蘋果，這家始終保持創新活力的公司，不僅推出了一代代引領潮流的iPhone手機，更有大量新技術因iPhone的使用而迅速走紅。在去年的iPhone 11發布會上，蘋果公司首次將超寬帶（Ultra Wide Band：UWB）技術用于手機中。為此，業界預測，UWB技術有望成為蘋果室內定位的突破口。

其實，在2002年前后，UWB也曾經如日中天。有了蘋果的加持，沉寂了近10個年頭的UWB技術這一次能否再次煥發青春成功實現逆襲呢？

UWB的過去和現在

與藍牙和WiFi一樣，UWB是一種短距離無線通信協議，最主要的特征是帶寬很寬，遠大于現存的窄帶通信系統（包括802.11系列和2/3/ 4和5G中的sub 6G）。 與同類產品不同的是，它的工作頻率非常高，頻率范圍很廣，可以用來捕捉高精度的空間和方向數據。

早在90年代，隨著對無線通信需求的增長，UWB的好處變得更加明顯。不過，因UWB系統的商業化部署需要在頻率分配、諧波和功率限制等方面達成全球協議，直到2002年，聯邦通信委員會（FCC）才最終允許使用超寬帶系統。同年，WiMedia聯盟成立，這是一個非盈利的行業貿易組織，旨在促進UWB技術的采用、監管、標準化和多供應商互操作性。幾年后，歐洲電信標準協會（ETSI）也制定了自己的法規，但與FCC法規略有不同。

圖1：FCC將3.1-10.6GHz頻譜之間的7.5GHz分配給了UWB（圖源：ice.rwth-aachen網站）

FCC在3.1-10.6GHz頻譜之間分配了7.5GHz給UWB，這就是基于UWB多波段正交頻分復用（OFDM）提出數據速率為480mbit/s的短距（即幾米）文件傳輸的規范。經過幾年的發展，第一款UWB零售產品于2007年年中開始出貨。當時OFDM UWB初入市，產品前景一片大好。但事與愿違，UWB的應用并未如愿全面鋪開，反而逐漸淡出了市場。

當時UWB芯片組的領導者WiQuest在2008年初占據85%的市場份額，但在2008年10月31日卻停止了運營。UWB論壇因與WiMedia聯盟的方法不同而未能達成一項標準而被解散。WiMedia聯盟在將其所有規范和技術轉讓給USB推廣小組和藍牙特別興趣小組之后，于2009年停止了其業務。遺憾的是，藍牙特別興趣小組在同一年放棄了作為藍牙3.0一部分的UWB的開發。最終的結果是，硅谷的一批UWB初創公司陣亡，WiMedia聯盟也在2010年停止運作。

歸納起來，UWB敗走市場的原因主要有兩點：

一是產品生不逢時，入市時間恰逢2008年全球金融危機，導致消費電子產品零售額大幅下降。

二是OFDM UWB技術本身的原因。當時提出的OFDM-UWB收發機射頻結構的復雜性及其嚴格的時序要求導致了相對較高的產品成本，功耗也比較大，市場接受度不高。

目前UWB通信主要有兩種主流的發展思路： 傳統的脈沖調制UWB和基于OFDM的UWB（MB-OFDM-UWB）。 大家現在都在說的UWB應用，一般是指脈沖調制UWB。 由于UWB采用的脈沖寬度極窄，使得它在高精度定位中具有非常大的競爭優勢。

今天在市場上應用的UWB技術也非10年前的802.15.4a技術，而是經過UWB專家們完善后的技術——在2018年推出的新標準即802.15.4z，將物理層分為高速率和低速率兩個實現方式，并在高速率中加入定位功能。

UWB逆襲的資本

WiFi、藍牙、NFC是目前最常用的個人局域網通信方式。 基于傳輸速度、距離、耗電量、安全性、價格或者用戶需求等各方面考慮，這些技術在不同的場合有著各自的優勢。 比如： WiFi傳輸距離遠，價格便宜，應用廣泛。 但是WiFi也存在著安全性不高、傳輸速率偏慢的缺點； NFC對數據有著較高的安全保護，因此在支付相關的應用中被普遍采用，但其主要缺點是傳輸距離較短； 藍牙定位始于2014年前后，首先開始于監控定位。 隨著藍牙Mesh的推出，已經有百余種具有藍牙mesh網絡功能的產品獲得認證，其中包含芯片、協議棧、模組及終端產品供應商等。 全新藍牙5.1標準新增了尋向功能，可實現更高精度的定位。 藍 牙傳輸不受視距的影響，但對于復雜的空間環境，藍牙系統的穩定性稍差，受噪聲信號干擾大。 另外，藍牙定位范圍較短，不適合空曠的場合。

相比上述幾種通信方式，UWB技術更適合應用在小范圍、高分辨率的圖像和視頻的無線個人局域網，優勢也非常明顯。

圖2：UWB具有較高的傳輸速率且功耗很低（數據來源：IEEE Industrial Electronics Society）

定位精度高：現在，當人們提到無線連接技術時，馬上就會想到藍牙和WiFi。與這些技術相比，UWB在精度、定位能力和射頻安全性等方面更勝一籌。我們知道，帶寬決定了信號在多徑環境下的距離分辨能力。UWB的帶寬很寬，多徑分辨能力強，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果。在復雜環境下，UWB的距離分辨精度甚至可以達到藍牙和WiFi系統的百倍以上。

傳輸速率高：UWB采用的是500MHz以上的大帶寬。由于信道容量與帶寬成正比，因此，UWB具備較高的傳輸速率。通常，UWB能在10米左右的范圍內實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。

安全性高：在IEEE 802.15.4z中指定的一個物理層（PHY），UWB可以利用其他技術中不可用的關鍵安全擴展，允許安全技術，如加密和隨機數生成，阻止攻擊者訪問UWB通信。

系統抗干擾能力強：從射頻機制層面來說，UWB發射的脈沖波抗干擾能力比連續的電磁波強，并且UWB的工作頻段在3GHz-10GHz，相比擁擠的2.4GHz頻段，外界的干擾信號少很多。

功耗較低：UWB發射時需要的平均功率很低，特別是在短距離通信應用中，UWB發射機的發射功率普遍低于1mW。較低的發射功率可以延長系統的工作時間，另外對人體的電磁波輻射也會很小。

潛力巨大的UWB應用

根據Market&Market的預測，全球實時定位系統市場規模將由2018年的31.9億美元，增長到2023年的87.9億美元，市場規模年復合增長率為22.5%。 UWB技術以其精度高、傳輸速度快、可靠性高等特點，非常適合在各種環境中定位移動的人和物，比如用于汽車、移動設備和消費類設備等交叉領域。 UWB的問世直接將定位的精度從米級提高到了厘米級，是一項具有劃時代意義的技術革新。

圖3：2017-2023年全球實時定位系統市場規模預測（億美元）（數據來源：Market&Market）

精準的室內實時定位：室內實時定位的重要性不言而喻。回想一下，我們很多人都有迷失在大型商場或地下停車場的經歷。目前技術相對成熟的室內定位技術有藍牙、WiFi，部分細分領域也有采用ZigBee、RFID等技術的。接下來，UWB技術有望成為室內實時定位中異軍突起的一只生力軍。

高精度的物品追蹤：利用到達角（AoA）技術，UWB測量的實時精度可提供厘米級的高精度設備定位服務。不僅如此，UWB設備還可以確定一個物體是靜止的、移動的，接近的還是遠離的。例如，支持UWB的系統知道你是否正在接近一個鎖著的門，并且可以確定你是在門口還是在門外面。他們還可以決定當你到達一個特定的位置時，鎖是否應該被打開。在一個真實的場景中，UWB可以在你的車駛近時打開車庫，當你靠近入口時打開你家的門。

手機中的定位功能：目前，幾乎所有智能手機都采用了GPS定位/北斗定位系統，正常情況下，GPS定位誤差在25米左右。蘋果iPhone 11的三款手機均配備了自研的U1芯片，支持室內導航和物品跟蹤服務。現在蘋果利用的UWB是一種雷達技術，按照蘋果自己的講法，其準確度可以接近厘米級。三星新推出的Galaxy Note20 Ultra智能手機已經將UWB納入其中，并有望在2021年及以后更廣泛的計算設備和物聯網（IoT）外圍設備上使用。

再有就是小米的“一指連”。10月12日，雷軍宣布他們魔改了小米10系列手機和一系列智能家居設備，加入“一指連”UWB技術，內置UWB芯片和陣列天線，借助小米自研天線排列及算法，讓手機和智能設備之間具備空間感知能力。根據雷軍的介紹，“一指連”小米UWB技術，是具備超精準定位的新一代連接技術，可以實現對智能設備的厘米級定位。

更加智能的汽車鑰匙： 在2019年下半年，汽車制造商紛紛推出計劃，實施基于UWB的無鑰匙汽車門禁，并將探索UWB支持的新用例，如車內乘客檢測、自動代客泊車、自動泊車、停車場進入和免下車支付等。對于即將到來的UWB浪潮，備受期待的一個用例就是通過智能手機實現無鑰匙門禁（PKE）。通過PKE，駕駛員可以在不使用機械鑰匙的情況下解鎖和啟動汽車。即使遙控鑰匙裝在駕駛員的口袋或錢包中，當進入解鎖車門的適當范圍內時，遙控鑰匙將被“喚醒”。進入汽車后，系統會檢測到遙控鑰匙，以激活點火啟動按鈕。另一個有趣的應用是用于汽車出入的步行模式識別，這在大眾概念車上得到了演示。大眾UWB車鑰匙采用高精度傳感技術和人工智能來學習個性化的用戶手勢。

去年11月12日，NXP公司宣布，將在其UWB產品組合中增加一款新的汽車UWB IC--NXP NCJ29D5。NXP NCJ29D5是新一代UWB IC中的第一款，專門針對全球汽車工業的需求而設計，與NXP連接和安全解決方案（如藍牙、NFC和安全元件（SE））結合使用，實現了真正安全的免提智能接入。隨著UWB芯片的問世，NXP、寶馬集團、大陸集團和其他公司正通過汽車連接聯盟（CCC）和IEEE共同致力于UWB的實現，以確保在車輛、移動設備和消費設備的交叉點獲得最佳的客戶體驗。這些標準化工作旨在為基于UWB的免提智能接入和其他汽車本地化用例制定一個全球標準。此外，新的UWB IC帶來最大程度的保護，防止汽車盜竊通過中繼攻擊。

無人倉庫：電商在我國的迅猛發展使得對于物流倉儲的要求越來越高，人工已經無法滿足高效率的要求。京東在上海嘉定建立了全球首個全流程無人倉庫，最重要的環節就是對于機器人的定位。UWB技術的應用突破了傳統的路線控制，維護更靈活，成本也更低。

工業與醫療：UWB技術在工業中的應用也值得期待，將其獨有的精準定位功能用在安全防護、設備控制、工序流程監管等方面，在提高生產效率的同時還能大幅降低事故的發生率；在未來的智慧醫療和養老領域，UWB也有望扮演重要的角色，通過室內導航，實現對醫護人員的緊急定位以及特殊人群的防走失、位置監控等；抗擊新冠肺炎是全球當前最重要的防疫工作，保持合理的社交距離是防止疫情蔓延的有效手段，現在已經有人提出利用UWB技術實現社交隔離，當一個穿著內置UWB芯片的可穿戴設備的員工離某人太近時就會發出警報。

UWB的潛力是巨大的，有太多值得我們期待的應用需要深度挖掘。即使許多企業用例還需要幾年時間，但有一點是肯定的，那就是UWB技術有望改變我們未來的生活和工作方式。希望這次UWB能夠成功實現逆襲，而不是空歡喜一場。

責任編輯：haq