UWB發(fā)展進(jìn)入新階段

本文來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

2019年和2020年對于超寬帶（UWB）技術(shù)可以說非常重要。一方面，UWB技術(shù)終于正式進(jìn)入了主流消費電子產(chǎn)品（iPhone 11），另一方面，在今年下半年，IEEE更新了UWB的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（802.15.4z），從而為UWB進(jìn)一步進(jìn)入主流應(yīng)用鋪平了道路。

UWB技術(shù)歷史沿革

UWB技術(shù)發(fā)展的第一個里程碑可以說是2003年UWB美國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布。頻譜是一個相當(dāng)寶貴的資源，每個國家和地區(qū)都有自己獨特的頻譜分配方案。傳統(tǒng)的射頻系統(tǒng)中，射頻信號的功率都集中在相應(yīng)協(xié)議對應(yīng)的頻譜段上，而在協(xié)議之外的頻段則必須保證泄露的功率足夠小以避免干擾。而UWB則使用了另一種思路，它將自己的信號功率分配在很寬的頻譜段中（常常超過1GHz），而在每一個頻點的功率都很小，從而避免對其他無線協(xié)議的干擾。這樣做的好處是UWB可以在全球不同的地區(qū)都能普適地工作，而無需擔(dān)心每個地區(qū)的頻譜分配。

如前所述，UWB的特征是帶寬大，但是頻率點功率密度小，因此傳輸距離通常限制在一米到數(shù)十米的范圍內(nèi)；同時，它的帶寬大，因此傳輸速率可以做到較快，但是其傳輸速率也被功率密度所限制，因為信噪比的原因無法實現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)制方案，其傳輸數(shù)據(jù)率通常在1Gb/s以下。另一方面，由于UWB的調(diào)制方式通常比較簡單，因此其無線收發(fā)芯片的架構(gòu)也相對簡單，因此UWB無線收發(fā)系統(tǒng)的功耗較小，而能效比則較高。

UWB最早設(shè)想的應(yīng)用是作為PC的外設(shè)做短距離無線傳輸，以充分利用其帶寬大的特點，同時在這樣的應(yīng)用中UWB傳輸距離近的限制也不是問題。然而，這樣的應(yīng)用方向市場并不認(rèn)可，一方面短距離傳輸使用UWB相對于USB等其他方案來說無論是成熟度還是成本都沒有優(yōu)勢，另一方面應(yīng)用在類似距離場景的無線協(xié)議（如WiFi）則在興起并且其傳輸速度改善速度很快，這也從另一個方向降低了UWB的競爭優(yōu)勢。

UWB的另一個應(yīng)用思路是利用其低功耗的優(yōu)勢，因此曾經(jīng)有很多關(guān)于把UWB應(yīng)用在可穿戴設(shè)備上的研究。然而，UWB在這個場景里又遇到了藍(lán)牙。相對于藍(lán)牙，UWB的功耗優(yōu)勢并不是特別顯著，尤其是在可穿戴設(shè)備和手機(jī)等智能設(shè)備之間通信無需很高的數(shù)據(jù)率時，UWB的高帶寬高能效比特性更是難以體現(xiàn)。

UWB在沉寂了多年之后，終于憑借其高帶寬的優(yōu)勢找到了一個合適的應(yīng)用，即定位應(yīng)用。在定位相關(guān)的應(yīng)用時，UWB高帶寬的特點決定了其定位精度較高（這里的原理和雷達(dá)很接近）。有趣的是，最早設(shè)計UWB的時候，希望高帶寬能帶來的是高數(shù)據(jù)率，然而和UWB相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用都沒有得到市場認(rèn)可，反而是在和雷達(dá)比較接近的定位應(yīng)用用上了其高帶寬的特點。

UWB正處于爆發(fā)前夜

在過去兩年中，UWB用于定位的特性幫助其進(jìn)入了主流消費電子領(lǐng)域。UWB定位的一大優(yōu)勢是其精確度高。與藍(lán)牙或WiFi等基于射頻信號強(qiáng)度來做定位的方法相比，UWB使用的原理是和一些汽車?yán)走_(dá)類似的飛行時間（ToF），即發(fā)送端發(fā)射一個信號，接收端在收到這個信號之后經(jīng)過協(xié)議定義的延遲后再發(fā)回給發(fā)送端，這樣發(fā)送端只要比較發(fā)送和接受信號的時間差并乘以光速就能獲得發(fā)送端與接收端之間的距離。根據(jù)多個發(fā)送端對于接收端的距離，就可以通過幾何關(guān)系計算出接收端的位置，從而實現(xiàn)定位。相對于基于其他無線協(xié)議定位的高誤差（米級別），UWB定位可以實現(xiàn)分米甚至厘米級別定位精度。

UWB和雷達(dá)信號的相似性也啟發(fā)了使用UWB做高指向性應(yīng)用。眾所周知，雷達(dá)通過天線陣列可以實現(xiàn)高指向性掃描，因此UWB配合類似的天線設(shè)計，也可以實現(xiàn)高指向性的信號傳輸，這一點在蘋果iPhone 11和小米的“一指連”中都得到了充分應(yīng)用。例如，小米的“一指連”使用了天線陣列，從而實現(xiàn)高指向性UWB信號收發(fā)，最終實現(xiàn)了手機(jī)可以把視頻投影到它所指向的電視上的效果。

此外，UWB定位還有另一個獨特的優(yōu)勢，就是安全性。在前幾個月剛剛發(fā)布的IEEE 802.15.4z更新標(biāo)準(zhǔn)中，對于UWB定位的安全性做了改進(jìn)，從而可以從理論上進(jìn)一步防止基于UWB的定位被黑客入侵和篡改。由于UWB的定位是基于飛行時間，因此定位的時候需要設(shè)備實際在場，這樣一來黑客就難以使用一個不在場的設(shè)備來偽造和定位設(shè)備之間的通信。UWB的安全性將在汽車鑰匙遠(yuǎn)程解鎖等應(yīng)用中得到體現(xiàn)。

在過去幾年，UWB的發(fā)展得到了市場和標(biāo)準(zhǔn)制定組織的多重助力，并實現(xiàn)了進(jìn)入主流智能設(shè)備（iPhone 11 和三星Note 20 Ultra）這一重要里程碑。同時，在科研領(lǐng)域也獲得了久違的重視，在2021年ISSCC上又為久違的UWB重新開設(shè)了一個會議議程，我們認(rèn)為這也從另一個角度體現(xiàn)了UWB在未來幾年將會進(jìn)入高速發(fā)展期。根據(jù)UWB Alliance的預(yù)測，到2025年UWB芯片的總體芯片收入將達(dá)到2020年的10倍。

UWB未來應(yīng)用方向與我國半導(dǎo)體企業(yè)的機(jī)會

我們認(rèn)為，未來的UWB的核心發(fā)展方向仍然是雷達(dá)類應(yīng)用（即定位和指向）。

在定位和指向應(yīng)用中，首先智能家電將會成為UWB重要的使用場景。iPhone 11中的U1 UWB芯片根據(jù)指向來優(yōu)先傳輸AirDrop只是該技術(shù)的小試牛刀，未來隨著物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備更多地進(jìn)入家庭，憑借UWB的指向性特性手機(jī)將成為下一個遙控器，同時智能設(shè)備之間使用UWB定位也能完成眾多新穎的應(yīng)用場景，例如家用機(jī)器人的智能定位和導(dǎo)航等。

除了智能設(shè)備之外，另一個能充分利用UWB定位能力的應(yīng)用場景是車載應(yīng)用，例如無線車鑰匙等。隨著智能化汽車的普及，一些遠(yuǎn)程操控空能將會越來越復(fù)雜（例如遠(yuǎn)程離開停車位，遠(yuǎn)程啟動等等），然而其安全性必須得到保障以避免被黑客實現(xiàn)入侵和偷竊，因此基于UWB高安全性特性的方案將會在這個領(lǐng)域占有越來越重要的地位。

從無線技術(shù)上來說，UWB的實現(xiàn)比起手機(jī)通信來說要容易許多，其復(fù)雜度甚至?xí)萕iFi更低，而最關(guān)鍵的是如何與應(yīng)用相結(jié)合。我們認(rèn)為，這對于中國目前紛紛開始自研芯片的手機(jī)和智能設(shè)備公司來說是一個好消息，因為小米，Oppo、華為等系統(tǒng)廠商本來就離應(yīng)用很近，可以很容易地根據(jù)自己的應(yīng)用路線圖去自己設(shè)計UWB芯片（就像蘋果自研U1 UWB芯片一樣），這一方面可以實現(xiàn)差異化競爭，另一方面又提升了整體應(yīng)用方案的獨特特性，因此我們認(rèn)為小米，Oppo、華為等系統(tǒng)廠商有機(jī)會成為未來UWB應(yīng)用+芯片的整體領(lǐng)導(dǎo)者。

除此之外，由于UWB芯片的技術(shù)門檻較低，我們認(rèn)為在市場出貨量上升之后，我們也會快速看到一批有技術(shù)積累的中國公司進(jìn)入市場搶占份額?？傮w而言，我們預(yù)期在未來的數(shù)年內(nèi)，UWB技術(shù)和市場發(fā)展將會進(jìn)入快車道，同時我們也期待中國芯片在這個領(lǐng)域大放異彩。

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