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UWB一二三

时间:2019-10-08     作者:桃芯科技【原创】

最近科技圈有个大新闻:苹果iPhone11集成了UWB芯片。这个非常低调的行业,现在变得异常热闹起来。我们稍微梳理研究了一下相关UWB信息供大家参考,但我们会附带几个观点在文章后面,也许这个更应该被看到。

一、   UWB技术相关信息

UWB技术的前世

UWB(超宽带)概念在1960年就被提出。1973年,第一个UWB系统的专利被授予。从UWB出现到20世纪90年代之前,UWB技术主要用于军事上的雷达系统。


民用阶段,UWB行业内的厂商此前都在做B端,目前的典型应用包括工厂、仓储、隧道、司法等各种垂直行业的人员或物资高精度定位。

UWB技术特点

没有载波的通信系统:UWB是一个非传统的通信系统,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲为信息载体传输数据。


带宽极宽+极低功率传输:其频谱范围(3.1GHz—10.6GHz),UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0.20~1.5ns之间,有很低的占空比,系统耗电很低,在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。如下图所示


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高速的数据传输UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,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,如下图,802.15.3表示的即是UWB技术。


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抗干扰性能强UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。


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UWB测距原理

双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight),主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号,模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号,被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间,从而确定飞行距离S。S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)


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但是单纯的TOF算法有一个比较严格的约束:发送设备和接收设备必须始终同步。这是一个比较棘手的问题,但是一种Double-sidedTwo-way Ranging的算法巧妙的避开了这个问题,它既利用了TOF测距的优良特点,同时又极大的去除了TOF的同步问题,从而为TOF的实用化扫清了道路。

UWB的定位原理

定位算法中比较成熟的有:TOA(到达时间)、TDOA(到达时间差)、AOA(到达角度或称为DOA估计)定位技术和这三种技术的混合技术。

 

a)TOA(到达时间)――下面的图非常形象的诠释了TOA算法的原理:


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然而事情都具有两面性:TOA定位对传播中产生的误差比较敏感,这些误差来自于传播中的反射、多径传播、非视距传播和噪声等干扰,会造成各圆无法相交或相交处不是一个点而是一个区域。同时TOA定位要求移动终端和基站之间在时间上要准确同步,1ns的同步误差将会给定位带来大约03米的不确定性。

 

b)TDOA(到达时间差)对TOA技术加以了改进。


TDOA定位不必要进行基站和移动终端之间的同步,而只需要基站之间进行同步。因为基站的位置是固定的,基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步要容易实现得多。


它通过测量出两个不同基站与移动终端的传输时延差来进行定位。假设移动终端的位置与基站1和基站2的距离差为R21=R2-R1,则移动终端的位置必定在以两个基站为焦点,与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线上。


再通过另一组移动终端与基站1基站3或基站2基站3TDOA,可以得到另一组双曲线,两组双曲线将最多产生两个交点,再根据先验知识(如半径范围等)判断出移动终端的位置。


它的基本原理可以从下面的图得到良好的诠释:


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c)AOA估计也叫DOA(DirectionofArrival)估计或者方向识别DF(DirectionFinding)。


AOA的优点是所需要的基站比较少,最少只要两个基站就可以进行定位。


下图很好的诠释了AOA的基本原理:

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AOA的缺点是当移动终端和基站的距离比较远的时候,即使有微小的定位角度的误差,都会造成比较大的定位距离的偏差。因此AOA定位多见于中、短距离的定位。

 

混合定位技术就是混合使用上述的两种或三种定位技术,比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等,通过检测并提取相关的定位参数,用于定位解算。混合定位技术可以运用多种定位参数实现定位,综合不同定位技术的特点,在各 种定位技术的特性中取长补短,让最终的定位性能得到优化。 

二、 UWB市场相关信息

UWB产业链现状

分离电路板方式

早期,UWB定位方案的核心元器件采用的是分离电路板方式,提供此类方案的公司有:Ubisense公司,Ubisense公司是全球实时定位系统(RTLS)的领导者,由剑桥大学贝尔实验室团队组建,其设计和研发在英国,生产和服务在德国。

 

UWB芯片方式

UWB定位芯片出现之后,使得UWB最具技术壁垒与核心的环节得以标准化,因此,直接刺激了大量的企业涌入到UWB定位领域中进行技术的二次开发,以及市场应用的拓展。

UWB定位系统组成

UWB定位系统主要包含基站(Anchor),标签(Tag)和应用软件(system)。目前UWB定位企业第一梯队的企业都是采用提供整体方案的商业模式,因为对于很多用户来说,希望技术供应商能够供应整体化的解决方案。目前行业里面基站是主要的盈利点;标签量虽然大,但价格比较低,毛利也比较低;应用软件毛利很高,但目前占比比较小。

UWB相关企业数估计

最近几年,国内做UWB定位技术类企业数量也快速的增加,以下是对当前国内UWB定位技术企业的数量估算。


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UWB定位行业虽然涌入了大量的玩家,但是UWB的技术方案从芯片到可交付的产品需要时间的积累,一般对于一个新玩家来说,这个周期需要2年左右,此外,也有很多企业,尤其是规模比较大的成熟企业,进入UWB领域更多的是达到技术积累目的,等待应用市场的进一步拓展。

UWB目前市场价格及盈利水平

在当前UWB企业级定位市场中,项目制的市场环境的特性是方案有很多定制化的内容,报价方式是对整体方案进行打包报价,尤其是很多项目中,还有一些应用软件的开发,因而报价会有很高的灵活性。


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UWB 2B市场分析

定位技术作为一项新兴的技术产业,虽然在早期的市场体量还不够大,但是其发展潜力是巨大的,其市场潜力主要表现在两个方面:


第一  增长水平,最近这几年,企业级UWB定位市场一直保持着一个很高的增长水平,尤其是自2018年开始,行业整体业绩进入了一个快速增长期。


第二  UWB产品能够撬动的市场很大,在企业级项目应用中,UWB定位部分占据的内容往往只是一小部分,整个大项目还有很多其他的建设投入,UWB定位部分在项目的产值占比大概在10%-20%之间,也就意味着, UWB定位市场可以撬动其本身市场产值的5-10倍。

 

a)  2018年,国内UWB企业级应用市场出货量为百万级,随着新的芯片玩家进入,未来几年,在企业级应用市场,UWB将会保持着超高的发展速度,预计在2022年将会超过千万级的量,达到1200万片左右。


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b)   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


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c)   UWB定位市场企业级应用细分领域分析


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UWB 2C市场展望

苹果在官网上只介绍了U1超宽带芯片可用于AirDrop,将手机指向另一个手机,通过测向和定位可以优先连接该手机。


其实苹果早些年开始已经进行了多项UWB布局,这个是关于UWB用于汽车车钥匙的专利。


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2019年苹果相关专利甚至传说苹果要用UWB技术做iBeacon V2。


应用层面,网上也有很多例子,我们稍微提一下就OK,感兴趣的可以去查阅。


a)  高精度定位的C端应用

可以在C端用于停车场找车、找宠物、找娃、找钥匙,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。


b)无感门禁

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。iPhone11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。


C ) 智能锁应用

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。随着手机加入UWB芯片,手机作为钥匙的应用前景会很快到来。 

 

d) 无感支付

iPhone11也可以通过与POS机安全测距等方式为Apple Pay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。 

三、 UWB的一些问题

UWB技术

a) 技术标准向前兼容,而非向后兼容

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。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。


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.


b) 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。在苹果未来逐渐开放其U1芯片定位应用的SDK后,预计会有部分改观。 

UWB芯片

前面的关于UWB的特性是从原理上来说明的,从芯片层面来较实际的应该有一些折扣。拿某款在55nm水平上的芯片为例,从大速率传输的角度看:


1.   峰值速率原理上能达到1Gbps,但能做到稳定传输应该在640Mbps左右。

2.   射频方面原理上是3-10G的频带,但实现的过程中基本保持在3-4G中的若干375M频段。

3.   如果保持-40dBm的发射功率,传输距离基本上是在客厅范围。这也是UWB大速率数据传输中的典型应用,包括电脑投屏,家庭影院等。

4.   功耗上看,全频跑应用怎么都得百毫安,功耗不友好。

5.   从研发成本上看,UWB至少和WiFi11n甚至WiFi11ac相当,并不简单。

6.   当年UWB没能发展是因为,从以上所有性能上看几乎都赢不了WiFi11ac,Intel也退出了他发起的联盟。


如果从定位的应用角度看:


1.   所有的无线都可以用来定位,高频段的方向性要好一些,但看你用的是3G还是10G。

2.   只做定位的话,芯片复杂度能降低多少需要进一步研究,暂不评论。

3.   功耗,成本等,目前看比不上其他的无线技术。

4.   从B到C要解决功耗,成本的问题。

  UWB感想

    1.  UWB不是新东西,只是突然被更多的人看见了。

    2.  UWB作为民用,出时的标签是高速率数据传输,定位只是前者失败后的一个替代应用。

    3.  被看见了,不代表它会在技术特性,应用和市场等方面就突变了。

    4.  UWB从10年前开始,国内也陆续倒过一批企业的,包括芯片设计公司。

    5.  不能用网红思维看待技术:

        a)  比如AI只是一个随着芯片制造水平提高,计算能力越来越强而衍生的一项技术,它本身并不是一个行业。拿最成功的应用案例来说,这些行业本身是图像识别和处理,或语音识别。所谓AI只是其中的一项技术而已(更专业的名称应该是算法加速器,但没有人爱这个名字)。

        b)  比如量子通信最近又被吐槽,但事物本身是清楚的,为啥现在才说。

        c)  技术没有高大上,技术是勤奋和严谨。举个简单的例子,如果有谁愿意把USB做好做透,或者把ADC做好做透,我觉得他一定是杰出企业。企业的逻辑是市场足够大,然后你为什么比别人做的好。没用哪家上市技术公司不是接地气的,解决实际问题的,能有正向现金流的。

       d)  如果追求高大上,那请准备好10或20年的耐心。或者准备一个志趣相投的爸爸。当然,如果是大企业,探索和储备就变成使命和战略了。


对新东西的出现,保持开放和理性是基本素质。作为有相关UWB芯片经验的团队,做不做,什么时候做,还需要进一步分析和调研。



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