邱元陽

編者按：當(dāng)社會生活從互聯(lián)網(wǎng)時代邁向物聯(lián)網(wǎng)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(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的作用也成為重中之重?；ヂ?lián)網(wǎng)下的定位技術(shù)，主要是室外定位，依靠天上的衛(wèi)星和地面的通信基站實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。而物聯(lián)網(wǎng)下的定位技術(shù)，還要涉及室內(nèi)的高精度定位，這就不是傳統(tǒng)的GPS等定位技術(shù)所擅長的了。在室內(nèi)定位和空間感知技術(shù)中，UWB技術(shù)作為后起之秀，正越來越受到關(guān)注。本次專題，我們分兩期來討論UWB的技術(shù)原理和應(yīng)用領(lǐng)域。

2020年10月，小米正式發(fā)布了一項名為“一指連”的新一代連接技術(shù)。基于“一指連”技術(shù)的手機(jī)和智能設(shè)備將具備空間感知能力，猶如“室內(nèi)GPS”，具有“一指操控”和“一指投送”兩大創(chuàng)新功能。當(dāng)手機(jī)指向智能設(shè)備，操控界面自動彈出，能夠直接進(jìn)行操控，極為便捷。

小米的這項新一代連接技術(shù)，就是基于UWB的空間定位技術(shù)，具備抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、功率小、精度高的特點，可用于室內(nèi)高精定位、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備交互、文件傳輸?shù)葢?yīng)用場景。此前，蘋果在發(fā)布iPhone11的時候，也搭載了支持UWB技術(shù)的U1芯片，以顯著提升蘋果手機(jī)的空間感知能力的快速文件分享。

那么，UWB技術(shù)究竟是什么？有何獨到之處呢？

● 何方神圣——室內(nèi)定位出新秀

在介紹UWB技術(shù)之前，我們先看看主流的室內(nèi)定位技術(shù)有哪些。

1.射頻識別定位技術(shù)

利用射頻方式產(chǎn)生電磁場，物品上的RF標(biāo)簽在經(jīng)過磁場時生成感應(yīng)電流，以達(dá)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(nèi)得到厘米級精度的定位信息。由于電磁場具有非視距優(yōu)點，傳輸范圍大，標(biāo)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(zhuǎn)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(shù)

Wi-Fi室內(nèi)定位的實現(xiàn)方法有兩種：一是通過移動設(shè)備和三個無線AP的信號強(qiáng)度，通過差分算法，來比較精準(zhǔn)地對人和車輛進(jìn)行三角定位;二是事先記錄大量的位置點信號強(qiáng)度形成數(shù)據(jù)庫，對比新加入設(shè)備的信號強(qiáng)度來確定位置。

Wi-Fi定位可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務(wù)，總精度比較高，但是用于室內(nèi)定位的精度只能達(dá)到2米左右，無法做到精準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)，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(dǎo)航，在醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主題公園、工廠、商場等場合使用。

3.地磁定位技術(shù)

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(nèi)部，是比較穩(wěn)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(xiàn)代化建筑都采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，會在小范圍內(nèi)對地磁產(chǎn)生干擾，非均勻的磁場環(huán)境便會因其路徑不同產(chǎn)生不同的磁場觀測結(jié)果。IndoorAtlas就是根據(jù)這一原理，利用地磁在室內(nèi)的這種變化來進(jìn)行室內(nèi)定位和導(dǎo)航，精度可以達(dá)到0.1～2m。

用這種技術(shù)進(jìn)行定位需要先將室內(nèi)樓層平面圖上傳到IndoorAtlas的地圖云中，再實地記錄目標(biāo)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(jìn)行精確室內(nèi)導(dǎo)航。但地磁信號容易受到環(huán)境中不斷變化的電、磁信號源干擾，定位結(jié)果不穩(wěn)定。

4.藍(lán)牙定位技術(shù)

基于BLE（Bluetooth Low Energy）的定位技術(shù)，能夠在短距離內(nèi)實現(xiàn)低功耗無線傳輸和室內(nèi)定位實時追蹤。在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點后，將網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點始終是這個網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備。藍(lán)牙接收端距離發(fā)射端的距離越近，信號強(qiáng)度越強(qiáng)，反之信號強(qiáng)度越弱，根據(jù)信號強(qiáng)度與距離的關(guān)系，通過信號強(qiáng)度的變化就能達(dá)到定位目的。

藍(lán)牙受周圍環(huán)境干擾小，定位誤差小，成本低，便于集成，但在前期基站建設(shè)時需要大面積鋪設(shè)藍(lán)牙設(shè)備。

可以看出，這些室內(nèi)定位技術(shù)都各有一些缺點。于是，UWB閃亮登場。

5.UWB定位技術(shù)

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

UWB傳輸速率高，發(fā)射功率低，穿透能力強(qiáng)，抗干擾效果好，并且是基于極窄脈沖的無載波無線技術(shù)。這些優(yōu)點使它在室內(nèi)定位中可得到精確的結(jié)果，精度達(dá)到0.1～0.5m，可用于戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運動跟蹤等。

● 技術(shù)剖析——優(yōu)點缺點看原理

UWB技術(shù)始于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)，利用頻譜極寬的超短脈沖進(jìn)行通信，又稱為基帶通信、無載波通信，主要用于軍用雷達(dá)、定位和通信系統(tǒng)中。UWB技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，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(shù)據(jù)，只在需要時發(fā)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(xiàn)幾百兆到1Gbps以上速率的通信成為可能。

1.系統(tǒng)實現(xiàn)

在發(fā)射端，UWB發(fā)射器直接用脈沖激勵天線，可采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。在接收端，UWB接收機(jī)不需要中頻處理，因此UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單（如圖2）。在工程實現(xiàn)上，UWB也比其他無線技術(shù)要簡單得多，只需以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，大大減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低設(shè)備成本。

FCC（美國聯(lián)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(yán)格的限制，將其限定在-41.3dBm頻帶內(nèi)。

2.數(shù)據(jù)傳輸

從圖中可以看出，UWB技術(shù)通過超大帶寬和低發(fā)射功率，實現(xiàn)了低功耗水平上的快速數(shù)據(jù)傳輸。

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

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(jìn)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(biāo)簽之間飛行的時間來實現(xiàn)測距;②TDOA（Time Difference of Arrival），利用UWB信號由標(biāo)簽到達(dá)各個基站的時間差來進(jìn)行定位;③PDOA（Phase Difference Of Arrival），利用到達(dá)角相位來測量基站與標(biāo)簽之間的方位關(guān)系。以TDOA測距定位算法為例，根據(jù)信號到達(dá)的時間差，通過雙曲線交叉實現(xiàn)定位，其定位系統(tǒng)包括UWB接收器、UWB參考標(biāo)簽和主動UWB標(biāo)簽。定位過程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)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(jìn)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(qiáng)的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，其定位精度可達(dá)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(nèi)，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(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)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(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間在0.2～1.5ns之間，占空因數(shù)很低，因此系統(tǒng)功耗很低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百微瓦至幾十毫瓦。

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

● 孰優(yōu)孰劣——定位技術(shù)大比拼

不同的技術(shù)發(fā)展階段產(chǎn)生了不同的室內(nèi)定位技術(shù)，如藍(lán)牙、RFID、Wi-Fi、UWB、超聲波等，這些技術(shù)各有特點，各自適合不同的應(yīng)用領(lǐng)域。但是從基本的定位需求來看，還是可以進(jìn)行一番比較的。

1.數(shù)據(jù)傳輸能力

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

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

無線通信的頻率越高或波長越短，可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(yuǎn)了就切換成2.4GHz來保持信號穩(wěn)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(lián)盟，旨在利用超寬帶（UWB）技術(shù)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(shù)在測量距離或確定目標(biāo)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(yōu)勢的原因有以下幾個：

（1）抗多徑能力強(qiáng)。帶寬決定了信號在多徑環(huán)境下的距離分辨能力，UWB的帶寬很寬，多徑分辨能力強(qiáng)，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(jié)果，在距離分辨能力上高于其他傳統(tǒng)系統(tǒng)，復(fù)雜環(huán)境下其精度甚至可以達(dá)到Wi-Fi、藍(lán)牙等傳統(tǒng)系統(tǒng)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(jìn)行定位時，引入的誤差通常小于幾厘米。

（3）電磁兼容性強(qiáng)。UWB的發(fā)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(huán)境噪聲之中，傳統(tǒng)的接收機(jī)無法識別和解調(diào)，不會與其他通信業(yè)務(wù)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(kuò)頻增益，使得UWB通信系統(tǒng)能效較高，在長距離應(yīng)用中，不需要額外的功率放大器即可達(dá)到200m的距離，同時實現(xiàn)6.8Mbps的空中速率，有助于提高定位精度。

下表是UWB與Wi-Fi、藍(lán)牙等室內(nèi)定位技術(shù)在定位精度和距離范圍方面的比較?？梢钥闯?，幾種室內(nèi)定位技術(shù)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(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)由NXP主導(dǎo)研發(fā)，與4a版本最大的區(qū)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(rèn)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(shù)要求較高的應(yīng)用來說，就是最佳方案了。而且，UWB的成本也較低，如果應(yīng)用到手機(jī)、汽車等智能產(chǎn)品上，其應(yīng)用體驗將會帶來質(zhì)的飛躍。

● 應(yīng)用展望——云里霧里話迷茫

UWB作為一種無線通信技術(shù)，其應(yīng)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(yuǎn)離安全入口，同時可驗證安全憑證，并讓授權(quán)個人通過入口而無需刷卡。這使得UWB技術(shù)能夠在智慧門禁、汽車無鎖化啟動以及系統(tǒng)識別認(rèn)證等方面得到很好的應(yīng)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(shù)實現(xiàn)在手機(jī)、汽車、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用。

在FiRa聯(lián)盟的推動下，通過制訂標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證，主導(dǎo)廠商正努力建立跨芯片組、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的互操作UWB生態(tài)系統(tǒng)，使精準(zhǔn)測距功能可以蓬勃發(fā)展，最終為無縫用戶體驗樹立新標(biāo)準(zhǔn)。

2019年，中國移動、華為、高通、百度等120余家單位聯(lián)合成立了精準(zhǔn)定位聯(lián)盟，旨在聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界打造“5G+位置”行業(yè)生態(tài)，服務(wù)于垂直行業(yè)應(yīng)用落地。

根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Techno Systems Research的報告，預(yù)計2027年全球UWB市場出貨量將超過22億顆。其中，智能手機(jī)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(shè)備、消費電子標(biāo)簽，及實時定位系統(tǒng)。

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(fù)。就連首開手機(jī)中使用UWB先河的蘋果，也沒有給用戶帶來持續(xù)的驚喜，反而讓人誤以為UWB也是用于手機(jī)的一種通信技術(shù)，而且相關(guān)的配套設(shè)備和應(yīng)用還比較麻煩。

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

如果UWB的地面系統(tǒng)能夠完善，所有的問題也許就會迎刃而解。當(dāng)UWB從商場到小區(qū)、從學(xué)校到政府、從城市到區(qū)域都開始布設(shè)并提供服務(wù)，逐漸實現(xiàn)全國乃至全球聯(lián)網(wǎng)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(nèi)厘米級精度的三維位置信息也會讓它大放異彩。

● 結(jié)束語

我們正在加速走向萬物互聯(lián)時代，IoT除了5G、Wi-Fi、藍(lán)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(shù)都有很大的發(fā)展空間和市場機(jī)會，都可以利用自身的優(yōu)勢，與細(xì)分物聯(lián)網(wǎng)場景緊密結(jié)合，共同推動信息化時代的發(fā)展。

在自動化和智能化生產(chǎn)、生活中，智能設(shè)備可以感應(yīng)到各種外界信息，但卻往往無法準(zhǔn)確地確定自己的位置信息，從而脫離人的控制進(jìn)行基于位置的自動化精細(xì)作業(yè)。當(dāng)通信和位置信息相結(jié)合，在軍事需求和商業(yè)市場的推動下，UWB技術(shù)將會進(jìn)一步發(fā)展和成熟起來。

因為UWB具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，所以它改變?nèi)藗兊倪B接方式，成為下一代改變游戲規(guī)則的無線通信技術(shù)也有可能。即使不會全面爆發(fā)，至少，它也可能會成為物聯(lián)網(wǎng)時代的下一個風(fēng)口。