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: 279| 評(píng)論: 0

摘要: 自從蘋(píng)果推出了AirTag，引發(fā)了UWB超寬帶技術(shù)在市場(chǎng)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(píng)果推出了AirTag，引發(fā)了UWB超寬帶技術(shù)在市場(chǎng)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(tái)了。

而市場(chǎng)上，寶馬、蔚來(lái)、大眾在自家的新車(chē)上也紛紛推出了UWB智能鑰匙，國(guó)內(nèi)幾家大型儲(chǔ)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(guó)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(chǎng)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(wú)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(diǎn)是什么，優(yōu)缺點(diǎn)又是什么，今天我們就來(lái)理性、客觀且科學(xué)的分析超寬帶這項(xiàng)技術(shù)的前景、發(fā)展空間以及趨勢(shì)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(shí)是一項(xiàng)人類(lèi)最早的無(wú)線通信方式，回溯超寬帶技術(shù)的發(fā)展歷史，千年前中國(guó)人利用點(diǎn)燃長(zhǎng)城上的峰火臺(tái)對(duì)外族入侵的時(shí)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(lèi)第一次無(wú)線電傳遞?；鸹ㄏ秾?shí)際上就是一種帶寬很寬的極窄脈沖，這也是人類(lèi)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(guó)最先進(jìn)的泰坦尼克號(hào)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(wú)線呼救信號(hào)。最終讓近千人，包括女主“肉絲”因此獲救。上個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guó)軍方在一份DARPA的技術(shù)報(bào)告中首次提出了UWB這個(gè)名詞，開(kāi)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(shí)的朋友都知道，一般的通信體制都會(huì)利用一個(gè)高頻載波來(lái)調(diào)制一個(gè)窄帶信號(hào)，通信信號(hào)的實(shí)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(jiǎn)單粗暴的納秒級(jí)非正弦波的極窄脈沖來(lái)傳輸和接收信息和數(shù)據(jù)。從頻域和時(shí)域的角度，傳統(tǒng)的超寬帶可以理解為是單純的時(shí)域信號(hào)處理，不需要射頻電路中的本振、差分等射頻模塊。我打個(gè)簡(jiǎn)單的比喻，4G、5G和Wifi信號(hào)就像是在念文言文，幾個(gè)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(yǔ)言，需要很長(zhǎng)一段話才能表達(dá)一個(gè)簡(jiǎn)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(wú)線通信手段。

簡(jiǎn)單形容信息和我們說(shuō)話是一樣的，無(wú)非是三個(gè)維度，你是誰(shuí)，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(shí)也是有商業(yè)化實(shí)踐的。早在2003年wifi技術(shù)還是一項(xiàng)比較新的技術(shù)時(shí)，美國(guó)WiQuest公司就一直在嘗試，OFDM無(wú)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(shí)已經(jīng)實(shí)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(guò)于復(fù)雜，加上芯片組的成本過(guò)高，市場(chǎng)落地一直沒(méi)有推開(kāi)。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(shí)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(wú)線技術(shù)方案的失敗。

二、UWB的技術(shù)特點(diǎn)

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(diǎn)，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(gè)超寬帶技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，我這里畫(huà)個(gè)圖，大家就能比較清楚的知道，超寬帶技術(shù)的定位和特點(diǎn)了，其實(shí)是非常鮮明的，優(yōu)勢(shì)有三點(diǎn)：

極窄脈沖天然具有高時(shí)間分辨率、多徑分辨率的特點(diǎn)，相對(duì)于藍(lán)牙5.1AOA定位、wifi的定位，在定位精度這一項(xiàng)上是有很大的優(yōu)勢(shì)。
由于需要物理標(biāo)簽，同時(shí)信號(hào)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(shuō)完這三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)超寬帶系統(tǒng)的劣勢(shì)也很突出：

即使是用TDOA方法來(lái)測(cè)量，還是需要搭配基站、標(biāo)簽，應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)實(shí)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(guó)UWB工作于6~9GHz的超高頻段，同時(shí)設(shè)備功率通常需要低于一定的門(mén)限，所以信號(hào)的繞射性和穿透性都不會(huì)好，理論上僅適合于簡(jiǎn)單的室內(nèi)場(chǎng)景。
在過(guò)去超寬帶技術(shù)一直是無(wú)線USB，包括高速無(wú)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(guò)視頻，介紹過(guò)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(jià)值其實(shí)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(duì)于一項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)了解，對(duì)于大家的投資，我覺(jué)得剛剛的介紹其實(shí)已經(jīng)差不多了，也已經(jīng)足夠了。接下來(lái)我再來(lái)聊聊作為一名硬件工程師我對(duì)超寬帶這項(xiàng)技術(shù)本身，一些個(gè)人更加主觀的看法。

首先我的第一個(gè)觀點(diǎn)，圍繞手機(jī)來(lái)搭建生態(tài)絕對(duì)不是超寬帶的未來(lái)，也很難有未來(lái)。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(shí)是非常寶貴的。為了UWB的實(shí)現(xiàn)，成本和設(shè)計(jì)難度都要大大的提高。目前即使強(qiáng)如蘋(píng)果依然需要藍(lán)牙來(lái)做檢測(cè)，理想的定位距離也只在30米內(nèi)。實(shí)際上如果你把AirTag扔到附近沒(méi)有iPhone的地方，它的定位就將失去作用。同時(shí)隨著高通、華為海思的入局，UWB即使有發(fā)展，也會(huì)和藍(lán)牙、Wifi一樣集成到SoC中去，不會(huì)在手機(jī)上以外掛的形式出現(xiàn)。當(dāng)然我并不覺(jué)得高通和海思現(xiàn)在有這樣的計(jì)劃去這么做，因?yàn)樵贑端，現(xiàn)階段并沒(méi)有這樣的必要也沒(méi)有這樣的現(xiàn)實(shí)需求。

所以我的第二個(gè)觀點(diǎn)就是，UWB超寬帶技術(shù)目前依然還缺乏現(xiàn)象級(jí)的應(yīng)用，來(lái)推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的真正爆發(fā)，目前超寬帶技術(shù)的三大應(yīng)用場(chǎng)景，安全門(mén)禁、物品定位以及設(shè)備互聯(lián)。比如汽車(chē)鑰匙、AR游戲、室內(nèi)導(dǎo)航，無(wú)人機(jī)配送、智慧醫(yī)療、安全門(mén)禁，等等。我思考了一下，目前還沒(méi)有一項(xiàng)真正的爆點(diǎn)應(yīng)用來(lái)拉動(dòng)大的需求。我個(gè)人認(rèn)為僅僅在低成本的前提下，替代一些NFC的場(chǎng)景，可能有一丟丟的發(fā)展前景。

我的第三個(gè)觀點(diǎn)，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(chǎng)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(jià)格又高得離譜。我預(yù)測(cè)在C端，即使是手機(jī)廠商從現(xiàn)在開(kāi)始統(tǒng)一思路，義無(wú)反顧的全力來(lái)推UWB搭建生態(tài)也需要3-5年。而B(niǎo)端，整套系統(tǒng)一個(gè)房間就需要3點(diǎn)定位，也就是3個(gè)基站的支持，多個(gè)房間就乘積的關(guān)系。我了解了一下，目前一個(gè)小型商場(chǎng)搭建成本在百萬(wàn)級(jí)以上。而是DW1000的芯片目前搭配的算法又很少，很考驗(yàn)企業(yè)自身的算法優(yōu)化能力，所以目前企業(yè)端實(shí)際上也比較難推。

最后第四個(gè)觀點(diǎn)，我大概了解了下市面上的量產(chǎn)產(chǎn)品，實(shí)際上理論和現(xiàn)實(shí)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(shì)，一到機(jī)場(chǎng)、戶外、大房間等有障礙物的復(fù)雜場(chǎng)景，基本上和wifi都拉不開(kāi)差距。

最后總結(jié)一下，UWB并不是一項(xiàng)前景已經(jīng)穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)統(tǒng)一并且沒(méi)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(xiàng)優(yōu)缺點(diǎn)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(xiàng)早期產(chǎn)業(yè)。

如果一定要問(wèn)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(lái)什么都是白搭。大家也不要太迷信蘋(píng)果，只能說(shuō)蘋(píng)果目前有這個(gè)能力來(lái)攤銷(xiāo)成本，可以作為奢侈品來(lái)炫技。但是單就這項(xiàng)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(shí)都不是什么，解決不了的痛點(diǎn)。而低功耗、萬(wàn)物互聯(lián)則有NB-IoT，所以超寬帶技術(shù)個(gè)人覺(jué)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(lái)，在B端還是有發(fā)展可能的，反之就不要玩了。