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UWB
UWB（超寬帶，Ultra-Wideband）是一種短距離無線通信技術，它提供比當前使用的其他定位技術更精確的讀數，使用飛行時間（ToF）和到達角（AoA）計算，UWB可以實時地確定+/-10厘米范圍內的位置。其主要優(yōu)點包括：低延遲、高可靠性、高刷新率下具有高精度和可擴展性，即使在嚴苛環(huán)境下也是如此。
建立在IEEE 802.15.4a/z標準之上的UWB技術，在寬頻譜上工作，允許在低功率下快速傳輸數據。因此，UWB可提供高度準確和精確的位置和精細測距測量，同時還支持高級別的安全性，以保護訪問證書和數據通信。
在商業(yè)上，UWB有著廣闊的應用前景。2019年，蘋果宣布在iPhone 11中采用了其新出的U1芯片，從這款芯片開始，UWB全面開啟了在消費電子產品的應用之旅。隨后，UWB進入了其他一些關鍵技術領域。在工業(yè)4.0時代，UWB是實時定位系統(tǒng)（RTLS）領域中發(fā)展超級快的技術之一，其可靠性和抗干擾能力使其成為工業(yè)環(huán)境下無線通信的不二選擇。在汽車應用領域，UWB確保了對汽車的安全訪問權限。
UWB技術概況
誕生于20世紀60年代的UWB，初始時僅用于軍事用途，它可以精確跟蹤10厘米以內的物體，覆蓋范圍在10-200米，抗干擾能力強。與其他無線數據傳輸方式截然不同，UWB是一種基于脈沖圖形無線電的技術，在時域中發(fā)送數據，頻率范圍從3.1到10.6 GHz。
當然，脈沖方法傳輸數據就需要占用更多的頻譜才能可靠地工作，這也是將其命名為超寬帶的原因。因頻譜較寬，脈沖數據可以非?？焖俚匕l(fā)送，而不會失去準確性。UWB單個頻帶通常為500MHz，而4G LTE頻帶僅為5至20MHz，Wi-Fi頻帶為20MHz至80MHz。通常，UWB可以達到4Mbps到675Mbps或更高的數據速率，這遠比NFC的424Kbps和藍牙的標準2.1Mbps速度快得多，但低于Wi-Fi 6的2Gbps。
不會干擾同時工作的其他無線設備（如Wi-Fi或藍牙設備）是UWB的另一特點。為了避免相互干擾，大多數無線技術通常都會被限制在非常窄的頻帶內。UWB的工作電平非常低，基本上落在其他無線技術的基底噪聲內，有效規(guī)避了相互干擾問題。
歸納起來，UWB代表的“超寬帶”，是一個頻譜很寬，很容易檢測，但功率足夠低，不會干擾其他信號，能夠實現極其精確位置跟蹤的短程無線通信技術。支持UWB的設備可以以驚人的速度在短距離內發(fā)送和接收數據。大多數情況下，這些“基于脈沖的”無線電波用于通過精確計時無線脈沖在兩個不同設備之間傳播所需的時間來測量位置。
進軍安全測距和定位領域
如前所述，UWB并不是一項新技術，它開始時被定位為一種與Wi-Fi類似的數據傳輸技術，但由于各種原因，包括功率限制，在商業(yè)用途上一直沒有取得成功。當該技術重新定位，主要朝著基于脈沖無線電、基于IEEE 802.15.4a標準的安全測距和定位技術發(fā)展之后，為UWB賦予了安全、可靠、厘米級精確距離和位置測量的能力。UWB的主要吸引力在于其極高的位置和方向精度，可以精確定位物體的位置，誤差僅有幾個厘米，大大高于藍牙、GPS和其他跟蹤方法。這一應用已經在Apple AirTag和Samsung Galaxy SmartTag Plus等聯(lián)網跟蹤設備中有了具體展現。
在汽車行業(yè)，寶馬、奧迪、福特和現代等制造商均表示，配備UWB的設備有朝一日可能會成為一把安全的汽車數字鑰匙。雖然目前已經存在各種形式的無鑰匙進入技術，但UWB的采用將使車輛能夠在幾厘米內實時測量遙控鑰匙的確切位置，與其他無線標準相比，UWB極大地提高了車輛的安全性。未來，你可以用支持UWB的設備（比如智能手機）或使用其數字鑰匙平臺的可穿戴設備解鎖車輛，不必隨身攜帶單獨的遙控鑰匙。
隨著UWB技術向大規(guī)模商用過渡，企業(yè)深知UWB技術的成功必須基于可互操作、通用和互聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)。成立于2019年8月的FiRa（Fine Ranging）聯(lián)盟是一個非營利協(xié)會，支持在接入控制、基于位置的服務和設備到設備服務等用例中使用UWB技術，旨在全面發(fā)展UWB生態(tài)系統(tǒng)，以便精細測距功能的新用例能夠成功。該聯(lián)盟目前擁有100多名成員，其中包括半導體、手機、工業(yè)、物聯(lián)網和汽車等行業(yè)的領導者，如NXP、Samsung 、小米、Oppo、Bosch、思科、Sony、HID、現代汽車等。
有了NFC和藍牙，為何還要UWB？
如果說我們討論的超寬帶應用聽起來很熟悉，那是因為其中許多已經使用了NFC和藍牙技術。這就引出了一個問題，既然已經有了NFC和藍牙，為什么我們還要考慮另一種無線技術呢？什么時候UWB才是優(yōu)選？
在設計室內定位系統(tǒng)時，工程師們先想到或者常使用的技術往往都會是Wi-Fi和藍牙低能耗（BLE）。這些技術對數據通信非常有用，但它們都不是為實時定位服務（RTLS）而發(fā)明的。另外，Wi-Fi、藍牙和其他窄帶無線電系統(tǒng)可以達到數米的精度，加之室內大量電子設備之間相互的電磁干擾，很難實時準確地檢測到它們的位置。因此，這些技術并不能滿足所有室內實時定位需求。
那么，什么時候UWB才是首推選擇呢？
當高速數據傳輸、高精度的快速位置檢測和/或低干擾風險是關鍵要求時，就是UWB的主場了。與窄帶無線技術相比，寬帶意味著UWB即使在擁擠的多徑信號環(huán)境中也能提供穩(wěn)定的連接，幾乎沒有干擾還能精確定位。因此，UWB提供了比藍牙和NFC更高的定位精度。NFC工作頻率為13.56MHz，大多數情況下要求數據傳輸的物理距離必須非常近。UWB的傳輸距離介于藍牙和NFC之間，應用更加靈活。還有，UWB在需要額外安全性的場景中也能很好地工作，例如無線車輛接入。當然，并不是說UWB可以直接取代市場上已經存在的其他無線技術。相反，UWB與BLE技術的結合更能惠及智能家居、汽車、消費類和工業(yè)等應用。對于不同的用例來說，UWB給了我們一個更好、更通用的選擇。
要說UWB有什么缺點，從技術角度看，該技術的特殊之處就在于它并沒有太多缺點，它節(jié)能、通用、經濟高效，幾乎不受外來攻擊和干擾。但從應用角度看，性價比不高確實是UWB目前主要的短板。NFC和藍牙解決方案都很便宜，尤其是對于低功率信標或無源NFC標簽。兩相比較，UWB不僅價格高，并且還需要工作在有源條件下。
UWB的應用前景
盡管UWB每年都被集成到更多的智能手機中，但人們手中的大多數設備仍然沒有配備傳輸或接收UWB信號的設備，這嚴重阻礙了這項技術在消費者世界的潛力。雖有Apple AirTag和三星Galaxy SmartTag Plus 等設備的加持，目前UWB的采用率仍然不高。在商業(yè)應用領域，UWB的普及率遠遠不及藍牙、NFC和Wi-Fi，但UWB擁有的獨特技術優(yōu)勢仍讓人們看到它在未來的應用潛力。
01、汽車安全無鑰匙進入（汽車數字鑰匙）
雖然這項技術尚未被整個汽車行業(yè)采用，但它的使用量每年都在增加。寶馬在其一些較新的車型如iX中已經使用UWB進行無鑰匙進入。將超寬帶用于數字鑰匙的核心優(yōu)勢之一是UWB可以有效防止外部攻擊。
02、自動駕駛中的實時信息傳遞
UWB每秒可以發(fā)射10億個脈沖，測距精度能精確到幾厘米以內。自動駕駛汽車恰恰需要這種可靠且響應速度超快的傳感器，以確保車輛的駕駛安全。還有什么比UWB更合適的技術能夠幫助無人駕駛汽車“看到”周圍的物體呢？不過，目前UWB尚未在自動駕駛汽車中得到充分利用。未來，預計UWB有望在聯(lián)網車輛中被用作提供準確、實時信息的無線通信技術。
03、資產跟蹤
在智能手機中，蘋果和三星已經利用UWB技術分別讓他們的智能手機通過AirTag和Galaxy Smart Tag+設備實現室內跟蹤。其中，AirTag無線追蹤器是BLE與UWB兩項技術的結合，借助UWB技術，用戶可以在手機上看到 AirTag 離得有多遠，該往哪個方向尋找。在工業(yè)領域，我們可以用UWB技術來跟蹤工廠中數量龐大的、昂貴的工具、零件和設備，確保不會丟失任何有價值的物品。
04、智能家居設備的定位及自動控
在智能家居行業(yè)UWB的應用潛力巨大。極其簡單的應用可以是，通過向智能家居系統(tǒng)中的智能音箱發(fā)送指令尋找不知忘在家中某個角落的智能手機。又或者借助UWB使得智能家居變得更智能，例如用帶有UWB的智能手機控制家居設備、當主人離家門較近時通過對UWB數字門鎖進行編程使其自動解鎖等。
05、體育運動中的實時跟蹤
在運動項目中，UWB可以被用來跟蹤場上球員的位置，以利于技術統(tǒng)計和裁判。甚至，UWB天線被放置在足球內部，并以每秒大約2000次的速度更新足球的位置，這些應用不僅幫助裁判做出準確判罰，還能讓現場解說人員提出更具前瞻性的見解。當然，這些應用可能屬于錦上添花，并不如消費和工業(yè)應用那樣看起來更具商業(yè)價值。
UWB發(fā)展現狀及行業(yè)展望
2019年9月，蘋果宣布將在iPhone 11中引入專門設計的U1 UWB收發(fā)器。很快，這樣的創(chuàng)新激勵了三星和小米等其他智能手機制造商對UWB的研發(fā)及應用。Qorvo和STMicroelectronics等半導體廠商迅速捕捉到這一商機，他們通過收購DecaWave和BeSpoon快速進入UWB市場。
在消費電子市場，蘋果公司帶有UWB收發(fā)器的U1芯片已經嵌入到iPhone、AppleWatch、iPad和AirTag等設備中。利用UWB的高速傳輸能力，大幅提高了“隔空投送”功能的傳輸速度。此外，蘋果還向應用程序開發(fā)人員開放了U1接口，并將其同步到IEEE802.15.4z標準。通過訪問Apple’s Nearby Interaction 協(xié)議和API，開發(fā)者將能夠利用UWB的空間感知來構建應用程序，這些應用程序只需靠近配備U1的iPhone或Apple Watch即可與配件通信。目前，U1芯片可與Qorvo和NXP的UWB收發(fā)器兼容。
NXP是第一家提供系統(tǒng)級UWB解決方案的公司，NXP Trimension產品組合中的公測版UWB開發(fā)工具，與Apple產品中的U1芯片兼容，支持開發(fā)用于iPhone和Apple Watch的新超寬帶應用。這個開發(fā)工具基于Trimention SR150和SR040，這是一個專門的UWB物聯(lián)網解決方案組合，依據FiRa Consortium規(guī)范，所有PHY/MAC操作都在UWB IC內處理，開發(fā)人員可快速將解決方案推向市場。
Qorvo是射頻解決方案的優(yōu)秀提供商，該公司于2021年6月宣布其DW3000系列產品與蘋果公司的iPhone和Apple Watch中使用的U1芯片達成互操作性。這種兼容性將使開發(fā)人員能夠根據與配備U1的iPhone或Apple Watch的位置、距離和方向輕松評估新的應用體驗。DW3000是Qorvo的下一代超寬帶（UWB）芯片組系列，有四個UWB芯片組系列DW3110、DW3120、DW3210、DW3220，針對低功耗電池操作應用進行了優(yōu)化。通過UWB信道5（6.5 GHz）和信道9（8 GHz），支持數據速率高達6.8 Mbps，同時提供精確定位，測距精度在10厘米以內，角度測量精度在+/-5度以內。
圖2：Qorvo下一代超寬帶芯片組DW3000（圖源：Mouser）
在汽車行業(yè)，傳統(tǒng)的遙控鑰匙允許用戶鎖定和解鎖汽車、打開車窗或啟動發(fā)動機?，F在，這些功能可全部由數字鑰匙（Digital Key）提供。除此之外，符合汽車互聯(lián)互通聯(lián)盟（CCC）規(guī)范的數字鑰匙還可以擴展額外的舒適功能，實現對汽車訪問權限的完全控制。例如，無論物理距離如何，CCC數字鑰匙允許用戶在家人和朋友之間共享訪問權限，這個訪問權限可以在瞬間和任何時間內傳輸。隨著CCC數字鑰匙3.0版規(guī)范的面世，智能手機變成全數字汽車鑰匙的標準已經確定。Digital Key 3.0版本基于UWB獨特的定位功能，提供真正的無鑰匙汽車接入，它不僅提供了與傳統(tǒng)的基于遙控鑰匙的解決方案相同的舒適性和安全性，而且在操作上無需與智能手機進行交互，這意味著用戶不必從口袋里掏出手機就可以打開應用，從而實現真正的免提訪問。
2023年3月，三星推出的配備UWB功能的Exynos Connect U100芯片，經過優(yōu)化，可在汽車、移動和物聯(lián)網設備之間實現安全測距和精確感測。三星U100芯片將閃存、射頻、基帶和電源管理技術集成在一個芯片上，非常適用于緊湊型設備，如Galaxy SmartTag+。該芯片還具有板載加擾時間戳序列（STS）功能，這是一種物理加密技術，允許對數據包的時間戳進行設備級加密。三星Exynos Connect U100已獲得FiRa聯(lián)盟的認證，同時符合CCC數字鑰匙3.0規(guī)范。
NXP NCJ29D5是NXP新一代UWB IC系列的第一款產品，專用于滿足汽車的連接和功能安全需求。它實現了多個引人注目的新用例，包括：UWB IC使汽車能夠知道用戶的確切位置；當你靠近時，汽車上的超寬帶門鎖會自動解鎖，提供安全的免提開啟功能；當用戶將手機放在口袋或包中，同樣能夠打開和啟動汽車，并通過智能手機享受安全的遠程泊車服務。此外，ToF計算使得UWB不易受到基于信號放大的中繼攻擊，因此這款UWB IC可以很大限度地避免了盜車風險。
圖4：NXP NCJ29D5評估板（圖源：NXP）
在面向物聯(lián)網標簽的安全超寬帶解決方案中，NXP Trimension SR150和SR040是首個取得FiRa認證的UWB芯片集。2021年10月，FiRa聯(lián)盟宣布了新的認證計劃，Trimension SR150和SR040是第一個獲得PHY/MAC一致性和互操作性基礎（Base）認證的芯片組。FiRa認證意味著NXP超寬帶芯片組已經過獨立授權測試實驗室的驗證，符合新版本的IEEE UWB標準802.15.4z。其中，Trimension SR040支持低功耗操作，減少了對外部組件的需求，專為紐扣電池供電的物聯(lián)網設備而設計，如UWB跟蹤器和標簽。內置的NXP FiRa MAC支持互操作性，加快了產品上市速度。Trimension SR040還可以與BLE或其他連接控制器集成在一個設備中，以利于開發(fā)出更多的物聯(lián)網應用。Trimension SR150主要增加了到達角（AoA）技術，提高了精確度，非常適合各種大型基礎設施的UWB應用，如門禁裝置、室內本地化設置和支付方案，以及消費品如電視和游戲機等。另外，多個采用SR150的設備可放置在同一個房間作為超寬帶錨，以幫助定位在房間內移動的人和物體。
圖5：第一個獲得FiRa聯(lián)盟PHY/MAC一致性和互操作性基礎認證的SR040芯片（圖源：NXP）
UWB技術出現在商業(yè)市場上已經有幾年的時間，不過，它的應用遠未達到Wi-Fi或藍牙那么普遍，目前只在市場上一些較昂貴的設備上能夠見到它的身影。究其原因，我們發(fā)現，盡管UWB每年都被集成到更多的智能手機中，但人們手中的大多數設備仍然沒有配備傳輸或接收UWB信號的設備，嚴重阻礙了這項技術在消費行業(yè)的發(fā)展速度。隨著UWB技術逐步進入車輛和跟蹤市場，預計這種情況很快就會發(fā)生變化。市場咨詢公司Statista的數據表明，2022年，基于UWB技術的全球乘用車接入控制市場規(guī)模約為5,650萬美元，成為整個市場中主要的細分市場。預計該市場將在未來幾年增長，到2031年將達到2.304億美元。
當前，UWB市場正面臨來自藍牙、GPS和Wi-Fi等替代產品的激烈競爭。雖然UWB在許多方面優(yōu)于藍牙和Wi-Fi，如高安全性、低功耗、高帶寬、雙向通信等，使其在許多應用中都能獲得好評，然而，UWB因行業(yè)使用量不高導致它的產品價格較高，市場推廣仍然艱難。
結語
超寬帶是一種無線技術，能夠提供比其他無線技術更準確的實時跟蹤和定位能力。內置超寬帶芯片的智能手機可以找到帶有UWB標簽的錢包、鑰匙和其他個人物品。
著名的分析機構Mordor Intelligence的預測顯示，UWB市場規(guī)模預計將從2023年的15.5億美元增長到2028年的34.5億美元，復合年增長率為17.37%。智能手機等消費電子設備的日益普及和滲透推動了該市場的增長。此外，由于UWB技術比Wi-Fi和RFID的測距和定位精度更高，工業(yè)物聯(lián)網（IIoT）中對RTLS有需求的應用已經開始從Wi-Fi和RFID轉向UWB技術，以提高效率、縮短交付周期并降低成本，這也是UWB市場增長的一個重要原因。
智能手機被認為是出貨量極大的消費類產品，盡管并非所有智能手機都具有UWB技術，但自2019年9月iPhone 11問世以來，包括谷歌、三星和小米在內的許多公司都發(fā)布了采用UWB技術的產品。在物聯(lián)網中，AirTag、AirPod和智能家居市場中的設備都被考慮在內。
這些只是已經出現的用例，考慮到無線智能設備的普遍性，UWB的優(yōu)勢又如此明顯，預計在未來幾年我們將聽到更多關于UWB技術廣泛應用的消息。
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