关于UWB的一些科普
2020-03-15
22:01:26
来源: Sophie
来源：内容来自公众号「桃芯科技」，作者：桃大芯 ，谢谢。
最近科技圈有个大新闻：苹果iPhone11集成了UWB芯片。这个非常低调的行业，现在变得异常热闹起来。我们稍微梳理研究了一下相关UWB信息供大家参考，但我们会附带几个观点在文章后面，也许这个更应该被看到。
UWB（超宽带）概念在1960年就被提出。1973年，第一个UWB系统的专利被授予。从UWB出现到20世纪90年代之前，UWB技术主要用于军事上的雷达系统。
民用阶段，UWB行业内的厂商此前都在做B端，目前的典型应用包括工厂、仓储、隧道、司法等各种垂直行业的人员或物资高精度定位。
没有载波的通信系统
：UWB是一个非传统的通信系统，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲为信息载体传输数据。
带宽极宽+极低功率传输：
其频谱范围
(3.1GHz—10.6GHz),UWB
系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在
0.20~1.5ns
之间，有很低的占空比，系统耗电很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。如下图所示
高速的数据传输
：
UWB
通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在
10
米左右的范围内实现数百
Mbit/s
至数
Gbit/s
的数据传输速率，如下图，
802.15.3
表示的即是
UWB
技术。
抗干扰性能强
：
UWB
采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。
双向飞行时间法（TW-TOF,two way-time of flight），主要利用信号在两个异步收发机（Transceiver）之间飞行时间来测量节点间的距离。每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)
但是单纯的
TOF
算法有一个比较严格的约束：发送设备和接收设备必须始终同步。这是一个比较棘手的问题，但是一种
Double-sidedTwo-way Ranging
的算法巧妙的避开了这个问题，它既利用了
TOF
测距的优良特点，同时又极大的去除了
TOF
的同步问题，从而为
TOF
的实用化扫清了道路。
定位算法中比较成熟的有：
TOA
（到达时间）、
TDOA
（到达时间差）、
AOA
（到达角度或称为
DOA
估计）定位技术和这三种技术的混合技术。
ａ）
TOA
（到达时间）――下面的图非常形象的诠释了
TOA
算法的原理：
然而事情都具有两面性：
TOA
定位对传播中产生的误差比较敏感，这些误差来自于传播中的反射、多径传播、非视距传播和噪声等干扰，会造成各圆无法相交或相交处不是一个点
而是一个区域。同时
TOA
定位要求移动终端和基站之间在时间上要准确同步，
1ns
的同步误差将会给定位带来大约
0
．
3
米的不确定性。
ｂ）
TDOA
（到达时间差）对
TOA
技术加以了改进。
TDOA
定位不必要进行基站和移动终端之间的同步，而只需要基站之间进行同步。因为基站的位置是固定的，基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行
同步要容易实现得多。
它通过测量出两个不同
基站与移动终端的传输时延差来进行定位。假设移动终端的位置与基站
1
和基站
2
的距离差为
R21=R2-R1
，则移动终端的位置必定在以两个基站为焦点，与两个焦点的距离差恒为
R21
的双曲线上。
再通过另一组移动终端与基站
1
基站
3
或基站
2
基站
3
的
TDOA
，可以得到另一组双曲线，两组双曲线将最多产生两个交点，再根据先验知识
(
如半径范围等
)
判断出移动终端的位置。
ｃ）
AOA估计也叫DOA(DirectionofArrival)估计或者方向识别DF(Direction
Finding）。
AOA的优点是所需要的基站比较少，最少只要两个基站就可以进行定位。
AOA的缺点
是当移动终端和基站的距离比较远的时候，即使有微小的定位角度的误差，都会造成比较大的定位距离的偏差。因此AOA定位多见于中、短距离的定位。
混合定位技术就是混合使用上述的两种或三种定位技术，比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等，通过检测并提取相关的定位参数，用于定位解算。
混合定位技术可以运用多种定位参数实现定位，综合不同定位技术的特点，在各 种定位技术的特性中取长补短，让最终的定位性能得到优化。
早期，UWB定位方案的核心元器件采用的是分离电路板方式，提供此类方案的公司有：Ubisense公司，Ubisense公司是全球实时定位系统（RTLS）的领导者，由剑桥大学贝尔实验室团队组建，其设计和研发在英国，生产和服务在德国。
UWB定位芯片出现之后，使得UWB最具技术壁垒与核心的环节得以标准化，因此，直接刺激了大量的企业涌入到UWB定位领域中进行技术的二次开发，以及市场应用的拓展。
UWB定位系统主要包含基站(Anchor)，标签(Tag)和应用软件(system)。目前UWB定位企业第一梯队的企业都是采用提供整体方案的商业模式，因为对于很多用户来说，希望技术供应商能够供应整体化的解决方案。目前行业里面基站是主要的盈利点；标签量虽然大，但价格比较低，毛利也比较低；应用软件毛利很高，但目前占比比较小。
最近几年，国内做UWB定位技术类企业数量也快速的增加，以下是对当前国内UWB定位技术企业的数量估算。
UWB定位行业虽然涌入了大量的玩家，但是UWB的技术方案从芯片到可交付的产品需要时间的积累，一般对于一个新玩家来说，这个周期需要2年左右，此外，也有很多企业，尤其是规模比较大的成熟企业，进入UWB领域更多的是达到技术积累目的，等待应用市场的进一步拓展。
在当前UWB企业级定位市场中，项目制的市场环境的特性是方案有很多定制化的内容，报价方式是对整体方案进行打包报价，尤其是很多项目中，还有一些应用软件的开发，因而报价会有很高的灵活性。
定位技术作为一项新兴的技术产业，虽然在早期的市场体量还不够大，但是其发展潜力是巨大的，其市场潜力主要表现在两个方面：
第一
，
增长水平，最近这几年，企业级UWB定位市场一直保持着一个很高的增长水平，尤其是自2018年开始，行业整体业绩进入了一个快速增长期。
第二
，
UWB产品能够撬动的市场很大，在企业级项目应用中，UWB定位部分占据的内容往往只是一小部分，整个大项目还有很多其他的建设投入，UWB定位部分在项目的产值占比大概在10%-20%之间，也就意味着， UWB定位市场可以撬动其本身市场产值的5-10倍。
a) 2018年，国内UWB企业级应用市场出货量为百万级，随着新的芯片玩家进入，未来几年，在企业级应用市场，UWB将会保持着超高的发展速度，预计在2022年将会超过千万级的量，达到1200万片左右。
b) 预计在2022年，国内UWB企业级应用市场的体量将会超过百亿级别
苹果在官网上只介绍了U1超宽带芯片可用于AirDrop，将手机指向另一个手机，通过测向和定位可以优先连接该手机。
其实苹果早些年开始已经进行了多项UWB布局，这个是关于UWB用于汽车车钥匙的专利。
2019年苹果相关专利甚至传说苹果要用UWB技术做iBeacon V2。
应用层面，网上也有很多例子，我们稍微提一下就OK，感兴趣的可以去查阅。
可以在C端用于停车场找车、找宠物、找娃、找钥匙，也可以用于陌生人社交找人，这简直就是终极找东西的神器。想象下，在车海中快速找到来接我的滴滴快车。这种应用是不需要环境中部署基站的，只需要双方都具有UWB设备。
UWB的时间戳测距原理使得UWB几乎不可能通过被截获复制的方法伪造出自己的位置，那么UWB可以作为安全性很高且便捷的钥匙了。iPhone11可以作为车钥匙，提供比现有无钥匙进入技术安全性更高、定位精度更高的体验。想象下，拿着手机距离车辆5米时车灯自动点亮，距离车门1米时，对应车门自动解锁。如果此时转身，迈开一步离开，车门自动上锁。iPhone11希望连接未来所有汽车，这也许是苹果推出U1芯片的重要原因。
在智能锁上应用也是可能的，三星在19年初CES期间以及发布一款应用UWB技术的智能锁，只是当时还没有手机钥匙，需要佩戴专用的UWB钥匙。随着手机加入UWB芯片，手机作为钥匙的应用前景会很快到来。
iPhone11也可以通过与POS机安全测距等方式为Apple Pay等支付技术提供更安全的无感支付体验。甚至将来拿了UWB手机的人可以直接过UWB地铁闸机，而无需掏手机出来扫码或刷NFC，类似汽车ETC过闸机一样。
Decawave公司的DW1000支持IEEE 802.15.4-2011标准，明年2020年量产的DW3000芯片将支持最新的IEEE 802.15.4z标准。苹果的U1和NXP新发布的SR100T也都支持IEEE802.15.4z最新标准。802.15.4z在原有标准基础上定义了新的特性，可以提升安全、功耗更低、且传输距离更远。
注意IEEE 802.15.4z是向前兼容的，所以iPhone11可以和现在普遍应用的IEEE 802.15.4-2011标准的DW1000对接，但这只是理论上存在可能.
虽然同样是采用DW1000芯片的系统，但不同厂家产品是完全不兼容的。定位算法也有很多种，适用不同的场景，并没有一个开源的算法给大家用。往往需要厂家做大量的算法研究工作，并结合各种场景做大量迭代。在苹果未来逐渐开放其U1芯片定位应用的SDK后，预计会有部分改观。
前面的关于UWB的特性是从原理上来说明的，从芯片层面来较实际的应该有一些折扣。拿某款在55nm水平上的芯片为例，从大速率传输的角度看：
1.
峰值速率原理上能达到1Gbps，但能做到稳定传输应该在640Mbps左右。
2.
射频方面原理上是3-10G的频带，但实现的过程中基本保持在3-4G中的若干375M频段。
3.
如果保持-40dBm的发射功率，传输距离基本上是在客厅范围。这也是UWB大速率数据传输中的典型应用，包括电脑投屏，家庭影院等。
4.
功耗上看，全频跑应用怎么都得百毫安，功耗不友好。
5.
从
研发成本上看，UWB至少和WiFi11n甚至WiFi11ac相当，并不简单。
6.
当年UWB没能发展是因为，从以上所有性能上看几乎都赢不了WiFi11ac，Intel也退出了他发起的联盟。
1.
所有的无线都可以用来定位，高频段的方向性要好一些，但看你用的是3G还是10G。
2.
只做定位的话，芯片复杂度能降低多少需要进一步研究，暂不评论。
1. UWB不是新东西，只是突然被更多的人看见了。
2. UWB作为民用，出现时的标签是高速率数据传输，定位只是前者失败后的一个替代应用。
3. 被看见了，不代表它会在技术特性，应用和市场等方面就突变了。
4. UWB从10年前开始，国内也陆续倒过一批企业的，包括芯片设计公司。
a) 比如AI只是一个随着芯片制造水平提高，计算能力越来越强而衍生的一项技术，它本身并不是一个行业。拿最成功的应用案例来说，这些行业本身是图像识别和处理，或语音识别。所谓AI只是其中的一项技术而已（更专业的名称应该是算法加速器，但没有人爱这个名字）。
b) 比如量子通信最近又被吐槽，但事物本身是清楚的，为啥现在才说。
c) 技术没有高大上，技术是勤奋和严谨。举个简单的例子，如果有谁愿意把USB做好做透，或者把ADC做好做透，我觉得他一定是杰出企业。企业的逻辑是市场足够大，然后你为什么比别人做的好。没用哪家上市技术公司不是接地气的，解决实际问题的，能有正向现金流的。
d) 如果追求高大上，那请准备好10或20年的耐心。或者准备一个志趣相投的爸爸。当然，如果是大企业，探索和储备就变成使命和战略了。
对新东西的出现，保持开放和理性是基本素质。作为有相关UWB芯片经验的团队，做不做，什么时候做，还需要进一步分析和调研。
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