最详细UWB技术及特点介绍

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UWB简介

UWB是Ultra Wide-Band缩写，来源于很久之前的脉冲通信技术；多宽算宽呢？当前，FCC定义中对UWB系统的定义有两个类别

带宽 >500MHz且载波中心频率>2.5GHz
此处忽略

FCC里，UWB的频带分配为3.1GHz~10.6GHz，共7.5GHz的频带；辐射功率方面，限定了远低于BLE/WiFi的级别，-41.3dBm；而频谱方面，可以看到UWB的宽多了。

（功率限制）

(IR-UWB BPSK信号图)

(BLE及UWB信号频谱对比)

与BLE，WiFi这样的窄带通信技术相比，UWB有哪些好处呢？为什么说起精准无线定位就是UWB？

我们一起捋下UWB的四大特点

抗多路径能力强；(带宽越宽，多路劲分辨能力越强，相对获取更高的位置分辨率)，如下图，UWB的路径损耗，在最坏路径下，比窄带通信少~7dBs
时间分辨率高，UWB信号一般在纳秒级传输完成，V(速度)*T(时间)=距离，高精度的时间分辨率支持更高精度的定位；
能效高，UWB及窄带的信号能量曲线如下，可以看到UWB的能效比窄带的高很多，这使得UWB可以以相对更低的发射功率，传输更远的距离；
抗干扰，UWB的超宽带宽，让其携带的信号，能够在更低的SNR下进行传输；

综上所述，UWB所具有的优势，使得其非常适用于高精度定位；能做到多少精度? 与其他技术比，精度对比如何？我们从图中可以看到，UWB的定位精度为<10cm级别；

(不同脉宽的UWB信号精度)

(不同技术的定位精度，From Decawave)

基于UWB的定位算法

之前有一篇文章，详细介绍了AoA定位，有兴趣的朋友可以看看；

蓝牙AoA定位技术

UWB定位的核心原理是ToA(Time of Arrival)，就是已知信号传输速度情况下，通过传输时间得到距离，Decawave (UWB定位领头公司，被Qorvo收购)，ToA又可细化为TDoA，TWR，PDoA，其主要原理及优劣势如下 (From Decawave官网)

(TDoA)

这个TDoA，大家可以想象下初中，通过圆规画不同直径的圆，圆圈的焦点及是被定位的点；

(TWR)

(PDoA）

PDoA综合了两个维度，一个是时间维度，用于计算距离，一个是信号角度，用于计算方向；

UWB标准

UWB被解绑后(最初应用于军工)，第一个IEEE的标准为802.15.3a，然而由于成本，功率等问题被遗弃；新标准于2005年起草并于2007年生效，2011年版本最终完善，这个标准即802.15.4a-2011; Decawave公司的DW1000即支持802.15.4a-2011；

2018年，处于安全性考虑，802.15.4a-2011升级到802.15.4z，目前针对15.4z具体的安全功能没有研究，从NXP获取的信息是在UWB信号的PHY包里面添加了加密和随机数等的保护机制；

UWB芯片及主要参数

目前我能够查到推出UWB芯片的公司及其芯片分别为:

Decawave -/- DW1000

NXP -/- NCJ29D5FS

SparkMicro -/- SR1000

Alereon -/- AL5x00

BeSpoon - /- MOD1(模组)

具体的芯片手册大家可以在官网进行下载，Decawave的DW1000市场占有率最高，我们以DW1000的参数为参考，了解UWB技术的关键参数情况，进而了解其于BLE/WiFi的区别

Datarate	110kbps/850kbps/6.8Mbps
RX Sensitivity	-106dBm@110kbps；-97@6.8Mbps
RX Current	30mA@3.3V
Max TX Pwr	-9.3dBm
TX Current	70mA@3.3V

可以看出，UWB在RF灵敏度方面会更好，但是在绝对功耗方面会更大；为了给大家更加直观的TX和RX适合UWB的功耗及时间开销，DW1000里面有如下两张图；

虽然UWB的绝对工作电流更大，但是由于高效的信息传输，UWB携带信息的平均能耗还是很有优势，具体于WiFi/BLE/ZIGBEE的对比如下图；

同时，由于UWB信号的能效高，使得其可以以更低的发射功率工作，一般UWB的工作距离可达百米级。

UWB联盟

一个技术推广的成功，离不开一群人持之以恒的标准，更新，推广，我们称之为联盟；当前UWB影响力的联盟主要有UWB联盟、FiRa联盟，CCC联盟；

可能因为本人平时关注UWB不够多，没有感受到联盟的太多动作~

UWB联盟：重点保护/加强 UWB在监管方面的权利(FCC/ETSI)

FiRa联盟：在MAC层和应用层(类似BT SIG)上开发互操作性规范，运行认证计划，并进行UWB定位的市场推广；

CCC联盟：专注为安全访问用例定义移动设备和汽车的协议及互操作性；

UWB的应用领域及思考

UWB的应用到底潜力如何，取决于两个点：

一个是UWB本身的技术优势是否有终端应用需求：即是否有高精度定位的需求，目前看有高精度定位的还主要是ToB的，如工厂；
UWB实现终端应用的整体成本，这个又紧紧受UWB芯片生态的影响；

随着手机厂对UWB的集成，UWB芯片成本的降低，有助于UWB芯片进一步的推广应用，也许未来在消费量的市场，如数字钥匙，个人物联网等得到更广泛的应用；

欢迎大家分享优秀国产UWB公司我

“一个专注在无线物联网的产品”

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