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UWB定位技术的基本原理及优劣势介绍

“一指连” ， 听上去很酷 ， 如同以往拿着遥控对准电器产品便可以做一系列的功能操作 ， 只不过在当下遥控已经变为我们的手机 ， 而手机对应操作的可以是千千万万的智能设备 ， 不仅仅是电视、空调等等 。
小米在针对目前智能家居使用痛点和基于对未来万物互联的交互方式的思考推出了一项“创新”功能应用 。实际“创新”带有引号是源于应用是新的 ， 而技术则是诞生已久的UWB（超宽带通信） 。小米依靠UWB技术 ， 能够令手机与智能设备具有空间的感知能力 ， 通过手机指向设备即可进行操作 。
小米“一指连”革新智慧家庭的交互
UWB是何方神圣？我们其实可以理解它与我们日常接触的WiFi、蓝牙、NFC、4G、5G等一样 ， 同属于无线连接技术的一种 。因此不只是小米 ， 三星在日前宣布超宽带（Ultra-Wideband：UWB）的技术是“无线技术的下一件大事” ， 而其今年8月发布的Galaxy Note20 Ultra和9月发布的Galaxy Z Fold2均已经支持UWB技术 。
不过相比较之下 ， 三星和小米在UWB技术产品导入上均不如苹果 。一年前 ， 苹果已经在iPhone 11系列上植入“U1”的UWB芯片 ， 而来到今年的iPhone 12系列仍然不例外 ， 全系标配UWB芯片 ， 同期发布的HomPod mini上也加入了UWB芯片 。
虽然业界认为iPhone 11上加入UWB芯片是服务于iOS设备间使用频率很高的AirDrop功能 ， 其能大幅提升其用户体验 ， 但是UWB能做的不仅仅是这样 。随着UWB生态产业链的逐渐成熟 ， 苹果已经在手机、音箱、手表上推进UWB连接 ， 未来可能会在电视、手环、平板等一系列智能设备上推广开来 。毫无疑问苹果在基于UWB技术打造一套丰富的产业生态 。

UWB定位技术的基本原理及优劣势介绍
文章插图
目前UWB最优的应用环境是室内或者相对密闭的空间 ， 有着厘米级的定位精度的UWB技术大有用武之地 。UWB不仅可以非常精确地进行位置跟踪 ， 还可以快速地进行数据传输 。
【UWB定位技术的基本原理及优劣势介绍】 如雷军所言 ， UWB技术在消费级别市场的应用创新大幕即将拉开 ， 而“一指连”仅仅是其应用中的一环 。可以明确的是 ， UWB并不是WiFi、蓝牙等短距离无线技术的替代者或者革者 ， 其更多是与WiFi、蓝牙技术、应用等方面的优势互补 ， 满足不同场景下无线连接需求 ， 为未来万物互联奉献自己的力量 。
UWB技术优劣势在哪？
UWB是一种低功耗的无线通信和感知技术 ， 与常见的连续载波宽带通信方式不同 ， UWB利用纳秒级（0.3ns）的窄脉冲传输数据 ， 有较为精确的定位与感知能力 ， 可用在无线个人局域网络、家庭网络连接、精确定位和短距离雷达等领域 。
据前华为手机美国采购部主管杨如春文章介绍 ， 在著名的Gartner技术炒作曲线里 ， UWB在2004年炒作周期中达到顶峰 ， 但在2008年后被抛弃 。放在那时候 ， 已经有一批初创公司因此而倒闭 ， 不过到了2019秋季苹果在iPhone 11发布会上 ， 三款新手机均配备一个自研的U1芯片 ， 支持室内导航和物件跟踪服务 ， 市场兴趣又重新恢复起来 。
UWB从诞生到现在经历了不同的标准演进阶段 ， 而不同阶段则是决定了其市场应用的方向和接受度 。第一代UWB标准的主要组织是WiMedia联盟 ， 他们定义UWB为低速率无线个域网（LR-WPAN）的一种物理层实现方式 ， 在IEEE 802.15.4协议上实现标准化 。WiMedia联盟2002年成立后推出的第一代标准是802.15.4a ， 专门为短距无线高速率数据传输而设计 ， 在2006年完成标准制订 。
可惜的是 ， UWB当时策略上有失误 ， 其选择与WiFi、蓝牙、USB争夺市场 。最终由于市场时机、技术复杂度、网速体验等诸多原因而没能战胜WiFi ，  在线缆取代上又因为发热和价格败给蓝牙和USB ， 高成本、高功率和缺乏标准化等三个硬伤成为其暂时褪去的原因 。
幸好后续UWB工作小组等组织的专家们一边继续完善802.15.4a ， 一边默默的在2018年推出新标准即802.15.4z ， 将物理层分为高速率和低速率两个实现方式 ， 并在高速率中加入了定位功能 。
正是由于后续的标准制定更新 ， UWB对应的市场也有所变化 ， 从而开拓和找准自己的应用领域 。从功能来看 ， UWB有通讯连接和精准测距定位两项 ， 而后者会是UWB的杀手锏 。
据一名从事UWB技术研发的人员介绍：“UWB技术有着厘米级的定位精度 ， 这在室内密闭以及小范围的空间非常有用 ， 这是目前WiFi和蓝牙等主流无线技术所不具备的能力 。基于AOA模式的UWB定位技术方案很便捷 ， 也不需要再额外地铺设基站 ， 非常适用于消费级应用领域 。”
室内环境下 ， 卫星信号会被严重干扰 ， 因此GPS或北斗等卫星定位方法是不可行的 。因此在室内或者相对密闭的空间下 ， 其需要一套室内的定位体系 ， 常见的室内无线定位技术还有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波 ， 而UWB会是里面的佼佼者 。
“UWB技术区别于现存的窄带宽通信系统 ， 拥有500MHz超大带宽来传输信息 ， 将定位精度提高至厘米级别 。得益于UWB的超宽带和窄脉冲特性 ， 空间中极难被拦截 。”该名UWB技术研发人员补充 。
UWB定位的基本原理是飞行时间测算ToF（Time of Flight） ， 这里又有两种方式 ， 一种是Single Sided ， 一种是更精确的Double Sided 。为了实现始终同步 ， ToF测距方法采用了时钟偏移量解决时钟同步问题 。由于ToF测距方法的测距精度容易受两端节点中的时钟偏移量的影响 ， 为了减少此类错误的影响 ， 其采用反向测量方法 ， 即远程节点发送数据包 ， 本地节点接收数据包 ， 并自动响应 。通过平均正向和反向多次测量的平均值 ， 减少对任何时钟偏移量的影响 ， 从而减少测距误差 。
测距精度的提升有利于室内定位精度准确 ， UWB芯片的定位精度正常情况下可以达到10cm ， 同时其可探测移动的角度误差控制在3度以内 。对比WiFi、蓝牙 ， 其定位精度要高出它们好几个数量级 ， 可以满足目前大部分室内场景应用的定位需求 。
当然技术本身肯定有两面性的 ， 由于工作频段较高和大频宽 ， 如果在室内遇到实体墙阻挡 ， 那会使得UWB信号衰减60-70% ， 定位精度误差上升30厘米左右 ， 两堵或者两堵以上的实体墙遮挡 ， 将使得UWB无法定位 。
此外钢板也会对UWB的脉冲信号吸收严重 ， 导致UWB无法定位 。玻璃、木板、纸板等则是对UWB定位精度没太大的影响 。
UWB从技术上来看 ， 由于超宽带使用非常大的无线电频谱块在短距离内发送和接收数据 。试想一下 ， 其就相当于一个微小的无线电塔 ， 可以同时将数据发送到转盘的每个电台 ， 不过因为功率有限 ， 其不会影响到房间外的无线电 ， 而且UWB使用了不会干扰传统无线电的特殊频率 。
因为各种无线电信号的强度和方向便能确定该信号塔的位置 ， 所以这就是其定位精度高 ， 而且信号干扰低的原因 ， 同时还能够传达大量的信息 。
简单来说 ， UWB设备能够将探测精度缩小至10厘米以内的范围 ， 此外UWB设备采用的频率较高 ， 频带也更宽 ， 虽然传输距离有限 ， 但它几乎不会对其它无线信号造成影响 ， 且传输容量和速率更大 。
责任编辑:tzh

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