卷土重来的UWB,这一次胜算几何?

苹果,这家始终保持创新活力的公司,不仅推出了一代代引领潮流的iPhone手机,更有大量新技术因iPhone的使用而迅速走红。在2019年的iPhone 11发布会上,苹果公司首次将超宽带(Ultra Wide Band:UWB)技术用于手机中。为此,业界预测,UWB技术有望成为苹果室内定位的突破口。-UWB定位-室内定位-UWB技术

其实,在2002年前后,UWB也曾经如日中天。有了苹果的加持,沉寂了近10个年头的UWB技术这一次能否再次焕发青春成功实现逆袭呢?

UWB的过去和现在

与蓝牙和WiFi一样,UWB是一种短距离无线通信协议,最主要的特征是带宽很宽,远大于现存的窄带通信系统 (包括802.11系列和2/3/4和5G中的sub 6G)。与同类产品不同的是,它的工作频率非常高,频率范围很广,可以用来捕捉高精度的空间和方向数据。

早在90年代,随着对无线通信需求的增长,UWB的好处变得更加明显。不过,因UWB系统的商业化部署需要在频率分配、谐波和功率限制等方面达成全球协议,直到2002年,联邦通信委员会(FCC)才最终允许使用超宽带系统。同年,WiMedia联盟成立,这是一个非盈利的行业贸易组织,旨在促进UWB技术的采用、监管、标准化和多供应商互操作性。几年后,欧洲电信标准协会(ETSI)也制定了自己的法规,但与FCC法规略有不同。

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图1:FCC将3.1-10.6GHz频谱之间的7.5GHz分配给了UWB(图源:ice.rwth-aachen网站)

FCC在3.1-10.6GHz频谱之间分配了7.5GHz给UWB,这就是基于UWB多波段正交频分复用(OFDM)提出数据速率为480mbit/s的短距(即几米)文件传输的规范。经过几年的发展,第一款UWB零售产品于2007年年中开始出货。当时OFDM UWB初入市,产品前景一片大好。但事与愿违,UWB的应用并未如愿全面铺开,反而逐渐淡出了市场。

当时UWB芯片组的领导者WiQuest在2008年初占据85%的市场份额,但在2008年10月31日却停止了运营。UWB论坛因与WiMedia联盟的方法不同而未能达成一项标准而被解散。WiMedia联盟在将其所有规范和技术转让给USB推广小组和蓝牙特别兴趣小组之后,于2009年停止了其业务。遗憾的是,蓝牙特别兴趣小组在同一年放弃了作为蓝牙3.0一部分的UWB的开发。最终的结果是,硅谷的一批UWB初创公司阵亡,WiMedia联盟也在2010年停止运作。

归纳起来,UWB败走市场的原因主要有两点:

一是产品生不逢时,入市时间恰逢2008年全球金融危机,导致消费电子产品零售额大幅下降。
二是OFDM UWB技术本身的原因。当时提出的OFDM-UWB收发机射频结构的复杂性及其严格的时序要求导致了相对较高的产品成本,功耗也比较大,市场接受度不高。

目前UWB通信主要有两种主流的发展思路:传统的脉冲调制UWB和基于OFDM的UWB(MB-OFDM-UWB)。大家现在都在说的UWB应用,一般是指脉冲调制UWB。由于UWB采用的脉冲宽度极窄,使得它在高精度定位中具有非常大的竞争优势。

今天在市场上应用的UWB技术也非10年前的802.15.4a技术,而是经过UWB专家们完善后的技术——在2018年推出的新标准即802.15.4z,将物理层分为高速率和低速率两个实现方式,并在高速率中加入定位功能。

UWB逆袭的资本

WiFi、蓝牙、NFC是目前最常用的个人局域网通信方式。基于传输速度、距离、耗电量、安全性、价格或者用户需求等各方面考虑,这些技术在不同的场合有着各自的优势。比如:WiFi传输距离远,价格便宜,应用广泛。但是WiFi也存在着安全性不高、传输速率偏慢的缺点;NFC对数据有着较高的安全保护,因此在支付相关的应用中被普遍采用,但其主要缺点是传输距离较短;蓝牙定位始于2014年前后,首先开始于监控定位。随着蓝牙Mesh的推出,已经有百余种具有蓝牙mesh网络功能的产品获得认证,其中包含芯片、协议栈、模组及终端产品供应商等。全新蓝牙5.1标准新增了寻向功能,可实现更高精度的定位。蓝牙传输不受视距的影响,但对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。另外,蓝牙定位范围较短,不适合空旷的场合。

相比上述几种通信方式,UWB技术更适合应用在小范围、高分辨率的图像和视频的无线个人局域网,优势也非常明显。

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图2:UWB具有较高的传输速率且功耗很低(数据来源:IEEE Industrial Electronics Society)

定位精度高:现在,当人们提到无线连接技术时,马上就会想到蓝牙和WiFi。与这些技术相比,UWB在精度、定位能力和射频安全性等方面更胜一筹。我们知道,带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力。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。在复杂环境下,UWB的距离分辨精度甚至可以达到蓝牙和WiFi系统的百倍以上。
传输速率高:UWB采用的是500MHz以上的大带宽。由于信道容量与带宽成正比,因此,UWB具备较高的传输速率。通常,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。
安全性高:在IEEE 802.15.4z中指定的一个物理层(PHY),UWB可以利用其他技术中不可用的关键安全扩展,允许安全技术,如加密和随机数生成,阻止攻击者访问UWB通信。
系统抗干扰能力强:从射频机制层面来说,UWB发射的脉冲波抗干扰能力比连续的电磁波强,并且UWB的工作频段在3GHz-10GHz,相比拥挤的2.4GHz频段,外界的干扰信号少很多。
功耗较低:UWB发射时需要的平均功率很低,特别是在短距离通信应用中,UWB发射机的发射功率普遍低于1mW。较低的发射功率可以延长系统的工作时间,另外对人体的电磁波辐射也会很小。

潜力巨大的UWB应用

根据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,市场规模年复合增长率为22.5%。UWB技术以其精度高、传输速度快、可靠性高等特点,非常适合在各种环境中定位移动的人和物,比如用于汽车、移动设备和消费类设备等交叉领域。UWB的问世直接将定位的精度从米级提高到了厘米级,是一项具有划时代意义的技术革新。

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图3:2017-2023年全球实时定位系统市场规模预测 (亿美元)(数据来源:Market&Market)

精准的室内实时定位:室内实时定位的重要性不言而喻。回想一下,我们很多人都有迷失在大型商场或地下停车场的经历。目前技术相对成熟的室内定位技术有蓝牙、WiFi,部分细分领域也有采用ZigBee、RFID等技术的。接下来,UWB技术有望成为室内实时定位中异军突起的一只生力军。
高精度的物品追踪:利用到达角(AoA)技术,UWB测量的实时精度可提供厘米级的高精度设备定位服务。不仅如此,UWB设备还可以确定一个物体是静止的、移动的,接近的还是远离的。例如,支持UWB的系统知道你是否正在接近一个锁着的门,并且可以确定你是在门口还是在门外面。他们还可以决定当你到达一个特定的位置时,锁是否应该被打开。在一个真实的场景中,UWB可以在你的车驶近时打开车库,当你靠近入口时打开你家的门。
手机中的定位功能:目前,几乎所有智能手机都采用了GPS定位/北斗定位系统,正常情况下,GPS定位误差在25米左右。苹果iPhone 11的三款手机均配备了自研的U1芯片,支持室内导航和物品跟踪服务。现在苹果利用的UWB是一种雷达技术,按照苹果自己的讲法,其准确度可以接近厘米级。三星新推出的Galaxy Note20 Ultra智能手机已经将UWB纳入其中,并有望在今年及以后更广泛的计算设备和物联网 (IoT) 外围设备上使用。再有就是小米的“一指连”。10月12日,雷军宣布他们魔改了小米10系列手机和一系列智能家居设备,加入“一指连”UWB技术,内置UWB芯片和阵列天线,借助小米自研天线排列及算法,让手机和智能设备之间具备空间感知能力。根据雷军的介绍,“一指连”小米UWB技术,是具备超精准定位的新一代连接技术,可以实现对智能设备的厘米级定位。
更加智能的汽车钥匙:在2019年下半年,汽车制造商纷纷推出计划,实施基于UWB的无钥匙汽车门禁,并将探索UWB支持的新用例,如车内乘客检测、自动代客泊车、自动泊车、停车场进入和免下车支付等。对于即将到来的UWB浪潮,备受期待的一个用例就是通过智能手机实现无钥匙门禁(PKE)。通过PKE,驾驶员可以在不使用机械钥匙的情况下解锁和启动汽车。即使遥控钥匙装在驾驶员的口袋或钱包中,当进入解锁车门的适当范围内时,遥控钥匙将被“唤醒”。进入汽车后,系统会检测到遥控钥匙,以激活点火启动按钮。另一个有趣的应用是用于汽车出入的步行模式识别,这在大众概念车上得到了演示。大众UWB车钥匙采用高精度传感技术和人工智能来学习个性化的用户手势。2019年11月12日,NXP公司宣布,将在其UWB产品组合中增加一款新的汽车UWB IC–NXP NCJ29D5。NXP NCJ29D5是新一代UWB IC中的第一款,专门针对全球汽车工业的需求而设计,与NXP连接和安全解决方案(如蓝牙、NFC和安全元件(SE))结合使用,实现了真正安全的免提智能接入。随着UWB芯片的问世,NXP、宝马集团、大陆集团和其他公司正通过汽车连接联盟(CCC)和IEEE共同致力于UWB的实现,以确保在车辆、移动设备和消费设备的交叉点获得最佳的客户体验。这些标准化工作旨在为基于UWB的免提智能接入和其他汽车本地化用例制定一个全球标准。此外,新的UWB IC带来最大程度的保护,防止汽车盗窃通过中继攻击。
无人仓库:电商在我国的迅猛发展使得对于物流仓储的要求越来越高,人工已经无法满足高效率的要求。京东在上海嘉定建立了全球首个全流程无人仓库,最重要的环节就是对于机器人的定位。UWB技术的应用突破了传统的路线控制,维护更灵活,成本也更低。
工业与医疗:UWB技术在工业中的应用也值得期待,将其独有的精准定位功能用在安全防护、设备控制、工序流程监管等方面,在提高生产效率的同时还能大幅降低事故的发生率;在未来的智慧医疗和养老领域,UWB也有望扮演重要的角色,通过室内导航,实现对医护人员的紧急定位以及特殊人群的防走失、位置监控等;抗击新冠肺炎是全球当前最重要的防疫工作,保持合理的社交距离是防止疫情蔓延的有效手段,现在已经有人提出利用UWB技术实现社交隔离,当一个穿着内置UWB芯片的可穿戴设备的员工离某人太近时就会发出警报。

结论

UWB的潜力是巨大的,有太多值得我们期待的应用需要深度挖掘。即使许多企业用例还需要几年时间,但有一点是肯定的,那就是UWB技术有望改变我们未来的生活和工作方式。希望这次UWB能够成功实现逆袭,而不是空欢喜一场。

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