热门内容

公众号"MAKE1"

获取行业最新资讯

客服小E

微信号EEIOECOM

UWB定位技术详解!iPhone11自带的UWB芯片,对定位行业有哪些影响

简介

近日,苹果公司召开2019年秋季发布会,3款新iPhone均配备UWB,可用于室内导航与物件追踪服务,点燃了大众对UWB的热情。2018年UWB整个市场是大概11个亿市场规模,预计到2020年整个市场规模要将近接近120亿。UWB发射器直接用脉冲激励天线,允许采用较为低廉的宽带发射器,在接收端不需要中频处理。UWB自2002年2月14日FCC批准民用以来,已经得到了快速地发展。探测雷达UWB 具有较高的空间分辨能力,使其具有较强的目标识别能力。

近日,苹果公司召开2019年秋季发布会,3款新iPhone均配备UWB,可用于室内导航与物件追踪服务,点燃了大众对UWB的热情。甚至有朋友向我打听哪家公司在做UWB,买什么股票好。

UWB技术的一个市场地位,也就是说奠定了它作为室内定位首选技术这么一个地位。苹果手机将定位技术植入到手机之后,可能在民用市场也会引发一股超高频精准定位脑洞开发,通过这些技术引爆UWB在民用市场一个应用。基于UWB的这些特点,其实在民用这个领域也有非常多广泛的应用。比如说养老行业、电力行业、医疗行业、化工厂行业、工厂跟仓库、停车场、司法行业、博物馆等等都有非常多的应用。

整个预计UWB这个市场容量将近300个亿市场规模,UWB由于是近几年才让人家慢慢发现并且开发很多产品应用,所以在过去一两年当中它的市场也是一个高速成长一个市场。2018年UWB整个市场是大概11个亿市场规模,预计到2020年整个市场规模要将近接近120亿。根据数据统计全球这个实施定位系统市场规模将由2018年31.9美元增长到2023年的将近90亿美元一个市场规模。那么国内UWB应用市场也会刚才说的2018年10个亿增加到2020年120亿市场空间这个是我一点补充。

UWB的概念

超宽带技术(UWB,Ultra Wide Band)技术

一种新型的无线通信技术

UWB通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制,使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、定位精度高等优点。

超宽带(UWB)可用来应用在近距离高速数据传输,也利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确内定位。UWB发射器直接用脉冲激励天线,允许采用较为低廉的宽带发射器,在接收端不需要中频处理。由天线接收下来的UWB信号经过一个宽带放大器后,进入积分检测电路,在UWB信号脉冲到来时,选通脉冲控制UWB的积分信号进入比较判决电路,实现伪码信号的检测判决。判决后的伪码信号与本地的PN码相乘后,通过低通滤波器的积分,进入门限判决电路,实现数据的正确解调。

UWB自2002年2月14日FCC批准民用以来,已经得到了快速地发展。目前 FCC在2002年允许的UWB 3.1~10.6GHZ可用作商业应用,欧盟允许的UWB范围为6.0~8.5Ghz。随着5G的大规模开始基站建设以及V-2X部署,UWB使用频率会逐渐上升到6G以上,对成本及可靠性提出新的要求。

UWB的作用

国内公司如华为、京东方等公司,国际公司如索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒克莱斯勒等高技术公司都已经设计了UWB技术的开发,将各种消费类电子设备以很高的速率相连,以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等功能的需求。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。在定位用到的UWB技术,遵循802.15.4a 标准,乃至802.15.4z标准。

精准定位

UWB定位精度在厘米级内,其精度远远高于WIFI和蓝牙定位。精度、安全性、穿透性、抗干扰性均高于同类技术。可应用于对定位精度要求较高的场景。

数据传输

支持高达110MB/s的传输速度,适合家庭无线消费市场。可应用于代替USB进行数据传输、家庭数字电视视频信号等场景。

探测雷达

UWB 具有较高的空间分辨能力,使其具有较强的目标识别能力。用途:探地雷达、穿墙雷达和道路检测等。

未来应用市场畅想

UWB的应用相对广泛,除了基于脉冲计数的精准定位系统与消有线接口的无线数据传输外,还可以作为AR/VR,免碰撞和安全气囊激活的汽车雷达系统,工作频率22-29GHz,多数不需要UWB基站组网。

01 箱包跟随

采用UWB无线定位原理,对标签发出的信号测距和计算角度,并根据距离和角度进行相应的控制电机运动。跟随距离20米,定位角度120度,最近跟进距离20cm。小米平衡车在多年前发布的自动跟随平衡车就采用UWB技术,也有些厂家的自动跟随行李箱采用相同技术,这两类产品都需要使用者佩戴UWB手环。

02 寻找物体(UWB 防丢器)

可以在C端用于停车场找车、找宠物、找娃、找钥匙,还可以在B端工厂仓库里找物资,也可以用于陌生人社交找人,这简直就是终极找东西的神器。想象下,在车海中快速找到来接我的滴滴快车。这种应用是不需要环境中部署基站的,只需要双方都具有UWB设备。苹果也在计划采用UWB技术开发一款类似tile的防丢追踪器,并能通过FindMy功能精确定位寻找。这个产品是一个圆形小配件,苹果logo在正中间,可以固定在任何产品上,然后通过手机定位防丢器的位置。这对于经常找不到钱包、钥匙的用户来说,这个产品非常方便。

03 AR/VR

UWB满足了VR/AR对无线传输速度提出的更高要求,4KVR要求20-40Mbps的传输速度,8KVR要求高达90-130Mbps。传统的WiFi传输速率较低,UWB技术的高速传输性能有望在VR/AR的个人局域网内容传输发挥上巨大作用。

04 高精度定位

当然这种定位方式需要在环境里要预先安装好UWB定位基站,这些不是苹果亲自做,主要由产业链伙伴做。AOA(Angle of Arrival)测向+测距。所以可以通过测量方向实现很多新颖的功能,满足三维的定位要求。

05 数据通信

UWB可以实现数倍于蓝牙的传输速率(6.8Mbps以上),功耗却并不高。UWB在2000年初曾与WIFI技术竞争数据传输标准,但失败了。后来UWB逐渐在高精度定位领域找到独特应用点,现在凭借低功耗和高安全性,重新回来了。2011年三星日前在欧洲市场发布了一款颇具特色的显示器新品SyncMaster C27A750,基于UWB超宽频技术,可以实现与主机间的无线显示。

06 停车自动计费

车辆的定位TAG本身就是有ID的,捆绑车牌号,车辆到达车辆与道闸的UWB定位芯片通过TOF定位,来判断车辆进去,系统根据进出时间来计算停车费用,不需要复杂的摄像头、地磁或其他传感器。

07 车库自动开启

手机可以作为车钥匙,提供比现有无钥匙进入技术安全性更高、定位精度更高的体验。想象下,拿着手机距离车辆5米时车灯自动点亮,距离车库门1米时,对应车门自动解锁。如果此时转身,迈开一步离开,车门自动上锁。iPhone11希望连接未来所有汽车,这也许是苹果推出U1芯片的重要原因。

08 智慧门禁

UWB的时间戳测距原理使得UWB几乎不可能通过被截获复制的方法伪造出自己

的位置,那么UWB可以作为安全性很高且便捷的钥匙了。在智能锁上应用也是可能的,三星在19年初CES期间以及发布一款应用UWB技术的智能锁,只是当时还没有手机钥匙,需要佩戴专用的UWB钥匙。

09 无感闸机

手机可以通过与POS机安全测距等方式为移动支付等支付技术提供更安全的无感支付体验。甚至将来拿了UWB手机的人可以直接无感过UWB地铁闸机,而无需掏手机出来扫码或刷NFC,类似汽车ETC过闸机一样。这里空间很大,不去展开,我们已经申请了专利。

10 V-2X

实际工作场景中,如高楼林立的十字路口、树木茂密的区域、高架桥下立交桥下、长隧道、室内停车场、恶劣天气等环境下,车辆终端接收不到导航信号、或者信号很弱。由于无法部署RTK增强基站,缺乏高精度位置信息的支持,目前将用于室内厘米级定位精度的UWB技术使用到以上区域的车辆上,就是满足V2X对高精度位置信息缺失区域,提供高精度导航,实现自动驾驶的最有效、最现实、最可靠、最经济的位置补充方案。

11 智能家居系统

基于UWB超宽带通信系统,可用极快的数据传输速率实现家居多媒体互联,以及实现室内精确定位等功能。

12 物联网

通过UWB的高精度定位和实时定位,可以准确的获取物流仓储、人员情况等位置信息,利于提高管理效率,安全有效。

13 自动驾驶

车辆实现自动驾驶需要知道车辆在道路的精准位置信息,相比于其他整套系统高昂的成本,UWB在精度以及价格上优于大部分的技术如激光雷达、毫米波雷达等,在行驶速度、定位精度、系统容量都满足自动驾驶的需要。

14 高风险性工作设施

凭借UWB定位的精确性,可以监视高风险性场所人员活动情况,以保证安全。如核电站、变电站、隧道施工、监狱等场所。

15 机器人

AGV机器人是一种工业化自动运输车,引入UWB技术可以减少工人劳动强度、重新布置二维码、条型码、磁条等。提升货物运输操作准确性,防止不正确操作所带来的损失。

16 工业4.0

采用UWB技术实时定位工厂设备、工厂员工,提升管理效率。设置电子围栏以加强工厂安全性管理。可实现记录人员设备历史轨迹等功能。

17 高速路收费站

高速路上可以不停车收费,用UWB就完全没有问题。因为UWB它的时速可以达到200公里,就是你车在200公里以内一个速度,一停火马上可以识别。但是像RFID就不行,RFID技术如果是高速过的可能会识别不到漏识,现在ETC用的也是RFID在收费站可能会堵塞,有可能会识别不到,需要重新识别或者是出现其他故障,但是用UWB把收费站全部可以撤掉,因为车只要从这经过马上就可以从他账户里面直接扣钱。这个是UWB技术方面一些优势。

18 呼吸监测

人在静止时,胸部表面因呼吸和心跳产生周期性的振动,超宽带雷达传感器能够获取这些振动的信号。

19 舞台灯光定位

通过舞台演员不同位置,配置不同的灯光效果,呈现别致的演出效果,演员、道具、灯光互动。

20 生命雷达

特指探测生命体的雷达,其融合雷达技术、生物医学工程技术于一体,可以不需要任何电极或传感器接触生命体,实现隔着衣服、被褥、纱布等物体非接触、远距离、无约束的检测到人体的呼吸及心脏跳动等信息。与激光、红外探测和声波探测技术相比,利用生物雷达检测人体的生命体征信号不受环境温度、热物体的影响,能有效穿透介质,较好地解决了激光、红外探测受温度影响严重、遇物体阻挡失效及误报率高的问题,也克服了超声探测受环境杂物反射干扰及水、冰、泥土阻挡失效等问题,因此该技术在战时及和平时得到广泛应用,如军事医学(伤员探寻)、灾害医学(地震、坍方伤员的探寻)、城市反恐(解救人质)等领域,是国际科技界公认的一个非常重要的前沿技术领域。

目前存在的问题

目前UWB应用莹然存在使用价格、应用环境、施工便利、系统组网、频率合法化、协议兼容性、芯片华等诸多问题,使得UWB短期内无法大面积进入消费端。

成本之困

UWB的成本目前来说因为是一种新型的技术,它的芯片成本像WIFI、蓝牙这些技术成本是较高的。但是到了大规模应用尤其进入民用市场以后,它的成本一定会是一个降低趋势。另外它具有一些其他技术所无法比拟的优势,在对于技术相对来说要求比较高,而且成本又没有那么敏感市场来说无疑是一个更好选择。

芯片化

当代的UWB芯片可以总结成:高安全高精度的测距芯片。高精度测距能力可以实现高精度定位,高安全性保障数据安全。

【1】业界已将UWB芯片量产的主要有尔兰芯片制造商DecaWave、瑞士的3db、美国业者Alereon,以及法国公司Bespoon (已经被德国工具机制造商Tumpf在2017年中收购)、来自挪威的Novelda,还有2016年中被美国业者5DRobotics收购的Time Domain,与英国公司Ubisense等少数厂家。其中尔兰芯片制造商Decawave(德卡维)公司DW1000芯片应用最广泛,占有市场绝大部分份额,目前中国市场90%以上都是DecaWave的产品,收入的60%在中国,收入的60%在中国,随着中国市场重要性的日趋凸显, DecaWave在深圳南山区设立了技术中心。DecaWave公司下一代DW3000芯片计划在2020年量产,支持最新的IEEE 802.15.4z,并且支持单芯片AOA(PDOA技术)。

【2】荷兰NXP(恩智浦)公司

9月17日正式发布了其SR100T安全精密测距芯片,支持最新IEEE 802.15.4z,可为下一代支持UWB的移动终端提供量身定制的高精度定位性能。为市场加入强心针,全球首个将安全元件(SE)、近场通信(NFC)和超宽带(UWB)精密测距技术相结合的一体式解决方案 。此前NXP已经和大众汽车联手开发UWB车钥匙应用。借助SR100T,移动终端将能够与智能门、入口和汽车进行通信,一旦靠近即可将它们开启。智能灯具、智能音箱和任何其他具备UWB传感功能的互联设备能够感知用户在不同房间的移动,智能互联技术也能直观地融入人们的生活。

恩智浦在连接性和移动生态系统方面的专业知识以及成熟的安全架构已经广泛应用于当今许多配备NFC和SE硬件的流行移动终端中,而采用UWB技术的全新芯片组SR100T在此基础上做了进一步的突破。新增的UWB功能可为多种室内外设备带来全新的相对定位连接能力,几乎不会相互干扰。

【3】精位科技

2019年3月9日,精位科技发布了国内首颗UWB芯片JW3401并颁布了演进规划

【4】北京山海芯科 uwb+BT芯

频率

FCC规定UWB设备主要的工作频段将位于3.1GHz和10.6GHz之间,这个频段内,其发射功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。

工信部文件,没有频率这方面的限制,只有功率的限制,但目前低频段被5G占用。根据信息显示,中国电信获得3400MHz-3500MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源;中国联通获得3500MHz-3600MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源。而中国移动获得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz频段的5G试验频率资源。其中,新增频段为2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz频段,2575-2635MHz频段为重耕母公司现有的4G频段。工信部明确规划5.905G—5.925G频段作为基于LTE的C-V2X技术的车联网(智能网联汽车)直连通信的工作频段。

根据DW1000所提供的产品规划书,6Ghz--9Ghz的频段资源,从频点来看是5、7号频点。而在别的channel上我国内是不允许的。所以国内做UWB定位的厂商,只能在5、7两个channel上发射,也就是在6GMHz的频谱上发射,6GMHz的穿透性明显是要弱很多的,导致UWB定位系统不能有明显的遮挡.

UWB标准化

Decawave公司的DW1000支持IEEE 802.15.4-2011标准,明年2020年量产的DW3000芯片将支持最新的IEEE 802.15.4z标准。苹果的U1和NXP新发布的SR100T也都支持IEEE802.15.4z最新标准。成都精位科技的芯片规划也是支持802.15.4z。802.15.4z在原有标准基础上定义了新的特性,可以提升安全、功耗更低、且传输距离更远。国内外还有些创业团队也在做UWB芯片,注意现阶段不支持IEEE 802.15.4z最新标准的将没有未来。

注意IEEE 802.15.4z是向前兼容的,所以iPhone11可以和现在普遍应用的IEEE 802.15.4-2011标准的DW1000对接,但这只是理论上存在可能,因为现在UWB领域并没有网络层及以上的行业标准。虽然同样是采用DW1000芯片的系统,但不同厂家产品是完全不兼容的。定位算法也有很多种,适用不同的场景,并没有一个开源的算法给大家用。往往需要厂家做大量的算法研究工作,并结合各种场景做大量迭代。

UWB联盟与组织

【1】2018年12月成立了,联盟创始成员包括Decawave等。UWB Alliance联盟在确保UWB与WIFI扩频申请频谱兼容共存等方面做了很多幕后贡献。根据UWB Alliance路线图,计划在2020年Q4将网络层和传输层订立标准。

【2】2019年8月成立的FiRa(Fine Ranging)联盟,创始成员是有HID Global,恩智浦,三星,博世,索尼,LitePoint和TTA等。FiRa联盟当前侧重于推动UWB设备的互操作性。FiRa联盟(fine ranging)通过制定标准和认证,从而确保建立跨芯片组、设备和基础设施服务的互操作UWB生态系统。

【3】 中国负责标准化的组织是

2009年10月,在全国信息技术标准化技术委员 会下成立了实时定位系统工作组,秘书处设在中国电子技术标准化研究院。成员单位有中国电子技术标准化研究院、西安电子科技大学、北京邮电大学、中国科学院计算技术研究所、武汉大学、卫星导航系统与装备技术国家重点实验室、中国计量科学院、中科院自动化所、青岛安然物联网科技有限公司、国家信息中心、麦钉艾特科技有限公司、金坤科创技术有限公司、北京羲和科技有限公司、苏州寻息电子科技有限公司等14个。发布了6个国家标准,参与了16个国际标准制定。

信息安全之惑

最新IEEE802.15.4z标准对UWB的安全性做了特别加强, 今天的测距技术主要依靠信号强度来确定距离和位置,它们测量设备的信号强度,并假设强信号意味着设备靠近。攻击者已经找到了一种使用所谓的中继站攻击来欺骗这些系统的方法。在这种类型的攻击中,用于解锁门的合法无线信号被拦截和放大,即使钥匙未靠近,也会打开门。这些方法中缺少的是精确计算实际物理距离,这正是UWB带来的好处。

对于UWB,在中继攻击期间拦截和放大信号的任何尝试都只会延迟响应设备的确认信号的到达,使得基于UWB的锁定清楚响应设备实际上距离更远,而不是更近。攻击者成功拦截和提升的任何UWB信号都不会欺骗配备UWB的锁。此外,IEEE 802.15.4z的扩展为传统UWB无线电上的所有已知攻击增加了PHY级别保护。

总 结

现在苹果现在的UWB在手机上的植入,这是会是一个引爆点,这个也相当于是因为苹果一直是在技术方面算是领潮者,对UWB技术一个认可,也是重新定义它的作为室内定位首选技术。

在B端,基于UWB的高精度定位和各个垂直行业的结合正在快速开展,并且越来越有机会。从传统的隧道地下管廊、公检法司、医疗养老,危险场所人员定位,到新兴的工业4.0、智慧仓储、新零售,甚至自动驾驶,高精度定位正在赋能各个垂直行业,为该行业的智慧升级提供基础技术和灵感,使其决策具有更高精细度。未来,在C端,苹果牵头和各大手机厂商的加入,国内由企业开始讨论手机与UWB结合。我们相信将赋予UWB技术新的使命,改变社会生活。道路仍崎岖,且行且珍惜。

 条评论
相关内容推荐