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      2. “一指連”UWB到底是什么技術?

        2020-10-19 13:46:23 來源:鮮棗課堂
        近日,小米高管曾學忠通過微博,正式發布了“一指連”UWB技術,引起全網的廣泛關注。
         

         
        根據介紹,基于這項“一指連”技術,手機和智能設備將具備空間感知能力,猶如“室內GPS”。當手機指向智能設備,控制卡片就能自動彈出,能夠直接進行操控。
         
        將手機指向電扇,手機就會彈出快捷控制卡片,一鍵開啟電扇
         
        將手機指向電視,手機就變成電視遙控器,還能一鍵投屏
         
        不得不說,小米的營銷能力是真的強,一項并不新鮮的技術,加以包裝和冠名,硬是做出了全球首發的推廣效果。(勿噴,我也是米粉
         
        沒錯,這個UWB,就是去年9月11日蘋果發布iPhone11的時候,同步推出的那個UWB。
         
        當時,iPhone11全系搭載了支持UWB技術的U1芯片。
         
        蘋果曾經表示,U1芯片將顯著提升蘋果iPhone手機的空間感知(Spatial Awareness)能力。通過Airdrop(隔空投送)應用,蘋果還展示了基于UWB技術的快速文件分享。
         

         
        就在上個月蘋果秋季發布會的時候,也曾透露,蘋果的Apple Watch Series 6將搭載U1芯片和超寬帶天線,以實現空間感知能力。
         
        那么問題來了,什么是空間感知能力?UWB到底是什么技術?除了空間感知,UWB還能干些什么?
         
         
        通過本文,小棗君將一一為你揭曉這些問題的答案。

             什么是空間感知能力     

         

         
        所謂的空間感知能力,就是感知方位的能力。更直接一點,就是定位能力。
         
        說白了,利用UWB技術,手機和智能設備可以更精準地實現室內定位,不僅可以感知自己的位置,還可以感知周邊其它手機或設備的位置。
         

        小米的空間感知
         

        厘米級定位能力
         
        說到定位,相信大家都很熟悉。我們經常會使用例如百度地圖這樣的APP,里面就有定位和導航的服務。
         
        定位服務幫助我們掌握位置信息,指示方向,增加自身的安全感和掌控感,給我們的工作生活帶來了很大的便利。
         
        那么,UWB技術和我們現在常用的定位技術,又有什么不同呢?
         
        我們現在最常用的定位技術,是衛星定位。
         
        衛星定位,是利用人造地球衛星進行點位測量的技術。它的特點非常明顯,就是精度高、速度快、成本低。
         
         
        大家所熟知的GPS、北斗等,都屬于全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS),可以提供衛星定位服務。(延伸閱讀:“北斗”背后的GNSS技術,到底是個啥?
         

        為了更好地消除誤差、提高反應速度,GNSS會引入一些天基或陸基的輔助手段。結合輔助手段的GNSS,也被稱為A-GNSS。A就是Assisted,“輔助”的意思。

         

        現在比較常用的A-GNSS,是通過陸基的移動通信網絡,傳送增強改正數據,提供輔助信息,加強和加快衛星導航信號的搜索跟蹤性能和速度,縮短定位時間,提高定位精度。

         

        A-GNSS系統架構

         
        不管是GNSS,還是A-GNSS,都有一個明顯的缺點,就是不能實現室內定位。原因顯而易見,衛星信號會被建筑物遮擋啊。
         
        然而,隨著時代的發展,室內定位的業務場景卻越來越多,用戶對室內定位的需求越來越強烈。例如地下車庫導航、商場尋找店鋪或同伴,甚至兒童走失尋回。
         
        于是,一些人開始嘗試利用各種短距離通信技術,開發高精度的室內定位系統,用于迎合用戶需求,賺小錢錢??晒┻x擇的技術,就包括Wi-Fi,藍牙,UWB等。
         
         

             什么是UWB     

         

         
        Wi-Fi和藍牙大家都比較熟悉。UWB是什么呢?
         
        UWB,就是Ultra Wideband,超寬帶技術。它源于20世紀60年代興起的脈沖通信技術。
         
        了解通信的同學都知道,一般的通信體制都是利用一個高頻載波來調制一個窄帶信號,通信信號的實際占用帶寬并不高。
         
        而UWB不同于傳統的通信技術,它通過發送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來實現無線傳輸的。由于脈沖時間寬度極短,因此可以實現頻譜上的超寬帶:使用的帶寬在500MHz以上。
         
         
        FCC(美國聯邦通信委員會)為UWB分配了 3.1~10.6 GHz共 7.5 GHz頻帶,還對其輻射功率做出了比FCC Part15.209更為嚴格的限制,將其限定-41.3dBm頻帶內。
         
         
        簡而言之,這項技術通過超大帶寬和低發射功率,實現低功耗水平上的快速數據傳輸。
         
        由于UWB脈沖的時間寬度極短,因此也可以采用高精度定時來進行距離測算。
         
        相比Wi-Fi和藍牙定位技術,UWB具有如下優勢: 
         
        1)抗多徑能力強,定位精度高:帶寬決定了信號在多徑環境下的距離分辨能力(成正比關系)。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。UWB可以在距離分辨能力上高于其他傳統系統,復雜環境下其精度甚至可以達到Wi-Fi、藍牙等傳統系統的百倍以上。
         
        2)時間戳精度高:超寬帶脈沖信號的帶寬在納秒級,由定時來計算位置時,引入的誤差通常小于幾厘米。 
         
        3)電磁兼容性強:UWB 的發射功率低,信號帶寬寬,能夠很好地隱蔽在其它類型信號和環境噪聲之中,傳統的接收機無法識別和接收,必須采用與發射端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調,所以不會對其他通信業務造成干擾,同時也能夠避免其他通信設備對其造成干擾。 
         
        4)能效較高:UWB具有500MHz以上的射頻帶寬,能夠提供極大的擴頻增益,使得UWB通信系統能效較高。這意味著對于電池供電設備,系統的工作時間可以大大延長,或是同樣發射功率限制下,覆蓋范圍比傳統技術大得多。通常在短距離應用中,UWB發射機的發射功率普遍低于1mW;在長距離應用中,不需要額外的功率放大器即可達到200米的距離,同時實現6.8Mbps的空中速率。
         
        基于上述技術優勢,采用UWB能夠構成高精度的室內定位系統。
         
        UWB和其它定位技術的對比
         
        目前,常用的UWB測距方法有三種,分別是:
        (1)TOF(Time of flight):通過測量UWB信號在基站與標簽之間飛行的時間來實現測距。
        (2)TDOA(Time Difference of Arrival):利用UWB信號由標簽到達各個基站的時間差來進行定位。
        (3)PDOA(Phase Difference Of Arrival):利用到達角相位來測量基站與標簽之間方位關系。
         
        限于篇幅,我們將在后續詳細介紹UWB的算法原理。
         
         

             UWB的產業發展     

         

         
        在2002年以前,UWB被廣泛用于軍事方面的用途。2002年,FCC(美國聯邦通信委員會)對UWB做了如前文所說的功率上的嚴格限制,才將UWB技術解禁,準許進入民用領域。
         
        此后,UWB技術進入了高速發展期,各種技術方案圍繞著UWB國際標準的制定也展開了激烈的競爭。
         
        2007年,IEEE在802.15.4a標準中對UWB技術進行了標準化。經過近十年的發展,UWB的標準也在不斷完善。
         
        說到UWB的產業鏈,就不得不提到Decawave公司。
         
         
        Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片廠商。他們提供低成本的芯片出售,零售價格在幾美元。芯片型號是DW1000,符合IEEE 802.15.4-2011 UWB標準協議(在理想條件下,最大可測量范圍為300m)。
         
        DW1000芯片
         
        去年,在蘋果公司的產品發布會后,基于Decawave芯片DW1000的定位廠商INTRANAV連發兩條推特,聲稱其套件支持與iPhone11的互操作,Decawave也轉發了該推特。這說明,蘋果U1有極大的可能支持IEEE 802.15.4。
         
         
        其它從事UWB技術研究的國際廠商還包括Ubisense、BeSpoon。
         
        這些廠商使用了自己的UWB解決方案,通常以模組套件的形式推出,但均不支持IEEE 802.15.4。
         
        要實現更好的空間感知,需要應用生態的支持。為了構建整個應用生態,不同廠家設備性需要實現互操作、互兼容??梢灶A見,未來所有廠家設備都將可能支持IEEE 802.15.4標準。
         

        本次小米支持UWB,尚不確認具體的產業鏈合作伙伴是哪些。國內目前宣稱在做UWB的企業,包括精位科技、聯睿電子、紐瑞芯、浩云科技等。

         

        值得一提的是,國內還有大量的中小型創業團隊在從事UWB解決方案的開發,主要針對的就是室內高精度定位和智能家居、智能園區、智能廠房等場景。

         
         

              結  語     

         

         
        目前,除了蘋果和小米之外,三星也非??春肬WB技術,認為其將成為下一代可以改變游戲規則的無線通信技術之一。
         
        這些一線廠商的力挺,相信將會對UWB技術有全面的推動作用。UWB的規?;逃眠M程,有望進一步加快。UWB上下游產業鏈的成熟速度,也會加快。
         
        眾所周知,我們正在加速走向萬物互聯時代。雖然5G是現在的熱門,但5G并不能通吃所有的物聯場景。以Wi-Fi 6、藍牙、UWB為代表的短距離通信技術,仍然有很大的發展空間和市場機會。這些技術可以根據自身的特點,與細分物聯網場景緊密結合,給用戶提供更好的服務體驗。
         
        UWB能否不負眾望,全面爆發?讓我們拭目以待!
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