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揭开“新”UWB技术不为人知的另一面

时间:2020-03-13 作者:邵乐峰 阅读:
UWB技术出现的时间并不晚,但似乎直到苹果公司在iPhone 11中采用了该技术之后才逐渐被人熟知。旧UWB标准因为高成本、高功率和缺乏标准化而被抛弃,那么2004年启动的新UWB标准有那些不为人知的特点呢?
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综合多家媒体的报道,苹果公司很有可能在今年9月的秋季发布会上推出基于超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术的电子追踪器AirTags。它不仅可通过蓝牙与iPhone等硬件设备配对,还可利用iPhone 11系列当中的超宽带U1芯片实现更加精准的近距离寻向和高精度定位,包括通过增强现实(AR)功能,让消费者将相机对准物品可能存在的区域来定位物品。JaKEETC-电子工程专辑

UWB技术的“新”与“旧”

现代意义上的超宽带UWB数据传输技术,又称脉冲无线电(Impulse Radio,IR)技术,出现于1960年,主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。2002年,美国联邦通信委员会(FCC)正式将3.1GHz-10.6GHz频带作为室内通信用途的UWB开放,标志着UWB开始用于民用无线通信。中国从2006年开始进行UWB频谱规划的准备工作,2008年12月12日,中国自己的UWB频谱规划正式发布,包括UWB信号的射频指标、应用场所限制、设备核准等方面的内容。JaKEETC-电子工程专辑

这样来看,UWB技术出现的时间并不晚,但似乎直到苹果公司在iPhone 11中采用了该技术之后才逐渐被人熟知,而且专注于UWB技术的公司看起来似乎也并不算多,这该如何解释?JaKEETC-电子工程专辑

“首先,请不要把基于802.15.3a标准的‘旧’UWB和基于802.15.4a/z标准的‘新’UWB混为一谈,这点非常重要。”Qorvo移动产品部CTO兼技术副总裁Todd Gillenwater对此提醒说,旧标准是在2000年左右专为短距高速率数据通信应用而设计的,作为USB/HDMI线缆的替代技术,但高成本、高功率和缺乏标准化成为该技术最终被抛弃的三大致命伤。而新UWB标准的制定则是在2004年启动,基于802.15.4a/z标准,其重点是能够提供厘米级的精确定位功能,同时实现高达27MB/s的数据通信。JaKEETC-电子工程专辑

“新”UWB不为大众所熟知的另一面,是早在被苹果iPhone 11采用之前,就已经在40多个垂直领域(工业、汽车、消费)中的超过800万台设备上得到了部署,而苹果对该技术的背书在更大程度上推动了这些行业一线厂商的兴趣。此外,2019年,曾重组所有汽车OEM和手机制造商,并基于BT SiG或Wi-Fi联盟模式建立FiRa联盟的全球车联联盟(Connected Car Consortium,简称CCC)也采用了UWB,将其作为下一代车辆安全访问技术,希望通过安全访问用例重新定义移动和汽车间的协议及互操作性。JaKEETC-电子工程专辑

为此,Qorvo在今年1月宣布收购专注于UWB技术的Decawave公司。Todd Gillenwater在向《电子工程专辑》解释收购动机时表示,作为面向移动、汽车、工业和消费物联网等主要市场的RF解决方案供应商,Qorvo在过去几年中看到随着消费者和行业对低延迟、高精度定位功能的优势逐渐抱有期望,UWB应用得到了如火如荼的发展,因此对UWB的兴趣也开始与日俱增。而Decawave是UWB技术的行业先驱,通过收购一方面为Qorvo引入了强大的产品和IP组合以及经验丰富的团队;另一方面,Qorvo则提供了在所有应用领域中快速部署完整UWB RF解决方案(包括射频、前端和模块)所需的市场规模。JaKEETC-电子工程专辑

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Qorvo移动产品部CTO兼技术副总裁Todd GillenwaterJaKEETC-电子工程专辑

恩智浦(NXP)大中华区移动设备市场及业务拓展总监李竞对此有着类似的看法:iPhone 11的发布,推动了UWB在消费类电子领域的应用,帮助更多消费者了解和认识UWB技术。但其实在 2019年之前,该技术就已经广泛应用于很多需要精准定位的领域,比如工业制造、重要人员/资产跟踪等等。JaKEETC-电子工程专辑

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恩智浦(NXP)大中华区移动设备市场及业务拓展总监李竞JaKEETC-电子工程专辑

瑞萨电子(Renesas)在UWB领域的最新动作,是选择与3db Access公司进行合作,借助其符合IEEE 802.15.4z双HRP/LRP标准的UWB芯片,来增强自身MCU及RF产品在智能手机、智能手表、汽车和其它IoT应用中的连接能力。不过,瑞萨电子物联网及基础设施事业部 数据中心业务部 产品管理技术总监Steven Lee应该更看好其在汽车领域中的应用,理由是“对于消费类应用,BLE的成本要低于UWB技术,而UWB最初是将安全性作为首要考虑因素的。目前看来,汽车仍然是该技术最主要的应用场景之一。”JaKEETC-电子工程专辑

吊打对手的室内定位效果

很多厂商都看好UWB的室内定位寻址功能,但其实在此之前,无论是包括GPS、北斗、伽利略在内的全球卫星定位系统(GNSS),还是AOA-BLE、Wi-Fi、Zigbee、RFID、红外线、蓝牙Beacon等短距离无线技术,都在室内定位中得到了广泛的应用。和这些技术相比,UWB的定位效果如何?优势和不足分别是什么?成了很多人关心的重点。JaKEETC-电子工程专辑

按照Todd Gillenwater给出的数据,UWB能够以极高的可靠性(99%+)达到厘米级定位精度,而其它技术的精度仅为米级,可靠性也只达到70%+。JaKEETC-电子工程专辑

而UWB之所以优于其它技术,首先是因为其采用了TOF(飞行时间)技术,其它RF技术则依靠对环境极为敏感(如障碍、多径、干扰等)的RSSI技术。而且顾名思义,UWB具备500MHz的极高带宽,这也是实现高精度的关键——因为分辨率与带宽(BW)成反比(分辨率=1/BW)。JaKEETC-电子工程专辑

UWB的另一个关键优势是空中交换数据包的持续时间非常短(10毫秒)。正是由于短数据包,所以UWB设备的能耗非常低,但更重要的,是能够让工程师设计出具有每秒高达100倍位置更新速率的应用,这对于高速物体(如无人机、机器人等)或需要在小区域内部署非常高密度设备的应用(如在工厂中定位10,000多个零部件)至关重要,而这一切都无法通过蓝牙、Zigbee或Wi-Fi等标准射频技术达成。JaKEETC-电子工程专辑

Steven Lee将UWB和BLE两种技术进行了对比,结果显示:除了具备更高的距离精度和准确性、更好的信号到达角精度外,UWB还具备完全安全的测距(BLE则完全不具安全性)、低延迟测距(BLE速度较慢)和更佳的第一路径检测动态范围(BLE的路径检测动态范围较差),而在低速率脉冲重复频率(LRP)、低功耗和成本这三方面,均能够与BLE相媲美。智能门锁、扬声器和监控摄像头等室内智能物联网应用都有望因此获益。JaKEETC-电子工程专辑

以恩智浦推出的UWB系列产品为例,通过在同一个芯片上支持双Rx,NXP能够在提供厘米级定位的基础上,实现±3度的到达角定位,这是目前其他技术无法达到的精确度。此外,通过芯片内置的加密处理器和外接安全模块的能力,大幅提高了定位服务的安全性,推动了在室内定位基础上,实现无感门禁等多种对于安全有较高要求的应用场景。JaKEETC-电子工程专辑

当然,这有可能会引起使用蓝牙技术进行定位人士的不爽。JaKEETC-电子工程专辑

蓝牙技术联盟(SIG)在2019年发布的蓝牙核心规范5.1版本中引入了期待已久“寻向功能”(direction finding),这一全新功能可帮助设备明确蓝牙信号的方向,进而帮助开发厘米级的室内定位、物品追踪、门禁与无钥匙开锁等应用。JaKEETC-电子工程专辑

到达角度(Angle-of-Arrival,AoA)和离开角度(Angle of Departure,AoD)是蓝牙5.1中主要采用的两种定位技术。前者通过测试发射器和接收器直接的到达方向然后通过三角定位获得发射器和目的物的方位和距离的技术,主要针对RTLS(实时定位系统)、物品追踪和地标信息;后者也是利用信号相位差技术,主要是针对室内定位系统(IPS)。目前AOA定位提供两种方法,一种是广播式,设备无需配对即可以进行定位;另外一种则是点对点,需要配对成功以后才能进行定位,后一种方法更适于对安全要求较高的场景。JaKEETC-电子工程专辑

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Dialog提供的AoA-BLE演示方案JaKEETC-电子工程专辑

AOA-BLE技术的支持者们认为,BLE5.1协议兼容性好,采样普通的蓝牙芯片或兼容蓝牙广播包的2.4GHz芯片便可搭建,适合于包括手机在内的各种智能终端及物联网设备。而且功耗不到UWB系统的1/10,BLE芯片成本不足UWB芯片的1/10,相对于UWB芯片,国内蓝牙芯片供应商众多,完全自主可控,具有广阔的生态空间。JaKEETC-电子工程专辑

室内定位怎么就火了?

其实就好处而言,精确的室内定位就像20年前的GPS一样,将彻底改变人们的生活和工作。根据估算,人们有70%的时间待在室内,因此,精准的室内定位技术将是向室内用户提供有用的、有针对性市场与服务内容的关键,是一个需要填补的技术缺口。定位精度越高,服务就越有效用。比如位置数据可提供工厂、仓库、建筑物中有关资产、库存、工具、机器人等的实时视图,从而提高运营效率,并推动所谓的“数字孪生”和工业4.0,这种称为实时定位系统(RTLS)的系统已经部署在世界各地的汽车工厂等诸多场所中。JaKEETC-电子工程专辑

实时位置数据还是安全生产的关键,并且已经被建筑业、采矿业采用,以定位单个工人的位置并防止他们进入危险区域,或者被用于仓库/工厂以避免AGV/叉车与员工发生碰撞事故。JaKEETC-电子工程专辑

在消费领域,UWB支持基于环境场景的用户界面,例如基于位置的远程指向及控制操控、多房间跟随扬声器、免提访问控制、借助随身机器人和机器人导航来实现消费型机器人技术。考虑到UWB现已应用于电话中,准确的位置数据将使人们能够轻松地在大型公共场所中使用导航,无论是要查找会议室还是在商店中搜寻特定商品,都非常便捷。JaKEETC-电子工程专辑

除了改变生产生活方式外,精确移动定位应用的日益普及也带来了许多新的商业机会。机场、购物中心、会议中心、美术馆等公共场所都希望能够更加高效地服务客户,并与客户互动,特别是花费了大量时间和资金的室内环境。帮助客户找到相关的人、物和地点,促进社交网络发展,简化客户的生活。在这些场所提供更优异的体验,可望提高客户忠诚度、业务盈利能力及运营效率。JaKEETC-电子工程专辑

李竞说,室内定位一直是业界在大力推动的一个技术发展方向,基于室内定位,能够开拓很多应用领域,包括室内路线规划甚至是导航等等,只有达到了一定精度,技术上才能更好地保障对于路线的分析和判断,确保路线规划和导航的用户体验。另外像智能停车这样的应用,对于室内定位精度也有非常高的要求。不过,需要指出的是,尽管精度是室内定位的关键,但可靠性、实时性、设备的高密度和低功耗同样也是室内定位系统不可忽视的要素。JaKEETC-电子工程专辑

UWB加速部署的背后力量

目前全球有FiRa和UWB联盟两大组织致力于积极拓展UWB生态系统。两者之间的区别在于UWB联盟的重点是保护/加强UWB在监管方面的权利(FCC/ETSI),努力实现一个开放的标准,包括Decawave在内的成员对此表示支持。JaKEETC-电子工程专辑

FiRa成立于2019年8月,由恩智浦和三星推动,致力于定义关于免提访问控制、室内位置服务和“设备到设备”等应用的用例,在MAC和应用层(与BT SiG相同的模式)上开发互操作性规范、运行认证计划,并确保UWB的技术优势得到推广。JaKEETC-电子工程专辑

或者说,“更关注精细测距的互操作性”,即通过利用可互操作UWB技术的安全精密测距和定位功能,不断推动从手机到物联网再到汽车的无缝用户体验的开发和广泛采用。成立半年多来,已经吸引到了包括三星、小米、OPPO、信通院、Assa Abloy、博世、HID、索尼、现代等多个业界重量级合作伙伴的支持和加入。JaKEETC-电子工程专辑

NXP大中华区销售与市场副总裁钱志军稍早前曾对本刊表示,UWB技术之所以在过去十年中不断被Wi-Fi和4G、5G等技术替代,主要原因在于生态建设、短距离的数据传输应用受到了抑制。今天,UWB已经被用于一些需要高精度定位的物流或大型商场中,只是规模较小,尚未达到真正的大规模应用。JaKEETC-电子工程专辑

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汽车很可能成为智能手机采用UWB的推动力之一,适用于车钥匙的智能门禁2.0的主要汽车厂商都在研究基于UWB的汽车钥匙,有手机制造商已经积极参与到UWB开发中。可穿戴设备也是UWB的目标市场之一,如果在儿童手表中加入UWB功能,能够将定位范围做到±3度、定位距离缩小到5-10厘米的精度,这将比蓝牙“米”级精度有了大幅的提升。JaKEETC-电子工程专辑

但该技术自身固有的两大问题也需要尽快解决:一是功耗,在低功耗场景特别是电池供电的应用中,与蓝牙相比有一定的局限性;二是UWB的生态系统还未被真正培育出来,如何打通服务流程,如何产生更多的用例都是值得思考的。JaKEETC-电子工程专辑

恩智浦去年9月推出了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,并与合作伙伴一起积极地拓展包括无感门禁、无感支付等多种对于安全有较高要求的应用场景。NXP方面预计未来1-2年内,基于UWB的各种应用,尤其是在汽车和手机行业中得到广泛普及时,将会对其它IoT产品、智能家居产品和企业类产品产生辐射效应,推动其快速发展。JaKEETC-电子工程专辑

在Todd Gillenwater看来,UWB生态系统至今为止其实都非常活跃,主要问题在于终端应用/市场的孤立运行导致尚未实现结构化,但UWB在手机中的应用将有望加速改变这一状态。由于越来越多的应用要求跨市场、跨应用和跨供应商的互操作性,因此UWB联盟、FiRa和CCC不断发出倡议,要知道,这些产业联盟囊括着各自市场(移动、消费、汽车、工业/企业)中所有的顶级OEM,有着举足轻重的地位。JaKEETC-电子工程专辑

“安全性是UWB的关键独特属性之一。我们相信,UWB的安全访问应用将成为其所有市场中提升采用率的主要推动力。”Todd Gillenwater告诉《电子工程专辑》,除了通过标准AES提供的加密功能外,UWB的独特功能还在于它能够保证设备在空中交换数据时的物理存在,也被称之为距离边界协议或“安全气泡”。JaKEETC-电子工程专辑

在这个无线设备安全性备受关注的时代,此种能力推动了UWB在汽车和移动设备等终端中的应用,包括车辆访问(可扩展至汽车共享和汽车租赁)、交通运输(公共汽车、地铁等),以及潜在的安全金融交易。对于工业应用,收益资产跟踪可扩展为在工具及设备所设施特定边界内的管理功能。为提升安全性,还可以根据设施内的确切位置限制便携式计算机的数据访问。JaKEETC-电子工程专辑

责编:Luffy LiuJaKEETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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