(yè)務(wù)方向的技術(shù)路線(xiàn)由成立后的工作組共同商議決定。（核心成員包括：中國汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )、華為、信通院、比亞迪、東風(fēng)、長(cháng)城、廣汽、吉利、上汽等。）

? 智慧車(chē)聯(lián)開(kāi)放聯(lián)盟（ICCOA）：以小米、OPPO、vivo三家手機廠(chǎng)商為發(fā)起單位，聯(lián)合國內主流車(chē)企和行業(yè)相關(guān)Tier 1，立足于手機-汽車(chē)互聯(lián)互通創(chuàng )新發(fā)展。以匯聚智能車(chē)機產(chǎn)業(yè)力量、共建智慧車(chē)聯(lián)開(kāi)放與協(xié)作生態(tài)為使命，通過(guò)開(kāi)展智能終端與汽車(chē)互聯(lián)協(xié)作的相關(guān)場(chǎng)景、技術(shù)、標準的研究及應用推廣，實(shí)現手機與汽車(chē)、科技與數據、硬件與軟件等的深度融合，減少產(chǎn)業(yè)碎片化，促進(jìn)移動(dòng)終端和汽車(chē)之間的互聯(lián)互通和用戶(hù)體驗的提升。（核心成員包括：小米、OPPO、vivo、長(cháng)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(zhuān)注可信數字身份建設，連接數字世界無(wú)限可能”的新使命，和生態(tài)合作伙伴一起探索未來(lái)數字身份下的技術(shù)創(chuàng )新、場(chǎng)景變革以及商業(yè)機遇，賦能用戶(hù)安全暢行數字世界。目前正在大力推動(dòng)聲紋識別應用，智慧出行場(chǎng)景中的數字車(chē)鑰匙應用，人臉識別在遠程開(kāi)戶(hù)、自助通關(guān)等場(chǎng)景中的應用相關(guān)的多項安全標準制定，通過(guò)聯(lián)盟共創(chuàng )，彌補標準領(lǐng)域的空白點(diǎn)，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(guò)貢獻，值得一提的有：

? MBOA聯(lián)盟（Multiband OFDM Alliance）：致力于將MB-OFDM UWB技術(shù)以聯(lián)盟的名義向IEEE 802.15.3a提交作為UWB技術(shù)的標準提案。聯(lián)盟成員最多時(shí)超過(guò)50家，都是消費電子、個(gè)人計算機、半導體、數字影像等領(lǐng)域的重要廠(chǎng)商。由于IEEE 802.15.3a的UWB技術(shù)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(jìn)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 將所有規范轉移給藍牙特別興趣小組（SIG）、無(wú)線(xiàn) USB 促進(jìn)組織（Wireless USB Promoter Group）和 USB 開(kāi)發(fā)者論壇（USB Implementers Forum）。WiMedia聯(lián)盟于2010年停止運營(yíng)。

???UWB功能與應用領(lǐng)域

根據UWB的特性，其基礎功能分為：數據傳輸、雷達成像、測距定位。

? 在數據傳輸方面，業(yè)內曾對UWB用于短距離無(wú)線(xiàn)傳輸寄予厚望。但是2009年同時(shí)作為競爭者的 Wi-Fi 技術(shù)發(fā)展迅猛，迅速搶占了短距離無(wú)線(xiàn)傳輸市場(chǎng)，UWB 最終退出了無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（WPAN）傳輸這個(gè)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(shù)。因為現階段的可穿戴設備與智能手機之間傳輸的數據量并不大，UWB的優(yōu)勢在實(shí)際應用中較難體現。

? 在雷達成像方面，UWB雷達一直是戰后傷員搜尋、地震或塌方后人員搜救的主流方案。UWB生物雷達可以在無(wú)需導體或傳感器接觸生命體的情況下，實(shí)現非接觸、遠距離檢測生命體呼吸及心臟跳動(dòng)等信息。UWB雷達利用無(wú)線(xiàn)信號的多普勒效應，檢測周邊電磁環(huán)境的變化，通過(guò)電磁環(huán)境變化的特征，判斷是否存在運動(dòng)或者活體呼吸。UWB雷達在車(chē)身域可作為活體雷達和踢腳雷達，可有效提升車(chē)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(chǎng)重新發(fā)現了價(jià)值，這與人們日益增長(cháng)的實(shí)時(shí)定位服務(wù)（RTLS）需求不無(wú)關(guān)系。從小物件的防丟，到敏感人員或貴重物資的監控，從汽車(chē)數字鑰匙，到自主代客泊車(chē)（AVP，Automated Valet Parking）。目前各大手機廠(chǎng)商和主機廠(chǎng)以及產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節的企業(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(lǐng)域劃分為消費電子、智能汽車(chē)、工業(yè)應用三大類(lèi)：

圖 11 UWB應用領(lǐng)域

? 消費電子領(lǐng)域：智能手機、智能家居、新零售、增強現實(shí) （AR） /虛擬現實(shí) （VR）、體育賽事。

蘋(píng)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(píng)果升級UWB芯片用以支持新發(fā)布的VisionPro；UWB可以跟蹤運動(dòng)員的快速運動(dòng)過(guò)程，已在許多專(zhuān)業(yè)體育賽事中運用。

? 智能汽車(chē)領(lǐng)域：數字鑰匙、生物雷達、踢腳雷達、自主代客泊車(chē)（AVP）

數字鑰匙采用UWB技術(shù)可以防中繼攻擊，從而提高車(chē)輛安全性，UWB模塊加裝在車(chē)身域可以極大的提升用戶(hù)體驗；UWB應用在停車(chē)場(chǎng)，可以實(shí)現自主代客泊車(chē)。

? 工業(yè)應用領(lǐng)域：工廠(chǎng)車(chē)間、工業(yè)機器人、采礦、倉儲物流。

工業(yè)領(lǐng)域算是UWB在國內最早的ToB應用，工廠(chǎng)、煤礦使用UWB對人員、物資進(jìn)行精準定位，從而提高安全性和運營(yíng)效率；UWB 標簽可跟蹤叉車(chē)和工具，以便實(shí)時(shí)查看工作進(jìn)展，從而有助于提高工作流程的效率。

關(guān)于信馳達

深圳市信馳達科技有限公司（RF-star）是一家專(zhuān)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(wú)線(xiàn)模塊和應用方案，包括BLE、Wi-Fi、UWB、Wi-SUN、LoRa、Zigbee、Thread、Matter等。