一文講透超寬帶（UWB）前世今生

??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)線電橫跨大西洋3500公里傳輸摩斯碼序列。

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

??1969年至1984年間，美國(guó)天主教大學(xué)（Catholic University of America）的Harmuth出版的書籍和論文，奠定了UWB收發(fā)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

??幾乎在同一時(shí)間，Sperry Rand公司的Ross和Robbins，獨(dú)立地在多個(gè)應(yīng)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(dá)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，也同時(shí)得到發(fā)展：

??1950年代末，林肯實(shí)驗(yàn)室（Lincoln Laboratory）和斯佩里研究中心（Sperry Research Center）開(kāi)發(fā)的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，這是現(xiàn)代UWB技術(shù)研究的開(kāi)端。

??1974年，GSSI公司憑借Morey設(shè)計(jì)的用于穿透地面的UWB雷達(dá)系統(tǒng)取得了商業(yè)成功。

??1977年，美國(guó)空軍羅馬航空發(fā)展中心（USAF's Rome Air Development Center）的Paul van Etten對(duì)UWB雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，促進(jìn)了UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)和天線概念的發(fā)展。

???UWB定義與原理淺析

20世紀(jì)60年代開(kāi)始，UWB一直是美國(guó)軍方的作戰(zhàn)技術(shù)之一。1989年，美國(guó)國(guó)防部旗下的國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）才首次使用了“UWB”這個(gè)稱呼，并規(guī)定：若信號(hào)在-20dB處的絕對(duì)帶寬大于1.5GHz或相對(duì)帶寬大于25%，則該信號(hào)為超寬帶信號(hào)。

2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC，F(xiàn)ederal Communications Commission）批準(zhǔn)了民用的超寬帶無(wú)線技術(shù)，并且對(duì)超寬帶信號(hào)進(jìn)行了重新定義與規(guī)范：

??在-10dB處的絕對(duì)帶寬（B）大于500 MHz且中心頻率（fC）高于2.5 GHz，或相對(duì)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

? 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

傳統(tǒng)的無(wú)線通信是采用射頻 (RF，Radio Frequency)載波來(lái)傳送信號(hào)，利用載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化來(lái)傳輸信息。UWB則是以脈沖無(wú)線電進(jìn)行信號(hào)傳送，脈沖無(wú)線電每秒可發(fā)送多達(dá)10億個(gè)代表0和1的脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)的時(shí)域極窄(納秒或皮秒級(jí))，頻域極寬（數(shù)Hz到數(shù)GHz），其中的低頻部分可以實(shí)現(xiàn)穿墻通信（雷達(dá)應(yīng)用）。脈沖信號(hào)的發(fā)射功率極低，甚至低于背景噪音，基本不會(huì)對(duì)其他窄帶信號(hào)產(chǎn)生干擾。

通過(guò)對(duì)UWB信號(hào)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(jù)香農(nóng)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(nèi)可實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

??發(fā)射功率低：UWB信號(hào)發(fā)射功率低，能耗低，對(duì)人體的輻射危害幾乎可以忽略不計(jì)。

??多徑分辨率高：UWB信號(hào)具有較強(qiáng)的時(shí)間和空間分辨率，對(duì)信道衰減不敏感，抗衰減能力強(qiáng)。

??系統(tǒng)保密性好：UWB信號(hào)的功率譜密度要低于普通的環(huán)境噪聲，使得UWB信號(hào)難以甄別。

??定位精度高：UWB信號(hào)的特性使得其距離分辨精度可達(dá)到厘米級(jí)。

??穿透能力強(qiáng)：UWB窄脈沖具有很強(qiáng)的穿透能力，能穿透障礙物并識(shí)別障礙物后隱藏的物體。

???UWB標(biāo)準(zhǔn)與聯(lián)盟組織

IEEE 802.15.3a由于UWB具備的巨大發(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)用前景，UWB的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)隨著FCC于2002年批準(zhǔn)UWB民用開(kāi)始就非常激烈，到2003年初，美國(guó)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(dǎo)的MB-OFDM方案。

??由摩托羅拉、XtremeSpectrum主導(dǎo)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方案有著本質(zhì)區(qū)別，彼此無(wú)法兼容，IEEE 802.15.3a無(wú)法統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)也開(kāi)始被制定，2007年至今，UWB技術(shù)主要在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)工作組進(jìn)行演進(jìn)。2011年版本最終完善，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即IEEE 802.15.4a-2011。2018年，出于安全性考慮，IEEE 802.15.4a-2011升級(jí)到IEEE 802.15.4z。最新的IEEE 802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)定義了LRP（Low Rate Pulse）和HRP（High Rate Pulse）兩種UWB物理層規(guī)范。

目前，推動(dòng)UWB發(fā)展的重要組織有：

??IEEE Standards Association（IEEE標(biāo)準(zhǔn)組織）：UWB是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的一部分內(nèi)容，在IEEE內(nèi)，由802.15 TG4Z工作組維護(hù)，負(fù)責(zé)UWB標(biāo)準(zhǔn)的物理層以及MAC層相關(guān)測(cè)距技術(shù)的研究，主要成員包括了：NXP、蘋果、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(biāo)準(zhǔn)的工程師團(tuán)隊(duì)的一員。

??UWB Alliance（UWB聯(lián)盟）：致力于提供有力的監(jiān)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(dǎo)不斷擴(kuò)大的無(wú)線多元宇宙的共存，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(zhàn)略提供思想領(lǐng)導(dǎo)。旨在促進(jìn)垂直行業(yè)展示 UWB 對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 的價(jià)值，構(gòu)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(tǒng)。（核心成員包括：博世、Qorvo、KIA、Ubisense、小米等。）

??FiRa Consortium（FiRa聯(lián)盟）：FiRa 名稱代表“fine ranging”，發(fā)音為“fee-rah”，凸顯了 UWB 技術(shù)在測(cè)量目標(biāo)距離或確定位置時(shí)提供前所未有的準(zhǔn)確性和安全性的獨(dú)特能力。愿景是通過(guò)為人員和設(shè)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(tǒng)和互操作性挑戰(zhàn)的方法，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)的共同成功。（核心成員包括：蘋果、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(xù)且靈活的生態(tài)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)化車輛和智能手機(jī)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，為所有車輛和移動(dòng)設(shè)備提供一致的用戶體驗(yàn)。代表全球大多數(shù)汽車和智能手機(jī)行業(yè)，使命是將所有相關(guān)行業(yè)聚集在一起，為未來(lái)車輛到智能手機(jī)連接的解決方案制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。CCC 促進(jìn)汽車信息、通信和娛樂(lè)系統(tǒng)集成操作中移動(dòng)設(shè)備、服務(wù)和應(yīng)用程序的連接。移動(dòng)設(shè)備 OEM 和車輛 OEM 之間的協(xié)調(diào)，打造易于使用、方便、安全和隱私保護(hù)以及廣泛功能的產(chǎn)品。（核心成員包括：蘋果、小米、寶馬、福特、通用、谷歌、NXP、奔馳、大眾、三星等。）

??PROFIBUS & PROFINET International（PI國(guó)際）：omlox是PI國(guó)際推出的全球首個(gè)工業(yè)級(jí)開(kāi)放式定位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備可以位于一個(gè)定位區(qū)域中，并且可以整體映射互補(bǔ)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、西門子等。）

國(guó)內(nèi)的UWB相關(guān)組織主要是車機(jī)互聯(lián)方向：

??智慧車聯(lián)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟（ICCE）：著力于匯聚產(chǎn)業(yè)各方力量，聯(lián)合開(kāi)展移動(dòng)終端和汽車互聯(lián)與協(xié)作相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景、需求、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的研究及應(yīng)用推廣， 推進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用研發(fā)相結(jié)合，形成良好的合作氛圍及協(xié)作機(jī)制，廣泛開(kāi)展與國(guó)內(nèi)外廠商的交流合作，致力于建設(shè)全球化的合作平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)共贏。主要關(guān)注方向包括但不限于汽車數(shù)據(jù)、數(shù)字車鑰匙、移動(dòng)智能終端-車互聯(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)路線由成立后的工作組共同商議決定。（核心成員包括：中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)、華為、信通院、比亞迪、東風(fēng)、長(zhǎng)城、廣汽、吉利、上汽等。）

??智慧車聯(lián)開(kāi)放聯(lián)盟（ICCOA）：以小米、OPPO、vivo三家手機(jī)廠商為發(fā)起單位，聯(lián)合國(guó)內(nèi)主流車企和行業(yè)相關(guān)Tier 1，立足于手機(jī)-汽車互聯(lián)互通創(chuàng)新發(fā)展。以匯聚智能車機(jī)產(chǎn)業(yè)力量、共建智慧車聯(lián)開(kāi)放與協(xié)作生態(tài)為使命，通過(guò)開(kāi)展智能終端與汽車互聯(lián)協(xié)作的相關(guān)場(chǎng)景、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的研究及應(yīng)用推廣，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與汽車、科技與數(shù)據(jù)、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)終端和汽車之間的互聯(lián)互通和用戶體驗(yàn)的提升。（核心成員包括：小米、OPPO、vivo、長(zhǎng)安、吉利、上汽。）

??互聯(lián)網(wǎng)金融身份認(rèn)證聯(lián)盟（IIFAA）：聯(lián)盟發(fā)展與行業(yè)趨勢(shì)日趨融合，逐漸形成了“專注可信數(shù)字身份建設(shè)，連接數(shù)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(shù)字身份下的技術(shù)創(chuàng)新、場(chǎng)景變革以及商業(yè)機(jī)遇，賦能用戶安全暢行數(shù)字世界。目前正在大力推動(dòng)聲紋識(shí)別應(yīng)用，智慧出行場(chǎng)景中的數(shù)字車鑰匙應(yīng)用，人臉識(shí)別在遠(yuǎn)程開(kāi)戶、自助通關(guān)等場(chǎng)景中的應(yīng)用相關(guān)的多項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)制定，通過(guò)聯(lián)盟共創(chuàng)，彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的空白點(diǎn)，為行業(yè)應(yīng)用提供安全指標(biāo)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(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)提案。聯(lián)盟成員最多時(shí)超過(guò)50家，都是消費(fèi)電子、個(gè)人計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、數(shù)字影像等領(lǐng)域的重要廠商。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(biāo)準(zhǔn)的研究制定，WiMedia致力于高速UWB高層標(biāo)準(zhǔn)的研究制定。后由于IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)未果，與MBOA合并。2009年，WiMedia 將所有規(guī)范轉(zhuǎn)移給藍(lán)牙特別興趣小組（SIG）、無(wú)線 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(yùn)營(yíng)。

UWB功能與應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)UWB的特性，其基礎(chǔ)功能分為：數(shù)據(jù)傳輸、雷達(dá)成像、測(cè)距定位。??在數(shù)據(jù)傳輸方面，業(yè)內(nèi)曾對(duì)UWB用于短距離無(wú)線傳輸寄予厚望。但是2009年同時(shí)作為競(jìng)爭(zhēng)者的 Wi-Fi 技術(shù)發(fā)展迅猛，迅速搶占了短距離無(wú)線傳輸市場(chǎng)，UWB 最終退出了無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）傳輸這個(gè)舞臺(tái)。業(yè)內(nèi)也曾有許多UWB用于可穿戴設(shè)備通信的研究。但是2013年低功耗藍(lán)牙（BLE）成為了可穿戴設(shè)備的主流連接技術(shù)。因?yàn)楝F(xiàn)階段的可穿戴設(shè)備與智能手機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，UWB的優(yōu)勢(shì)在實(shí)際應(yīng)用中較難體現(xiàn)。

??在雷達(dá)成像方面，UWB雷達(dá)一直是戰(zhàn)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(dá)可以在無(wú)需導(dǎo)體或傳感器接觸生命體的情況下，實(shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離檢測(cè)生命體呼吸及心臟跳動(dòng)等信息。UWB雷達(dá)利用無(wú)線信號(hào)的多普勒效應(yīng)，檢測(cè)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(yùn)動(dòng)或者活體呼吸。UWB雷達(dá)在車身域可作為活體雷達(dá)和踢腳雷達(dá)，可有效提升車輛安全性和便利性。

??在測(cè)距定位方面，UWB憑借其厘米級(jí)的測(cè)距定位能力被市場(chǎng)重新發(fā)現(xiàn)了價(jià)值，這與人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)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(jiān)控，從汽車數(shù)字鑰匙，到自主代客泊車（AVP，Automated Valet Parking）。目前各大手機(jī)廠商和主機(jī)廠以及產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的企業(yè)，都在瞄準(zhǔn)UWB測(cè)距定位方面的應(yīng)用去做相應(yīng)的創(chuàng)新。

基于以上提及的UWB基礎(chǔ)功能，我們大致可把UWB應(yīng)用領(lǐng)域劃分為消費(fèi)電子、智能汽車、工業(yè)應(yīng)用三大類：