崛起的UWB超宽带技术

在一次户外徒步之中，笔者遇到了这样的情况：iPhone持续推送一个通知，“发现Airpods正随你移动”，几乎每搁一小时就会被推送一次；不只是笔者，几乎所有同行者的iPhone之中都收到了这一条奇怪的信息。最后，在归途中果然有同行者发现，他将Airpods Pro遗失在了车上。通过这一次“小事”，不知各位读者有没有好奇，为什么Airpods耳机会“自救”呢？它是如何向周围同行者的iPhone发送“求救”信息的呢？这背后的一切，就是UWB（超宽带）技术应用的成果。

什么是UWB技术呢？

什么是UWB呢？其在百度上的解释为：超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。这个解释似乎也有些晦涩，那么到底什么是超宽带技术呢？

在我们的日常生活中，对于Wi-Fi和蓝牙技术相对很熟悉，它们都是通过无线电信号无线发送和接收数据，并且都是一种近距离通信方式。如果各位了解一定的通信知识，就会知道一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号，通信信号的实际占用带宽并不高。而UWB不同于传统的通信技术，它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短，因此可以实现频谱上的超宽带：使用的带宽在500MHz以上。不仅如此，从这种技术的名字“超宽带”中，我们也能看出来，它的可用频谱带宽非常宽广，FCC 分配给它的频带从 3.1GHz 到 10.6GHz，总共 7.5GHz 的可用频谱带宽，相对带宽超过 100%。

这些自带的禀赋会给UWB技术带来什么好处呢？为了解释这个问题，我们就需要引入大名鼎鼎的“香农定理”，即：在给定信噪比情况下，信道容量 C 和带宽 B 成正比。

香农和他著名的香农定理

上文中笔者提到过，UWB的带宽非常大，那么根据香农定理UWB技术的第一个优点就是超级巨大的信道容量；同样根据香农定理，我们还可以直接得到UWB的第二个优点：在一定的信道容量下，超宽带 UWB 可以接受比较差的信噪比 SNR，换句话来说就是：UWB的抗干扰能力很强。不仅如此，在相同载波功率情况下，带宽越宽，功率谱密度也就越低。在FCC（美国联邦通信委员会）给出的UWB的等效全向辐射功率十分微小，要求其小于-41.3dBM / MHz。这是个什么概念呢？如果将其换算成毫瓦的话，大概是 0.000074mW。如此之小的辐射功率，UWB几乎不会消耗什么电能，对于其他电子设备也不存在什么干扰，并且对于人体健康来说没有丝毫影响，绝对“环保”。但是，如此之小的功率也就意味着UWB技术基本上告别了远距离通信，一般的UWB技术的通信距离也就是10m之内。

UWB技术的应用

UWB并不是一个新兴的技术，早在上世纪60年代开始，就出现了UWB通信，但是其主要应用领域是在军事上，主要利用其抗干扰能力强的特点，探测地下的军事掩体或者是地雷等军事目标，也有UWB雷达或是局域的UWB无限通信设备。

而UWB真正开始大规模走向民用市场的是其在高精度定位上的应用，其缘起在2019年，苹果发布的iPhone 11系列中，其搭载的U1芯片就是利用UWB技术的超高精度定位能力，提高了手机的定位精度，并且能够感知周围手机的准确位置，苹果将其命名为空间感知能力（Spatial Awareness）。

那么UWB为什么能用于高精度的定位呢？

主要原因是上文提到的它能够发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲，UWB 脉冲一般只有 2 纳秒宽，因此不受反射信号（多路径）干扰和噪声的影响。UWB 射频的脉冲边缘清晰，因此在存在日常环境中常见的信号反射和多路径效应的情况下仍能精确测定到达时间和距离。再加上其功耗几乎可以忽略不计，因此十分适合手机、耳机这种电量紧张的小设备完成小范围的高精度定位。

Apple首先就利用U1芯片完成了对于Airdrop的升级，利用其精确定位能力，升级之后的Airdrop可以智能识别搭载U1芯片设备的距离，因此，全新的Airdrop可以按照设备的远近智能排序，使得在公共场所之中，用户可以在海量的iPhone设备中，快速找到离自己最近的iPhone，实现快速的Airdrop体验；

其次，在疫情期间，Apple也开发了基于U1芯片的病毒暴露提醒，搭载了U1芯片的iPhone会每天记录与你近距离接触其他iPhone，一旦其机主被确诊为新冠患者，iPhone就会通知U1芯片中记录的所有与其密切接触的用户，有密接风险，这在疫情之中，也发挥了一定的作用；

最后，便是文章开头所提到的设备防盗功能，一旦搭载了U1（目前现在最新的U2）芯片的设备（Airpods系列耳机、Airtag之类）检测到与主人的iPhone距离过远联系不上，这时，iPhone就会记录下断开链接大致位置；与此同时，被遗落的设备就会向附近所有的支持U系列芯片的iPhone（iPhone 11之后的机型）发送丢失通知，以求最大可能性被人发现，从而交还给失主，如果此时失主回到丢失地点附近，设备就会利用UBW高精度的定位，指引失主找到丢失设备。

随着Apple将UWB定位技术广泛应用并初见成效，其他厂商也开始逐渐跟进，其中小米就推出了具备 UWB 技术的手机 ——“一指连”，基于这项“一指连”技术，手机和智能设备将具备空间感知能力，犹如“室内 GPS”。当手机指向智能设备，控制卡片就能自动弹出，能够直接进行操控。

小米利用UWB技术实现的万物遥控器

笔者相信，随着越来越多的厂商跟进UWB技术，这项低功耗的短距离定位技术一定会迎来新一轮的大发展：

工业制造

比如在工业制造领域，UWB 可提供精确可靠的物体和人员位置信息，从而提高运营效率、安全性和资产跟踪性能。在工人接近有安全威胁的区域时及时发出提醒或是在发生紧急情况时UWB可以跟踪是否所有人均以撤出，这样就能极大提升生产安全。

运动

再比如在运动领域，UWB 具有厘米级精度和低延迟，非常适合进行运动分析。可以跟踪运动员快速运动过程中的统计数据，并且无需担心测量不准确。

近距离通信

甚至再想远一步，可以利用UWB实现电子设备近距离通信的无线化，也许史蒂夫·乔布斯先生所设想的完全无孔化的手机距离商业化生产就已经近在咫尺了。

结 语

总之，随着手机厂商的跟进，对UWB技术的规模化商用推广是一次非常宝贵的机会。这也将加速UWB上下游产业链的发展和成熟。在未来结合5G技术和万物互联的落地，UWB技术将有一个十分广阔的前景，UWB技术可以根据自身的特点，与这些物联网场景紧密结合，给用户提供更好的服务体验。可以说，需要智能存在的地方就有UWB技术运用的可能，UWB技术的美好未来，就请各位读者和笔者一起见证吧！

作者：ZongYu 来源：公众号ID：EEPWweixin