一文讀懂UWB超寬帶技術
“指哪打哪”，在球場上經常被用來形容一個人的球技好，其實這個詞的本義是“對某人言聽計從” 。在智能設備普及、萬物互聯的時代，人們想也讓自己的移動終端擁有這樣的精準操控能力，這就需要一項技術的幫助——UWB超寬帶。
目前已經大規模使用UWB超寬帶技術的消費電子品牌并不多，大家最熟悉的一個品牌是蘋果。搭載蘋果U1超寬帶芯片的iPhone手機之間可以實現快速的文件共享功能，手機靠近內置超寬帶芯片的HomePod mini智能音箱即可播放音樂、獲得個性化聆聽建議;與內置超寬帶芯片的AirTag綁定后，iPhone便具備了室內精準定位、追蹤物品的能力。
那么到底什么是UWB超寬帶技術、UWB技術的應用場景還有哪些，以及UWB技術的市場有多大，今天就來跟大家詳細聊聊。
一、什么是UWB技術?
UWB(Ultra Wide Band)超寬帶技術是一種使用1GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術，它不采用傳統通信體制中的正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很大，盡管使用無線通信，但其數據傳輸速率可以達到幾百兆比特每秒以上。
UWB技術具有系統復雜度低，發射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，截獲能力低，定位精度高，穿透能力強等優點，尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入。
UWB并非是一項新技術，它最早應用于軍用雷達和通信應用中，名稱為“脈沖無線電”，自2002年起，美國聯邦通信委員會(FCC)授權其未經許可使用，為其劃分了3.1~10.6GHz頻段，占用500MHz以上的帶寬。
與大家熟知的、可以提供定位服務的GNSS、Wi-Fi和低功耗藍牙三項技術相比，UWB技術的優勢如下：
首先，傳統的全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)，可以提供衛星定位服務，但由于衛星信號會被建筑物遮擋，因此不能實現室內定位。
Wi-Fi和藍牙通常是通過接收信號強度的指標 (RSSI) 來確定位置，僅顯示“弱”或“強”接收信號的粗略類別，定位精度最高能夠達到米級。
UWB定位有三種技術，分別是TOF(Time of flight)時差法、TDOA(Time Difference of Arrival)到達時差和PDOA(Phase Difference Of Arrival)到達角相位差。雖然這僅適用于較短的范圍，但可以以小于 50 厘米的精度(在最佳條件和部署下)和極低的延遲來確定信號源的位置。
通過這張圖大家可以更直觀地了解到UWB技術與Wi-Fi、藍牙技術的不同點。簡言之，UWB技術的優勢在于：
- 定位精度高：帶寬很寬，多徑分辨能力強，抗干擾，對于距離的分辨能力高于Wi-Fi和藍牙。
- 實時定位速度快：UWB的超寬帶脈沖信號的帶寬在納秒級，可以實現實時的室內定位，延遲低，可以即刻感知追蹤物體的運動狀況。
- 高可靠性和安全性：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。
當然，UWB、Wi-Fi和藍牙這三項技術并不是孤立存在的，完全可以同時使用，優勢互補，能夠給智能手機這樣的終端產品帶來多種需求的定位和數據傳輸服務，對于相關的天線和射頻設計有較高要求。
二、UWB技術有標準組織嗎?
每項無線傳輸技術通常有一個標準組織負責相關標準的制定和技術認證等，比如藍牙技術聯盟、 Wi-Fi聯盟、國際電信聯盟等等，在UWB技術領域，目前主要有FIRA聯盟和UWBA超寬帶聯盟兩大組織，均成立于2019年。
FiRa聯盟致力于開發和廣泛采用可協同操作的超寬帶 (UWB) 技術所帶來的安全精細測距和定位功能，為用戶提供無縫的使用體驗。
FiRa聯盟的成員主要開發基于 IEEE 802.15.4 標準的UWB安全精細測距技術的產品，跨各種垂直業務領域開發 UWB 技術的應用場景。FiRa聯盟與其他行業組織密切合作，例如 IEEE、Wi-Fi 聯盟、汽車連接聯盟 (CCC) 等，注重在可用的 6-9 GHz 頻段中運行的 UWB 用例。
FiRa聯盟的成員分為贊助會員、貢獻者成員、準會員、采用者成員、測試實驗室成員、學術和教育成員這幾類，很多都是大家耳熟能詳的品牌。
UWB Alliance 超寬帶聯盟專注于在 802.15.4z 標準下提供有利的監管和頻譜管理環境，以最大限度地促進 UWB 市場的增長。超寬帶聯盟旨在促進各類垂直行業展示 UWB 對物聯網和工業 4.0 的價值，在從芯片到服務的整個 UWB 價值鏈中構建全球生態系統。
此外，超寬帶聯盟當前在倡導新的頻譜，擬在歐洲將 UWB 擴展到 12.4 GHz 以及新興的更高頻段。
超寬帶聯盟目前的成員有以上品牌，同樣有很多知名的半導體廠商。
三、UWB技術有哪些應用場景?
得益于蘋果的大力宣傳，UWB技術近年來在消費電子領域逐漸被大家熟知，但是其在工業和商業領域的運用已經非常成熟了，是RTLS(Real Time Location Systems)實時定位系統的重要組成，主要利用的就是UWB超寬帶技術定位精度高、短距離通信傳輸速度快、能夠快速響應等特點。
今天跟大家分享的主要是UWB技術目前在消費電子類產品上的應用場景。
自iPhone 11系列手機以來，蘋果已先后在Apple Watch S6、HomePod mini智能音箱、iPhone12 系列手機和Aritag無線追蹤器這些產品內，應用了自沿的UWB方案，其控制芯片是蘋果U1。
三星主要是在手機上導入了UWB方案，具體型號包括Galaxy Note 20 Ultra、 Galaxy Z Fold 2、 S21+和S21 Ultra，同時三星也推出了采用UWB技術的SmartTag+智能追蹤器。
國產手機品牌小米推出了名為“一指連”的UWB連接技術，充分發揮自己智能家居生態的優勢，未來將能夠與各類智能家居產品聯動。此外，OPPO也曾在科技大會上展示了手機與 IoT 設備間的精準定向和精準操控能力。
蘋果起初在iPhone 11系列機型上推出U1芯片，利用UWB技術的高速傳輸能力，提升了“隔空投送”功能的傳輸速度，同時利用其精準的定位能力，“隔空投送”會優先與指向的iPhone建立連接。
使用搭載U1超寬帶芯片的iPhone靠近同搭載U1的HomePod mini智能音箱，音箱正在播放的音頻會順暢過渡到 iPhone 上接著聽;沒有播放音樂時，拿著 iPhone 靠近 HomePod mini，屏幕上會彈出個性化的音樂播放推薦，無需解鎖手機。
AirTag無線追蹤器是藍牙低功耗與UWB超寬帶兩項技術的結合，憑借超寬帶技術，用戶可以在手機上看到 AirTag 離得有多遠，該朝哪個方向找，便于資產追蹤。
小米“一指連”UWB技術功能演示。手機指向支持UWB技術的電風扇，手機上會彈出一個控制卡片，進而實現對風扇的操控，無需實體遙控器，手機也不用再下載單獨的APP。除此以外，小米“一指連”還實現了智能電視投屏、智能門鎖靠近即開等操作。
FiRa聯盟官網的這一張圖，更加詳細地展示了 未來UWB技術會對我們生活產生的影響，包括：數字車鑰匙、身份識別、室內導航、線下購物行為分析、展會數據分析、無線支付、VR游戲、手勢識別等等。
前面提到，基于UWB超寬帶技術的RTLS實時定位系統目前在工業端已經非常成熟了，主要應用于工業制造(跟蹤人員、車輛和設備等)、位置跟蹤(特殊建筑物如監獄等特殊場所中的人員/設備/文件定位)、倉儲物流(圖書館、電商行業等)、無線測量、智能駕駛(車輛自動出入庫)，以及增強現實、競技體育等領域，應用非常廣泛。
四、UWB市場有多大?
UWB超寬帶技術在工業端已經發展了很多年，有數據表明，未來UWB技術將在室內定位市場中占據30%~40%的市場份額，到2022年其市場規模將有望達到164億美元，市場前景非常廣闊。但這里主要跟大家討論的是UWB技術在消費端未來的市場能有多大。
目前UWB超寬帶技術要想實現上述功能，最需要依附的主要產品就是智能手機。單以蘋果、三星已經支持UWB技術的手機來說，就已帶動了UWB芯片千萬級的銷量。
國內市場方面，目前已經推出“一指連”技術的小米，其2020年高端手機的銷量近1000萬臺，AIoT生態已經逐漸完善，米家APP月活用戶在4500萬，其迭代產品都有升級UWB技術的可能;未來還會有OPPO、vivo等手機頭部廠商加入進來。
可以說，中高端手機龐大的出貨量，可以持續引領C端UWB市場的發展，進而帶動智能手表、智能可穿戴、智能家居等各類UWB設備的出貨增長。
據 ABI Research 預測，支持 UWB 的智能手機出貨量將從 2019 年的 4200 萬多部增加到 2025 年的近 5.14 億部。
不僅如此，專注于工業級解決方案的UWB技術廠商們，在看到消費端市場的巨大發展潛力后，也紛紛入局，比較具有代表性的是清研訊科，他們是FIRa聯盟唯一一家具有投票權資格的中國解決方案商，目前已經推出了兼容Android生態的類AirTag硬件產品TicTag，并將為OEM開放硬件平臺，提供兼容802.15.4z及FIRa的平臺級產品，可以幫助更多消費品牌快速進入這一市場。
超寬帶聯盟認為，自 2019 年以來，超寬帶一直在擴展為智能手機、可穿戴設備、汽車和工業的主流消費技術，預計到 2025 年每年將推動超過 10 億臺設備的銷量。
總結
UWB超寬帶不是新技術，其功能以定位為主、通訊為輔，在體量上未能成為像藍牙、WiFi那樣的通用標準有多方面的原因。近年來在蘋果的帶動下，UWB技術被C端市場和更多消費者所了解，因為在萬物互聯時代，它的確是讓各室內設備間互通互聯的一項有效技術，簡化了配對的流程，未來仍然有很大的發展空間和市場機會。
同時我們也看到，要想讓移動設備擁有更好的空間感知能力，需要一整個應用生態的支持，目前蘋果已經開始搭建，三星、小米、OPPO等品牌也逐步跟進，屆時不同廠家的設備能否實現互操作、互兼容可能又是一個新的問題。
可以預見的是，未來會有更多企業和產品采用UWB技術，不僅僅是智能手機、可穿戴設備、智能家居等小物件，室內空間也需要各種基于位置的 UWB 基礎設施。據了解，預計到2022-2024年間，隨著IEEE 802.15 4z標準開發完成，UWB傳感器和執行器將能夠組合成一個無線網絡，更積極地應用于大眾市場和企業解決方案，為室內定位和短距離通信增添一種新的維度。
