UWB：室內定位首選

超寬帶 (UWB) 是一種基于 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 標準的無線電技術，可以非常準確地測量無線電信號的飛行時間，從而實現厘米精度的距離/位置測量。

所謂，IEEE 802.15.4a ，是定義 IR-UWB 物理層的國際標準。該標準旨在提供非常高精度的定位，同時提供高達 27Mbps 的同步雙向通信，以收集傳感器數據和控制執行器。該標準于 2005 年啟動并于 2007 年獲得批準，然后于 2011 年完全集成。2018 年，該標準以802.15.4z 的形式重新開放，以進一步增加物理層的安全性，因為現在預計 UWB 將用作汽車和移動行業的安全交易無線技術。

除了這種獨特的功能外，UWB 還提供數據通信功能。同時使用極少的功耗——使紐扣電池運行多年而無需充電或更換。通過結合準確的定位和通信。此外，UWB 還提供了一種新的無線安全通信方式，為新形式的安全交易打開了大門。

UWB 利用飛行時間 (Time of Flight：ToF)，這是一種通過將信號的飛行時間乘以光速來測量兩個無線電收發器之間距離的方法。從這個基本原理出發，UWB 技術可以根據目標應用需求以不同方式實現，分別是 TWR（Two Way Ranging）、TDoA (Time Difference of Arrival) 或 PDoA(Phase Difference of Arrival )。

其中 TDoA 方法與 GPS 非常相似。多個參考點（稱為錨點：anchors）部署在一個場地中并且是時間同步的。移動設備將發出信標，當“錨”接收到信標信號時，它會為其添加時間戳（timestamp）。然后將來自多個錨點的時間戳發送回中央定位引擎，該引擎將根據信標信號的到達時間差運行多點定位算法，以計算移動設備的 X、Y、Z。

采用這種方法的優點之一是低功耗。據統計，采用這種設計的標簽的電池壽命可以長達 7 年（CR2032 – 0.1Hz 更新率）。同時，還能布置非常高密度的設備（數以千計）。但這種方法還是有缺點，例如錨點需要時間同步和復雜的部署。

至于 TWR 方法，TWR 方法依賴于兩個設備之間的雙向通信。在進行通信時，這些設備還會測量它們之間 UWB RF 信號的飛行時間。通過將信號的往返時間乘以光速，然后除以 2，您可以得出兩個設備之間的實際距離。如果在兩個設備之間應用 TWR 方案，您將獲得兩個設備之間的距離 (D)。基于 TWR 方案，您還可以通過測量移動標簽和固定信標之間的距離來實現 2D 甚至 3D 定位——這稱為三角測量。

采用這種方法的有點是不需要系統同步，能夠輕松部署，且雙向通信使得下行數據和控制成為可能。但和另兩種方法一樣，TWR 也有缺點，其中一個就是功耗更高。統計顯示，根據應用的不同，TWR 方法的設備電池壽命僅為數月至一年。此外，移動設備數量有限（數百個）也是其中一個缺點。

最后，PDoA 的方法將兩個設備之間距離的 TWR 方案與兩個設備之間方位測量的方案結合。這樣的組合允許在沒有任何其他基礎設施的情況下計算兩個設備的相對位置。為此，其中一個設備帶有兩個天線，能夠測量射頻信號的到達相位差。

這樣的方案的好處是減少基礎設備位置方案和兩個設備之間的相對定位。但卻帶來了位置誤差不是長壽湖，而是兩個設備之間距離的函數。

與藍牙或 WiFi 等其他技術為新目的而重新設計不同，UWB 射頻信號的物理特性從一開始就被明確定義——以實現實時、超準確、超可靠的定位和通信。

在 Decawave（已經被 Qorvo 收購），我們還希望 UWB 技術變得無處不在，我們在 UWB 芯片的定義中增加了低功耗和低成本。Decawave 的聯合創始人 Michael McLaughlin更是創建 IEEE 802.15.4a 標準的工程師團隊的一員。這個團隊的愿景就是讓每個連接的對象“位置感知”，因為他們相信“回答位置”將為物聯網 (IoT) 等應用程序的成功帶來巨大價值。

為了更好地推動 UWB 的應用，包括 Decawave、 Hyundai、Kia、Zebra、Alteros、Novelda 和 Ubisense 在內的多家企業發起了一個全球性的非營利組織 UWB Alliance ，該聯盟成立的目的是致力于共同將 UWB 技術建立為開放標準行業。助于促進大規模的 UWB 部署并保護全球數百萬已安裝的設備免受無線電技術的侵害。該聯盟將通過端到端、與供應商無關的互操作性計劃推動增長，這些計劃將為包括導航、跟蹤、安全、成像、傳感和通信在內的多個物聯網應用和工業 4.0 應用提供準確的定位。

在今年六月，Qorvo 宣布，公司旗下 DW3000 系列產品支持與 iPhone 和 Apple Watch 型號*中使用的 Apple U1 芯片的互操作，符合 2021 年全球開發人員大會上公布的新的 Nearby Interaction 協議規范草案要求。

利用這種兼容性，開發人員能夠根據配備 U1 芯片的 iPhone 或 Apple Watch 的位置、距離和方向來輕松評估新的應用體驗。DW3000 是 Qorvo 的下一代超寬帶(UWB)芯片組系列，將推出四個型號以及多款模塊和 beta 開發套件，并全面投入量產。

Qorvo UWB 硬件和軟件解決方案遵循 FiRa 聯盟 PHY 和 MAC 規范開發，符合 IEEE 802.15.4z 標準。作為 FiRa 的贊助商和董事會成員，Qorvo 致力于發展 UWB 生態系統，并運用其技術和應用專業知識來幫助定義規范，以確保不同的終端產品之間的互操作性，為消費者帶來新的無縫體驗。

全球科技市場咨詢公司 ABI Research 預測，2021 年 UWB 設備的出貨量將達到 3 億臺。ABI Research 的研究分析師 Stephanie Tomsett 表示：“智能手機將進一步提高 UWB 集成度，讓用戶能夠準確定位其他支持 UWB 的設備、開門或解鎖車輛，以及實現購物自動無線付款。”

Qorvo 移動產品事業部總裁 Eric Creviston 表示：“我們非常高興 Qorvo 的眾多 UWB 解決方案組合能夠支持與 Apple 的互操作。我們注意到，UWB 技術在許多移動、汽車和物聯網應用中迅速普及，以提供出色的定位和安全通信功能。這為提供全新用戶體驗提供了契機。過去 10 年，Qorvo 的 UWB 團隊一直走在該領域創新的前沿，為眾多用戶提供支持，幫助他們在 40 個不同的垂直市場中設計突破性的產品和解決方案。”

Qorvo UWB 軟件套件

兼容所有的 Qorvo UWB 產品，從驅動器到 MAC、GUI 以及日志工具。嵌入式軟件符合 Apple Nearby Interaction 協議和 FiRa PHY/MAC 規范。

Qorvo UWB 模塊

DWM3000

純 RF 模塊，集成 DW3110 芯片組、天線和電源管理。優化的 RF 布局簡化了設計集成。DWM3000 可通過 SPI 與各種微控制器輕松連接。

DWM3001C

將 Qorvo DW3110 UWB 芯片組、Nordic nRF52833 BLE SoC 和一個加速計組合在一起，即可得到快速構建標簽和門禁等應用原型的出色平臺。

Qorvo UWB 芯片組

DW3000

第二代四款 UWB 芯片組（DW3110、DW3120、DW3210、DW3220）針對低功耗電池供電應用進行了優化。在全球范圍內提供 UWB 信道 5(6.5 GHz)和信道 9(8 GHz)支持，數據速率高達 6.8 Mbps，同時提供精準定位，精度在 10 cm 內，角度測量精度為 +/-5°。芯片組采用 QFN 和 CSP 封裝。

Qorvo 的評估套件和模塊現在可提供樣品，所有 UWB 芯片組將進入全面量產。有關 Qorvo 的 UWB 產品和解決方案的更多信息，請訪問 https://www.qorvo.com/feature/uwb-solutions-compatible-with-apple-u1。

*支持 U1 的 iPhone 型號包括：iPhone 11、iPhone 11 Pro、iPhone 11 Pro Max、iPhone 12、iPhone 12 mini、iPhone 12 Pro 和 iPhone 12 Pro Max。Apple Watch Series 6 采用 U1 芯片。