什么是UWB超寬帶技術(shù)？聊聊超寬帶技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

2024-6-28 15:23| 發(fā)布者: admin| 查看: 249| 評論: 0

摘要: 自從蘋果推出了AirTag，引發(fā)了UWB超寬帶技術(shù)在市場上大火，很多男生表示再也不用擔(dān)心漂亮女朋友“走丟”了；媽媽們表示，在小朋友的校服上縫上一枚，從此不用擔(dān)心熊孩子們亂跑了；有了超寬帶技術(shù)的加持，網(wǎng)友們表示 ...

自從蘋果推出了AirTag，引發(fā)了UWB超寬帶技術(shù)在市場上大火，很多男生表示再也不用擔(dān)心漂亮女朋友“走丟”了；媽媽們表示，在小朋友的校服上縫上一枚，從此不用擔(dān)心熊孩子們亂跑了；有了超寬帶技術(shù)的加持，網(wǎng)友們表示自己丟三落四的祖?zhèn)骷寄芸赡芤顺鰵v史舞臺了。

而市場上，寶馬、蔚來、大眾在自家的新車上也紛紛推出了UWB智能鑰匙，國內(nèi)幾家大型儲存物流企業(yè)，近期也正在嘗試落地，超寬帶貨物定位技術(shù)，小米OPPO等國內(nèi)手機(jī)大廠，在去年也紛紛展示了，所謂的“一指連”空間感知技術(shù)。

是的，超寬帶技術(shù)最近是異常的火熱，受到了市場的追捧。超寬帶技術(shù)也被很多數(shù)碼博主描述成為藍(lán)牙的替代者、物聯(lián)網(wǎng)風(fēng)口的引領(lǐng)者、甚至是新一代無線通訊技術(shù)的變革者。果真是如此嗎？超寬帶技術(shù)到底有什么神奇的地方，你真的了解什么是超寬帶技術(shù)嗎，它的技術(shù)特點是什么，優(yōu)缺點又是什么，今天我們就來理性、客觀且科學(xué)的分析超寬帶這項技術(shù)的前景、發(fā)展空間以及趨勢和定位。

一、UWB技術(shù)的發(fā)展歷程

首先，超寬帶技術(shù)并不是大家所以為的近幾年發(fā)明的新技術(shù)，恰恰相反，超寬帶技術(shù)其實是一項人類最早的無線通信方式，回溯超寬帶技術(shù)的發(fā)展歷史，千年前中國人利用點燃長城上的峰火臺對外族入侵的時間和位置，進(jìn)行了烽火之間的信息傳遞。1880年，意大利人馬可尼利用火花隙發(fā)射器，成功在大西洋上進(jìn)行了人類第一次無線電傳遞?；鸹ㄏ秾嶋H上就是一種帶寬很寬的極窄脈沖，這也是人類真正現(xiàn)代意義上最早出現(xiàn)的超寬帶技術(shù)。

當(dāng)年英國最先進(jìn)的泰坦尼克號撞到冰山后也是利用火花隙式發(fā)射機(jī)，發(fā)出了最后的無線呼救信號。最終讓近千人，包括女主“肉絲”因此獲救。上個世紀(jì)七十年代，超寬帶技術(shù)多應(yīng)用于軍事用途，包括在軍用雷達(dá)、軍事定位上，軍事通訊、軍用成像等技術(shù)上面。比如軍用保密通信上，采用多采跳頻技術(shù)，實現(xiàn)了保密通信；比如在穿墻雷達(dá)上，使用超寬帶的窄脈沖特性，實現(xiàn)了對恐怖分子的穿墻監(jiān)控。這些都是超寬帶技術(shù)的應(yīng)用。1990年美國軍方在一份DARPA的技術(shù)報告中首次提出了UWB這個名詞，開始了超寬帶技術(shù)的商業(yè)歷程。

超寬帶，顧名思義，了解通信知識的朋友都知道，一般的通信體制都會利用一個高頻載波來調(diào)制一個窄帶信號，通信信號的實際占用帶寬并不高。而超寬帶不同于傳統(tǒng)的通信技術(shù)，使用的是最簡單粗暴的納秒級非正弦波的極窄脈沖來傳輸和接收信息和數(shù)據(jù)。從頻域和時域的角度，傳統(tǒng)的超寬帶可以理解為是單純的時域信號處理，不需要射頻電路中的本振、差分等射頻模塊。我打個簡單的比喻，4G、5G和Wifi信號就像是在念文言文，幾個字就可以表達(dá)非常豐富的信息。而超寬帶技術(shù)，則更像是原始部落的早期語言，需要很長一段話才能表達(dá)一個簡單的意思，但是它也更直接，信息更明確。所以UWB、Wifi和5G本質(zhì)上是兩種完全不同的無線通信手段。

簡單形容信息和我們說話是一樣的，無非是三個維度，你是誰，你在哪里，你要干什么。這就是所謂的數(shù)據(jù)信息、身份信息，以及位置信息。在早期傳遞數(shù)據(jù)（干什么）方向上，超寬帶技術(shù)其實也是有商業(yè)化實踐的。早在2003年wifi技術(shù)還是一項比較新的技術(shù)時，美國WiQuest公司就一直在嘗試，OFDM無線電架構(gòu)下的高速UWB傳輸技術(shù)，在IEEE 802.15.3a的標(biāo)準(zhǔn)下WiQuest的基帶產(chǎn)品，當(dāng)時已經(jīng)實現(xiàn)了8到10米內(nèi)、4百兆文件的傳輸。但是由于UWB接收器RF結(jié)構(gòu)太過于復(fù)雜，加上芯片組的成本過高，市場落地一直沒有推開。更致命的是，隨著wifi聯(lián)盟，在2006年802.11n標(biāo)準(zhǔn)的正式亮相利用MIMO技術(shù)，實現(xiàn)了6百兆的數(shù)據(jù)傳輸，也間接宣告了高速UWB傳輸無線技術(shù)方案的失敗。

二、UWB的技術(shù)特點

2004年，IEEE推進(jìn)的802.15.4a工作組也決定將超寬帶技術(shù)的關(guān)注點，轉(zhuǎn)向到了高精度定位方向。最近2020年推出的802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)，則是增強(qiáng)了關(guān)鍵fobs和安全性方面的標(biāo)準(zhǔn)。從整個超寬帶技術(shù)的發(fā)展過程，我這里畫個圖，大家就能比較清楚的知道，超寬帶技術(shù)的定位和特點了，其實是非常鮮明的，優(yōu)勢有三點：

極窄脈沖天然具有高時間分辨率、多徑分辨率的特點，相對于藍(lán)牙5.1AOA定位、wifi的定位，在定位精度這一項上是有很大的優(yōu)勢。
由于需要物理標(biāo)簽，同時信號寬，所以安全性很強(qiáng)。
超寬帶具有較大的處理增益，所以抗干擾能力天生也比較強(qiáng)。

說完這三點優(yōu)勢，同時超寬帶系統(tǒng)的劣勢也很突出：

即使是用TDOA方法來測量，還是需要搭配基站、標(biāo)簽，應(yīng)用系統(tǒng)來實現(xiàn)，總體上搭建成本依然比較高。
為了避免通訊干擾，目前我國UWB工作于6~9GHz的超高頻段，同時設(shè)備功率通常需要低于一定的門限，所以信號的繞射性和穿透性都不會好，理論上僅適合于簡單的室內(nèi)場景。
在過去超寬帶技術(shù)一直是無線USB，包括高速無線局域網(wǎng)，可行的替代方案，但是如今在Wifi 6E如此成熟的背景下，包括我之前也給大家出過視頻，介紹過下階段的Wifi 7技術(shù)，理論上超寬帶技術(shù)在高速數(shù)據(jù)上的商用價值其實是非常低的。所以超寬帶技術(shù)目前比較適合，且僅適合在低速傳輸，近距離下的安全及精準(zhǔn)定位方向上的應(yīng)用。

三、關(guān)于超寬帶技術(shù)的一些展望

關(guān)于超寬帶技術(shù)，我大概就介紹這么多。對于一項技術(shù)的基礎(chǔ)了解，對于大家的投資，我覺得剛剛的介紹其實已經(jīng)差不多了，也已經(jīng)足夠了。接下來我再來聊聊作為一名硬件工程師我對超寬帶這項技術(shù)本身，一些個人更加主觀的看法。

首先我的第一個觀點，圍繞手機(jī)來搭建生態(tài)絕對不是超寬帶的未來，也很難有未來。由于需要以手機(jī)為極坐標(biāo)，手機(jī)內(nèi)部就需要配備兩跟天線，而手機(jī)的內(nèi)部空間其實是非常寶貴的。為了UWB的實現(xiàn)，成本和設(shè)計難度都要大大的提高。目前即使強(qiáng)如蘋果依然需要藍(lán)牙來做檢測，理想的定位距離也只在30米內(nèi)。實際上如果你把AirTag扔到附近沒有iPhone的地方，它的定位就將失去作用。同時隨著高通、華為海思的入局，UWB即使有發(fā)展，也會和藍(lán)牙、Wifi一樣集成到SoC中去，不會在手機(jī)上以外掛的形式出現(xiàn)。當(dāng)然我并不覺得高通和海思現(xiàn)在有這樣的計劃去這么做，因為在C端，現(xiàn)階段并沒有這樣的必要也沒有這樣的現(xiàn)實需求。

所以我的第二個觀點就是，UWB超寬帶技術(shù)目前依然還缺乏現(xiàn)象級的應(yīng)用，來推動這項技術(shù)的真正爆發(fā)，目前超寬帶技術(shù)的三大應(yīng)用場景，安全門禁、物品定位以及設(shè)備互聯(lián)。比如汽車鑰匙、AR游戲、室內(nèi)導(dǎo)航，無人機(jī)配送、智慧醫(yī)療、安全門禁，等等。我思考了一下，目前還沒有一項真正的爆點應(yīng)用來拉動大的需求。我個人認(rèn)為僅僅在低成本的前提下，替代一些NFC的場景，可能有一丟丟的發(fā)展前景。

我的第三個觀點，成本和生態(tài)，依然是超寬帶技術(shù)目前很難逾越的鴻溝，現(xiàn)在市場上的超寬帶產(chǎn)品絕大多數(shù)配的都是，Decawave的DW1000系列芯片，采用的還是早期的802.15.4A協(xié)議，而像配備加密功能的4Z芯片方案，價格又高得離譜。我預(yù)測在C端，即使是手機(jī)廠商從現(xiàn)在開始統(tǒng)一思路，義無反顧的全力來推UWB搭建生態(tài)也需要3-5年。而B端，整套系統(tǒng)一個房間就需要3點定位，也就是3個基站的支持，多個房間就乘積的關(guān)系。我了解了一下，目前一個小型商場搭建成本在百萬級以上。而是DW1000的芯片目前搭配的算法又很少，很考驗企業(yè)自身的算法優(yōu)化能力，所以目前企業(yè)端實際上也比較難推。

最后第四個觀點，我大概了解了下市面上的量產(chǎn)產(chǎn)品，實際上理論和現(xiàn)實還是有差距的，目前市面上的UWB產(chǎn)品還僅能在小空間環(huán)境發(fā)揮，精準(zhǔn)定位的明顯優(yōu)勢，一到機(jī)場、戶外、大房間等有障礙物的復(fù)雜場景，基本上和wifi都拉不開差距。

最后總結(jié)一下，UWB并不是一項前景已經(jīng)穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)統(tǒng)一并且沒有局限性的產(chǎn)品，更不是很多數(shù)碼博主認(rèn)為的像發(fā)現(xiàn)新大陸一樣的存在。恰恰相反，超寬帶技術(shù)是一項優(yōu)缺點極為鮮明，產(chǎn)品定位很清晰，并且正在發(fā)展，正在摸索，正在布局的一項早期產(chǎn)業(yè)。

如果一定要問我看不看好超寬帶，那我可能就要潑冷水了，一切還是要看成本，成本只要下不來什么都是白搭。大家也不要太迷信蘋果，只能說蘋果目前有這個能力來攤銷成本，可以作為奢侈品來炫技。但是單就這項技術(shù)本身，大家也不用太小看現(xiàn)在AI、NB-IoT，V2X以及下一代藍(lán)牙協(xié)議的進(jìn)展了。包括AR、VR方向上隨著多傳感器融合 SLAM的迭代，只要有算力，精準(zhǔn)定位其實都不是什么，解決不了的痛點。而低功耗、萬物互聯(lián)則有NB-IoT，所以超寬帶技術(shù)個人覺得還是很雞肋的。4Z芯片系統(tǒng)的成本太高了，如果2-3年內(nèi)，成本下可以下來，在B端還是有發(fā)展可能的，反之就不要玩了。