超寬帶 (UWB) 是一種基于 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)的無線電技術(shù)，可以非常準(zhǔn)確地測(cè)量無線電信號(hào)的飛行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)厘米精度的距離/位置測(cè)量。
所謂，IEEE 802.15.4a ，是定義 IR-UWB 物理層的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)旨在提供非常高精度的定位，同時(shí)提供高達(dá) 27Mbps 的同步雙向通信，以收集傳感器數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行器。該標(biāo)準(zhǔn)于 2005 年啟動(dòng)并于 2007 年獲得批準(zhǔn)，然后于 2011 年完全集成。2018 年，該標(biāo)準(zhǔn)以802.15.4z 的形式重新開放，以進(jìn)一步增加物理層的安全性，因?yàn)楝F(xiàn)在預(yù)計(jì) UWB 將用作汽車和移動(dòng)行業(yè)的安全交易無線技術(shù)。
除了這種獨(dú)特的功能外，UWB 還提供數(shù)據(jù)通信功能。同時(shí)使用極少的功耗——使紐扣電池運(yùn)行多年而無需充電或更換。通過結(jié)合準(zhǔn)確的定位和通信。此外，UWB 還提供了一種新的無線安全通信方式，為新形式的安全交易打開了大門。
UWB 的工作原理
UWB 利用飛行時(shí)間 (Time of Flight：ToF)，這是一種通過將信號(hào)的飛行時(shí)間乘以光速來測(cè)量?jī)蓚€(gè)無線電收發(fā)器之間距離的方法。從這個(gè)基本原理出發(fā)，UWB 技術(shù)可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用需求以不同方式實(shí)現(xiàn)，分別是 TWR（Two Way Ranging）、TDoA (Time Difference of Arrival) 或 PDoA(Phase Difference of Arrival )。
其中 TDoA 方法與 GPS 非常相似。多個(gè)參考點(diǎn)（稱為錨點(diǎn)：anchors）部署在一個(gè)場(chǎng)地中并且是時(shí)間同步的。移動(dòng)設(shè)備將發(fā)出信標(biāo)，當(dāng)“錨”接收到信標(biāo)信號(hào)時(shí)，它會(huì)為其添加時(shí)間戳（timestamp）。然后將來自多個(gè)錨點(diǎn)的時(shí)間戳發(fā)送回中央定位引擎，該引擎將根據(jù)信標(biāo)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差運(yùn)行多點(diǎn)定位算法，以計(jì)算移動(dòng)設(shè)備的 X、Y、Z。
采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)之一是低功耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用這種設(shè)計(jì)的標(biāo)簽的電池壽命可以長(zhǎng)達(dá) 7 年（CR2032 – 0.1Hz 更新率）。同時(shí)，還能布置非常高密度的設(shè)備（數(shù)以千計(jì)）。但這種方法還是有缺點(diǎn)，例如錨點(diǎn)需要時(shí)間同步和復(fù)雜的部署。
至于 TWR 方法，TWR 方法依賴于兩個(gè)設(shè)備之間的雙向通信。在進(jìn)行通信時(shí)，這些設(shè)備還會(huì)測(cè)量它們之間 UWB RF 信號(hào)的飛行時(shí)間。通過將信號(hào)的往返時(shí)間乘以光速，然后除以 2，您可以得出兩個(gè)設(shè)備之間的實(shí)際距離。如果在兩個(gè)設(shè)備之間應(yīng)用 TWR 方案，您將獲得兩個(gè)設(shè)備之間的距離 (D)。基于 TWR 方案，您還可以通過測(cè)量移動(dòng)標(biāo)簽和固定信標(biāo)之間的距離來實(shí)現(xiàn) 2D 甚至 3D 定位——這稱為三角測(cè)量。
采用這種方法的有點(diǎn)是不需要系統(tǒng)同步，能夠輕松部署，且雙向通信使得下行數(shù)據(jù)和控制成為可能。但和另兩種方法一樣，TWR 也有缺點(diǎn)，其中一個(gè)就是功耗更高。統(tǒng)計(jì)顯示，根據(jù)應(yīng)用的不同，TWR 方法的設(shè)備電池壽命僅為數(shù)月至一年。此外，移動(dòng)設(shè)備數(shù)量有限（數(shù)百個(gè)）也是其中一個(gè)缺點(diǎn)。
最后，PDoA 的方法將兩個(gè)設(shè)備之間距離的 TWR 方案與兩個(gè)設(shè)備之間方位測(cè)量的方案結(jié)合。這樣的組合允許在沒有任何其他基礎(chǔ)設(shè)施的情況下計(jì)算兩個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置。為此，其中一個(gè)設(shè)備帶有兩個(gè)天線，能夠測(cè)量射頻信號(hào)的到達(dá)相位差。
這樣的方案的好處是減少基礎(chǔ)設(shè)備位置方案和兩個(gè)設(shè)備之間的相對(duì)定位。但卻帶來了位置誤差不是長(zhǎng)壽湖，而是兩個(gè)設(shè)備之間距離的函數(shù)。
為什么說 UWB 是首選的定位技術(shù)
與藍(lán)牙或 WiFi 等其他技術(shù)為新目的而重新設(shè)計(jì)不同，UWB 射頻信號(hào)的物理特性從一開始就被明確定義——以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、超準(zhǔn)確、超可靠的定位和通信。
在 Decawave（已經(jīng)被 Qorvo 收購），我們還希望 UWB 技術(shù)變得無處不在，我們?cè)?UWB 芯片的定義中增加了低功耗和低成本。Decawave 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Michael McLaughlin更是創(chuàng)建 IEEE 802.15.4a 標(biāo)準(zhǔn)的工程師團(tuán)隊(duì)的一員。這個(gè)團(tuán)隊(duì)的愿景就是讓每個(gè)連接的對(duì)象“位置感知”，因?yàn)樗麄兿嘈拧盎卮鹞恢谩睂槲锫?lián)網(wǎng) (IoT) 等應(yīng)用程序的成功帶來巨大價(jià)值。
為了更好地推動(dòng) UWB 的應(yīng)用，包括 Decawave、 Hyundai、Kia、Zebra、Alteros、Novelda 和 Ubisense 在內(nèi)的多家企業(yè)發(fā)起了一個(gè)全球性的非營(yíng)利組織 UWB Alliance ，該聯(lián)盟成立的目的是致力于共同將 UWB 技術(shù)建立為開放標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)。助于促進(jìn)大規(guī)模的 UWB 部署并保護(hù)全球數(shù)百萬已安裝的設(shè)備免受無線電技術(shù)的侵害。該聯(lián)盟將通過端到端、與供應(yīng)商無關(guān)的互操作性計(jì)劃推動(dòng)增長(zhǎng)，這些計(jì)劃將為包括導(dǎo)航、跟蹤、安全、成像、傳感和通信在內(nèi)的多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和工業(yè) 4.0 應(yīng)用提供準(zhǔn)確的定位。
Qorvo 實(shí)現(xiàn)與 Apple*U1 芯片的互操作
在今年六月，Qorvo 宣布，公司旗下 DW3000 系列產(chǎn)品支持與 iPhone 和 Apple Watch 型號(hào)*中使用的 Apple U1 芯片的互操作，符合 2021 年全球開發(fā)人員大會(huì)上公布的新的 Nearby Interaction 協(xié)議規(guī)范草案要求。
利用這種兼容性，開發(fā)人員能夠根據(jù)配備 U1 芯片的 iPhone 或 Apple Watch 的位置、距離和方向來輕松評(píng)估新的應(yīng)用體驗(yàn)。DW3000 是 Qorvo 的下一代超寬帶(UWB)芯片組系列，將推出四個(gè)型號(hào)以及多款模塊和 beta 開發(fā)套件，并全面投入量產(chǎn)。
Qorvo UWB 硬件和軟件解決方案遵循 FiRa 聯(lián)盟 PHY 和 MAC 規(guī)范開發(fā)，符合 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)。作為 FiRa 的贊助商和董事會(huì)成員，Qorvo 致力于發(fā)展 UWB 生態(tài)系統(tǒng)，并運(yùn)用其技術(shù)和應(yīng)用專業(yè)知識(shí)來幫助定義規(guī)范，以確保不同的終端產(chǎn)品之間的互操作性，為消費(fèi)者帶來新的無縫體驗(yàn)
全球科技市場(chǎng)咨詢公司 ABI Research 預(yù)測(cè)，2021 年 UWB 設(shè)備的出貨量將達(dá)到 3 億臺(tái)。ABI Research 的研究分析師 Stephanie Tomsett 表示：“智能手機(jī)將進(jìn)一步提高 UWB 集成度，讓用戶能夠準(zhǔn)確定位其他支持 UWB 的設(shè)備、開門或解鎖車輛，以及實(shí)現(xiàn)購物自動(dòng)無線付款。
Qorvo 移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部總裁 Eric Creviston 表示：“我們非常高興 Qorvo 的眾多 UWB 解決方案組合能夠支持與 Apple 的互操作。我們注意到，UWB 技術(shù)在許多移動(dòng)、汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中迅速普及，以提供出色的定位和安全通信功能。這為提供全新用戶體驗(yàn)提供了契機(jī)。過去 10 年，Qorvo 的 UWB 團(tuán)隊(duì)一直走在該領(lǐng)域創(chuàng)新的前沿，為眾多用戶提供支持，幫助他們?cè)?40 個(gè)不同的垂直市場(chǎng)中設(shè)計(jì)突破性的產(chǎn)品和解決方案。”
Qorvo UWB 產(chǎn)品兼容采用 U1 的 iPhone 和 Apple Watch 型號(hào)/詩與盛夏
Qorvo UWB 開發(fā)套件
DWM3000EVB
這款 Arduino Shield 開發(fā)套件基于 Qorvo DWM3000 模塊。
支持開發(fā)人員靈活利用 Nordic Semiconductor 開發(fā)套件（nRF52832DK、nRF52833DK 或 nRF52840DK）來評(píng)估 Qorvo UWB 技術(shù)。
DWM3001CDK
這款套件基于 DWM3001C 模塊，旨在為開發(fā)人員提供快速的原型制作解決方案，通過 USB 和免許可專業(yè)級(jí) IDE 來提供 JLINK-OB 調(diào)試功能。
Qorvo UWB 軟件套件
兼容所有的 Qorvo UWB 產(chǎn)品，從驅(qū)動(dòng)器到 MAC、GUI 以及日志工具。嵌入式軟件符合 Apple Nearby Interaction 協(xié)議和 FiRa PHY/MAC 規(guī)范。
Qorvo UWB 模塊
DWM3000
純 RF 模塊，集成 DW3110 芯片組、天線和電源管理。優(yōu)化的 RF 布局簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)集成。DWM3000 可通過 SPI 與各種微控制器輕松連接。
DWM3001C
將 Qorvo DW3110 UWB 芯片組、Nordic nRF52833 BLE SoC 和一個(gè)加速計(jì)組合在一起，即可得到快速構(gòu)建標(biāo)簽和門禁等應(yīng)用原型的出色平臺(tái)。
Qorvo UWB 芯片組
DW3000
第二代四款 UWB 芯片組（DW3110、DW3120、DW3210、DW3220）針對(duì)低功耗電池供電應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。在全球范圍內(nèi)提供 UWB 信道 5(6.5 GHz)和信道 9(8 GHz)支持，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 6.8 Mbps，同時(shí)提供精準(zhǔn)定位，精度在 10 cm 內(nèi)，角度測(cè)量精度為 +/-5°。芯片組采用 QFN 和 CSP 封裝。
Qorvo 的評(píng)估套件和模塊現(xiàn)在可提供樣品，所有 UWB 芯片組將進(jìn)入全面量產(chǎn)。有關(guān) Qorvo 的 UWB 產(chǎn)品和解決方案的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問 https://www.qorvo.com/feature/uwb-solutions-compatible-with-apple-u1。
*支持 U1 的 iPhone 型號(hào)包括：iPhone 11、iPhone 11 Pro、iPhone 11 Pro Max、iPhone 12、iPhone 12 mini、iPhone 12 Pro 和 iPhone 12 Pro Max。Apple Watch Series 6 采用 U1 芯片。
