继苹果 (Apple) 和三星 (Samsung) 之后，小米也在去年 10 月加入超宽带 (UWB) 行列、发布＂一指连＂技术，意在赋予手机与智能设备犹如人眼一般的空间感知能力。小米 10 系列手机和一干智能家居设备皆内置 UWB 芯片和数组天线，可实现＂厘米级＂定位，角度测量精度可达 ±3°。小米表示，＂一指连＂得益于 UWB 大带宽和窄脉冲特性，空间中不易被拦截，辅以小米距离算法加持，将为安全提供双重保障；UWB 将与蓝牙低功耗 (BLE)、Wi-Fi 形成互补，以满足不同场景下的连接需求。
图1：UWB 能准确提供动作、时间、位置三个向量的信息，尤其是在室内
在小米发布的演示影片中可看到：一指操控接口＋一指投送当前屏幕内容的便利性，小米表示他们不久后的目标是：无感连动。例如，靠近车门或闸门，口袋中的手机就能自动开锁或放行，连拿着手机＂指向＂的动作都免了。UWB 无线电不仅可精确计算距离，还可计算到另一台设备的方向，与物联网设备完美融合。此外，UWB 技术因追踪准确性高，在 COVID-19 接触者追踪和保持社交距离帮助很大。恩智浦半导体 (NXP) 解释，蓝牙虽然可单独侦测社交活动 (基于智能手机应用程序)，但它不够精确且容易受到外部因素影响。
图2：UWB 脉冲信号在所有方向都没有视线问题，且可与包括蓝牙在内的流行无线格式共存，可使社交距离和接触人追踪的设备和应用程序更加准确可靠
蓝牙 RSSI 易受干扰，UWB 趁势卷土重来
蓝牙是使用接收信号强度指示 (RSSI) 技术来估算距离，若将手机藏在背包中、或是信号必须通过人体才能到达另一支手机，当有人离得太近时，可能无法显示读数；如果两个人并排工作、或一个人在另一个人后面，也是如此。其次，金属物体的存在 (例如，在火车上或沿着超市走道移动) 会增强信号强度，使人误以为实际距离更近。再者，室外读数通常比室内更准确。事实上，十大手机厂商中就有三家在其最新的手机中导入 UWB 技术，主要 OEM 厂亦在个人电脑和智能穿戴式产品中采用。
ABI Research 最新预估，2025 年 UWB 设备的出货量将从 2020 年的 1.5亿个激增至 10 亿个，消费电子大厂三星、索尼 (Sony)，芯片制造商 Decawave (已被 Qorvo 收购)、高通 (Qualcomm)、恩智浦 (NXP)、意法半导体 (ST)，汽车制造商福斯 (Volkswagen)、现代 (Hyundai)、捷豹路虎 (Jaguar Land Rover Automotive)，以及汽车电子巨头博世 (Bosch) 是主要参与者。另一市调公司 Transparency Market Research (TMR) 指出，UWB 技术正被用于空间感知，以便为设备分配优先级以加快文件传输速度。
这是由苹果 iPhone 12 U1 芯片所带动，可藉以精确定位其他配备 U1 设备并通过 AirDrop 进行文件交换。除了智能手机和智能家居设备外，UWB 芯片组厂商正在争抢控制堆高机 (叉车) 和仓库机器人商机，未来随着成本下降，还将扩及体育运动员、动物、室内导航等应用。他们预估到 2030 年底，UWB 芯片组市值将达到 3,100 万美元，实时位置和距离测量将为汽车安全远程无钥匙进入 (RKE)、工厂营运效率及在医院中查找必需用品做出贡献。UWB 因实时提供精确的分析受到欢迎，其无与伦比的精确度和低功率无线电协议为其独特优势。
图3：飞时测距 (ToF) 计算使 UWB 不受基于信号放大的中继攻击影响
UWB 将取代传统 RFID？华丽转身关键？
TMR 甚至认为，UWB 将取代传统的 RFID (无线射频辨识) 技术——因为 RFID 频率较低且尺寸较大，不适合实时追踪。反观 UWB 提供 5～10 厘米的精度，正是实时追踪 (尤其是室内定位) 最重要的因素，且克服了信标技术在延迟和准确性的局限；加上使用 3.1〜10.6GHz 频段、不会干扰 2.4GHz 以下的热门频段、最大功率频谱密度 (PSD) 非常低、几乎消除信号拦截可能等诸多好处，让 UWB 热度越来越高。安勤科技 (Avalue) 新推＂RENITY ARTEMIS＂室内立即寻址系统 (RTLS) 即结合 UWB 做精确的楼层映像、到达时间差 (TDOA) 处理和数据计算。
不过，UWB 的短距离却也成为商业化障碍。因此，UWB 芯片组厂商试图在同一房间内使用设备克服短距离挑战，例如，准确的上下文感知信息或巧妙利用室内位置。UWB 之所以能在销声匿迹多年后再度奋起，IEEE 802.15.4z 新标准的提案功不可没——例如，通过使用 AES-128 加密算法对物理层 (PHY) 时间戳序列进行加密协议；经由强化 UWB 物理层增强密钥卡和支付的安全性，并将位置精度提高至＜1 厘米，可进一步提升测距的完整性和准确性，支持行动装置的实时空间脉络与无缝、安全的点对点技术，有利于无线支付与行动金融发展。
Decawave 率先推出符合 802.15.4z 标准的 UWB 芯片组，增加支持 8GHz 频段 (第九通道) 设备的可用性以覆盖全球。另特别一提的是，爱美科 (imec) 日前在国际固态电路会议 (ISSCC) 展示全球首款＜5mW 的 802.15.4z IR-UWB 发射器芯片。imec 凭借创新数字极性发射器架构将 IC 功耗大幅降低至 4.9mW，并导入锁定环形振荡器 (ILRO) 技术加速 IR-UWB 发射器在数据封包内的信号工作周期 (Duty Ratio，占空比)，且允许在脉冲之间关闭部分发射器以扩大节能效果，在室内定位精确、安全测距与能效之间取得平衡，更具备与 BLE 竞合的本钱。
图4：imec 展示首款 IEEE 802.15.4z IR-UWB 发射器芯片
芯片＆量测厂商争先卡位，FiRa、UWBA 协议分头并进
这款 IR-UWB 发射器芯片采用 28nm CMOS 制造，实际占用面积仅 0.15mm²，旨在实现下一代经济高效、电池供电的小尺寸 UWB 部署。imec 通过＂异步脉冲整形＂设计满足 3～10GHz 频段发射，适用于全球并允许发射器在 PSD 工作。imec 表示，他们的策略目标是设计一个完整的收发器，包括新颖的高性能测距、测向和定位算法，未来甚至会扩展到类似雷达的应用，不仅用于测量两个 UWB 无线电之间的距离，还可检测被动对象。深圳纽瑞芯科技 (NewRadioTech, NRT) 亦是 UWB 先驱。
纽瑞芯的 Ursa Major (UMAJ) UWB 系统单芯片 (SoC) 是基于 LitePoint IQgig-UWB 测试平台完成标准化与设计验证。LitePoint 的 IQgig-UWB 测试平台是首个通过 UWB 技术校准和验证设备的全集成式测试解决方案，可执行完整物理层测试和校准 (包括新版 802.15.4z 标准)。此系统采用精确的触发和响应机制，可实现皮秒级精度的飞时测距 (ToF)，并支持单发带宽＞1GHz 的各类发送器和接收器、以及低于 -100 dBm 的接收器灵敏度测试。与此同时，纽瑞芯科技还采用是德科技 (Keysight) 多项量测仪器加速验证 UWB 互操作性。
图5：LitePoint IQgig-UWB 完整 UWB 测试解决方案，所有信号产生、分析和处理皆在单一仪器内完成
是德科技无线装置测试事业群副总裁暨总经理曹鹏强调，提供准确的 GHz 带宽量测结果对于拓展 UWB 设计极限至关重要；另是德科技的 VXT PXI 向量收发器、信号产生器、信号分析仪和向量网络分析仪 (VNA)，可实现灵敏的接收器和高效率功率放大器 (PA)。两大产业组织也持续分头推进——FiRa 正在制订标准，以确保 UWB 设备正常工作；UWB 联盟 (UWBA) 正在尝试使 Wi-Fi 扩展到 UWB 也使用的 6GHz 无线电频段，一旦 Wi-Fi 信号发生短暂停顿，UWB 传输冀可趁空填补。
图6：是德 M9415A VXT PXI 矢量收发器，在三插槽 PXIe 模块集成高达 12 GHz 的矢量信号发生器和矢量信号分析仪，内置 1.2 GHz 信号生成和分析带宽
图7：是德 N9020B MXA 多点触控信号分析仪，快速因应 10 Hz～50 GHz 无线装置不断改变的测试要求
资料来源：https://www.keysight.com/en/pdx-2642774-pn-N9020B/mxa-signal-analyzer-multi-touch-10-hz-to-265-ghz
FiRa 订标准、UWBA 顾应用，生态系再扩大
UWBA 亦有开设应用咨询服务，微定位技术公司 Humatics 是首家寻求该服务的企业。去年美国纽约布鲁克林区开始为火车建构 UWB 导航系统，期借助精确定位几厘米内的火车位置，使列车更安全地并排运行并加快通勤速度，未来还打算将这种服务扩展到全球。该方案由西门子 (Siemens) 提供，使用 Humatics 的 UWB 信标、节点和软件来提供位置数据。于 2020 年 7 月收购 UWB 先驱厂商 BeSpoon 的 ST，随后已加入 UWBA 并加入理事会，同时提名 UWB 创新者 Jean-Marie André 担任理事会成员。
图8：UWB 可在一英尺范围内定位火车在轨道上的位置，通过提高定位性能，可拉近火车间距，提高运输能力
ST 此举意在进一步强化 STM32 微控制器 (MCU) 系列产品和支持配套无线连接性能——STM32无线产品已包含 4G LTE、Wi-Fi、蓝牙、NFC、LoRa 和 Sigfox 等无线电技术。ST 表示，UWB 无线技术将改变电子通信、感测、定位和影像装置的性能，并解决从消费性的智慧手机到工业、医疗和国土安全的各种应用问题，诸如汽车的远程无钥匙进入 (RKE) 系统、高分辨率 COVID-19 接触者追踪、安全支付、娱乐设备、医疗及许多其他智慧物联网 (AIOT) 服务皆是 UWB 潜力发展领域，还可为位置提供增強现实 (AR) 指导。
UWB 具有空间感知功能，即使丢失物品被埋在沙发垫下或抽屉内也能轻松找到；Tile 下一代追踪器，亦可能新增或转向 UWB 版本。UWB＋AR 可通过行动 APP 引导用户启动 AR 相机视图、构成迭加图 (如：方向箭头和物品位置的 AR 视图)，以找到丢失物品的位置；这两年＂即将推出＂传闻不断的苹果 AirTag，诸多话题亦与 AR 形影不离。赶在苹果 AirTag 正式问市前，三星抢先发布 Galaxy SmartTag plus 将支持 UWB 的消息，并与宝马 (BMW)、奥迪 (Audi)、福特 (Ford) 和现代集团子公司捷恩斯汽车 (Genesis Motor) 建立＂数字钥匙＂合作伙伴关系。
