2020年10月12日 | 从iPhone 11看UWB技术发展

受疫情影响，本年度的iPhone 12宣布在本月14日正式发布。其中比较受关注的热点是去年iPhone 11中首次推出的超宽带UWB技术，业界普遍猜测这次苹果会有更清晰的技术和产品路线，会在已有的基础上发扬光大，另一方面，安卓阵营对苹果推出的这项新技术并没有以往的好奇与跟随。

那么，超宽带究竟是怎样的一种技术呢？按照苹果的设想，在万物互联互通互融的完美世界里，用户、硬件、软件和服务都和谐地整合在一起，物我两忘，硬件作为人体延伸的一部分随时随地能够感知人和附属物的位置和场景，根据身在何处提供最有价值的软件功能和服务，让用户心想事成的与环境实现自我互动，这样的梦想随着智能硬件的广泛普及离我们越来越近，而最近重新焕发青春的超宽带技术具有空间感知能力，成为这方面重要的支撑技术。

UWB技术的发展历史和趋势

UWB是一种低功耗的无线通信和感知技术，与常见的连续载波宽带通信方式不同，UWB利用纳秒级（0.3ns）的窄脉冲传输数据，有较为精确的定位与感知能力，可用在无线个人局域网络、家庭网络连接、精确定位和短距离雷达等领域。

在著名的Gartner技术炒作曲线里，UWB在2004年炒作周期中达到顶峰，但在2008年后被抛弃，当时已经有一批初创公司因此而倒闭，而到了2019秋季苹果在iPhone 11发布会上，三款新手机均配备一个自研的U1芯片，支持室内导航和物件跟踪服务，一夜之间又重新唤起市场的极大兴趣。究竟是什么让UWB技术这样大起大落呢？

只能说此UWB非彼UWB，这个技术的演进是靠标准制订来推动的，标准演进的不同阶段决定了市场的应用方向和接受度。第一代UWB标准的主要组织是WiMedia联盟，他们定义UWB为低速率无线个域网（LR-WPAN）的一种物理层实现方式，在IEEE 802.15.4协议上实现标准化。WiMedia联盟2002年成立后推出的第一代标准是802.15.4a，专门为短距无线高速率数据传输而设计的，在2006年完成标准制订。802.15.4a的初衷是作为以太网、USB、或音视频类线缆的替代技术，在2000年家庭无线网络和办公无线网络大面积普及时受到重视，特别是2002年美国联邦通讯委员会FCC开放了UWB所用的频段，欧洲、中国和其他地区纷纷跟上，为市场开闸放水，引起了一股技术创新的热潮，很多硅谷的初创公司纷纷投入，但UWB当时错误地选择了竞争目标，和WiFi、蓝牙、USB争夺市场，由于市场时机错过、技术太复杂、网速不够快等种种原因没有战胜WiFi, 在线缆取代上又因为发热和价格败给蓝牙和USB，最终大家发现高成本、高功率和缺乏标准化等三个硬伤很难克服，热潮在2008年左右退去，硅谷因此死了一批初创公司，WiMedia联盟也在2010年停止运作。

但UWB并没有因此消沉下去，UWB工作小组等组织的专家们一边继续完善802.15.4a，一边默默地在2018年推出新标准即802.15.4z，将物理层分为高速率和低速率两个实现方式，并在高速率中加入了定位功能。UWB定位的基本原理是飞行时间测算TOF（Time of Flight），这里又有两种方式，一种是Single Sided，一种是更精确的Double Sided, 相对蓝牙只能靠RSSI即信号强度来作为定位技术而言，要精确很多，比如NXP的SR100T芯片可以做到10厘米内的误差，同时还可以探测移动的角度，误差在3度以内，可以满足大部分定位的技术需求。

苹果的UWB策略

苹果公司长期扎根硅谷，内部有技术专家经历了当年的UWB热潮，失败的教训历历在目，但他们始终关注着UWB的标准发展，直到苹果手机碰到了一个很棘手的问题，即如何为用户定位，他们先考虑了蓝牙技术，但最终因为精确度不够而放弃，转而悄悄内部研发UWB技术，最终在2019年底推出U1芯片，一鸣惊人。

目前UWB的最新标准802.15.4z还没有定稿，在尘埃落地之前，各个玩家都在角力，预计2020年底会确定标准。目前802.15.4z的修订内容包括：

增强单边双向定位SS-TWR功能

提高脉冲速度

加入多基站同时定位功能

加入加密功能，进一步提高安全性

在可以预知的未来，苹果会率先推出各种基于UWB的硬件，支持车钥匙、无接触门禁、实时定位、点对点数据传输等功能，未来会拓展到耳机、手表、平板、笔记本、音箱、Apple TV等各种设备，以及无处不在的标签Airtags，构成一个跟踪定位和互联互通的生态系统，对未来各种应用影响深远。

按照苹果一贯的做法，在遵循802.15.4z标准的基础上，不排除会有自己的创新，我们只能拭目以待。

万物互融时代的应用场景

预计围绕UWB技术，各个公司会发展各种生态，继续完善相关技术，但这并没有解决一个很根本的问题，即硬件供电问题。如果家里有几十个UWB设备，其中很多要用到纽扣电池，按照最理想的状态一年换一次电池也是一个头疼的事情。唯一的解决办法是未来把energy harvesting技术和电池技术结合起来，再也不需要换电池，这会是物联网硬件一个未来的趋势。

基于强大的定位和感知功能，UWB支持各种智能硬件上面的万物互融场景，包括智能手机、智能家庭、安全门禁、汽车、物件跟踪、健康医疗、游戏娱乐等，这些场景包括：

A. 文件传输AirDrop。苹果手机的AirDrop多了一项新功能，按照距离给周围的人排序，这样用户可以选择最近的人来传输数据。

B. 实时定位 Real-time Location。在没有GPS的场合，例如机场的地下停车场，UWB可以帮助定位，用户可以分享给滴滴司机，告知自己的实时位置，这样帮助司机找到乘客。

C. 车钥匙CarKey。通过分析iOS14，有专家发现iPhone将推出CarKey功能，包括开门、通过手机分享汽车给友人等，最初的合作伙伴是宝马，这点也被宝马官方证实，并确定他们属于CCC（Car Connectivity Consortium）联盟，用的是超宽带UWB技术。苹果手机上的这个车钥匙功能会方便家人共享车辆，或者把车辆租给他人，预计会随着iOS 14在九月份推出。CCC联盟正在制订基于BLE和UWB的车钥匙技术标准，其他成员还包括三星、通用汽车、本田、现代、大众、LG、松下等公司，他们致力于开发第三方系统，可以用于任何品牌的车辆。

D．安全门禁Access and Security。当人靠近家门或者地铁闸口时，这些嵌有UWB芯片的门禁可以感知到人的靠近，并自动开门，用户不需要做任何动作。传统的无线钥匙很容易被黑客劫持，通过录制、回放无线信号非法闯入，但UWB独特的ToF原理使得这个开门动作非常安全，不用担心无线信号被黑。

E．环境感知Spatial Context。用户随身携带嵌入UWB的装置，比如智能手机，进入房间后会被其他智能硬件感知，从而自动进行个性化服务，比如设置空调温度、灯光亮度、灯光颜色、背景音乐。

F．万能遥控Point and Control。智能家电中可以加入UWB芯片，当手机或万能遥控器指向它们的时候，软件动态显示智能家电的信息或者控制点；对于没有UWB芯片的智能家电，一种变通方法是在这些家电上放置UWB标签，从而来识别。

G．物件追踪Location Trackers。有报道说苹果计划今年上半年发布一种新的小型外设AirTags，具备UWB无线功能，贴在物体如手机、钱包、钥匙等物体上，通过手机上的Find My应用可以很方便找到，其他功能为：

1）和AR增强现实结合在手机扫描房间时显示物体位置和信息，比如显示一个气球。

2）找不到的物体可以从手机上触发警报，告知所在位置。

3）丢失的物体可以进入丢失模式，被别人找到后可以根据主人信息取得联系后物归原主。 

4）定义安全区，某些物体可以在指定区域内，如果离开则报警。苹果iOS 13内部版本里面已经有对AirTags功能的支持。

F．高精度鼠标High-precision Air Mouse。在智能电视或者机顶盒上，用户可以使用基于UWB的控制器，显示为一个高精度的鼠标，可以实现3D手势控制。

H．健康医疗 Healthcare。UWB信号对物体的运动非常敏感，可以用于非接触式的生命体征监测，在医疗、养老监护等领域有广泛的应用前景，比如睡眠呼吸暂停、老人跌倒、新生婴儿、驾驶疲劳等。

期待苹果本月14号的产品发布会。