“超宽带”在手机中的应用——解析 iPhone 11 UWB

正如先前预告，iPhone 11 加装了UWB 芯片，这对“果粉”和UWB研发者都是一副兴奋剂。

搜索iPhone 11 UWB新闻截图

究竟iPhone11加装的UWB有何用？是实实在在的需求驱动，还是技术探路？

就目前消息，苹果对iPhone 11 采用的是何种UWB技术并没有足够提及，本文根据一些公开的资料谈谈看法。

1 UWB在iPhone 11

其实，UWB并不是iPhone 11 宣传首推，下图截自苹果中文官网。可见，iPhone 11 首推的是它的双摄像头！其次是说它的芯片速度，然后是说它的电池，最后又回到说它的视频。苹果英文网站的原文是“A new dual?camera system captures more of what you see and love. The fastest chip ever in a smartphone and all?day battery life let you do more and charge less. And the highest?quality video in a smartphone, so your memories look better than ever.”它们都没有把UWB放在C位。

截图来自: [5]

甚至手机应用分析，在iPhone 11 的视频介绍中，根本就没有提到UWB！

不过，在若干美丽的大幅照片以及防水、省电和速度快的介绍之后，出现了下面这段：

截图来自：[5]

上面来自苹果中文官网截图中说的“超宽频”，应该就是我们说的“超宽带”UWB，因为iPhone 11的英文介绍是这样说的：“Ultra Wideband technology comes to iPhone.”：

截图自Apple英文网站

具有三个摄像头的iPhone 11 Pro的推介与iPhone 11 类似，关于UWB的这一段是这样的：

截图自[5]

总之，iPhone 11 和 iPhone 11 Pro都新增加了一个采用了UWB技术的芯片U1，于是就有了“空间感知（spatial awareness）”能力。什么是“空间感知”呢？苹果说：UWB即Ultra Wide Band，有时又写成Ulatra Wideband，中文叫“超宽带”。

多宽才是“超宽”？根据美国FCC的定义，10dB带宽大于等于500MHz即为“超宽带”，这是用绝对带宽定义；用相对带宽来定义，是10dB相对带宽（带宽相对于中心频率）大于等于20%。既然实现500MHz的绝对带宽或者20%的相对带宽就算是UWB，那么，就可能有很多不同类型的UWB，首先想到的也许是扩展频谱(DS)，又叫扩频，尤其是直接序列扩谱(DSSS)，把信号带宽扩展到500MHz并非难事，再如OFDM，再如窄脉冲，线性调频......，等等。实际应用中，有两种类型的UWB。一种是连续波，例如多频段OFDM（MB-OFDM）；另一种是窄脉冲，当初称为impulse radio，冲激无线线，或脉冲无线电，这种UWB通常称为IR-UWB。

IR-UWB无载波，直接发射窄脉冲信号。IR-UWB无需任何扩谱技术，由于它发射的脉冲很窄，比如纳米级甚至皮秒级，所以它的射频带宽自然非常宽。

IR-UWB与常规无线电示意图

3 UWB能干什么？IR-UWB在2000年以后曾经成为超宽带通信研究的热点，试图以直接发射脉冲这种比较简单低廉的方式进行短距离高速无线通信，有不少公司还研制出了芯片，例如飞思卡尔。然而，“高速”有WiFi，“低速”有蓝牙，IR-UWB通信很尴尬。虽然IR-UWB通信的发展并不如当初期望，但IR-UWB的测距/定位潜能却由于IoT的发展被发掘出来。而且，在谈测距/定位的UWB时，大家似乎都默认是基于脉冲的UWB，而并不特别说明是IR-UWB。（所以我们下面说的UWB也就是脉冲实现的UWB）。

既然是发射脉冲，测距就很方便了。计算公式就是过去初中学的距离公式：距离＝速度×时间。电波的速度是知道的，如果测出时间，就可计算出距离。

无线电脉冲测距示意图

当然，还有其它的测距方法，比如根据接收信号强度来计算距离，等等。定位的方法有很多。基于测距的定位是比较典型的方法，一种简单方法的示意图如下。

（a）

(b)

(c)

(d)

测距定位示意图

在上面图(a)中，测出两点间的距离d1，例如手机与基站（或参考节点）之间的距离，我们只能确定手机在以基站为圆心、d1为半径的圆周上，并不能“定位”，只有当知道方位信息，例如上面图（b）中角度θ，这样才能实现定位：{d1，θ}。

如果有两个参考节点（或基站），分别测出手机离两个节点的距离d1和d2后，那么，可以确定两个可能的位置。这时，如果能排除一个“假位置”，则可以“定位”，如上图(c）。

观察上面各图，显然，当有三个参考节点时，才能实现测距定位，如上图（d）。

单纯的UWB，如果要实现传统意义上的“定位”（X-Y平面上的具体位置），那么，要么把距离和方向（方位）都测出来（这是可能的，见本文下面“展望”部分），要么需要其他参考节点的辅助，要么需要三个以上的UWB协作。

当然，有一点是值得注意的，当今“定位”一词四处可见，有时说的“定位”，其实只是一个“方位”，它不是“position”或“location”，而是“direction finding”。

4展望

有人说[3]，iPhone 11 里的U1芯片，是超宽带革命的开始（“The U1 chip in the iPhone 11 is the beginning of an Ultra Wideband revolution”）。

也许真会如此。

IoT、工业互联网等需要测距定位的场合，是UWB的用武之地。其实，UWB在IoT中已经有了很多应用，目前是上升时期。

UWB在手机中的应用，iPhone 11 算是开了先河。然而，iPhone 11 显然没有把UWB作为一个大亮点，或许，这真的只是一个开始。

UWB加入手机，有怎样的发展潜力？

首先，UWB的加入，增加了手机间的“直通”，尽管这种“直通”还不是像蓝牙那样的信息传输，但它既然能构成链路，两部手机间就被联系起来了，这也许能带来某种新的应用，比如支持D2D（Device-to-Device）。

MIMO已获得广泛应用。对于高频段，在手机中使用阵列天线成为可能，虽然现在用的天线数目还不大。多天线的使用，有可能会导致在手机上实现阵列测向功能，这样，加上UWB测距，两部手机之间就可以实现真正的定位——基于距离和方位。

当然，方位也好、定位也好、亦或如iPhone 11 说的“空间感知”也好，最后都将归结于它们能够满足怎样的需求，或者，创造怎样的需求。

值得一提的是，装有UWB的手机，也许可以作为一种阅读器，去阅读别的什么标签？正如有人说[4]：UWB将为苹果标签跟踪器（apple tag tracker）带来一种新的增强现实体验，但苹果并没有公告它的tagtracker，何时揭晓apple tracker，也许就在苹果的一下次活动？

除了iPhone，别的智能手机，也会用UWB吗？

最后，我们用iPhone 11 Pro 介绍U1 UWB时的那句话结尾：

这只是开始。

“And that’s just the beginning.”

参考资料：

[1] Apple built UWB into the iPhone 11. Here's what you need to know (FAQ)，

[2] What Is Ultra-Wideband—and What Does It Do in the iPhone 11，

[3] The U1 chip in the iPhone 11 is the beginning of an Ultra Wideband revolution,

[4] iPhone 11 includes ‘U1’ Ultra Wideband location chip, but Apple Tag tracker announcement notably absent,

[5]苹果官网：

（编辑：海南站长网）

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