室内定位技术新贵:超宽带UWB

2020-09-01来源: EEWORLD关键字:UWB  iPhone  11

每一年的iPhone发布会都会受到业界举世瞩目,因为他们每一款手机的背后都会有一项黑科技的诞生,可以看出苹果在科技圈里一直想做一个引领者。去年,iPhone11系列就把UWB技术推上了历史舞台。在蓝牙、WiFi兴起的时代,UWB(Ultra Wideband,超宽带技术)能否站住脚跟?又有什么神奇之处?下面我们就来深入了解一下它的奥秘。

 

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UWB 定位技术,始于20 世纪60 年代兴起的脉冲通信技术,2002 年美国首先批准用于民用通信。如今已装在了精巧的iPhone11上,其配置的UWB 通信芯片将用于两方面功能:

 

 

据悉,这项技术将显著提升苹果手机的空间感知(Spatial Awareness)能力。所谓的空间感知能力,就是定位能力。根据苹果公司介绍,搭载U1芯片的iPhone,进一步提升了手机定位功能,不仅可以感知自己手机的位置,还可以感知周边其他手机的位置。

 

UWB与常用定位技术的区别?

 

我们现在常用的定位技术,主要包括卫星定位和基站定位。

 

对于基站定位而言,其基站就相当于是一个“雷达”。通常,在城市中,一部手机会在多个基站的信号覆盖之下。手机会对不同基站的下行导频信号进行“测量”,得到各个基站的信号TOA(到达时刻)或TDOA(到达时间差)。根据这个测量结果,结合基站的坐标,就能够计算出手机的坐标值。

 

 

这些定位手段,都有一个明显的缺点,就是无法穿透建筑物,室内定位玩不转。

 

为此人们开发了一系列技术,尝试利用其它类型的锚节点来提供定位能力。Wi-Fi,蓝牙,UWB等技术应运而生。

 

这些技术都是基于通信体制而设计,而一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号,通信信号的实际占用带宽并不高。而UWB不同于传统的通信技术,它是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很大,尽管使用无线通信,但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。

 

 

FCC(美国联邦通信委员会)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更为严格的限制,将其限定-41.3dBm频带内。

 

 

简而言之,这项技术通过超大带宽和低发射功率,实现低功耗水平上的快速数据传输。由于UWB脉冲的时间宽度极短,因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。

 

iPhone的UWB是个噱头?

 

集众多优势于一身的UWB,被苹果率先商用化,可谓一高人胆大,但是从应用效果来看,其褒贬不一,甚至有人说iPhone 11的UWB只是个玩具罢了。

 

苹果为何被泼冷水?这就要从UWB的定位手法说起

 

据了解,UWB常用的定位方法:

 

(1)TOF(Time of flight):通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来实现测距。

(2)TDOA(Time Difference of Arrival):利用UWB信号由标签到达各个基站的间差来进行定位。

(3)PDOA(Phase Difference Of Arrival):利用到达角相位来测量基站与标签之间方位关系。

 

目前的UWB定位主要两种模式:

 

一种是在室内空间中安装定位基站,最少三个。分布在空间的四周,通过定位终端发射脉冲信号和定位基站接受脉冲信号的时间差来算终端和基站之间距离,通过这种计算方式可以算出一个定位终端到多个基站的距离,再通过公式可以获得定位终端的位置信息。但是这个位置信息是相对信息,是相对基站的信息,因此基站必须首先在定位空间中标注位置坐标XYZ。因此,用这种定位方式进行组网,需要有基站坐标的勘测工作。这个也是UWB系统在部署过程中最繁琐的部分。所以说,如果要实现厘米级的高精度定位,那么光有个IPHONE11的手机是不够的,定位坐标的计算是在基站和定位系统侧,所以苹果需要同步对外推出相应的定位基站和定位系统,这个也是苹果有史以来没有做过的工作。

 

另一种方法是采用多个阵列天线的UWB定位基站,实际上就是每个天线对应一个UWB的模块,这样形成了多通道的分级接受功能,通过每个天线收到的终端信号和方位角,用算法来进行定位即AOA定位。和基于TOF/TDOA的算法有不一样的地方是,如果定位的空间非常小,就可以只装1个基站即可,和TOF/TDOA动则3-4个基站的部署有着极大的优势,可以用在比如行李箱自动跟随等应用。

 

如果只是AOA角度定位,那么蓝牙5.0就可支持。iPhone一旦集成了蓝牙5.0,这些功能都可实现,所以集成基于蓝牙5.0的天线阵列,放到行李箱上一样可以做行李箱自动跟随,价格还便宜,不占用IPHONE宝贵的空间,这就不用去集成UWB芯片了。

 

所以说矛盾就在这里,苹果想鱼和熊掌兼得,有些费力。但面对如此的大蛋糕,苹果不会就这么轻易放弃。

 

UWB依旧前途无量

 

但综上所述,较于WiFi、蓝牙、NFC,UWB在小范围、高分辨率的图像和视频的无线个人局域网上有着无可比拟的优势。

 

UWB和其它定位技术的对比

 

 

相比传统的WiFi 和蓝牙定位技术,UWB 具备以下优势:

 

 

 

UWB定位准不准,用数据说话

 

为了客观评判不同的室内定位技术,多个国际组织一直在积极组织室内定位比赛。其中,微软的MILC比赛被公认为评判高精度室内定位技术最好的舞台。下图历年MILC比赛中基于基础设施组前三名的成绩,可以看出,从2015年开始,UWB的优势逐渐显示出来,已成为高精度定位技术中最有前景的技术。

 

 

室内定位迎来机遇,UWB 技术异军突起

 

随着现代化建筑规模越来越大、地下建设越来越频繁、工厂安全和高效生产的需求越来越高、以及基于物联网和大数据分析的需求,室内定位技术需求越来越来多,而传统的卫星信号会受到建筑物的干扰,因此“最后一公里”定位技术迎来巨大机遇。

 

同时,面对日益复杂的个人局域网通信需求,UWB 顺应了电子行业发展的趋势。随着Apple Watch、AirPods 等穿戴式设备的兴起,用户对于不同设备之间的互联互通要求日益提升。个人局域网中设备之间的差异极大,在传输速度、传输距离、功耗、安全性等方面有着不同的要求。WiFi、蓝牙、NFC 等技术各有优劣势,UWB 满足了VR/AR 对无线传输速度的更高要求,有望在VR/AR的个人局域网内容传输发挥上巨大作用。此外,UWB 技术也可以实现VR/AR的精准定位和动作捕捉,实现无区域互动、手指操作实现多种姿势随意转换等功能。

 

 

基于医疗、零售、工业生产以及自动驾驶等行业的强劲需求,Market&Market 的预测,全球实时定

位系统市场规模将由2018 年的31.9 亿美元,增长到2023 年的87.9 亿美元,市场规模CAGR 为

22.5%。

 

5G助UWB腾飞

 

多种商用功能在5G时代更胜一筹,其中位置信息能为智慧家庭、零售、制造、医疗、机器人等行业提供十分准确的位置信息数据,这是物联网时代的重要基础。室内定位技术作为物联网感知网络的底层基础,自然能够获得更大的市场机遇。根据Machina Research 的研究报告,未来物联网数百亿的连接设备中,有60%的应用将可能包括地理数据,其中约三分之一的应用将严重依赖地理位置数据。

 

加上UWB 定位技术拥有高精度、高安全性、高抗干扰能力等特点,使得UWB 在消费市场具备极大的应用潜质,总结起来UWB 的应用当前主要集中在三个场景:智慧门禁,定位服务和设备间联通服务。

 

 

总而言之, iPhone 11对UWB技术的规模化商用推广是一次非常宝贵的机会。这也将加速UWB上下游产业链的发展和成熟。首先就要解决成本的问题,太贵的硬件对任何厂商都很头大,而苹果对于行业的影响力,可以帮助很多技术从实验室状态,快速进入量产状态,这种事情在历史上发生过不止一次。

 

生态链已初步形成

 

为了快速推动这个行业的发展,2019 年,恩智浦、三星、Sony、博世(Bosch)、ASSA ABLOY、HID Global 组建了FiRa 联盟,旨在利用UWB 技术推动用户无缝体验,索尼、LitePoint、电信技术协会(TTA)也已加入FiRa 组织。FiRa联盟也在积极推动和汽车等其他行业参与者合作开发和定义技术。

 


关键字:UWB  iPhone  11 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/IoT/ic508570.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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