超寬頻與你
超寬頻是一種快速、安全和低功耗的無線電協議，用於以任何其他無線技術無法比擬的準確度確定位置。它將如何改變你的業務？UWB 有什麼吸引人的地方，以至於蘋果決定將其新增到 iPhone 中？以下是你需要知道的，關於將徹底改變我們世界的超寬頻技術的一切。
蘋果行銷主管 Phil Schiller 在 iPhone 11 中展示了 UWB 的 U1 晶片。
- 什麼是超寬頻（UWB）？
- UWB 是如何工作的？
- 超寬頻有多準確？
- UWB 範圍是多少？
- UWB、藍牙、Wi-Fi 和 RFID 有什麼區別？
- 超寬頻安全嗎？
- 超寬頻應用案例
- UWB 要多少錢？
- 超寬頻優勢
- 超寬頻缺點
- UWB 的下一步是什麼
- 你如何開始使用超寬頻？
雖然你可能只是在 2019 年才聽說過超寬頻，當時蘋果將 UWB 新增到 iPhone 中，但這項技術實際上已經存在了幾十年。早在 2002 年，美國聯邦通訊委員會（FCC）授權未經許可使用 UWB。UWB 在軍用雷達中的用途有限，甚至曾短暫地被用作遠端心臟監測系統。當時，實施成本和低於最初預期的效能，限制了 UWB 在消費品中的使用。如今，超寬頻晶片既便宜又小，足以將它們放入智慧手機等其他裝置中。如今，它是如此精確，以至於 iPhone 所有者現在可以將手機對準朋友的手機來傳輸檔案或照片。
是什麼讓 UWB 如此獨特？它透過短距離傳輸資料，並透過測量無線電脈衝在裝置之間傳輸所需的時間來精確確定位置。顧名思義，它也使用了更廣泛的頻率。超寬頻的頻率範圍在 3.1 到 10.6GHz 之間。有一個缺點是它的範圍很短，但當你有兩個裝置在一個房間裡時，這並不重要。
由於其特性，UWB 應用為消費者和企業提供了許多新服務，如準確的室內位置和定位，即時提供上下情境感知資訊和精確分析（見 UWB 用例）。
UWB 是如何工作的？
與藍牙和 Wi-Fi 一樣，超寬頻是一種使用無線電波的無線通訊協議。UWB 發射機透過廣譜頻率傳送數十億個無線電脈衝，然後將 UWB 接收器轉換為資料。就像蝙蝠使用回聲定位來感知其環境一樣，UWB 脈衝也可以用來感知兩個發射器之間的距離。脈衝持續時間越短，距離測量就越精確。UWB 實現了即時精度，因為它每秒傳送多達 10 億個脈衝（大約每奈秒 1 個）。
UWB 使用非常低的功率和高頻寬（500MHz）是將大量資料從發射機傳輸到其他裝置的理想選擇。透過以模式傳送脈衝，UWB 對資訊進行編碼。對單個資料位進行編碼需要 32 到 128 個脈衝，但考慮到位到達的速度，這使得資料速率為每秒 7 至 27 兆位。
為了提高 UWB 的範圍和接收可靠性，在實現短程網路的標準中添加了MIMO（多輸入和多輸出），分散式天線系統。天線可以嵌入智慧手機或其他裝置，如腕帶或智慧鑰匙。
當配備 UWB 的智慧手機（如最新的 iPhone）接近另一台 UWB 裝置時，兩者開始距離或測量其確切距離。測距是透過飛行時間（ToF）完成的，即脈衝從 A 點到 B 點所需的時間。
根據使用類型，如資產追蹤或裝置本地化，其中一個 UWB 裝置會計算另一個啟用 UWB 的物體的精確位置 —— 例如落在沙發墊之間的車鑰匙或電視遙控器。（如果裝置正在執行室內導航服務，啟用 UWB 的裝置必須知道其與固定 UWB「錨」的相對位置，並計算其在區域地圖上的位置）。
UWB 有多準確？
UWB 的低功耗訊號對其他無線電傳輸的干擾很小，並且可以有效地測量 10釐米（3.9英寸）的準確距離。Decawave 的 UWB 晶片承諾在室內環境中的精度高達 2 釐米（0.78 英寸）。如果沒有障礙物，比較 Wi-Fi 和藍牙的準確度僅為 1米（39英寸）。
UWB 範圍是多少？
根據 IEEE 802.15.4a 標準，UWB 可以確定其他裝置在視線中的相對位置，甚至高達 200 米（656英尺）。
UWB、藍牙、Wi-Fi 和 RFID 有什麼區別？
當有這麼多不同的技術可供選擇時，在選擇自己的解決方案時，很容易不知所措。你可能會問自己，UWB 技術是否真的更適合你的特定應用案例。以下是UWB、藍牙、Wi-Fi 和 RFID 之間的主要區別的摘要。
UWB 與藍牙
起初，UWB 和藍牙聽起來可能非常相似。藍牙 LE（BLE）是一種低功耗無線電系統，已用於信標的測距和測量位置，或者至少這是許多信標生產商試圖出售的承諾。BLE 技術相對來說並不昂貴，也易於實施。問題是，使用藍牙，你無法真正測量位置或距離。你可以做的是檢測像智慧手機這樣的裝置，是否在另一台裝置（例如信標）的範圍內。為什麼呢？ 使用藍牙，你只能區分訊號是弱還是強，並將其轉換為距離裝置近或遠。
這真的與測量精確距離或追蹤位置不一樣。一些解決方案承諾將該訊號強度轉換為距離估計值，但這種方法的問題在於訊號強度是一個糟糕的距離指標。如果訊號強度低，這並不意味著手機離信標很遠，但信標和手機之間存在障礙。藍牙和 Wifi 在 2.4GHz 的相同頻率上執行，因此它們的訊號非常容易受到噪音干擾，它們很容易被反射或吸收，導致資料不準確和響應能力低。你可以嘗試建立繞行，並在固定位置使用信標網，每隔幾米進行一次訊號測量，以解決干擾問題並提高精度。但這些測量成本高昂，實施起來很耗時，而且不精確。
相比之下，超寬頻提供了更高的精度（高達幾釐米）。與藍牙低功耗相反，它測量的距離不是基於訊號強度，而是基於訊號從 A 點（智慧手機）到 B 點（UWB 標籤）所需的時間。與藍牙相比，UWB 範圍更短。由於超寬頻頻率為 3.1-10.6GHz，因此任何訊號干擾的可能性有限，這通常是 BLE 的情況。
然而，在某些事情上，BLE 信標仍然是首選解決方案。它們自 2013 年以來一直在市場上銷售，並且很容易獲得。基於 BLE 的解決方案也很便宜，易於與任何現有系統整合。所有智慧手機都整合了藍牙技術，這還不是 UWB 的情況。
| # | UWB | 藍牙（BLE 信標） |
|---|---|---|
| 電池 | 低消耗 | 低消耗 |
| 範圍 | 長達 200 米（656 英尺） | 長達 70 米（230 英尺） |
| 準確 | 10 釐米（3.9 英寸） | 高達一米 |
| 成本 | 低 | 低 |
| 最適合 | 近距離型銷，客戶分析，室內導航，智慧家居，工廠自動化，資產追蹤，物流 | 近距離行銷，客戶分析，忠誠度，室內位置 |
UWB vs. Geofence
地理圍欄使用來自衛星和手機塔的 GPS 訊號來確定你的正確位置。在最佳情況下，GPS 精度限制在 5 米以內。如果你在建築物內，這種準確性會更差，因為在封閉的建築物內，GPS 訊號會更弱。使用 GPS 會對行動裝置的電池續航時間產生重大影響。地理圍欄在室內不起作用，這就是超寬頻進入的地方。UWB 是目前在室內建立位置的最精確方法。UWB 不僅比 GPS 更精確，而且更快。
| # | UWB | 地理圍牆（GPS） |
|---|---|---|
| 電池 | 低消耗 | 適度消費 |
| 範圍 | 長達 200 米（656英尺） | 無限制（戶外） |
| 準確 | 10 釐米（3.9英寸） | 5 米（16英尺） |
| 成本 | 低 | 低（無基礎設施） |
| 最適合 | 近距離行銷，客戶分析，室內導航，智慧家居，工廠自動化，資產跟蹤，物流 | 戶外活動，戶外位置，客戶分析 |
UWB 與 NFC（RFID）
NFC 是一種相對便宜的 RFID 技術，在 13.56MHz 頻段執行，由於其低成本和尺寸，它正變得越來越受歡迎。NFC 的範圍只有 4 釐米（小於 2 英寸），因此它只能在某些場景中使用，而建立精確的位置並不屬於它們。
RFID 無法估計距離，這是 UWB 與其他技術相比最重要的優勢之一。它能做的是告訴你，兩個物體彼此相距不到 4 釐米，僅此而已。被動 NFC 標籤不需要任何電池，通常被納入鑰匙扣、支付卡或裝置中。NFC 最受歡迎的用例之一是將其用於智慧手機的非接觸式支付。然後在 POS 中讀取在智慧手機中建立的 NFC 標籤，以建立安全連線併為產品付費。
UWB 可能會在許多用例中戰勝 NFC，因為它擁有 NFC 的所有優點。唯一的缺點是你必須廣播 UWB 訊號，因此 UWB 標籤比被動 RFID 標籤更昂貴。
| # | UWB | NFC（RFID） |
|---|---|---|
| 電池 | 低消耗 | 沒有電池 |
| 範圍 | 長達 200 米（656英尺） | 幾釐米 |
| 準確 | 10 釐米（3.9英寸） | 幾釐米 |
| 成本 | 低 | 低 |
| 最適合 | 近距離行銷，客戶分析，室內導航，智慧家居，工廠自動化，資產跟蹤，物流 | 忠誠度，一按一按地傳遞資訊，安全檢查站 |
UWB 與 Wifi
在蘋果於 2013 年宣佈 iBeacon 協議之前，Wifi 是最常見的室內定位技術。與 UWB 技術相比，Wifi 的主要優勢在於它在世界各地的公共和私人場所都可以使用。所有智慧手機都啟用了 Wifi，這對許多公司來說是一個相當容易的選擇。
與 UWB 相比，Wifi 的主要缺點是透過僅測量訊號強度，來估計距離或位置的常見方法。如上所述，對於藍牙，訊號強度是一個糟糕的距離指標。Wifi 的精度限制在幾米以內，這使得它在許多用例中無法使用。你可以確定工人位於工廠大樓中的房間，但你無法確定他的確切位置。
WiFi 比 UWB 需要更多的電力，這就是為什麼所有路由器都需要隨時插入電源插座。如今，Wifi 路由器也比便宜的 UWB 標籤貴得多。雖然 Wi-Fi 在定位其他裝置和降低成本方面已經取得了長一段長的道路，但 UWB 更精確，耗電量更少，而且更便宜。
| # | UWB | WiFi |
|---|---|---|
| 電池 | 低消耗 | 交流電（在電池上不工作） |
| 範圍 | 長達 200 米（656英尺） | 高達 100 米（330 英尺） |
| 準確 | 10 釐米（3.9英寸） | 幾米 |
| 成本 | 低 | 高 |
| 最適合 | 近距離行銷，客戶分析，室內導航，智慧家居，工廠自動化，資產跟蹤，物流 | 近距離行銷、忠誠度、基本客戶分析 |
超寬頻安全嗎？
在分析 UWB 技術的安全性時，有多個方面需要討論。 首先，UWB 脈衝的功率是 1/10000-1/100000，然後是手機發出的訊號，因此所有人都可以安全使用。
UWB 有能力測量裝置的相對位置，其準確度是任何其他無線技術都無法比擬的。 當與高度安全的唯一識別符號相結合時，它可以透過雙重身份驗證保護車輛免受未經授權的訪問。啟用 UWB 的汽車可以檢測其所有者的存在，驗證其身份，並確保如果汽車及其鑰匙之間的距離超過預定義的閾值，則拒絕兩個物體（如汽車及其鑰匙）之間的通訊。 這使得任何詐欺訪問都非常難以執行，如果不是不可能的話。
人們也越來越擔心 UWB 用於 iPhone 上的後臺位置追蹤。超寬頻使用位置資料的管理完全在裝置上完成。裝置的位置不是由蘋果收集，而是由 iPhone 本身在本地收集。
超寬頻應用案例
與藍牙和 WiFi 相比，UWB 在精度和安全性方面具有優勢，這一優勢可用於許多不同的用例。基於 FiRa 聯盟，最初的重點是三類主要應用案例：免持門禁控制；基於位置的服務；以及裝置對裝置（點對點）應用：
- 智慧汽車訪問 - 一接近汽車，即可用智慧手機解鎖汽車，以便無鑰匙進入和遠端啟動。
- 安全無線支付 - 它比 NFC 更安全，你可以把智慧手機放在口袋裡。
- 安全建築訪問 - 一旦你接近大樓內的安全區域，就會自動開啟門。
- 智慧零售 - 提供有關你剛剛購買的產品或購買產品的特別優惠的有用資訊。
- 資產追蹤 - 波音使用 UWB 標籤在其龐大的工廠樓層上追蹤 10,000 多件工具、手推車和其他物品。
- 體育和健身追蹤 - 美國國家橄欖球聯盟已經在球場上追蹤球員，以使用每個肩墊上的 UWB 發射器進行即時重播動畫。足球的位置每秒更新 2000 次。
- 可穿戴健康感測器 - 生物辨識 UWB 手鐲，每天 24 小時監測體溫、氧飽和度、身體運動和心率。
- 醫療雷達 - UWB 脈衝可以透過讀取反射的 UWB 訊號從遠處監測人的呼吸和心跳。
- 室內導航 - 在室內精確導航到機場登機口或貨架上的產品。
- 智慧家居 - 燈光、音訊揚聲器和任何其他具有 UWB 感應功能的連線裝置，將能夠跟隨使用者從一個房間到另一個房間，例如根據你站立的位置調整揚聲器的音量，或將 Netflix 配置檔案切換到你的。
- 倉庫定位 - 在室內積極追蹤人員、機器和裝置，在緊急情況下準確定位 - 發現昏迷的人。
UWB 要多少錢？
近年來，超寬頻套件的價格開始迅速下降。 他們不僅在企業環境（工廠自動化、資產追蹤）中，而且在更廣泛的消費者環境（零售、辦公室）中都達到了可接受的測試水準。Decawave（MDEK1001）的超寬頻雙向測距評估套件，12 台，價格為 299 美元。此套件允許你佈署實時定位系統，並評估 UWB 技術的位置效能。Decawave 還推出了帶有內建加速度計的 BLE/UWB 組合模組。 如果你訂購了 1 萬件，價格為每台 25 美元，價格低於 12 美元。
Estimote 的完整 UWB 燈塔套件由兩個單元組成，價格為 149 美元，但它包含了最先進的物聯網技術。它擁有為實體世界構建下一代應用所需的所有關鍵無線晶片和感測器。今年晚些時候將公佈更小、更強大的解決方案。
超寬頻優勢
- 低功耗 - UWB 是低功耗系統，在電池壽命和實用性方面，這是行動裝置的關鍵因素。每秒傳送一次脈衝的感測器預計在單個硬幣電池下工作七年。
- 高精度 - UWB不使用 ToF（飛行時間）、TWR（雙向測距）、TDoA（到達時間差）、AoA（到達角度）技術等，來確定與另一裝置的距離，而不是依賴訊號強度。使用多個天線，UWB 還可以測量訊號到達的角度。 精確的角度與精確的距離相結合，意味著你的手機可以精確定位一個物體在空間中的位置。
- 無訊號干擾 - UWB使用 3.1-10.6GHz頻率，因此任何訊號干擾的可能性有限，這通常與藍牙和 Wifi 有關。
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- 超快-基於藍牙的位置感應，至少需要兩秒鐘來修復你的位置，UWB 速度快一千倍，這意味著沒有延遲，使用者體驗是無縫的。
超寬頻缺點
UWB 的最大缺點是，Wifi 或藍牙等其他技術能夠與當今所有智慧手機和平板電腦進行互動。但自從蘋果在 2019 年在其 iPhone11 中引入 UWB 晶片以來，UWB 預計將很快進入主流。其他智慧手機製造商正在模仿蘋果，並在其裝置中加入 UWB，更重要的是，將 UWB 整合到位置感知電子產品、可穿戴裝置等中。
UWB 的下一步是什麼
目前，只有 iPhone 內建了 UWB 晶片，但這只是超寬頻革命的開始，其他智慧手機製造商很快就會效仿。據巴克萊分析師稱，首款採用超寬頻技術的安卓智慧手機，將於 2020 年晚些時候釋出。三星和索尼等消費電子巨頭、晶片製造商 Decawave 和 NXP、汽車製造商大眾、現代和捷豹路虎，以及汽車電子強國博世都宣佈了他們支援 UWB 的新裝置。蘋果還申請了 UWB 或超寬頻的專利，以辨識你何時接近汽車，以解鎖其車門。
它還在自己的硬體上工作，稱為 AirTags（iTag），你將能夠連線到物件（如鑰匙串、錢包或包），並用手機追蹤物件的位置，甚至可能使用增強現實向你顯示螢幕上的位置。
儘管蘋果支援 UWB，但它尚未向其他開發人員開放該技術 —— 這意味著只有蘋果建立的應用 app，才能利用 UWB。 預計今年晚些時候將為所有開發人員啟用對 UWB 晶片的開放訪問，這將創造一個由 UWB 位置檢測驅動的令人驚歎的應用市場。 根據蘋果的說法，「這就像為 iPhone 添加了另一種感覺，它將帶來驚人的新功能。」
UWB 可能用於從無線印表機到非接觸式支付的所有內容。所有這些都取決於找到值得的「殺手應用」或功能。UWB 不一定需要取代 wifi、NFC 或藍牙 —— 它可以與它們一起工作。
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