编者按：本文来自微信大众号“鲜枣讲堂”（ID：xzclasscom），作者小枣君，36氪经授权发布。原标题《新iPhone的黑科技：UWB技能揭秘》
9月11日，苹果公司秋季发布会在乔布斯剧院举行。以iPhone 11为代表的一系列新品揭开了奥秘的面纱，与“果粉”碰头。
新iPhone的特色和参数，信任咱们通过各大媒体的介绍现已有所了解。不过有一个细节，不知道咱们有没有注意到——本次发布的全系列新款iPhone，悉数搭载了支撑超宽带（UWB）技能的U1芯片。
依据官方的宣扬，这项新技能将显着提高苹果手机的空间感知（Spatial Awareness）才干。
那么问题来了，空间感知才干是什么意思？U1芯片究竟能做什么？UWB超宽带技能又是什么黑科技？一切这些，会不会引领新一轮的智能设备运用立异？
通过本文，笔者将逐个为你揭晓这些问题的答案。
什么是空间感知才干
所谓的空间感知才干，便是感知方位的才干。更直接一点，便是定位才干。
依据苹果公司的介绍，搭载U1芯片的新iPhone，进一步提高了手机的定位功用，不只能够感知自己手机的方位，还能够感知周边其他手机的方位。
在运用隔空投送（AirDrop，苹果设备供给的一种无线同享文件的功用）时，依据U1芯片供给的空间感知才干，只需将你的iPhone指向其他人的iPhone，体系就会优先排序（离得越近，优先级越高），让你更快速地同享文件。
说白了，运用U1的定位才干，iPhone11能够完成“离我越近越先得到呼应”的运用作用。
说到定位，信任咱们都很了解。咱们常常会运用例如高德地图或百度地图这样的APP，里边就有定位和导航的服务。
定位服务协助咱们把握方位信息，指示方向，添加本身的安全感和掌控感，给咱们的作业日子带来了很大的便当。
那么，UWB技能和咱们现在常用的定位技能，又有什么不同呢？
咱们现在常用的定位技能，首要包含卫星定位和基站定位。
卫星定位，是运用人造地球卫星进行点位丈量的技能，也是现在运用最为广泛、最受用户欢迎的定位技能。它的特色十分杰出，便是精度高、速度快、运用成本低。
咱们所熟知的美国的全球定位体系（GPS）、我国的斗极(BDS)、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)，都是卫星定位体系。
基站定位的原理和雷达有相似之处。雷达定位咱们都知道，便是发射雷达波，依据方针的反射，进行空间方位测算。
基站定位的话，基站就适当所以一个“雷达”。
一般，在城市中，一部手时机在多个基站的信号掩盖之下。手时机对不同基站的下行导频信号进行“丈量”，得到各个基站的信号TOA（抵达时刻）或TDOA（抵达时刻差）。依据这个丈量成果，结合基站的坐标，就能够核算出手机的坐标值。
画个图，一看就理解了：
一切上述这些定位手法，都有一个显着的缺陷，便是无法穿透建筑物，不能完成室内定位。
卫星定位，需求接纳机接纳到满意的卫星信号。当进入室内，或有遮挡时，卫星信号很弱小，无法有用定位。
上图为手机在室外接纳到的GPS定位信号，下图为手机在室内接纳到的GPS定位信号
从图示能够看出，当发现的卫星数量下降时，定位差错从10米添加到66米。
一方面，卫星和基站定位技能无法满意室内定位的需求。另一方面，室内定位的事务场景却越来越多，例如地下车库导航、商场寻觅店肆和产品，乃至儿童迷路，都对室内定位有火急需求。
在需求持续上升的布景下，人们开发了一系列技能，测验运用其它类型的锚节点来供给定位才干。这就包含了Wi-Fi，蓝牙，UWB等技能。
什么是UWB
Wi-Fi和蓝牙咱们都比较了解。那么，UWB又是什么？
UWB，便是Ultra Wideband，超宽带技能。它源于20世纪60年代鼓起的脉冲通讯技能。
了解通讯的同学都知道，一般的通讯体系都是运用一个高频载波来调制一个窄带信号，通讯信号的实践占用带宽并不高。
而UWB不同于传统的通讯技能，它通过发送和接纳具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来完成无线传输的。因为脉冲时刻宽度极短，因而能够完成频谱上的超宽带：运用的带宽在500MHz以上。
FCC（美国联邦通讯委员会）为UWB分配了 3.1~10.6 GHz共 7.5 GHz频带，还对其辐射功率做出了比FCC Part15.209更为严厉的约束，将其约束-41.3dBm频带内。
简而言之，这项技能通过超大带宽和低发射功率，完成低功耗水平上的快速数据传输。
因为UWB脉冲的时刻宽度极短，因而也能够选用高精度守时来进行间隔测算。
比较Wi-Fi和蓝牙定位技能，UWB具有如下优势：
1）抗多径才干强，定位精度高：带宽决议了信号在多径环境下的间隔分辩才干（成正比联系）。UWB的带宽很宽，多径分辩才干强，能够分辩并除掉大部分多径搅扰信号的影响，得到精度很高的定位成果。UWB能够在间隔分辩才干上高于其他传统体系，杂乱环境下其精度乃至能够抵达Wi-Fi、蓝牙等传统体系的百倍以上。
2）时刻戳精度高：超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级，由守时来核算方位时，引进的差错一般小于几厘米。
3）电磁兼容性强：UWB 的发射功率低，信号带宽宽，能够很好地荫蔽在其它类型信号和环境噪声之中，传统的接纳机无法辨认和接纳，有必要选用与发射端共同的扩频码脉冲序列才干进行解调，所以不会对其他通讯事务形成搅扰，一起也能够防止其他通讯设备对其形成搅扰。
4）能效较高：UWB具有500MHz以上的射频带宽，能够供给极大的扩频增益，使得UWB通讯体系能效较高。这意味着关于电池供电设备，体系的作业时刻能够大大延伸，或是相同发射功率约束下，掩盖规模比传统技能大得多。一般在短间隔运用中，UWB发射机的发射功率遍及低于1mW；在长间隔运用中，不需求额定的功率放大器即可抵达200米的间隔，一起完成6.8Mbps的空中速率。
依据上述技能优势，选用UWB能够构成高精度的室内定位体系。
UWB和其它定位技能的比照
现在，常用的UWB测距办法有三种，分别是：
（1）TOF（Time of flight）：通过丈量UWB信号在基站与标签之间飞翔的时刻来完成测距。
（2）TDOA（Time Difference of Arrival）：运用UWB信号由标签抵达各个基站的时刻差来进行定位。
（3）PDOA（Phase Difference Of Arrival）：运用抵达角相位来丈量基站与标签之间方位联系。
限于篇幅，咱们将在后续详细介绍UWB的算法原理。
UWB的工业开展
在2002年曾经，UWB被广泛用于军事方面的用处。2002年，FCC（美国联邦通讯委员会）对UWB做了如前文所说的功率上的严厉约束，才将UWB技能解禁，允许进入民用范畴。
尔后，UWB技能进入了高速开展期，各种技能计划围绕着UWB世界规范的拟定也展开了剧烈的竞赛。
2007年，IEEE在802.15.4a规范中对UWB技能进行了规范化。通过近十年的开展，UWB的规范也在不断完善。
说到UWB的工业链，就不得不说到Decawave公司。
Decawave是现在已知仅有支撑IEEE 802.15.4的UWB定位芯片厂商。他们供给低成本的芯片出售，零售价格在几美元。芯片型号是DW1000，契合IEEE 802.15.4-2011 UWB规范协议（在抱负条件下，最大可丈量规模为300m）。
DW1000芯片
在苹果公司的产品发布会后，依据Decawave芯片DW1000的定位厂商INTRANAV连发两条推特，宣称其套件支撑与iPhone11的互操作，Decawave也转发了该推特。这说明，苹果U1有极大的或许支撑IEEE 802.15.4。
其它从事UWB技能研究的厂商还包含Ubisense、BeSpoon。
这些厂商运用了自己的UWB解决计划，一般以模组套件的方式推出，但均不支撑IEEE 802.15.4。
要完成更好的空间感知，需求运用生态的支撑。为了构建整个运用生态，不同厂家设备性需求完成互操作、互兼容。能够预见，未来一切厂家设备都将或许支撑IEEE 802.15.4规范。
UWB的定位作用
为了客观评判不同的室内定位技能，多个世界安排一直在活跃安排室内定位竞赛。
现在世界上三个高标准的室内定位竞赛包含：
1）微软室内定位竞赛（MicrosoftIndoor Localization Competition，MILC）
2）美国国家规范与技能研究院（NIST）举行的PerfLoc（Performance evaluation of Smart-phone Indoor Localization Apps）
3）世界室内定位与室内导航大会（IPIN）室内定位竞赛：IPIN competition
微软的MILC竞赛被公认为评判高精度室内定位技能最好的舞台。
下面列出了历年MILC竞赛中依据基础设施组前三名的成果：
能够看出，从2015年开端，UWB的优势逐步显示出来，已成为高精度定位技能中最有远景的技能。一起，Decawave的DW1000也是详细定位计划中的干流挑选。8家获奖的UWB团队中，有7家都运用了DW1000。
2018年的竞赛运用性能极高的激光SLAM构建地图（左图）并依据此实时输出实在方位轨道（右图），由此作为竞赛的点评依据
竞赛场地在葡萄牙波尔图证卷交易所宫，现场环境十分杂乱
2018年的竞赛初次点评动态精度，竞赛场地十分杂乱，成果的导向性很强。
在这项赛事中，来自美国卡内基梅隆大学的Anthony Rowe团队值得一提。这个团队是室内定位范畴的俊彦，三次进入前三名，2018年更是获得第一名和并排第二名。
CMU Anthony Rowe团队
更重要的是，2018年该团队获得第一名的技能道路是UWB+增强实际（AR），而iPhone 11 Pro则成为了首款一起支撑AR和UWB的手机。这足以证明该团队具有极强的技能洞察力。
此外，来自我国的南京爱锑奕电子科技有限公司也十分值得重视。
他们是一个新式团队，切入UWB商场一年后就参与了2018年的竞赛，获得了并排第二名的成果。这是迄今为止国内部队在该项赛事中的最好成果。
上图是南京爱锑奕团队在竞赛中输出的实时轨道。能够看到，除少部分区域外，大部分区域都输出了精度很高的定位坐标。蓝色为激光SLAM实时轨道，绿色点为爱锑奕团队输出的轨道，赤色为矢量差错。
上图是参与各支部队的均匀定位差错比照。爱锑奕团队的均匀定位差错是0.4米，而几个传统强队，如RaceLogic、俄罗斯研究院等相同运用UWB技能，却只获得了挨近1米乃至更差的成果，这充分说明了2018年竞赛难度之大。
结语
总而言之，这次新款iPhone对UWB的全面支撑，对UWB技能的规模化商用推行是一次十分名贵的时机。这也将加快UWB上下游工业链的开展和成熟。
跟着5G的到来，咱们正在加快走向万物互联年代，越来越多的物联网设备和运用将会呈现。UWB技能能够依据本身的特色，与这些物联网场景紧密结合，给用户供给更好的服务体会。
包含智能家居、增强实际、移动付出、关照盯梢、地质勘探、室内导航，都将是UWB技能的用武之地，具有十分宽广的开展远景。
依据相关组织的猜测，未来UWB技能将在室内定位商场中占有30%~40%的商场份额，2022年商场规模将有望抵达164亿美元。
UWB的美好未来，让咱们拭目而待！
