带你了解AirTag中的UWB技术

通信

　　最近随着AirTag的发布，UWB（Ultra Wide-Band）技术再次引起了行业内工程师和消费者的注意。
　　事实上，这并不是UWB技术的首次亮相。UWB技术于上世纪60年代便被用于军事用途。美国联邦通信委员会（FCC）于2002年发布了UWB技术的商业化规范。我国首届UWB论坛于2004年由信息产业部无线电检测中心、中科院计算所、北邮等单位牵头在北京召开。无线电管理局也于2010年前后发布了UWB技术的使用规定通知。UWB已被用于消费类电子产品中，比如三星的Galaxy S21，具备“一连指”功能的小米10，配置UWB芯片的iPhone11、iPhone12等。一些芯片厂商也提供了相应的解决方案，比如Galaxy S21使用的就是NXP提供的芯片。
　　为了加深大家对于UWB技术的了解，21dB于本文对UWB信号原理进行分析，并阐述了UWB技术的特点。由于UWB技术具有比较明显的特点，因此在很多方面都有应用。本文根据UWB的时间分辨率较高这一特点，解释了其高精度定位的实现。最后，我们展示了UWB技术的一些应用场景。
　　什么是UWB？
　　UWB其实是一种无线电信号，之所以被称为超宽频，是因该调制信号具有超宽的频带。传统的窄频信号和UWB使用的超宽频信号的时域波形及频域表示如下图所示：

　　窄频信号
　　超宽频信号
　　从上图可以看出，相比于窄频信号，UWB具有更宽的频带。频带宽度通常为3.1GHz-10.6GHz之间的7.5GHz。由于这样一种超宽频的属性，UWB信号具有很多外延特性，接下来我们简单介绍一下。
　　UWB信号特点
　　1.高信道容量
　　一个通信系统的信道容量可以用香农公式计算为：

　　其中，B为信道宽度，S为信号功率，N为噪声功率。根据香农定理可知，信道容量随着带宽的增加而线性增加。由于UWB信号具有超宽的带宽，因此具有极大的信道容量。许多开发商的UWB芯片速度已经超过100Mbps，也就是每秒传输100M比特的数据。作为对比，4K视频需要的传输速率（H.265标准压缩后）约为12-40Mbps。当然，具体应用时，要考虑到功耗的要求（与香农公式中的功率S有关）。
　　2.低功耗、距离短
　　根据香农公式还可以看出，信道容量一定时，信号的带宽B越宽，其能量就越小。因此，得益于UWB信号的超宽频特点，在信道容量要求不高时，其功耗会极小。UWB设备在进行高速通信时，其耗电量非常小，通常为蓝牙设备所需功率的二十分之一。
　　而较低功耗通常是消费类电子产品的追求之一。然而，功耗的降低，带来的是传输距离的变短。但是另一方面，低功耗带来的优点远高于短距离造成的缺点。因此，这一特点使得UWB信号非常适用于短距离高速无线传输系统。
　　3.低时延
　　下图是一个接收到的理想UWB时域信号，由于这类高斯信号容易生成，所以已经被广泛使用。从下图可以看出，其脉冲宽度较小，通常为纳秒级别。因此，UWB信号在进行通信时，具有极低的时间延迟，较低的时间延迟可以提高测距的精度，并且有利于提升通信产品的用户体验。

　　UWB时域波形图
　　考虑到跳时和扩频等技术，UWB无线系统可以实现灵活的多址功能。因此，可以很方便地进行通信网络的组网。其系统容量远高于WLAN等通信方式。
　　总结UWB系统的特点及与其他系统的对比如下表：

　　UWB高精度定位相应的，在多通道的应用中，由于UWB信号比较稀疏，因此不易发生混叠，具有很高的时间分辨率。利用UWB信号具有较高的时间分辨率这一特点，可以发挥其在高精度定位方面的优势。UWB实现定位的原理与现有的定位技术类似，都是通过距离及方位估计来完成。
　　一般包括三种，基于到达角度估计（AOA，Angle of Arrival），基于接收信号强度估计（RSS，Received Signal Strength）和基于到达时间估计（TOA/TDOA，time/Time Difference of Arrival）。很多学者提出了若干方案来实现UWB系统的高精度定位。本文以学者熊海良等人提出的变频转发双程时间估计方案为例，介绍UWB高精度定位。该方案的示意图如下：

　　定位方案示意图
　　RS1、RS2、RS3和RS4是四个参考站，可以发送和接收UWB信号。UN为未知的待测目标终端，对UWB信号不做基带的处理，仅仅起到变频作用，可以在定位区域的任意位置。第i个参考站RSi在区域内发射以UWB基带脉冲为基础的载波调制信号，UN接收到信号之后，对信号进行变频转发。变频转发之后的信号被RSi接收，完成一个周期。对于第i个参考站而言，一次来回双程时间为：

　　UWB高精度定位的应用场景
UWB在通信中有很多应用，如可穿戴设备、智能家居等。除此之外，UWB在封闭空间内也可实现较高精度的定位和测距。因此，很多物联网相关的场景可以使用UWB高精度定位技术，比如室内和车内的智能设备控制和交互。根据《中国UWB定位技术企业级应用市场调研报告（2019版）》，中国企业级定位是一个千亿级的市场。接下来我们介绍一些相关的产品应用，供读者参考。
　　1.车内苹果和三星尝试利用UWB技术进行车门解锁，并已申请相关专利。将超宽频芯片内嵌至车门，当驾驶员靠近车辆时，就能精准判断驾驶员在车辆的哪个区域。同时，相比于NFC的解决方案，UWB方案不必用户拿出手机，便可解锁车门。在刚刚闭幕的CES 2021上，三星宣布和奥迪、宝马、福特、捷恩斯四个品牌达成合作，搭载超宽频芯片的三星手机将用于解锁车门，预计最早将在今年8月上市。与此同时，宝马宣布纯电SUV车型iX将是旗下首款支持超宽频技术解锁的车型。
　　2.室内小米发布“一连指”，进行室内智能产品的控制。让支持小米UWB技术的手机可以实现对智能设备的厘米级定位，犹如人眼一般感知空间位置，指向任意智能设备都可直接控制，角度测量精度可达±3°，如同加强版的室内GPS。

原作者：王泰辉 21dB声学人

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