| " 隨著5G的到來，我們正在加速走向萬物互聯(lián)時代，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用將會出現(xiàn)。UWB技術(shù)可以根據(jù)自身的特點，與這些物聯(lián)網(wǎng)場景緊密結(jié)合，給用戶提供更好的服務(wù)體驗。 作者：小棗君 來源：鮮棗課堂（ID：xzclasscom） 9月11日，蘋果公司秋季發(fā)布會在喬布斯劇院舉行。以iPhone 11為代表的一系列新品揭開了神秘的面紗，與“果粉”見面。 新iPhone的特點和參數(shù)，相信大家通過各大媒體的介紹已經(jīng)有所了解。不過有一個細節(jié)，不知道大家有沒有注意到——本次發(fā)布的全系列新款iPhone，全部搭載了支持超寬帶（UWB）技術(shù)的U1芯片。
根據(jù)官方的宣傳，這項新技術(shù)將顯著提升蘋果手機的空間感知（Spatial Awareness）能力。
那么問題來了，空間感知能力是什么意思？U1芯片到底能做什么？UWB超寬帶技術(shù)又是什么黑科技？所有這些，會不會引領(lǐng)新一輪的智能設(shè)備應(yīng)用創(chuàng)新？ 通過本文，筆者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。 根據(jù)蘋果公司的介紹，搭載U1芯片的新iPhone，進一步提升了手機的定位功能，不僅可以感知自己手機的位置，還可以感知周邊其他手機的位置。 在使用隔空投送（AirDrop，蘋果設(shè)備提供的一種無線分享文件的功能）時，基于U1芯片提供的空間感知能力，只需將你的iPhone指向其他人的iPhone，系統(tǒng)就會優(yōu)先排序（離得越近，優(yōu)先級越高），讓你更快速地共享文件。
說白了，利用U1的定位能力，iPhone11可以實現(xiàn)“離我越近越先得到響應(yīng)”的應(yīng)用效果。 說到定位，相信大家都很熟悉。我們經(jīng)常會使用例如高德地圖或百度地圖這樣的APP，里面就有定位和導航的服務(wù)。 定位服務(wù)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(shù)和我們現(xiàn)在常用的定位技術(shù)，又有什么不同呢？ 我們現(xiàn)在常用的定位技術(shù)，主要包括衛(wèi)星定位和基站定位。 衛(wèi)星定位，是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術(shù)，也是目前使用最為廣泛、最受用戶歡迎的定位技術(shù)。它的特點非常突出，就是精度高、速度快、使用成本低。
大家所熟知的美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、中國的北斗(BDS)、歐洲的伽利略(Galileo)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)，都是衛(wèi)星定位系統(tǒng)。 基站定位的原理和雷達有相似之處。雷達定位大家都知道，就是發(fā)射雷達波，根據(jù)目標的反射，進行空間位置測算。
基站定位的話，基站就相當于是一個“雷達”。 通常，在城市中，一部手機會在多個基站的信號覆蓋之下。手機會對不同基站的下行導頻信號進行“測量”，得到各個基站的信號TOA（到達時刻）或TDOA（到達時間差）。根據(jù)這個測量結(jié)果，結(jié)合基站的坐標，就能夠計算出手機的坐標值。 畫個圖，一看就明白了：
所有上述這些定位手段，都有一個明顯的缺點，就是無法穿透建筑物，不能實現(xiàn)室內(nèi)定位。 衛(wèi)星定位，需要接收機接收到足夠的衛(wèi)星信號。當進入室內(nèi)，或有遮擋時，衛(wèi)星信號很微弱，無法有效定位。
上圖為手機在室外接收到的GPS定位信號 下圖為手機在室內(nèi)接收到的GPS定位信號 從圖示可以看出，當發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星數(shù)量降低時，定位誤差從10米增加到66米。 一方面，衛(wèi)星和基站定位技術(shù)無法滿足室內(nèi)定位的需求。另一方面，室內(nèi)定位的業(yè)務(wù)場景卻越來越多，例如地下車庫導航、商場尋找店鋪和商品，甚至兒童走失，都對室內(nèi)定位有迫切需求。 在需求持續(xù)上升的背景下，人們開發(fā)了一系列技術(shù)，嘗試利用其它類型的錨節(jié)點來提供定位能力。這就包括了Wi-Fi，藍牙，UWB等技術(shù)。 什么是UWB Wi-Fi和藍牙大家都比較熟悉。那么，UWB又是什么？ UWB，就是Ultra Wideband，超寬帶技術(shù)。它源于20世紀60年代興起的脈沖通信技術(shù)。 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(diào)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(tǒng)的通信技術(shù)，它通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來實現(xiàn)無線傳輸?shù)?。由于脈沖時間寬度極短，因此可以實現(xiàn)頻譜上的超寬帶：使用的帶寬在500MHz以上。
FCC（美國聯(lián)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(nèi)。
簡而言之，這項技術(shù)通過超大帶寬和低發(fā)射功率，實現(xiàn)低功耗水平上的快速數(shù)據(jù)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(shù)，UWB具有如下優(yōu)勢： 1）抗多徑能力強，定位精度高：帶寬決定了信號在多徑環(huán)境下的距離分辨能力（成正比關(guān)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(jié)果。UWB可以在距離分辨能力上高于其他傳統(tǒng)系統(tǒng)，復(fù)雜環(huán)境下其精度甚至可以達到Wi-Fi、藍牙等傳統(tǒng)系統(tǒng)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(fā)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(huán)境噪聲之中，傳統(tǒng)的接收機無法識別和接收，必須采用與發(fā)射端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調(diào)，所以不會對其他通信業(yè)務(wù)造成干擾，同時也能夠避免其他通信設(shè)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(tǒng)能效較高。這意味著對于電池供電設(shè)備，系統(tǒng)的工作時間可以大大延長，或是同樣發(fā)射功率限制下，覆蓋范圍比傳統(tǒng)技術(shù)大得多。通常在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機的發(fā)射功率普遍低于1mW；在長距離應(yīng)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(xiàn)6.8Mbps的空中速率。 基于上述技術(shù)優(yōu)勢，采用UWB能夠構(gòu)成高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)。
UWB和其它定位技術(shù)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(xiàn)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(guān)系。 限于篇幅，我們將在后續(xù)詳細介紹UWB的算法原理。 UWB的產(chǎn)業(yè)發(fā)展 在2002年以前，UWB被廣泛用于軍事方面的用途。2002年，F(xiàn)CC（美國聯(lián)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(shù)解禁，準許進入民用領(lǐng)域。 此后，UWB技術(shù)進入了高速發(fā)展期，各種技術(shù)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(shù)進行了標準化。經(jīng)過近十年的發(fā)展，UWB的標準也在不斷完善。 說到UWB的產(chǎn)業(yè)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(xié)議（在理想條件下，最大可測量范圍為300m）。 在蘋果公司的產(chǎn)品發(fā)布會后，基于Decawave芯片DW1000的定位廠商INTRANAV連發(fā)兩條推特，聲稱其套件支持與iPhone11的互操作，Decawave也轉(zhuǎn)發(fā)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(shù)研究的廠商還包括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(xiàn)更好的空間感知，需要應(yīng)用生態(tài)的支持。為了構(gòu)建整個應(yīng)用生態(tài)，不同廠家設(shè)備性需要實現(xiàn)互操作、互兼容。可以預(yù)見，未來所有廠家設(shè)備都將可能支持IEEE 802.15.4標準。 UWB的定位效果 為了客觀評判不同的室內(nèi)定位技術(shù)，多個國際組織一直在積極組織室內(nèi)定位比賽。 目前國際上三個高規(guī)格的室內(nèi)定位比賽包括： 1）微軟室內(nèi)定位比賽（Microsoft Indoor Localization Competition，MILC） 2）美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）舉辦的PerfLoc（Performance Evaluation of Smart-phone Indoor Localization Apps） 3）國際室內(nèi)定位與室內(nèi)導航大會（IPIN）室內(nèi)定位比賽：IPIN competition 微軟的MILC比賽被公認為評判高精度室內(nèi)定位技術(shù)最好的舞臺。 下面列出了歷年MILC比賽中基于基礎(chǔ)設(shè)施組前三名的成績：
可以看出，從2015年開始，UWB的優(yōu)勢逐漸顯示出來，已成為高精度定位技術(shù)中最有前景的技術(shù)。同時，Decawave的DW1000也是具體定位方案中的主流選擇。8家獲獎的UWB團隊中，有7家都使用了DW1000。
2018年的比賽使用性能極高的激光SLAM構(gòu)建地圖（左圖）并基于此實時輸出真實位置軌跡（右圖），由此作為比賽的評價依據(jù)
比賽場地在葡萄牙波爾圖證卷交易所宮，現(xiàn)場環(huán)境十分復(fù)雜 2018年的比賽首次評價動態(tài)精度，比賽場地非常復(fù)雜，結(jié)果的導向性很強。 在這項賽事中，來自美國卡內(nèi)基梅隆大學的Anthony Rowe團隊值得一提。這個團隊是室內(nèi)定位領(lǐng)域的翹楚，三次進入前三名，2018年更是獲得第一名和并列第二名。
CMU Anthony Rowe團隊 更重要的是，2018年該團隊取得第一名的技術(shù)路線是UWB+增強現(xiàn)實（AR），而iPhone 11 Pro則成為了首款同時支持AR和UWB的手機。這足以證明該團隊具有極強的技術(shù)洞察力。 此外，來自中國的南京愛銻奕電子科技有限公司也非常值得關(guān)注。 他們是一個新興團隊，切入UWB市場一年后就參加了2018年的比賽，取得了并列第二名的成績。這是迄今為止國內(nèi)隊伍在該項賽事中的最好成績。
上圖是南京愛銻奕團隊在比賽中輸出的實時軌跡。可以看到，除少部分區(qū)域外，大部分區(qū)域都輸出了精度很高的定位坐標。藍色為激光SLAM實時軌跡，綠色點為愛銻奕團隊輸出的軌跡，紅色為矢量誤差。
上圖是參加各支隊伍的平均定位誤差對比。愛銻奕團隊的平均定位誤差是0.4米，而幾個傳統(tǒng)強隊，如RaceLogic、俄羅斯研究院等同樣使用UWB技術(shù)，卻只取得了接近1米甚至更差的成績，這充分說明了2018年比賽難度之大。 結(jié)語 總而言之，這次新款iPhone對UWB的全面支持，對UWB技術(shù)的規(guī)?；逃猛茝V是一次非常寶貴的機會。這也將加速UWB上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和成熟。 隨著5G的到來，我們正在加速走向萬物互聯(lián)時代，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用將會出現(xiàn)。UWB技術(shù)可以根據(jù)自身的特點，與這些物聯(lián)網(wǎng)場景緊密結(jié)合，給用戶提供更好的服務(wù)體驗。 包括智能家居、增強現(xiàn)實、移動支付、看護跟蹤、地質(zhì)勘探、室內(nèi)導航，都將是UWB技術(shù)的用武之地，擁有非常廣闊的發(fā)展前景。 根據(jù)相關(guān)機構(gòu)的預(yù)測，未來UWB技術(shù)將在室內(nèi)定位市場中占據(jù)30%~40%的市場份額，2022年市場規(guī)模將有望達到164億美元。 UWB的美好未來，讓我們拭目以待！
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