iPhone 11新技术—UWB到底能干什么

2019-09-23来源: 鲜枣课堂+ESM关键字:UWB  iPhone  11

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神秘的面纱,与“果粉”见面。



新iPhone的特点和参数,相信大家通过各大媒体的介绍已经有所了解。不过有一个细节,不知道大家有没有注意到——本次发布的全系列新款iPhone,全部搭载了支持超宽带(UWB)技术的U1芯片。


根据官方的宣传,这项新技术将显著提升苹果手机的空间感知(Spatial Awareness)能力。





那么问题来了,空间感知能力是什么意思?U1芯片到底能做什么?UWB超宽带技术又是什么黑科技?所有这些,会不会引领新一轮的智能设备应用创新?




通过本文,笔者将一一为你揭晓这些问题的答案。




     什么是空间感知能力     




所谓的空间感知能力,就是感知方位的能力。更直接一点,就是定位能力。




根据苹果公司的介绍,搭载U1芯片的新iPhone,进一步提升了手机的定位功能,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。

在使用隔空投送(AirDrop,苹果设备提供的一种无线分享文件的功能)时,基于U1芯片提供的空间感知能力,只需将你的iPhone指向其他人的iPhone,系统就会优先排序(离得越近,优先级越高),让你更快速地共享文件。


说白了,利用U1的定位能力,iPhone11可以实现“离我越近越先得到响应”的应用效果。

说到定位,相信大家都很熟悉。我们经常会使用例如高德地图或百度地图这样的APP,里面就有定位和导航的服务。




定位服务帮助我们掌握位置信息,指示方向,增加自身的安全感和掌控感,给我们的工作生活带来了很大的便利。



那么,UWB技术和我们现在常用的定位技术,又有什么不同呢?




我们现在常用的定位技术,主要包括卫星定位和基站定位。




卫星定位,是利用人造地球卫星进行点位测量的技术,也是目前使用最为广泛、最受用户欢迎的定位技术。它的特点非常突出,就是精度高、速度快、使用成本低。







大家所熟知的美国的全球定位系统(GPS)、中国的北斗(BDS)、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS),都是卫星定位系统。

基站定位的原理和雷达有相似之处。雷达定位大家都知道,就是发射雷达波,根据目标的反射,进行空间位置测算。







基站定位的话,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。




画个图,一看就明白了:







所有上述这些定位手段,都有一个明显的缺点,就是无法穿透建筑物,不能实现室内定位。

卫星定位,需要接收机接收到足够的卫星信号。当进入室内,或有遮挡时,卫星信号很微弱,无法有效定位。
 
图为手机在室外接收到的GPS定位信号

从图示可以看出,当发现的卫星数量降低时,定位误差从10米增加到66米。

一方面,卫星和基站定位技术无法满足室内定位的需求。另一方面,室内定位的业务场景却越来越多,例如地下车库导航、商场寻找店铺和商品,甚至儿童走失,都对室内定位有迫切需求。

在需求持续上升的背景下,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。这就包括了Wi-Fi,蓝牙,UWB等技术。




     什么是UWB     




Wi-Fi和蓝牙大家都比较熟悉。那么,UWB又是什么?



UWB,就是Ultra Wideband,超宽带技术。它源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。



了解通信的同学都知道,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,它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短,因此可以实现频谱上的超宽带:使用的带宽在500MHz以上。







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。




相比Wi-Fi和蓝牙定位技术,UWB具有如下优势: 

1)抗多径能力强,定位精度高:带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力(成正比关系)。UWB的带宽很宽,多径分辨能力强,能够分辨并剔除大部分多径干扰信号的影响,得到精度很高的定位结果。UWB可以在距离分辨能力上高于其他传统系统,复杂环境下其精度甚至可以达到Wi-Fi、蓝牙等传统系统的百倍以上。

2)时间戳精度高:超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级,由定时来计算位置时,引入的误差通常小于几厘米。 

3)电磁兼容性强:UWB 的发射功率低,信号带宽宽,能够很好地隐蔽在其它类型信号和环境噪声之中,传统的接收机无法识别和接收,必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调,所以不会对其他通信业务造成干扰,同时也能够避免其他通信设备对其造成干扰。 

4)能效较高:UWB具有500MHz以上的射频带宽,能够提供极大的扩频增益,使得UWB通信系统能效较高。这意味着对于电池供电设备,系统的工作时间可以大大延长,或是同样发射功率限制下,覆盖范围比传统技术大得多。通常在短距离应用中,UWB发射机的发射功率普遍低于1mW;在长距离应用中,不需要额外的功率放大器即可达到200米的距离,同时实现6.8Mbps的空中速率。
基于上述技术优势,采用UWB能够构成高精度的室内定位系统。
UWB和其它定位技术的对比




目前,常用的UWB测距方法有三种,分别是:

(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时间差来进行定位。
(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。




     UWB的产业发展     




在2002年以前,UWB被广泛用于军事方面的用途。2002年,FCC(美国联邦通信委员会)对UWB做了如前文所说的功率上的严格限制,才将UWB技术解禁,准许进入民用领域。
此后,UWB技术进入了高速发展期,各种技术方案围绕着UWB国际标准的制定也展开了激烈的竞争。
2007年,IEEE在802.15.4a标准中对UWB技术进行了标准化。经过近十年的发展,UWB的标准也在不断完善。




说到UWB的产业链,就不得不提到Decawave公司。







Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片厂商。他们提供低成本的芯片出售,零售价格在几美元。芯片型号是DW1000,符合IEEE 802.15.4-2011 UWB标准协议(在理想条件下,最大可测量范围为300m)。




DW1000芯片




在苹果公司的产品发布会后,基于Decawave芯片DW1000的定位厂商INTRANAV连发两条推特,声称其套件支持与iPhone11的互操作,Decawave也转发了该推特。这说明,苹果U1有极大的可能支持IEEE 802.15.4。




其它从事UWB技术研究的厂商还包括Ubisense、BeSpoon。




这些厂商使用了自己的UWB解决方案,通常以模组套件的形式推出,但均不支持IEEE 802.15.4。




要实现更好的空间感知,需要应用生态的支持。为了构建整个应用生态,不同厂家设备性需要实现互操作、互兼容。可以预见,未来所有厂家设备都将可能支持IEEE 802.15.4标准。




     UWB的定位效果     




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。




目前国际上三个高规格的室内定位比赛包括:

1)微软室内定位比赛(Microsoft Indoor Localization Competition,MILC)
2)美国国家标准与技术研究院(NIST)举办的PerfLoc(Performance Evaluation of Smart-phone Indoor Localization Apps)
3)国际室内定位与室内导航大会(IPIN)室内定位比赛:IPIN competition




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。




下面列出了历年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。同时,Decawave的DW1000也是具体定位方案中的主流选择。8家获奖的UWB团队中,有7家都使用了DW1000。




2018年的比赛使用性能极高的激光SLAM构建地图(左图)并基于此实时输出真实位置轨迹(右图),由此作为比赛的评价依据




比赛场地在葡萄牙波尔图证卷交易所宫,现场环境十分复杂




2018年的比赛首次评价动态精度,比赛场地非常复杂,结果的导向性很强。

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领域的翘楚,三次进入前三名,2018年更是获得第一名和并列第二名。

CMU Anthony Rowe团队




更重要的是,2018年该团队取得第一名的技术路线是UWB+增强现实(AR),而iPhone 11 Pro则成为了首款同时支持AR和UWB的手机。这足以证明该团队具有极强的技术洞察力。




此外,来自中国的南京爱锑奕电子科技有限公司也非常值得关注。




他们是一个新兴团队,切入UWB市场一年后就参加了2018年的比赛,取得了并列第二名的成绩。这是迄今为止国内队伍在该项赛事中的最好成绩。

上图是南京爱锑奕团队在比赛中输出的实时轨迹。可以看到,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实时轨迹,绿色点为爱锑奕团队输出的轨迹,红色为矢量误差。




上图是参加各支队伍的平均定位误差对比。爱锑奕团队的平均定位误差是0.4米,而几个传统强队,如RaceLogic、俄罗斯研究院等同样使用UWB技术,却只取得了接近1米甚至更差的成绩,这充分说明了2018年比赛难度之大。

      结  语     




总而言之,这次新款iPhone对UWB的全面支持,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。
随着5G的到来,我们正在加速走向万物互联时代,越来越多的物联网设备和应用将会出现。UWB技术可以根据自身的特点,与这些物联网场景紧密结合,给用户提供更好的服务体验。




包括智能家居、增强现实、移动支付、看护跟踪、地质勘探、室内导航,都将是UWB技术的用武之地,拥有非常广阔的发展前景。根据相关机构的预测,未来UWB技术将在室内定位市场中占据30%~40%的市场份额,2022年市场规模将有望达到164亿美元。



主要UWB芯片原厂

 

在iPhone 11的带动下,UWB 技术已经受到产业链的广泛关注。在To B市场,UWB 技术产业链可分为“芯片”和“解决方案”两个环节,少数公司已经从事芯片和解决方案的完整布局。

 

而在To C市场,UWB技术产业链正形成“芯片、模组、整机”等多个环节。此外,UWB 技术也为 FPC、功能结构件等产业打开新的市场。东方证券指出,手机应用UWB技术有望给模组和FPC市场分别带来数十亿元新增市场。

 

根据天风国际分析师郭明錤发布的最新研究报告,iPhone UWB SiP合作商为长电科技,且预计苹果还会推出UWB标签,以实现部署提供iPhone室内定位服务的基础建设。在UWB标签产业链方面,预计长电科技仍为主要供货商,生产则由纬创实现。

 

《国际电子商情》也梳理一下全球UWB芯片厂商的概况。目前全球UWB定位技术主要行业巨头有:英国Ubisense、美国Time domain、Zebra、爱尔兰DecaWave (DW1000芯片)、荷兰NXP等,国内中海达、浩云科技、精位科技等数十家企业也开始风云乍起,迎接市场的红利期。

 

1、英国Ubisense

 

Ubisense成立于2003年1月,来自剑桥大学的工程师队伍,Ubisense UWB的显著特点是精确可靠的实时定位,有源射频标签适用于室内/户外环境且高精度,可达到15厘米,基座设施可互相替换,具备高可靠性(两个感应器跟踪三维定位),为客户端提供成熟的软件平台。应用范围包括物流、工业、危险环境、医疗保健、军事等。 

 

2、美国Time domain

 

公司的PLUS超频带UWB及时定位系统由标签、阅读器、同步分配面板、天线和定位软件组成。2009年底,Time Domain公司就推出欧式系统,中心频率为7.3Hz。欧式系统中用户可以动态地改变标签的发射频率(1~10Hz)和操作模式(活跃或者待机)。

 

3、美国Zebra

 

Zebra Technologies为美国大学生橄榄球Senior Bowl比赛提供有源UWB标签、读卡器以及Zebra软件。Zebra软件读取数据后,将计算诸如每个球员跑步的速度,其他球员与该球员的距离,以及抛球的速度和旋转度、高度、距离等信息。然后,这些数据将转发给Senior Bowl的管理软件,通过社交媒体向粉丝和媒体展示。这些信息不仅可以用来识别球员的优缺点,还可以判断球员是否疲劳。

 

4、爱尔兰DecaWave

 

Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片厂商。其提供低成本的芯片出售,零售价格在几美元。型号为DW1000的芯片,符合IEEE 802.15.4-2011 UWB标准协议(在理想条件下,最大可测量范围为300m)。应用于政府大楼、高货值仓库、超级市场、大型制造车间、医院、敬老院、幼儿园、酒店、大型餐馆、娱乐场所、监狱、住宅小区、物流公司、博物馆、科研机构、实验室等人员和重要物资的定位监控。

 

5、法国BeSpoon

 

BeSpoon的UWB RTLS 系统,易于部署,具有“容量大、标签待机时间长、覆盖范围广、定位精度高”等突出优点,可用于追踪工厂中成百上千的产品批次,或查询仓库中叉车、工具、栈板的实时位置。本系统适用于各类工业环境,即便在钣金车间这类多障碍、强散射的不利环境中,系统表现依然良好。

 

6、荷兰恩智浦

 

恩智浦将UWB应用在了汽车电子领域。日前一款基于大众Arteon车型打造的概念车于德国汉堡亮相,通过搭载恩智浦于今年7月发布的最新超宽带技术,该车在防盗保护、安全性和便利性等方面都有了大幅提升。尽管在这款车型上,超宽带技术的主要应用场景还限于验证车辆的防失窃,但未来应用将有无限可能。

 

7、成都精位科技

 

成都精位科技在UWB系统定位精度上可达1-10cm,射频最大射程400米,基站刷新率高达8000Hz、标签刷新率100Hz、大范围定位和三维实时定位。其高精度定位平台可根据不同的平台设置不同的属性,提供API开发包,在相对统一的软件平台基础上定制开发各种应用软件,可以直观形象的显示定位目标,定位场景,管理定位数据,以满足不同行业的需求。

 

8、北京清研讯科

 

清研讯科源于清华大学测试技术与仪器国家重点实验室,是一家工业无线精确定位产品及定位系统提供商。它提供的LocalSense精确定位解决方案,在生产环节中实时定位人员、车辆、资产的精确位置,并在定位基础上实现轨迹追踪、区域报警、摄像联动等增值服务功能。

 

9、中海达(郑州联睿电子)

 

中海达全资子公司联睿电子专注于区域高精度实时定位产品研发和相关技术服务,行业应用领域广泛涉及仓储物流、司法监狱、智慧城市等。日前,公司成功中标“华为UWB手机无线防盗器项目”,将为各大华为体验店提供可摆脱传统手机防盗链的无线防盗器产品,预计年采购数量万套以上。

 

10、广州浩云科技

 

深耕UWB技术多年的浩云科技,UWB技术可以做到室内或者室外精准定位到厘米级别,目前公司已经掌握了将UWB嵌入手机使用的技术,形成了成熟的产品,并将相关技术及产品应用在了智慧司法、核电等多个领域,其室内静态定位精度可达2厘米,高精度技术领先同行业1-2年。

 

11、南京唐恩科技

 

唐恩科技源自于南京大学软件新技术国家重点实验室的定位技术研发团队,推出了基于卫星、UWB、惯导和视觉技术的多种定位产品,在智能工厂和生产控制领域提供了多个解决方案,如智能工厂可视化、生产运维安全管理、工业车辆智能导肮等,提升行业的管理精细化和自动化水平。2014年率先与Decawave合作,推出国内首家UWB自研高精度定位系统。

 

12、上海环旭电子

 

公司是我国“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”的前列企业,其与飞思卡尔半导体有限公司在2006年就已推出了超宽带高清电视和家庭媒体中心等产品和系统。

 

13、上海仁微电子

 

高精度UWB定位系统已成功将UWB定位技术和行业需求相结合,推出了众多行业应用方案并成功应用,例如智慧监狱的犯人实时监管、智慧工地中施工人员的安全定位、智慧化工的危险区域重点监控、智慧执法办案中心定位手环防串供等功能。

 

14、南京沃旭通讯科技

 

公司成立于2012年,开始曾为中国移动布置Wi-Fi热点,后来转向UWB技术。沃旭是国内首家基于IR-UWB产品研发及应用的高新技术企业,也是“Decawave”官方指定的主要合作伙伴。2016年沃旭完成Pre-A轮融资。产品已通过国家无委、FCC,以及即将通过德国莱茵TUV功能安全认证。

 

15、深圳金溢科技

 

公司主要产品包括基于UWB定位和视频识别技术的全自动路内停车收费管理系统,并计划于2020年上半年进一步推动V2X、UWB和RFID等技术在香港和新加坡的推广和试点。

 

16、杭州新华三

 

公司打造的UWB解决方案首创WLAN和UWB融合,不仅能够提供WLAN功能,还可以进行UWB高精度人员、资产定位,新华三UWB定位方案具备端到端整体能力,其UWB定位方案可实现20-50厘米的定位精度,并具备低功耗、对信道衰落不敏感、穿透性强,强大的抗干扰性等优势,同时不会对同一环境下的其他设备产生干扰。

 

五、未来:To B到To C的应用突破

 

UWB定位技术已经在ToB端有所应用,主要包括司法监狱、三级医院、矿井、化工厂、工厂与仓库等对于物资或者人员管理需求比较高的应用场景,而在消费市场UWB也具备极大的应用潜质,将主要用于智慧门禁、定位服务和设备间联通等场景。以下是企业级应用市场总量统计: 

                                              image.png

 

企业级应用对于UWB技术指标的要求要比消费级应用场景高很多,价格也会偏贵,但企业级应用是一个很大的市场。根据《中国UWB定位技术企业级应用市场调研(2019版)》中的调研数据,预计在2022年,国内UWB企业级应用市场的体量将会超过百亿级别。

 

目前,To C市场也有关于UWB技术在消费级领域的应用尝试,比如说小米的厂商基于UWB技术AOA定位算法的特性,推出了智能跟随行李箱等“黑科技”产品,也有某些车厂的车钥匙基于UWB技术能够保证更加的安全。但是,这些在市面上都属于小范围的尝试,对于市场的刺激程度远没有在手机中植入UWB芯片来的直接。

 

当然,UWB消费级产业兴起也不会一蹴而就,也面临着诸多的问题,比如说UWB成本的优化、UWB定位技术的商业模式、UWB定位技术的成熟度等等,这些都需要更多人一起推动这个行业发展。

 

另外,UWB要实现更好的空间感知,需要应用生态的支持。为了构建整个应用生态,不同厂家设备性需要实现互操作、互兼容。可以预见,未来所有厂家设备都将可能支持IEEE 802.15.4标准。

 

除了定位跟踪外,UWB技术还将促进空投。用户只需将一部iPhone对准另一部,就能空投文件,这项新功能将在9月30日发布的iOS 13.1中提供。

关键字:UWB  iPhone  11 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/xfdz/ic475324.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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