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(diǎn)，就是定位能力。

說(shuō)白了，利用UWB技術(shù)，手機(jī)和智能設(shè)備可以更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，不僅可以感知自己的位置，還可以感知周邊其它手機(jī)或設(shè)備的位置。

小米的空間感知

厘米級(jí)定位能力

說(shuō)到定位，相信大家都很熟悉。我們經(jīng)常會(huì)使用例如百度地圖這樣的APP，里面就有定位和導(dǎo)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(lái)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)在最常用的定位技術(shù)，是 衛(wèi)星定位 。

衛(wèi)星定位，是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量的技術(shù)。它的特點(diǎn)非常明顯，就是精度高、速度快、成本低。

大家所熟知的GPS、北斗等，都屬于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），可以提供衛(wèi)星定位服務(wù)。

為了更好地消除誤差、提高反應(yīng)速度，GNSS會(huì)引入一些天基或陸基的輔助手段。結(jié)合輔助手段的GNSS，也被稱(chēng)為A-GNSS。A就是Assisted，“輔助”的意思。

現(xiàn)在比較常用的A-GNSS，是通過(guò)陸基的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，傳送增強(qiáng)改正數(shù)據(jù)，提供輔助信息，加強(qiáng)和加快衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的搜索跟蹤性能和速度，縮短定位時(shí)間，提高定位精度。

A-GNSS系統(tǒng)架構(gòu)

不管是GNSS，還是A-GNSS，都有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是不能實(shí)現(xiàn) 室內(nèi)定位 。原因顯而易見(jiàn)，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)被建筑物遮擋啊。

然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，室內(nèi)定位的業(yè)務(wù)場(chǎng)景卻越來(lái)越多，用戶(hù)對(duì)室內(nèi)定位的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。例如地下車(chē)庫(kù)導(dǎo)航、商場(chǎng)尋找店鋪或同伴，甚至兒童走失尋回。

于是，一些人開(kāi)始嘗試?yán)酶鞣N短距離通信技術(shù)，開(kāi)發(fā)高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)，用于迎合用戶(hù)需求，賺小錢(qián)錢(qián)。可供選擇的技術(shù)，就包括Wi-Fi，藍(lán)牙，UWB等。

什么是UWB

Wi-Fi和藍(lán)牙大家都比較熟悉。UWB是什么呢？

UWB，就是Ultra Wideband，超寬帶技術(shù)。 它源于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)。

了解通信的同學(xué)都知道，一般的通信體制都是利用一個(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UWB不同于傳統(tǒng)的通信技術(shù)，它通過(guò)發(fā)送和接收具有納秒或微秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)摹Ｓ捎诿}沖時(shí)間寬度極短，因此可以實(shí)現(xiàn)頻譜上的超寬帶：使用的帶寬在500MHz以上。

FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）為UWB分配了 3.1~10.6 GHz共 7.5 GHz頻帶，還對(duì)其輻射功率做出了比FCC Part15.209更為嚴(yán)格的限制，將其限定-41.3dBm頻帶內(nèi)。

簡(jiǎn)而言之，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)超大帶寬和低發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)低功耗水平上的快速數(shù)據(jù)傳輸。

由于UWB脈沖的時(shí)間寬度極短，因此也可以采用高精度定時(shí)來(lái)進(jìn)行距離測(cè)算。

相比Wi-Fi和藍(lán)牙定位技術(shù)，UWB具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）抗多徑能力強(qiáng)，定位精度高：帶寬決定了信號(hào)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(qiáng)，能夠分辨并剔除大部分多徑干擾信號(hào)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(dá)到Wi-Fi、藍(lán)牙等傳統(tǒng)系統(tǒng)的百倍以上。

2）時(shí)間戳精度高：超寬帶脈沖信號(hào)的帶寬在納秒級(jí)，由定時(shí)來(lái)計(jì)算位置時(shí)，引入的誤差通常小于幾厘米。

3）電磁兼容性強(qiáng)：UWB 的發(fā)射功率低，信號(hào)帶寬寬，能夠很好地隱蔽在其它類(lèi)型信號(hào)和環(huán)境噪聲之中，傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法識(shí)別和接收，必須采用與發(fā)射端一致的擴(kuò)頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調(diào)，所以不會(huì)對(duì)其他通信業(yè)務(wù)造成干擾，同時(shí)也能夠避免其他通信設(shè)備對(duì)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(kuò)頻增益，使得UWB通信系統(tǒng)能效較高。這意味著對(duì)于電池供電設(shè)備，系統(tǒng)的工作時(shí)間可以大大延長(zhǎng)，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(jī)的發(fā)射功率普遍低于1mW；在長(zhǎng)距離應(yīng)用中，不需要額外的功率放大器即可達(dá)到200米的距離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)6.8Mbps的空中速率。

基于上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(duì)比

目前，常用的UWB測(cè)距方法有三種，分別是：

（1）TOF（Time of flight）：通過(guò)測(cè)量UWB信號(hào)在基站與標(biāo)簽之間飛行的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。

（2）TDOA（Time Difference of Arrival）：利用UWB信號(hào)由標(biāo)簽到達(dá)各個(gè)基站的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位。

（3）PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到達(dá)角相位來(lái)測(cè)量基站與標(biāo)簽之間方位關(guān)系。

限于篇幅，我們將在后續(xù)詳細(xì)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(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）對(duì)UWB做了如前文所說(shuō)的功率上的嚴(yán)格限制，才將UWB技術(shù)解禁，準(zhǔn)許進(jìn)入民用領(lǐng)域。

此后，UWB技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展期，各種技術(shù)方案圍繞著UWB國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定也展開(kāi)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

2007年，IEEE在802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)UWB技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，UWB的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善。

說(shuō)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(chǎng)商。他們提供低成本的芯片出售，零售價(jià)格在幾美元。芯片型號(hào)是DW1000，符合IEEE 802.15.4-2011 UWB標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（在理想條件下，最大可測(cè)量范圍為300m）。

DW1000芯片

去年，在蘋(píng)果公司的產(chǎn)品發(fā)布會(huì)后，基于Decawave芯片DW1000的定位廠(chǎng)商INTRANAV連發(fā)兩條推特，聲稱(chēng)其套件支持與iPhone11的互操作，Decawave也轉(zhuǎn)發(fā)了該推特。這說(shuō)明，蘋(píng)果U1有極大的可能支持IEEE 802.15.4。

其它從事UWB技術(shù)研究的國(guó)際廠(chǎng)商還包括Ubisense、BeSpoon。

這些廠(chǎng)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(shí)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(gè)應(yīng)用生態(tài)，不同廠(chǎng)家設(shè)備性需要實(shí)現(xiàn)互操作、互兼容。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)所有廠(chǎng)家設(shè)備都將可能支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。

本次小米支持UWB，尚不確認(rèn)具體的產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴是哪些。國(guó)內(nèi)目前宣稱(chēng)在做UWB的企業(yè)，包括精位科技、聯(lián)睿電子、紐瑞芯、浩云科技等。

值得一提的是，國(guó)內(nèi)還有大量的中小型創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)在從事UWB解決方案的開(kāi)發(fā)，主要針對(duì)的就是室內(nèi)高精度定位和智能家居、智能園區(qū)、智能廠(chǎng)房等場(chǎng)景。

結(jié) 語(yǔ)

目前，除了蘋(píng)果和小米之外，三星也非常看好UWB技術(shù)，認(rèn)為其將成為下一代可以改變游戲規(guī)則的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)之一。

這些一線(xiàn)廠(chǎng)商的力挺，相信將會(huì)對(duì)UWB技術(shù)有全面的推動(dòng)作用。UWB的規(guī)模化商用進(jìn)程，有望進(jìn)一步加快。UWB上下游產(chǎn)業(yè)鏈的成熟速度，也會(huì)加快。

眾所周知，我們正在加速走向萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代。雖然5G是現(xiàn)在的熱門(mén)，但5G并不能通吃所有的物聯(lián)場(chǎng)景。以Wi-Fi 6、藍(lán)牙、UWB為代表的短距離通信技術(shù)，仍然有很大的發(fā)展空間和市場(chǎng)機(jī)會(huì)。這些技術(shù)可以根據(jù)自身的特點(diǎn)，與細(xì)分物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景緊密結(jié)合，給用戶(hù)提供更好的服務(wù)體驗(yàn)。