UWB：超宽带空间感知新秀

邱元阳

编者按：当社会生活从互联网时代迈向物联网时代时，位置信息的重要性更加显而易见。同时，基于位置的定位技术在物联网中的作用也成为重中之重。互联网下的定位技术，主要是室外定位，依靠天上的卫星和地面的通信基站实现准确定位。而物联网下的定位技术，还要涉及室内的高精度定位，这就不是传统的GPS等定位技术所擅长的了。在室内定位和空间感知技术中，UWB技术作为后起之秀，正越来越受到关注。本次专题，我们分两期来讨论UWB的技术原理和应用领域。

2020年10月，小米正式发布了一项名为“一指连”的新一代连接技术。基于“一指连”技术的手机和智能设备将具备空间感知能力，犹如“室内GPS”，具有“一指操控”和“一指投送”两大创新功能。当手机指向智能设备，操控界面自动弹出，能够直接进行操控，极为便捷。

小米的这项新一代连接技术，就是基于UWB的空间定位技术，具备抗干扰能力强、传输速率高、功率小、精度高的特点，可用于室内高精定位、物联网设备交互、文件传输等应用场景。此前，苹果在发布iPhone11的时候，也搭载了支持UWB技术的U1芯片，以显著提升苹果手机的空间感知能力的快速文件分享。

那么，UWB技術究竟是什么？有何独到之处呢？

● 何方神圣——室内定位出新秀

在介绍UWB技术之前，我们先看看主流的室内定位技术有哪些。

1.射频识别定位技术

利用射频方式产生电磁场，物品上的RF标签在经过磁场时生成感应电流，以达到三角定位的目的。

射频识别作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级精度的定位信息。由于电磁场具有非视距优点，传输范围大，标签体积小，造价比较低，在仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上。缺点是不具备通信能力，抗干扰较差，整合难度大。

2.Wi-Fi定位技术

Wi-Fi室内定位的实现方法有两种：一是通过移动设备和三个无线AP的信号强度，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆进行三角定位;二是事先记录大量的位置点信号强度形成数据库，对比新加入设备的信号强度来确定位置。

Wi-Fi定位可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，总精度比较高，但是用于室内定位的精度只能达到2米左右，无法做到精准定位。由于无线路由器和移动终端比较普及，这种定位方式可以与其他客户共享网络，硬件成本很低，并且降低了射频干扰，适用于对人或车的定位导航，在医疗机构、主题公园、工厂、商场等场合使用。

3.地磁定位技术

地球的磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，是比较稳定的静磁场。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，相对比较微弱。由于现代化建筑都采用的是钢筋混凝土结构，会在小范围内对地磁产生干扰，非均匀的磁场环境便会因其路径不同产生不同的磁场观测结果。IndoorAtlas就是根据这一原理，利用地磁在室内的这种变化来进行室内定位和导航，精度可以达到0.1～2m。

用这种技术进行定位需要先将室内楼层平面图上传到IndoorAtlas的地图云中，再实地记录目标地点不同方位的地磁场并上传至云端，这样就能利用已记录过的地磁信息进行精确室内导航。但地磁信号容易受到环境中不断变化的电、磁信号源干扰，定位结果不稳定。

4.蓝牙定位技术

基于BLE（Bluetooth Low Energy）的定位技术，能够在短距离内实现低功耗无线传输和室内定位实时追踪。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后，将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个网络的主设备。蓝牙接收端距离发射端的距离越近，信号强度越强，反之信号强度越弱，根据信号强度与距离的关系，通过信号强度的变化就能达到定位目的。

蓝牙受周围环境干扰小，定位误差小，成本低，便于集成，但在前期基站建设时需要大面积铺设蓝牙设备。

可以看出，这些室内定位技术都各有一些缺点。于是，UWB闪亮登场。

5.UWB定位技术

UWB是超宽带（Ultra Wide Band）技术的英文缩写，它是一项与传统通信技术有极大差异的无线通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6GHz量级的带宽，在无线室内定位领域具有良好的前景。

UWB传输速率高，发射功率低，穿透能力强，抗干扰效果好，并且是基于极窄脉冲的无载波无线技术。这些优点使它在室内定位中可得到精确的结果，精度达到0.1～0.5m，可用于战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。

● 技术剖析——优点缺点看原理

UWB技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，利用频谱极宽的超短脉冲进行通信，又称为基带通信、无载波通信，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。UWB技术是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，只在需要时发送出脉冲电波，大大减少了能耗（如图1）。由于这种脉冲电波的宽度控制在1ns以下，需要占用很宽的频带，因而实现几百兆到1Gbps以上速率的通信成为可能。

1.系统实现

在发射端，UWB发射器直接用脉冲激励天线，可采用非常低廉的宽带发射器。在接收端，UWB接收机不需要中频处理，因此UWB系统结构的实现比较简单（如图2）。在工程实现上，UWB也比其他无线技术要简单得多，只需以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，大大减小系统的复杂性，降低设备成本。

FCC（美国联邦通信委员会）为UWB分配了3.1～10.6GHz共7.5GHz频带（如下页图3），还对其辐射功率做出了更为严格的限制，将其限定在-41.3dBm频带内。

2.数据传输

从图中可以看出，UWB技术通过超大带宽和低发射功率，实现了低功耗水平上的快速数据传输。

UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现有比较拥挤的频率资源，而是共享其他无线技术的频带。UWB信号的传输范围在10m以内，传输速率可达500Mbps，是实现个人通信和无线局域网的理想调制技术。

3.精确定位

由于UWB脉冲的时间宽度极短，因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。目前常用的UWB测距方法有三种：①TOF（Time of flight），通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来实现测距;②TDOA（Time Difference of Arrival），利用UWB信号由标签到达各个基站的时间差来进行定位;③PDOA（Phase Difference Of Arrival），利用到达角相位来测量基站与标签之间的方位关系。以TDOA测距定位算法为例，根据信号到达的时间差，通过双曲线交叉实现定位，其定位系统包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再进行测距定位计算分析。

由于冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信功能合一。UWB具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，其定位精度可达厘米级。

4.安全低耗

UWB的信號能量分散在极宽的频带范围内，其功率谱密度甚至低于自然的电子噪声，有用信息完全淹没在噪声中，在采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，被截获的概率和被检测的概率都很低，具有很好的安全性能。UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间在0.2～1.5ns之间，占空因数很低，因此系统功耗很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。

UWB技术是一种新颖的无线通信方式，它传输速率高、抗多径能力强、穿透能力强、功耗低、成本低、截获概率低、系统复杂度低，能与其他无线通信系统共享频谱，作为短距离超宽带无线数据传输方式受到人们的普遍关注，已经成为无线个域网（WPAN）的首选技术。UWB具有传统无线通信系统无法比拟的技术特点。

● 孰优孰劣——定位技术大比拼

不同的技术发展阶段产生了不同的室内定位技术，如蓝牙、RFID、Wi-Fi、UWB、超声波等，这些技术各有特点，各自适合不同的应用领域。但是从基本的定位需求来看，还是可以进行一番比较的。

1.数据传输能力

比较室内定位的几种技术途径，在Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、UWB中，速度最慢的是ZigBee和蓝牙，传输距离最短的是UWB和蓝牙（如图4）。Wi-Fi在802.11g规范下的速度是54Mbps，而在802.11n下已达到300Mbps，802.11ac（Wi-Fi 5）能达到1Gbps，802.11ax（Wi-Fi 6）及802.11ay甚至能达到10G bps以上。

需要注意的是，UWB在较老的802.15.3a规范下最高速度是110Mbps，而802.15.4a规范的UWB传输速度则能达到几百Mbps，传输距离能达到300m。

无线通信的频率越高或波长越短，可传输的数据越多，但可接收信号的范围就越小。以Wi-Fi为例，802.11n采用2.4GHz的频率，传输距离为100～300m，802.11ac采用5GHz的频率，覆盖范围只有几十米，而采用60GHz频度的802.11ad，覆盖范围也就一个客厅那么大，出门就没信号了。为解决这个问题，很多Wi-Fi路由器都做成双频或三频的，甚至能自动切换，近距离时用5GHz来提高传输速度，远了就切换成2.4GHz来保持信号稳定。

2.定位精度

2019年，由HID Global、恩智浦、三星、博世、索尼、LitePoint和TTA等公司组建了FiRa联盟，旨在利用超宽带（UWB）技术推动用户无缝体验。FiRa的名称Fine Ranging代表“精确测距”，突出了UWB技术在测量距离或确定目标相对位置时提供的前所未有的精确度的独特能力。UWB具有高精度优势的原因有以下几个：

（1）抗多径能力强。带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力，UWB的带宽很宽，多径分辨能力强，能够分辨并剔除大部分多径干扰信号的影响，得到精度很高的定位结果，在距离分辨能力上高于其他传统系统，复杂环境下其精度甚至可以达到Wi-Fi、蓝牙等传统系统的百倍以上。

（2）时间戳精度高。超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级，在采用高精度定时来进行定位时，引入的误差通常小于几厘米。

（3）电磁兼容性强。UWB的发射功率低，信号带宽大，能够很好地隐蔽在其他类型信号和环境噪声之中，传统的接收机无法识别和解调，不会与其他通信业务互相干扰。

（4）能效较高。UWB具有500MHz以上的射频带宽，能够提供极大的扩频增益，使得UWB通信系统能效较高，在长距离应用中，不需要额外的功率放大器即可达到200m的距离，同时实现6.8Mbps的空中速率，有助于提高定位精度。

下表是UWB与Wi-Fi、蓝牙等室内定位技术在定位精度和距离范围方面的比较。可以看出，几种室内定位技术相比，UWB的定位精度是最高的，并且覆盖范围也较大。

3.安全性能

UWB目前最新的协议标准是802.15.4，但却有两个版本，分别是802.15.4a和802.15.4z，4z版本的标准由NXP主导研发，与4a版本最大的区别就在于加密。UWB有一个重要的物理特性可以用于加密和身份认证，而且不可能被破解，这个特性就是无线电的光速飞行时间，而光速是不可能被超越的。这样，UWB就可以提供一个精确的、无法伪造的“在场”证明。

有了通信和定位的基本功能，以及不可破解的加密方式的加持，对移动支付和一些安全系数要求较高的应用来说，就是最佳方案了。而且，UWB的成本也较低，如果应用到手机、汽车等智能产品上，其应用体验将会带来质的飞跃。

● 应用展望——云里雾里话迷茫

UWB作为一种无线通信技术，其应用主要有两种：一是测距，一是定位。

UWB还可以识别个人朝向或远离安全入口，同时可验证安全凭证，并让授权个人通过入口而无需刷卡。这使得UWB技术能够在智慧门禁、汽车无锁化启动以及系统识别认证等方面得到很好的应用。近年来，苹果、小米、大众、特斯拉、Qorvo等众多巨头厂商也在积极尝试通过UWB技术实现在手机、汽车、智能家居等领域的应用。

在FiRa联盟的推动下，通过制订标准和认证，主导厂商正努力建立跨芯片组、设备和基础设施服务的互操作UWB生态系统，使精准测距功能可以蓬勃发展，最终为无缝用户体验树立新标准。

2019年，中国移动、华为、高通、百度等120余家单位联合成立了精准定位联盟，旨在联合产业界打造“5G+位置”行业生态，服务于垂直行业应用落地。

根据市场调研机构Techno Systems Research的报告，预计2027年全球UWB市场出货量将超过22亿颗。其中，智能手机将会是出货量最大的部分，紧随其后的是汽车、智能家居、可穿戴设备、消费电子标签，及实时定位系统。

然而用户的感觉却是雷声大雨点小。小米在推出“一指连”后，也没能给用户的震撼感受推波助澜，荡起的涟漪渐渐平复。就连首开手机中使用UWB先河的苹果，也没有给用户带来持续的惊喜，反而让人误以为UWB也是用于手机的一种通信技术，而且相关的配套设备和应用还比较麻烦。

另外，众多投资机构一波一波带着憧憬的UWB调研和投资，也没有明显的效果和回报。UWB应用的最后一公里，似乎还没有打通。各大公司对UWB的预期也各不相同，在UWB应用遭遇瓶颈时，市场也走向扑朔迷离。

如果UWB的地面系统能够完善，所有的问题也许就会迎刃而解。当UWB从商场到小区、从学校到政府、从城市到区域都开始布设并提供服务，逐渐实现全国乃至全球联网时，这个愿景下的UWB哪怕只是回归它的测距和定位的基本功能，室内厘米级精度的三维位置信息也会让它大放异彩。

● 结束语

我们正在加速走向万物互联时代，IoT除了5G、Wi-Fi、蓝牙推动之外，未来UWB也是一个很好的推动选择。这些短距离通信技术都有很大的发展空间和市场机会，都可以利用自身的优势，与细分物联网场景紧密结合，共同推动信息化时代的发展。

在自动化和智能化生产、生活中，智能设备可以感应到各种外界信息，但却往往无法准确地确定自己的位置信息，从而脱离人的控制进行基于位置的自动化精细作业。當通信和位置信息相结合，在军事需求和商业市场的推动下，UWB技术将会进一步发展和成熟起来。

因为UWB具有独特的技术优势，所以它改变人们的连接方式，成为下一代改变游戏规则的无线通信技术也有可能。即使不会全面爆发，至少，它也可能会成为物联网时代的下一个风口。