什么是超宽带(UWB)(以及为什么它在 iPhone 11 中)

今年 iPhone 中的新芯片之一是 U1。它提供超宽带 (UWB) 连接,结合物联网 (IoT) 技术,可为企业和消费者提供无数新服务。

正如 Apple 所说,UWB 技术提供了“空间感知”——让您的手机能够识别周围环境和其中的物体。基本上,一个 iPhone 11 用户可以将他或她的手机指向另一部手机并传输文件或照片。

虽然这项技术并不新鲜,但 Apple 的实施标志着 UWB 首次用于现代智能手机。

什么是超宽带?

UWB 是一种短距离无线通信协议,与蓝牙或 Wi-Fi 一样,它使用无线电波。但它的不同之处在于它以非常高的频率运行。顾名思义,它还使用数 GHz 的宽频谱。一种方法是将其视为一种雷达,它可以连续扫描整个房间并像激光束一样精确锁定物体,以发现其位置并传达数据。

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在 2000 年代初期,UWB 在军用雷达和隐蔽通信中的用途有限,并被短暂用作医学成像的一种形式,例如远程心脏监测系统。直到最近,当商业利益开始探索潜在用途时,它的采用才开始。

据 IDC 研究主管 Phil Solis 称,今天,它的主要目的预计是位置发现和设备测距。虽然 Wi-Fi 和蓝牙都经过修改,以提高定位和连接其他设备的准确性,但 UWB 本身更精确,功耗更低,并且随着 UWB 芯片的生产随着时间的推移而增加,有望实现更低的功耗。价格点。

据 Solis 称,全球最大的智能手机制造商三星、苹果和华为都参与了 UWB 项目,包括芯片和天线的生产。然而,Apple 是第一个将其实际部署在手机中的公司。

三星与小米、恩智浦、索尼、博世等公司也是 FiRa(精细测距)联盟的一部分,该联盟致力于发展 UWB 生态系统。该生态系统建立在现有的低数据速率无线通信 IEE 802.15.4/4x 标准之上。

超宽带如何工作?

UWB 发射器通过在宽频谱频率上发送数十亿个脉冲(UWB 以前称为“脉冲无线电”)来工作;然后,相应的接收器通过侦听发射器发送的熟悉脉冲序列将脉冲转换为数据。大约每两纳秒发送一个脉冲,这有助于 UWB 实现其实时精度。

UWB 的功耗极低,但高带宽 (500MHz) 非常适合将大量数据从主机设备中继到最远约 30 英尺的其他设备。然而,与 Wi-Fi 不同的是,它并不是特别擅长穿墙传输。

J. Gold Associates 的首席分析师 Jack Gold 说:“因为它的频率如此之高,所以它在视线范围内。” “所以,优势是因为它有如此宽的带宽,它有大量的数据能力。如果你正在传输一个 500MHz 宽的 60GHz 信号……然后将它乘以你能做的信道数量,你说的是非常宽的带宽。”

为了增加 UWB 的范围和接收可靠性,已将 MIMO(多输入和多输出)分布式天线系统添加到支持短距离网络的标准中。天线可以嵌入智能手机或其他设备,如腕带或智能钥匙。

当具有 UWB 的智能手机(如最新的 iPhone)靠近另一个 UWB 设备时,两者开始测距或测量它们的确切距离。测距是通过设备之间的“飞行时间”(ToF)测量来完成的;这些用于计算质询/响应数据包的往返时间。

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uwb定位

根据 FiRa 联盟的说法,基于 IEEE 802.15.4a 标准,UWB 可以在 200 米的视线范围内确定对等设备的相对位置。该联盟目前正在添加一个安全扩展——在 IEEE 802.15.4z 中指定——以使其成为“安全的精细范围技术”。

根据使用类型,例如资产跟踪或设备定位,其中一个 UWB 设备计算另一个支持 UWB 的对象的精确位置——例如落在沙发垫之间的那些汽车钥匙或电视遥控器。(如果设备正在运行室内导航服务,则支持 UWB 的设备必须知道其与固定 UWB “锚点”的相对位置,并计算其在区域地图上的位置。)

据 Solis 称,通过精确测距,UWB 在精度和安全性方面都优于蓝牙和 WiFi,并且该优势可用于许多不同的应用。例如,支持 UWB 的设备可用于解锁汽车(如钥匙扣)或允许进入建筑物内的安全区域。或者,支持 UWB 的智能手机或手表可以通过 ATM 访问银行账户。

“这基本上是另一次安全检查,”索利斯说。“或者,您的手机成为您的借记卡。也许 Apple 已经考虑将 NFC 用于 [Apple] Pay,而 UWB 将成为另一种检查方式。”

UWB 也可能是阻止中继或中间人攻击的另一种方法,其中不法分子监视停车场等区域,试图拦截并存储两个设备之间的身份验证消息,例如密钥卡和车。UWB 设备的信号将忽略一个区域中的所有其他设备。

UWB 有哪些可能的用途?

Apple 为 UWB 与信标(称为 iBeacon)的使用申请了专利,信标是小型电池供电的传感器,可以连接到物体上并广播信号,启用的 UWB 设备随后可以使用该信号来估计两个物体之间的距离(低至几厘米),以提供定位服务。因此,例如,配备信标网络的机场或购物中心可以监控行人通过建筑物的进度,并实时提供前往目的地的路线。

苹果在 9 月发布的 iPhone 11 和 iOS 13.1 发布时只提到了 UWB,并表示 AirDrop 会通过“定向感知建议”变得更好。基本上,UWB 使设备用户能够知道他们周围的人,并通过 AirDrop 将他们作为目标来传输文档。

“这正是他们想要做的,”戈尔德说。“他们说,你的朋友在你左边三度,而这个女人琼就在你身后。不要给琼发任何东西,发给你的朋友就行了。”

Gold 说,在这方面,UWB 可以成为一种在手机之间短距离传输数据的更安全的方法,因为它可以准确地知道其他支持 UWB定位 的设备在哪里。

UWB 将在 iPhone 11 中做什么?

Apple 开发了其 U1 芯片,使 iPhone 11 的所有三种型号都能使用 AirDrop 文件传输服务在类似于蓝牙的距离上传输数据。

虽然 AirDrop 可以使用蓝牙和 Wi-Fi 进行操作,但 Apple 开发的 U1 芯片具有特异性。换句话说,iPhone 11 用户可以将他们的手机指向另一部 iPhone 11,而不是文件的可能收件人列表,并且只有它会出现在文件传输中。 

未来,期待看到苹果将 iPhone 用作一种汽车钥匙扣。 

业务发展副总裁 Debra Spitler 表示,FiRa 联盟相信 UWB 将改变物联网和汽车行业的连接体验。

FiRa 最初的重点是三个主要类别的用例:(1)免提访问控制;(2) 基于位置的服务;(3) 设备到设备(点对点)应用程序。然后,这些用例类别跨越六个用例部分,包括智能家居和企业、智能城市和移动性、智能交通、消费者使用、智能零售以及工业 4.0 和医疗保健。

“UWB 最初是作为多媒体数据的高数据速率通信技术引入的。要将 UWB 确立为一种新的“测距技术”,需要创建一个全新的生态系统,”FiRa 通过电子邮件表示。

UWB 将何去何从?

FiRa 联盟成员坚信,UWB 安全精细测距的成功取决于可互操作、整体和互连的生态系统。这将需要:

  • 多个设备之间的互操作性,并且需要合规性和认证计划。
  • 与 IEEE、Wi-Fi 联盟、汽车连接联盟 (CCC) 等其他行业组织密切合作。FiRa 联盟将专注于利用可用 6-9 GHz 频谱的 UWB 用例。
  • 我们吸引的成员公司拥有广泛的生态系统知识、在目标市场垂直领域的领导地位、广泛的技术和系统专业知识,以及在与 UWB 相关的其他联盟中的强大存在和经验。
  • 引入一个新名称 FiRa,以帮助克服 UWB 作为“旧通信技术”的刻板印象,转而强调 UWB 作为安全精细测距和传感技术的转变。
  • 强大的市场推广和关于使用 UWB 技术的好处的教育。

“我们必须看看它的实际效果如何,有多少人想要它,以及他们实际上可以绑定多少服务,”Gold 说。“而且,你真的想要手机上的迷你雷达吗?我认为这是可以阻止它的原因。”

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