UWB技术概述

一、UWB技术相关信息

1.UWB技术的前世

UWB（超宽带）概念在1960年就被提出。1973年，第一个UWB系统的专利被授予。从UWB出现到20世纪90年代之前，UWB技术主要用于军事上的雷达系统。

民用阶段，UWB行业内的厂商此前都在做B端，目前的典型应用包括工厂、仓储、隧道、司法等各种垂直行业的人员或物资高精度定位。

2.UWB技术特点

没有载波的通信系统：

UWB是一个非传统的通信系统，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲为信息载体传输数据。

带宽极宽+极低功率传输：

其频谱范围(3.1GHz—10.6GHz), UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20~1.5ns之间，有很低的占空比，系统耗电很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。如下图所示：

高速的数据传输：

UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，如下图，802.15.3表示的即是UWB技术。

抗干扰性能强：

UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。

3.UWB测距原理

双向飞行时间法（TW-TOF,two way-time of flight），主要利用信号在两个异步收发机（Transceiver）之间飞行时间来测量节点间的距离。每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳 。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)

但是单纯的TOF算法有一个比较严格的约束：发送设备和接收设备必须始终同步。这是一个比较棘手的问题，但是一种Double-sided Two-way Ranging的算法巧妙的避开了这个问题，它既利用了TOF测距的优良特点，同时又极大的去除了TOF的同步问题，从而为TOF的实用化扫清了道路。

4.业内常用UWB的四种定位算法

定位算法中比较成熟的有：TOA（到达时间）、TDOA（到达时间差）、AOA（到达角度或称为DOA估计）定位技术和这三种技术的混合技术。

ａ）TOA（到达时间）

下面的图非常形象的诠释了TOA算法的原理：

然而事情都具有两面性：TOA定位对传播中产生的误差比较敏感，这些误差来自于传播中的反射、 多径传播、非视距传播和噪声等干扰，会造成各圆无法相交或相交处不是一个点而是一个区域。同时TOA定位要求移动终端和基站之间在时间上要准确同步，1ns的同步误差将会给定位带来大约0．3米的不确定性。

ｂ）TDOA（到达时间差）对TOA技术加以了改进

TDOA定位不必要进行基站和移动终端之间的同步，而只需要基站之间进行同步。因为基站的位置是固定的，基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步要容易实现得多。

它通过测量出两个不同基站与移动终端的传输时延差来进行定位。假设移动终端的位置与基站1和基站2的距离差为R21=R2-R1，则移动终端的位置必定在以两个基站为焦点，与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线上。

再通过另一组移动终端与基站1基站3或基站2基站3的TDOA，可以得到 另一组双曲线，两组双曲线将最多产生两个交点，再根据先验知识(如半径范围 等)判断出移动终端的位置。

它的基本原理可以从下面的图得到良好的诠释：

ｃ）AOA估计也叫DOA(Direction ofArrival)估计或者方向识别DF(DirectionFinding）

AOA的优点是所需要的基站比较少，最少只要两个基站就可以进行定位。

下图很好的诠释了AOA的基本原理：

AOA的缺点是当移动终端和基站的距离比较远的时候，即使有微小的定位角度的误差，都会造成比较大的定位距离的偏差。

因此AOA定位多见于中、短距离的定位。

d ）混合定位技术

就是混合使用上述的两种或三种定位技术，比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等，通过检测并提取相关的定位参数，用于定位解算。

混合定位技术可以运用多种定位参数实现定位，综合不同定位技术的特点，在各 种定位技术的特性中取长补短，让最终的定位性能得到优化。

二、UWB市场相关信息

1.UWB产业链现状

分离电路板方式

早期，UWB定位方案的核心元器件采用的是分离电路板方式，提供此类方案的公司有：Ubisense公司，Ubisense公司是全球实时定位系统（RTLS）的领导者，由剑桥大学贝尔实验室团队组建，其设计和研发在英国，生产和服务在德国。

UWB芯片方式

UWB定位芯片出现之后，使得UWB最具技术壁垒与核心的环节得以标准化，因此，直接刺激了大量的企业涌入到UWB定位领域中进行技术的二次开发，以及市场应用的拓展。

UWB定位系统组成

UWB定位系统主要包含基站(Anchor)，标签(Tag)和应用软件(system)。目前UWB定位企业第一梯队的企业都是采用提供整体方案的商业模式，因为对于很多用户来说，希望技术供应商能够供应整体化的解决方案。目前行业里面基站是主要的盈利点；标签量虽然大，但价格比较低，毛利也比较低；应用软件毛利很高，但目前占比比较小。

2. UWB相关芯片及解决方案企业

估计最近几年，国内做UWB定位技术类企业数量也快速的增加，以下是对当前国内UWB定位技术企业的数量估算。

个人感觉目前UWB产品应该可以分为两代产品，第一代最代表的就是Ubisense，需要部署接收器，接收器间有线通信并进行时间同步，标签发射信号被动定位（监控系统知道标签位置，但标签无法知道自己位置），第二代比较具有代表性的是目前Decawave做的芯片级产品，利用的Two Way Ranging双程测距，无需时间同步，可以在终端或系统测定位，即可以主动也可以被动定位。

我们把UWB产商分类两类，一类是完整方案提供商，这类厂商主要是为了给行业需求服务，另一类是芯片或开发板提供商，这类厂商主要是提供研发类产品。

完整方案提供商我们正在联系的有唐恩科技、清研讯科、恒高科技、艾思科米、沃旭通讯、精位科技、晨控自动化、艾瑞森等几家国内产商，截止目前时间节点得到的信息，唐恩主要还是做Ubisense的代理，包括清研讯科、艾思科米都不能支持主动定位，推测主要产品还是第一代类Ubisense产品；沃旭据说是Decawave中国代理，他们做的产品属于二代的产品，另外在网上新闻今年的上海室内定位峰会上看到了精位的新产品，可以支持主动定位，也看到了他们的合作案例，而晨控和艾瑞森都支持终端解算，都属于二代产品行列。

目前了解到的厂商还有中电昆辰，貌似产品推广挺多，但是对他们了解不太深。

芯片级产品厂商主要就是Decawave、Pozyx、沃旭、SnailTech、ANO TC以及科创物联。前两家是国外厂商，其他都是国内集成厂商。

如果是监控人员和资产类，在成本允许条件下，选择第一代的成熟产品可能更方便快捷，选用第二代产品需要对产品的稳定性进行评估~

3.UWB芯片、标签及基站目前市场价格及盈利水平

在当前UWB企业级定位市场中，项目制的市场环境的特性是方案有很多定制化的内容，报价方式是对整体方案进行打包报价，尤其是很多项目中，还有一些应用软件的开发，因而报价会有很高的灵活性。

行业的毛利在的降幅会比较明显，主要原因是有：硬件尤其是基站产品降价比较明显，以及应用服务环节处于萌发期。To B类的应用行业毛利不会低，参考目前GNSS行业，我们预估，UWB定位的毛利将会稳定在50%左右。

4.苹果UWB分析

苹果在官网上只介绍了U1超宽带芯片可用于AirDrop，将手机指向另一个手机，通过测向和定位可以优先连接该手机。

其实苹果早些年开始已经进行了多项UWB布局，这个是关于UWB用于汽车车钥匙的专利。2019年苹果相关专利甚至传说苹果要用UWB技术做iBeacon V2。应用层面，网上也有很多例子，感兴趣的可以去查阅。

a)高精度定位的C端应用

可以在C端用于停车场找车、找宠物、找娃、找钥匙，也可以用于陌生人社交找人，这简直就是终极找东西的神器。想象下，在车海中快速找到来接我的滴滴快车。这种应用是不需要环境中部署基站的，只需要双方都具有UWB设备。

b)无感门禁

UWB的时间戳测距原理使得UWB几乎不可能通过被截获复制的方法伪造出自己的位置，那么UWB可以作为安全性很高且便捷的钥匙了。iPhone11可以作为车钥匙，提供比现有无钥匙进入技术安全性更高、定位精度更高的体验。想象下，拿着手机距离车辆5米时车灯自动点亮，距离车门1米时，对应车门自动解锁。如果此时转身，迈开一步离开，车门自动上锁。iPhone11希望连接未来所有汽车，这也许是苹果推出U1芯片的重要原因。

c ) 智能锁应用

在智能锁上应用也是可能的，三星在19年初CES期间以及发布一款应用UWB技术的智能锁，只是当时还没有手机钥匙，需要佩戴专用的UWB钥匙。随着手机加入UWB芯片，手机作为钥匙的应用前景会很快到来。

d) 无感支付

iPhone11也可以通过与POS机安全测距等方式为Apple Pay等支付技术提供更安全的无感支付体验。甚至将来拿了UWB手机的人可以直接无感过UWB地铁闸机，而无需掏手机出来扫码或刷NFC，类似汽车ETC过闸机一样。

三、UWB的一些问题

1.UWB技术

a) 技术标准向前兼容，而非向后兼容

Decawave公司的DW1000支持IEEE 802.15.4-2011标准，明年2020年量产的DW3000芯片将支持最新的IEEE 802.15.4z标准。苹果的U1和NXP新发布的SR100T也都支持IEEE802.15.4z最新标准。802.15.4z在原有标准基础上定义了新的特性，可以提升安全、功耗更低、且传输距离更远。注意IEEE 802.15.4z是向前兼容的，所以iPhone11可以和现在普遍应用的IEEE 802.15.4-2011标准的DW1000对接，但这只是理论上存在可能.

b) UWB领域并没有网络层及以上的行业标准。

虽然同样是采用DW1000芯片的系统，但不同厂家产品是完全不兼容的。定位算法也有很多种，适用不同的场景，并没有一个开源的算法给大家用。往往需要厂家做大量的算法研究工作，并结合各种场景做大量迭代。在苹果未来逐渐开放其U1芯片定位应用的SDK后，预计会有部分改观。

2、UWB芯片

前面的关于UWB的特性是从原理上来说明的，从芯片层面来较实际的应该有一些折扣。拿某款在55nm水平上的芯片为例，从大速率传输的角度看：

• 峰值速率原理上能达到1Gbps，但能做到稳定传输应该在640Mbps左右。
• 射频方面原理上是3-10G的频带，但实现的过程中基本保持在3-4G中的若干375M频段。
• 如果保持-40dBm的发射功率，传输距离基本上是在客厅范围。这也是UWB大速率数据传输中的典型应用，包括电脑投屏，家庭影院等。
• 功耗上看，全频跑应用怎么都得百毫安，功耗不友好。
• 成研发成本上看，UWB至少和WiFi11n甚至WiFi11ac相当，并不简单。
• 当年UWB没能发展是因为，从以上所有性能上看几乎都赢不了WiFi11ac，Intel也退出了他发起的联盟。

如果从定位的应用角度看：

• 所有的无线都可以用来定位，高频段的方向性要好一些，但看你用的是3G还是10G。
• 只做定位的话，芯片复杂度能降低多少需要进一步研究，暂不评论。
• 功耗，成本等，目前看比不上其他的无线技术。
• 从B到C要解决功耗，成本的问题。

3、UWB感想

• UWB不是新东西，只是突然被更多的人看见了。

• UWB作为民用，出身时的标签是高速率数据传输，定位只是前者失败后的一个替代应用。

• 被看见了，不代表它会在技术特性，应用和市场等方面就突变了。