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如何评价苹果 iPhone 11 系列手机中集成的 UWB 技术?

图片:aixklusiv / CC0

甜草莓,认真写想写的/不是专家/有时候瞎说话

UWB(Ultra Wide Band)我们一般叫做超宽带通信,顾名思义最主要的特征是带宽很宽,远远大于现存的窄带通信系统(包括 802.11 系列和 2/3/4 和 5G 中的 sub 6G)。如果一个无线电系统拥有超过中心频率 20%的相对带宽,或者拥有 500MHz 以上的绝对带宽,我们称之为是 UWB 无线电系统[1]

UWB 无线电是一个很宽泛的定义,只要带宽满足条件即可:UWB 雷达,UWB 通信都各有发展。从定义上说,未来可能存在的,5G 中超过 500MHz 单载波带宽的毫米波通信,也算做是 UWB 无线电[2]

UWB 通信是什么?

目前 UWB 通信主要有两种主流的发展思路:传统的脉冲调制 UWB 和基于 OFDM 的 UWB(MB-OFDM-UWB)。题目中提到的和大家在说的 UWB 系统,都是在特指脉冲调制 UWB 这种发展方向。这里也着重介绍这种技术方案。

不同于目前主流窄带通系统的载波调制方案,传统 UWB 发射脉冲信号来传输信息,我们称之为脉冲调制

通俗的理解是这样的,我们通常通过调节正弦波的频率、相位、幅度等参数来传输信息,并通过傅里叶变换等频域分析方式来接收、解调这些信息,这里的「正弦波」我们称为「载波」。而传统 UWB 通信系统中,我们不需要「正弦载波」作为载体,而是直接发射电磁脉冲,通过调节脉冲的幅度(PAM,脉冲振幅调制)和脉冲的位置(PPM,脉冲位置调制)等方式来传递信息,如下图。

从频域和时域的角度,也可以理解为传统 UWB 是单纯的时域信号处理,不需要射频电路中的本振,差分等射频模块。如果产业成熟度相同,那么 UWB 通信模块成本应当低于传统的窄带通信模块。(这里请特别注意前置条件)。

传统 UWB 的优势

我们都知道,UWB 所采用的是 500MHz 以上的大带宽。而频域扩展等于时域收缩,因此现在的传统 UWB 系统中,脉冲的宽度一般在数纳秒到数十纳秒之间,这意味着信号本身的占空比很低。

占空比是指在一个脉冲循环内,通电时间相对于总时间所的比例。占空比(Duty Ratio)在电信领域中有如下含义:例如:脉冲宽度 1μs,信号周期 4μs 的脉冲序列占空比为 0.25。

如果大家有了解过雷达基础就会知道,对于脉冲信号来说,信号的占空比很低意味着脉冲宽度

很小,一个定位系统里,距离分辨率与脉冲宽度成正相关:脉冲宽度越小,距离分辨率越小,可以分辨的两点就越近,精度就越高。具体公式很简单:

,

是光速。

这就意味着传统 UWB 所采用的窄脉冲和高频带天然会带来更高的距离分辨率。比如如果 Wi-Fi 的定位精度是 3.0m-6.0m 这样的米级,那 UWB 可能就是厘米级。(这个例子不精确,实际上 UWB 有可能通过类似脉冲压缩等其它信号处理算法提升精度,Wi-Fi 类似)

此外,低占空比会更容易区分来自其它非目标散射物的反射信号,也就是说更抗多径,因此更适应室内环境。这很容易理解,因为占空比低,所以不同路径的回波信号非常容易区分。其实 UWB 系统的设计和 3G 很像,可以通过扩频设计实现多址,这也是前些年的研究热点。

综上所述,传统 UWB 的实现优点是:

  • 理论上成本低
  • 定位距离精度高
  • 通信速度快(超大带宽)
  • 抗多径能力强
  • 功耗低(脉冲调制决定的)
  • 穿透能力强(宽频谱)

缺点也很明显:

  • 波束指向性强(需要波束明确指向接收源)
  • 通信距离短(UWB 的授权频谱有相当多的现存通信设备,UWB 设备功率需要低于一定门限才能不影响其他通信系统)
  • 频带利用率低下(看看那占空比)
  • 产业相对不成熟(但是足够商用了)

UWB 的应用

因此,它的应用也很明确,主要有三种应用:成像、通信与测量和车载雷达系统,再宏观一点,可以分为定位、通信和成像三种场景

  • 定位:这里借用一下我以前的回答,UWB 定位系统也需要用到 UWB 基站作为坐标。如果我们谈基站定位的话,就是这几种:

a. 三边测量 :通过接收到的信号来求解几何问题。因为基站位置都是已知的,那么未知数只有用户与基站之间的距离。为了求解用户与基站之间的距离,需要信号在空中传播时间,也就是可能能用到几种信息:到达时间(time of arrival,ToA);time difference of arrival (TDoA) 或者 received signal strength (RSS)。

b.三角测量:当基站位置已知时,基站与用户之间的距离信息可以用角度信息替代。如果我们知道信号的到达角(angle of arrival,AoA),那么同样可以得到与三边测量同样的结果。

c.近似:如果我们只有一个已知基站,那么我们可以根据 ToA 或者 AoA 和信号强度大概估计出用户与基站的距离和角度,那么就可以近似出用户位置。实际上这也是 2G 系统中最常见的基站定位方式。这里的问题是,通常地面会存在很多干扰,单个基站的估计不会很精确。

d.场景分析:我们可以将一些典型位置点的信号特征(比如 RSS、时延扩展或者信道扩展)存入数据库,再与当时的信号作比对,可以估计出用户与基站之间的距离和方位。

我们之前已经分析过,因为 UWB 的距离分辨率很高,ToA 精度很高,所以三边测量很适合。实际上这也是目前 UWB 无线电中最主流的定位方式。AoA 这种角度估计需要天线阵列,不如 ToA 适合 UWB。

  • 通信:因为大带宽,所以 UWB 一度被认为是 USB 数据传输的无线替代方案,蓝牙的问题是传输速度太慢。UWB 还常用于军用保密通信,这主要也是因为 UWB 脉冲的能量很低,很容易低于噪声门限,不容易被其它无线电系统监听到。
  • 成像:UWB 系统的带宽很宽,目前 UWB 穿墙雷达是很广泛的应用,具体做法是利用窄脉冲传过墙壁,获得墙对面的回波,可以得到成像,成像误差很低[3]。所以如果有一天苹果开放底层接口,说不定 iphone 就可以拿来窥探邻居了。

我已经替媒体想好题目了,就叫「震惊!Iphone 可以这样做!是道德的沦丧还是技术的不健全?」

我们拭目以待。

完。

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