我相信你非常清楚 蓝牙、WiFi，甚至LTE因为你每天都在使用它们，却不假思索。但几十年来，一直有一种无线技术在幕后默默发展，如今正强势回归：那就是…… 超宽带或UWB该系统有望改变我们的设备在现实世界中相互通信和定位的方式。
这项技术并非全新：它早在……就开始被研究了。 50年代它在 20 世纪 90 年代末和 21 世纪初曾有过短暂的繁荣期，但很快就被蓝牙和 Wi-Fi 的出现所掩盖。然而，随着……的兴起 物联网 (IoT)、联网汽车和室内定位系统UWB技术重回前沿，并已应用于手机、汽车、追踪标签、医院和工厂等领域。
UWB技术究竟是什么？
La 超宽带（UWB）技术 它是一种使用无线电通信的方式 非常大的带宽 用于在短距离内无线传输数据。与使用 WiFi 或蓝牙等连续载波不同，UWB 依赖于发送 超短能量脉冲持续时间仅几纳秒，频率范围非常广。
虽然诸如此类的技术 蓝牙、WiFi 或无绳电话 虽然传统宽带（如 900 MHz、2,4 GHz 或 5 GHz）的工作频段固定，但超宽带（UWB）的工作频谱范围更广，通常约为 3,1 至 10,6 GHz各个信道的带宽均超过500兆赫兹。这种对频谱的广泛利用正是超宽带技术的特点。 超宽带及其将数据和定位如此精确地结合起来的能力.
实际上，这意味着UWB能够 在极短时间内发送大量信息 使用极低功率脉冲。这有点像…… 超高速莫尔斯电码发射器每秒发送数十亿个脉冲，接收器分析脉冲到达的顺序、模式和时间，以重建数据，并顺便以极高的精度测量距离。
这种传输方式赋予超宽带信号一种 极低的功率密度 分布范围非常广。由于能量没有集中在单一频率上， 它对其他技术的干扰很小。 它们在相似的频段内工作，同时能够根据脉冲的发射和返回时间进行非常精细的定位。
UWB 的工作原理是什么：脉冲、飞行时间和精确定位？
超宽带的关键在于…… 它不使用调制连续波但是 它利用极短脉冲发送信息。这些脉冲以光速传播，从另一台设备反射或被另一台设备接收，通过精确测量它们到达所需的时间，可以计算出两台设备之间的距离。
这一原则被称为 飞行时间（ToF）或飞行时间如果已知信号传播的速度（光速），并测量信号从发出到到达所需的时间，则可以以仅 1/2 英寸的误差计算出距离。 几厘米甚至更少这就是为什么UWB经常被称为一种 “室内GPS”.
除了飞行时间（ToF）技术外，超宽带（UWB）还可以使用其他技术，例如： 到达时间差（TDoA）其中，多个接收器比较它们接收到同一脉冲的时间，或者说， 入射角（AoA）它依靠多个天线来确定信号到达的角度。得益于这种组合，UWB 系统可以 计算距离和方向。 以大约的精度测量物体 10-20厘米和几度.
为了实现这一点，UWB发射器发送 频率范围为 6 至 8,5 GHz 的超短脉冲 （根据具体实现）几乎不相干 两纳秒在某些手机中，例如小米MIX 4，它们被使用。 多个超宽带天线通过三角定位法确定其他设备的位置。获取经度、纬度和距离坐标，大约需要…… 20毫秒它几乎可以瞬间响应，非常适合“即点即连”类型的功能。
这种机制也解释了为什么超宽带可以 比蓝牙测量距离更准确蓝牙依靠信号强度（RSSI）来估算设备的距离，就像使用蓝牙设备时那样。 实时蓝牙网络UWB 以……为参考 确切时间 信号传输所需的时间。实际上，区别在于超宽带通常以……的速度移动。 10厘米的边距与大约的误差相比 一米或以上 蓝牙的典型特征。
使用的超宽带类型和天线
在实现超宽带时，通常采用两种主要技术方法。一方面是…… 脉冲无线电超宽带 (IR-UWB)它无需传统载波即可直接发送脉冲，并将信息编码在诸如精确到达时间等属性中。对于以下情况而言，这是一个非常合适的选择： 定位系统和传感器 精度和低能耗是关键因素。
另一方面，我们发现 基于MB-OFDM（多频段正交频分复用）的超宽带这种方法将数据分布在广阔可用频谱内的多个子载波上。 更高的数据速率和数吉赫兹的总带宽使其对需要的应用程序更具吸引力 高速数据传输 除了定位之外。
要让这一切奏效，你需要 专为超宽带设计的天线它们能够在非常宽的频率范围内正常工作，主要用于小型设备。 单极天线或偶极天线，设计简洁且全方位，以及 天线直接印刷在PCB板上。 移动或可穿戴设备通过将其直接集成到电路板中，节省了空间并降低了成本。
在基础设施方面，例如 工厂、仓库或医院，被使用 用于基站和网关的大型天线 这些天线起到固定锚点的作用。它们接收来自物体或人佩戴的超宽带标签的信号，并将信号发送到服务器或云平台，由服务器或云平台计算位置并生成环境中所有移动物体的实时地图。
超宽带的主要优势
UWB 的第一个主要优势是…… 极高的定位精度与 WiFi 或蓝牙等定位技术相比，UWB 技术虽然定位效果相对较好，但定位精度却很低。 定位物体，误差仅为10至30厘米。在现实世界中，这意味着要明确区分。 钥匙扣是在哪个房间，或者电子钥匙是在车内还是车外。.
它还突出了它的 低延迟由于脉冲发送速度非常快，飞行时间计算几乎是瞬间完成的，因此超宽带系统可以 每隔几毫秒更新一次位置这使得它们非常适合需要立即响应的应用，例如 增强现实、电子游戏、机器人技术或体育运动中的球员追踪。.
另一个重要的优点是 低能耗超宽带的发射功率通常在 数值非常低，只有几十dBm甚至更低，WiFi这意味着UWB标签可以 使用简单的纽扣电池即可运行多年 如果它只是偶尔发送少量数据包或位置信息。
此外，超宽带是一种技术 自然而强的抗干扰能力通过将能量分散到如此宽广的频谱范围内，功率密度非常低， 它通常不会与其他技术（例如 WiFi、蓝牙或 5G）冲突。这使得它能够在充满无线电信号的环境中良好地共存，这种情况在大型办公室、医院或工厂中很常见。
在安全性方面，UWB技术具有显著优势。对飞行时间和位置的精确测量使得以下应用成为可能： 反中继攻击机制在这些攻击中，攻击者试图通过从其他位置重复发送来自密钥或手机的信号来“欺骗”系统。UWB系统就是一个例子。 查看实际距离及其空间背景。要让汽车或锁误以为钥匙就在附近，而实际上钥匙并不在附近，这要困难得多。
最后，由于其脉冲的工作方式，UWB 具有…… 对材料具有良好的渗透能力 即使在有墙壁、家具或机器等复杂环境中，也能保持稳定的行为。这意味着 可靠稳定的地点即使是在像医院里到处都是装甲病房，或者仓库里有金属货架这样复杂的环境中。
超宽带的局限性和缺点
并非全是优点：UWB也有其缺点。 弱点和实际局限性第一个是她 相对较短的距离虽然它在室内和最远距离都能很好地工作， 约 10 米 （取决于环境和功率），它并非设计用来像 WiFi 网络或蜂窝系统那样覆盖大面积区域的。
另一方面，为了最大限度地发挥精确定位的优势，你需要 锚点或基站的特定基础设施基于超宽带的实时定位系统 (RTLS) 可能需要在天花板或墙壁上安装多个固定点，这意味着 初始部署和规划成本虽然后期维护成本相对较低。
还应该指出的是，截至今日， UWB技术的应用仍然有限。 与蓝牙等主流技术相比，它越来越多地被集成到手机、汽车和其他设备中，但它仍然不是所有价格适中的电子产品都具备的通用标准。这使得它的一些最有趣的功能，例如…… 无需动手即可解锁汽车或精确定位物体它们依赖于一个仍在不断发展的兼容生态系统。
UWB 与蓝牙和其他无线技术相比
虽然超宽带和蓝牙都是 短程无线技术它们的理念和优势各不相同。蓝牙最初被构想为…… 一种用于连接耳机、扬声器、可穿戴设备和各种配件的通用标准如今，它几乎无处不在。
另一方面，UWB从一开始就被设计成…… 高效传输数据并实现精确定位它可以以惊人的速度传输数据——速度大约在…… 10米处速度可达110Mbps，1米处速度可达480Mbps，极短距离内最高可达1,6Gbps。——，尽管在移动电话和消费电子设备中它通常用于 轻便快捷的包裹 比大型下载更甚。
UWB 相较于蓝牙的明显优势在于…… 空间定位虽然蓝牙5.1及更高版本已经采用了信号转向技术，但实际上它们仍然存在一些问题。 误差范围明显更大。超宽带技术可以确定物体的位置。 以厘米为单位，并附地址信息这为安全数字钥匙系统、高精度增强现实或实时室内导航等应用打开了大门。
此外，尽管它们有时会被混淆，但谈论它们并不相同。 宽带 与 超宽带宽带是一个通用概念，指的是 高速网络连接 例如 ADSL、光纤或有线电视，其关键指标是传输容量，单位为 Mbps 或 Gbps。而 UWB 则描述了…… 一种特定的无线电技术 其显著特点是 它发出的信号带宽大于 500 MHz它们都包含“乐队”这个词，但它们谈论的是不同的事情。
UWB在移动设备和消费电子设备中的应用
在智能手机领域，超宽带技术已经从一种新奇事物变成了一种主流技术。 高端产品的关键组成部分苹果是最早采取这一步骤的公司之一。 芯片U1自 iPhone 11 起就配备了该芯片。该芯片赋予手机以下功能： 高精度空间检测 查找附近其他带有 U1 的 Apple 设备。
最早利用这项技术的功能之一是改进版的 空投，其中 将你的 iPhone 对准另一部兼容的 iPhone该系统优先处理该设备，使文件传输速度更快、方向性更强。由此，U1 成为其他体验的基础，例如与……的集成 AirTag 可用于查找个人物品，屏幕上会显示非常精确的指示。.
三星也强势加入这场竞争。它推出了一款UWB芯片。 银河note20超 后来，他将其融入到他的所有作品中。 旗舰机型：Galaxy S21、S22 和 S23 系列的 Plus 和 Ultra 版本，以及可折叠手机，例如 Galaxy Z Fold 2、3 和 4。它提供的功能包括： Galaxy SmartTag 的近距离共享和高级定位功能利用 UWB 的精度与蓝牙技术相结合，几乎可以精确到厘米级地找到物体。
谷歌方面已将超宽带技术集成到其部分产品中。 更高端的 Pixel 机型，例如 Pixel 6 Pro 和 Pixel 7 Pro。并已做好准备 官方支持 Android 技术 这样一来，制造商就可以将其用于自身目的。甚至有传言称，一种类似AirTag的追踪设备正在研发中，代号为[代号缺失]。 “格罗古”旨在充分利用 Android 生态系统中的 UWB 精确定位功能。
其他制造商如 小米、OPPO 或 LG 他们还在探索超宽带技术的整合。 小米MIX 4例如，它使用三个超宽带天线来 在大约 20 毫秒内，以 3D 方式定位附近的 AIoT 设备并指向它们。这样一来，用户只需将手机对准智能灯泡或音箱，即可立即自然地进行控制，从而实现简单的操作体验。
在已支持UWB功能的Android手机上，UWB功能的激活通常是通过以下方式完成的： 在“已连接设备”或“连接首选项”下的设置在那里，通常会出现一个专门的选项来激活或停用超宽带，以便用户可以决定是否希望它始终可用于数字钥匙、跟踪标签和其他相关功能。
实际应用：汽车、数字钥匙和物体追踪
UWB技术发展最快的领域之一是…… 联网汽车和数字钥匙. 制造商喜欢 宝马、大众、奥迪、福特、丰田、现代、起亚、奔驰、雷克萨斯、保时捷、斯巴鲁、吉普、MINI、Rivian 或 Genesis 他们正在整合基于以下技术的汽车门禁系统： 具备超宽带功能的智能手机.
得益于超宽带的高精度，汽车可以 准确测量钥匙（手机或卡片）与车辆之间的信号传输时间判断密钥是否真的在附近，或者是否有人试图从其他地方转发信号。这使得实现成为可能。 非常安全的免提开启和启动机制降低因反复盗窃而造成的损失风险。
汽车行业将UWB视为一种 下一代门禁系统的关键组件像恩智浦半导体这样的半导体公司已经推出了诸如以下类型的芯片： SR100T它们结合了UWB、NFC和加密功能，可提供 360度定位，精度约为10厘米专为数字密钥和安全性至关重要的应用场景而设计。
UWB的另一个非常明显的用途是 目标跟踪标签。 该 苹果AirTag 和 三星 Galaxy SmartTag（在其配备 UWB 的更高级版本中） 他们利用这项技术，让用户可以通过一个指示界面找到自己的钥匙、背包或行李箱。 方向、距离和几乎精确的位置在这里，UWB 就像一个小型个人雷达，一步一步地引导用户。
除了汽车和钥匙扣之外，超宽带技术正在逐渐渗透到其他领域。 适用于住宅和楼宇的智能门锁允许基于移动设备的实际存在情况进行安全访问。此外， 高度安全的移动支付其中空间背景——知道设备在物理上就在支付终端旁边——为防止远程欺诈尝试增加了一层额外的保障。
超宽带技术在医疗、物流和工业领域的应用：以一家医院为例
在专业领域，UWB 正成为一项关键技术。 实时跟踪系统（RTLS）一个非常典型的例子是…… 大型私营医疗保健机构 一些专科诊所决定实施超宽带系统，以便更好地控制其关键医疗设备。
这家供应商管理了超过 500台高价值设备 输液泵、便携式监护仪、诊断工具等设备经常在病房和科室之间共享。尽管工作流程高度优化，但他们仍然面临诸多问题，例如： 护士轮班期间，寻找设备会浪费高达 20% 的时间。由于找不到所需设备，手术被延误了。 因租赁丢失的设备而产生的额外费用 但实际上，他们当时还在楼里。
在评估了基于RFID和低功耗蓝牙的解决方案后，医院最终选择了UWB，因为它需要 厘米级精度，并与您的电子健康记录 (EHR) 和资产管理系统无缝集成实施方案包括安装…… 屋顶和存储区域共安装了 80 个 UWB 锚点 和放置 400 个中等尺寸的 UWB 标签贴在高价值设备上，除了 基于云端的控制面板，可在设施地图上显示每个设备的实时位置。.
在为期约三个月的试点项目中，该系统生成了 当输液泵被遗留在恢复室或离开其授权区域时，系统会自动发出警报。查找特定设备的时间减少了大约一个小时 65 ％未经授权的设备在楼层间移动减少了约 40 ％ 在“蓝色代码”类型的紧急情况下，设备的回收是一项…… 速度提升 35%.
一个有趣的副作用是…… 设备移动热图 他们揭示了工作流程设计中的低效之处：例如，他们发现某些团队在不同区域之间流动过于频繁。有了这些信息，医院 它重新安置了存储点，并减少了员工的出行时间。这有助于降低加班成本，提高设备的实际可用性。
最终结果还包括 更换设备租赁成本降低 30%。，一 灭菌控制点合规率接近95% 由于有了自动警报，并且几乎完全消除了“幽灵库存”，这种情况得以实现。 实时核对所有已标记资产在此背景下，UWB 从“仅仅”是一种定位技术转变为一种 用于预测分析和资源重新分配的战略工具.
更多应用领域：增强现实、体育运动、自动化和可穿戴设备
UWB 结合能力 高速通信和厘米级定位 这为各个领域的大量应用打开了大门。 增强现实（AR）例如，它可以让设备非常准确地知道房间内每个物理对象及其用户的位置，从而改善现实世界和虚拟元素之间的匹配。
En 物流和工业UWB系统有助于 跟随托盘、推车、工具 或者使用实时移动机器人，实现自动警报、库存控制和路线优化。企业可以检测瓶颈，根据实际使用情况重新组织仓库，并且 减少不必要的购买 通过检查资产是实际丢失还是只是放错了地方。
在领域 职业运动UWB 已经用于 监控球员表现和位置 凭借能够对比赛进行详细分析、测量跑动距离、最高速度和场上热点的精确度，像 NFL 这样的联盟已经使用超宽带系统在比赛期间实时跟踪每个球员的移动。
最后，在世界里 可穿戴设备和数字健康UWB 提供了一种非常有效的方法 同步活动传感器、可穿戴设备和移动医疗设备 延迟和功耗都非常低。可以想象这样的场景：智能手表、脉搏血氧仪、血糖仪和其他传感器通过超宽带技术进行通信。 立即更新关键用户参数，而不会使其他无线网络过载.
超宽带正在将自身定位为 一种无线“超级传感器” 它不仅能传输数据，还能非常精确地理解数据。 其中每个事物都与其他事物相关联以手机为控制中心，汽车、锁具、标签、可穿戴设备、机器人和医疗设备可以开始使用同一种“空间语言”，提供比我们目前习惯的更安全、更舒适、更自动化的体验。 分享此信息，以便更多用户了解超宽带技术。