如何評價蘋果 iPhone 11 系列手機中集成的 UWB 技術？

圖片：aixklusiv / CC0

甜草莓，當真寫想寫的/不是專家/有時辰瞎扯話

UWB（Ultra Wide Band）我們一般叫做超寬帶通信，顧名思義最本家兒要的特征是帶寬很寬，遠弘遠于現存的窄帶通信系統（包羅 802.11 系列和 2/3/4 和 5G 中的 sub 6G)。若是一個無線電系統擁有跨越中間頻率 20%的相對帶寬，或者擁有 500MHz 以上的絕對帶寬，我們稱之為是 UWB 無線電系統^[1]。

UWB 無線電是一個很寬泛的界說，只要帶寬知足前提即可：UWB 雷達，UWB 通信都各有成長。從界說上說，將來可能存在的，5G 中跨越 500MHz 單載波帶寬的毫米波通信，也舉動當作是 UWB 無線電^[2]。

UWB 通信是什么？

今朝 UWB 通信本家兒要有兩種本家兒流的成長思緒：傳統的脈沖調制 UWB 和基于 OFDM 的 UWB（MB-OFDM-UWB)。標題問題中提到的和大師在說的 UWB 系統，都是在特指脈沖調制 UWB 這種成長偏向。這里也著重介紹這種手藝方案。

分歧于今朝本家兒流窄帶通系統的載波調制方案，傳統 UWB 發射脈沖旌旗燈號來傳輸信息，我們稱之為脈沖調制。

通俗的理解是這樣的，我們凡是經由過程調節正弦波的頻率、相位、幅度等參數來傳輸信息，并經由過程傅里葉變換等頻域闡發體例來領受、解調這些信息，這里的「正弦波」我們稱為「載波」。而傳統 UWB 通信系統中，我們不需要「正弦載波」作為載體，而是直接發射電磁脈沖，經由過程調節脈沖的幅度(PAM，脈沖振幅調制）和脈沖的位置(PPM，脈沖位置調制）等體例來傳遞信息，如下圖。

從頻域和時域的角度，也可以理解為傳統 UWB 是純真的時域旌旗燈號處置，不需要射頻電路中的本振，差分等射頻模塊。若是財產當作熟度不異，那么 UWB 通信模塊當作本該當低于傳統的窄帶通信模塊。（這里請出格注重前置前提）。

傳統 UWB 的優勢

我們都知道，UWB 所采用的是 500MHz 以上的大帶寬。而頻域擴展等于時域縮短，是以此刻的傳統 UWB 系統中，脈沖的寬度一般在數納秒到數十納秒之間，這意味著旌旗燈號自己的占空比很低。

占空比是指在一個脈沖輪回內，通電時候相對于總時候所占的比例。占空比(Duty Ratio)在電信范疇中有如下寄義：例如：脈沖寬度 1μs，旌旗燈號周期 4μs 的脈沖序列占空比為 0.25。

若是大師有領會過雷達根本就會知道，對于脈沖旌旗燈號來說，旌旗燈號的占空比很低意味著脈沖寬度

$T_p$

很小，一個定位系統里，距離分辯率與脈沖寬度當作正相關：脈沖寬度越小，距離分辯率越小，可以分辯的兩點就越近，精度就越高。具體公式很簡單：

$\Delta R = \frac{c}{2}T_p$

$c$

是光速。

這就意味著傳統 UWB 所采用的窄脈沖和高頻帶自然會帶來更高的距離分辯率。好比若是 Wi-Fi 的定位精度是 3.0m-6.0m 這樣的米級，那 UWB 可能就是厘米級。（這個例子不切確，現實上 UWB 有可能經由過程近似脈沖壓縮等其它旌旗燈號處置算法晉升精度，Wi-Fi 近似）

此外，低占空比會更輕易區分來自其它非方針散射物的反射旌旗燈號，也就是說更抗多徑，是以更順應室內情況。這很輕易理解，因為占空比低，所以分歧路徑的回波旌旗燈號很是輕易區分。其實 UWB 系統的設計和 3G 很像，可以經由過程擴頻設計實現多址，這也是前些年的研究熱點。

綜上所述，傳統 UWB 的實現長處是：

理論上當作本低
定位距離精度高
通信速度快（超大帶寬）
抗多徑能力強
功耗低（脈沖調制決議的）
穿透能力強（寬頻譜）

錯誤謬誤也很較著：

波束指標的目的性強（需要波束明白指標的目的領受源）
通信距離短（UWB 的授權頻譜有半斤八兩多的現存通信設備，UWB 設備功率需要低于必然門限才能不影響其他通信系統）
頻帶操縱率低下（看看那占空比）
財產相對不當作熟（可是足夠商用了）

UWB 的應用

是以，它的應用也很明白，本家兒要有三種應用：當作像、通信與測量和車載雷達系統，再宏不雅一點，可以分為定位、通信和當作像三種場景。

定位：這里借用一下我以前的回覆，UWB 定位系統也需要用到 UWB 基站作為坐標。若是我們談基站定位的話，就是這幾種：

a. 三邊測量 ：經由過程領受到的旌旗燈號來求解幾何問題。因為基站位置都是已知的，那么未知數只有效戶與基站之間的距離。為了求解用戶與基站之間的距離，需要旌旗燈號在空中傳布時候，也就是可能能用到幾種信息：達到時候（time of arrival，ToA）；time difference of arrival (TDoA) 或者 received signal strength (RSS)。

b.三角測量：當基站位置已知時，基站與用戶之間的距離信息可以用角度信息替代。若是我們知道旌旗燈號的達到角（angle of arrival，AoA），那么同樣可以獲得與三邊測量同樣的成果。

c.近似：若是我們只有一個已知基站，那么我們可以按照 ToA 或者 AoA 和旌旗燈號強度大要估量出用戶與基站的距離和角度，那么就可以近似出用戶位置。現實上這也是 2G 系統中最常見的基站定位體例。這里的問題是，凡是地面會存在良多干擾，單個基站的估量不會很切確。

d.場景闡發：我們可以將一些典型位置點的旌旗燈號特征（好比 RSS、時延擴展或者信道擴展）存入數據庫，再與那時的旌旗燈號作比對，可以估量出用戶與基站之間的距離和方位。

我們之前已經闡發過，因為 UWB 的距離分辯率很高，ToA 精度很高，所以三邊測量很適合。現實上這也是今朝 UWB 無線電中最本家兒流的定位體例。AoA 這種角度估量需要天線陣列，不如 ToA 適合 UWB。

通信：因為大帶寬，所以 UWB 一度被認為是 USB 數據傳輸的無線替代方案，藍牙的問題是傳輸速度太慢。UWB 還常用于軍用保密通信，這本家兒要也是因為 UWB 脈沖的能量很低，很輕易低于噪聲門限，不輕易被其它無線電系統監聽到。
當作像：UWB 系統的帶寬很寬，今朝 UWB 穿墻雷達是很普遍的應用，具體做法是操縱窄脈沖傳過墻壁，獲得墻對面的回波，可以獲得當作像，當作像誤差很低^[3]。所以若是有一天蘋果開放底層接口，說不心猿意馬 iphone 就可以拿來窺探鄰人了。

我已經替媒體想好標題問題了，就叫「震動！Iphone 可以這樣做！是道德的淪喪仍是手藝的不健全？」

我們拭目以待。

完。