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UWB精準定位解決方案
一、前世：UWB概述
超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）： 超過中心頻率 20%的相對帶寬，或擁有 500MHz 以上的絕對帶寬。通常UWB指的是脈沖無線電超帶寬（Impulse Radio Ultra-Wideband，IR-UWB) 。
UWB不是新東西，早期主要用于面向B端的高精度定位，自19年蘋果發布支持UWB的iPhone11后，面向C端的應用吸引了手機廠商和汽車廠商的關注。
2004年以前，IEEE 802.15.3a致力于基于UWB的10米范圍內的無線高速數據傳輸。2004年，IEEE成立802.15.4a工作組開發UWB物理層標準，將關注點轉向高精度定位。FCC為UWB分配了3.1-10.6GHZ共7.5GHZ頻帶，但嚴格限定UWB輻射功率功率為 -14dBm。
UWB定位芯片行業老大是Decawave。國內這方面積累相對弱點，但也有跟進的。另還有NXP全場景的UWB芯片，三星就是用他們的。蘋果用的是自研的U1芯片。Decawave是目前全球最大的UWB定位芯片廠家，Decawave擁有從芯片的開發套件各種產品，而且很便宜，試用成本低。
二、UWB定位技術
UWB定位基礎是ToF/ToA測距。單純的TOF算法有一個比較嚴格的約束：發送設備和接收設備必須始終同步。這是一個比較棘手的問題，但是一種Double-sided Two-way Ranging的算法巧妙的避開了這個問題，它既利用了TOF測距的優良特點，同時又極大的去除了TOF的同步問題，從而為TOF的實用化掃清了道路。
UWB定位的另一個基礎是利用AOA和AOD測角。需要有至少兩根天線，距離為d，當電磁波發射過來時，兩根天線具有一個光程差。而學過電磁波原理的人都知道，知道相位差就能知道光程差，知道光程差與天線距離，就能算出夾角。因此，通過測量兩個波的相位差就可以得到夾角。這就是測角的原理。
通過測角的定位原理是：已知2個或以上基站的位置，加上AoA/AoD 測量的角度，即可確定終端的位置。通過測距的定位原理是：基于ToF計算3個或以上基站到終端的距離，即可確定終端的位置。那么，如果基站只有一個怎么辦呢？我們通常是通過天線陣列來搞定。
三點測距定位是有缺陷的，因為它需要測量TOF，需要基站和終端之間的同步。因此，業界通常采用的是另一種方法，叫TDOA。通過測量出兩個不同基站與終端的傳輸時延差來進行定位，每個基站對應一條雙曲線，雙曲線的交點就是目標點。因為基站的位置是固定的，基站之間進行同步與基站和移動終端之間進行同步要容易實現得多。
上述討論的主要是絕對定位，接下來討論相對定位技術的應用。UWB相對定位的原理是一個設備帶有兩個天線，通過基于到達相位差的AoA測量角度，通過基于ToF的SS-TWR測距測量距離。結合兩個設備之間的相對距離和方位角，可計算兩個設備的相對位置。優點是部署簡單，無需要部署額外基站。
UWB納秒級窄脈沖和低占空比，使UWB可以實現cm級定位精度，這就是UWB在定位方面相比其它所有非脈沖通信的優勢。UWB天然具有更高的安全性，其使用測量時延的方式而非信號強度的方式，可以有效防止中繼攻擊。
Decawave做過一個多種定位技術的對比。對比結果表明，UWB在精度和可靠性上都優于其它技術，同時，也在安全性、時延、可擴展性和功耗上具有明顯優勢。
相對于新興的藍牙5.1定位技術來說，筆者認為，UWB有五勝：
1、UWB在定位方面更專用。藍牙還可能要兼顧其他功能，從定位技術角度來說，就有太多的冗余東東了，這個角度上，UWB勝。
2、多徑效應。比如在房間里等空間應用，信號反射如果有多個，可能就很難區分。這方面UWB的短脈沖和低占空比，反射不易疊加，可精確區分。這一點上，UWB勝。
3、測量原理。從前文可知，UWB更精確。
4、誤差。信號強度距離的平方負相關，藍牙的測距只能叫評估，不能叫測量。評估遠還是近，但無法明確指出是幾點幾米。舉個例子，假設測角誤差為5度，若兩個設備相距10米，則定位偏差為1.8m左右，但若是相距50m，定位偏差則可能高達8.87m。這是因為角度確定后，形成的是一個錐形，錐形越長，開口越大。這里我沒畫圖，大家想象一下？這方面，UWB誤差更小。
5、技術成熟度。目前來說UWB比藍牙5.1定位的軟硬件要更加成熟，至少我們現在看到了UWB成熟的產品。
三、UWB數據傳輸技術
UWB高速數據傳輸，主要遵循04年以前的802.15.3規范，本來想打造無線個人局域網絡，Intel和三星都非常積極，但是在Wi-Fi 5/6的出現后，優勢不再明顯。后面標準也沒定下來，產業也沒跟上去，就黃掉了。
現在，演進的標準是802.15.4規范下的UWB低速數據傳輸，主要服務于精準定位和安全通信。它的主要演進方向為精確性、數據速率和安全性三個方面。
在點對點安全傳輸方面，UWB相比NFC感知范圍廣、傳輸速率高、防中繼攻擊能力強，相比Wi-Fi更適用于低速率、密集終端的惡劣環境數據傳輸。我們不說UWB要替換NFC，但基于其精確測距，UWB完全可以作為NFC的一種輔助模式存在，提高用戶交互體驗。
另外，在高速數據傳輸方面，當前主要集中在更高的頻譜和更復雜的調制方式等方面，脈沖UWB并不在考慮范疇。
四、今生：UWB應用場景
隨著移動設備使能UWB，UWB應用場景從標簽與固定基站之間交互，逐步演化為基于相對定位的移動設備與固定基站/移動設備之間交互。
智慧門禁。安全性的關鍵在于證明“人與憑證都在”。證明“人在這里”，與憑證同等重要。業界多結合多種技術一起使用，例如使用藍牙進行設備發現，UWB 則用于精準定位，而 NFC 則是用于手機沒電情況下的備用進入手段。UWB是輔助手段，傳統手段應該繼續存在！
定位服務。有傳統的定位，也可利用UWB定位來做鏡頭跟蹤，也可以用在就近配對場景中。例如，耳機與電腦配對，當來了電話，把手機拿過來，耳機自動與手機配對等。
精準離線尋人找物。這是一整套解決方案，簡單來說，就是手機不聯網，也可以通過第三方的手機獲得GPS定位粗略位置，然后，再結合AR，通過UWB獲取設備精確位置。比如蘋果的AirTag。
新型交互方式。在屏幕上滑動后，與軌跡方向的設備進行交互，指向性交互的模式也是類似的。
互動游戲。比如：兩人各自通過一個滑塊將移動的小球打到另一個設備的屏幕上，也可以進行多人AR對戰，或者重新定位多屏互動。
當前各大終端廠商都在UWB方面已開始有部分應用。主要場景有無感數字鑰匙、指向性交互、尋人找物等，對于手機公司來說，UWB 未來可能成為像藍牙、GPS 一樣的標配。
五、未來：思考和總結
最后是一些關于UWB相對定位前景思考。我們知道，基本上所有智能手機都支持Bluetooth和Wi-Fi，但NFC并不是。UWB至少需要像NFC一樣規模的部署。另外，還需要有殺手級的應用。
本文觀點總結為以下四點，歡迎大家一起參考討論：
（1）UWB相對定位是UWB技術的著重應用點；
（2）如果定位需求可靠性、穩定性、精確性和可重現性，UWB相比藍牙5.1更具優勢；
（3）UWB低速數據傳輸而非高速數據傳輸；
（4）UWB還有比較長的路要走，至少需要像NFC一樣規模的部署。另外，還需要有殺手級的應用。