Apple新iPhone的黑科技:UWB技術揭秘
2019年09月17日08:34

  9月11日,Apple公司秋季發佈會在喬布斯劇院舉行。以iPhone 11為代表的一系列新品揭開了神秘的面紗,與“果粉”見面。

  新iPhone的特點和參數,相信大家通過各大媒體的介紹已經有所瞭解。不過有一個細節,不知道大家有沒有注意到——本次發佈的全系列新款iPhone,全部搭載了支援超寬帶(UWB)技術的U1芯片。

  根據官方的宣傳,這項新技術將顯著提升Apple手機的空間感知(Spatial Awareness)能力。

  那麼問題來了,空間感知能力是什麼意思?U1芯片到底能做什麼?UWB超寬帶技術又是什麼黑科技?所有這些,會不會引領新一輪的智能設備應用創新?

  通過本文,筆者將一一為你揭曉這些問題的答案。

  什麼是空間感知能力

  所謂的空間感知能力,就是感知方位的能力。更直接一點,就是定位能力。

  根據Apple公司的介紹,搭載U1芯片的新iPhone,進一步提升了手機的定位功能,不僅可以感知自己手機的位置,還可以感知周邊其他手機的位置。

  在使用隔空投送(AirDrop,Apple設備提供的一種無線分享文件的功能)時,基於U1芯片提供的空間感知能力,只需將你的iPhone指向其他人的iPhone,系統就會優先排序(離得越近,優先級越高),讓你更快速地共享文件。

  說白了,利用U1的定位能力,iPhone11可以實現“離我越近越先得到響應”的應用效果。

  說到定位,相信大家都很熟悉。我們經常會使用例如高德地圖或百度地圖這樣的APP,裡面就有定位和導航的服務。

  定位服務幫助我們掌握位置信息,指示方向,增加自身的安全感和掌控感,給我們的工作生活帶來了很大的便利。

  那麼,UWB技術和我們現在常用的定位技術,又有什麼不同呢?

  我們現在常用的定位技術,主要包括衛星定位和基站定位。

  衛星定位,是利用人造地球衛星進行點位測量的技術,也是目前使用最為廣泛、最受用戶歡迎的定位技術。它的特點非常突出,就是精度高、速度快、使用成本低。

  大家所熟知的美國的全球定位系統(GPS)、中國的北鬥(BDS)、歐洲的伽利略(Galileo)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS),都是衛星定位系統。

  基站定位的原理和雷達有相似之處。雷達定位大家都知道,就是發射雷達波,根據目標的反射,進行空間位置測算。

  基站定位的話,基站就相當於是一個“雷達”。

  通常,在城市中,一部手機會在多個基站的信號覆蓋之下。手機會對不同基站的下行導頻信號進行“測量”,得到各個基站的信號TOA(到達時刻)或TDOA(到達時間差)。根據這個測量結果,結合基站的坐標,就能夠計算出手機的坐標值。

  畫個圖,一看就明白了:

  所有上述這些定位手段,都有一個明顯的缺點,就是無法穿透建築物,不能實現室內定位。

  衛星定位,需要接收機接收到足夠的衛星信號。當進入室內,或有遮擋時,衛星信號很微弱,無法有效定位。

▲上圖為手機在室外接收到的GPS定位信號,下圖為手機在室內接收到的GPS定位信號
▲上圖為手機在室外接收到的GPS定位信號,下圖為手機在室內接收到的GPS定位信號

  從圖示可以看出,當發現的衛星數量降低時,定位誤差從10米增加到66米。

  一方面,衛星和基站定位技術無法滿足室內定位的需求。另一方面,室內定位的業務場景卻越來越多,例如地下車庫導航、商場尋找店舖和商品,甚至兒童走失,都對室內定位有迫切需求。

  在需求持續上升的背景下,人們開發了一系列技術,嚐試利用其它類型的錨節點來提供定位能力。這就包括了Wi-Fi,藍牙,UWB等技術。

  什麼是UWB

  Wi-Fi和藍牙大家都比較熟悉。那麼,UWB又是什麼?

  UWB,就是Ultra Wideband,超寬帶技術。它源於20世紀60年代興起的脈衝通信技術。

  瞭解通信的同學都知道,一般的通信體製都是利用一個高頻載波來調製一個窄帶信號,通信信號的實際佔用帶寬並不高。

  而UWB不同於傳統的通信技術,它通過發送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈衝來實現無線傳輸的。由於脈衝時間寬度極短,因此可以實現頻譜上的超寬帶:使用的帶寬在500MHz以上。

  FCC(美國聯邦通信委員會)為UWB分配了3.1~10.6 GHz共7.5 GHz頻帶,還對其輻射功率做出了比FCC Part15.209更為嚴格的限製,將其限定-41.3dBm頻帶內。

  簡而言之,這項技術通過超大帶寬和低發射功率,實現低功耗水平上的快速數據傳輸。

  由於UWB脈衝的時間寬度極短,因此也可以採用高精度定時來進行距離測算。

  相比Wi-Fi和藍牙定位技術,UWB具有如下優勢:

1)抗多徑能力強,定位精度高:帶寬決定了信號在多徑環境下的距離分辨能力(成正比關係)。UWB的帶寬很寬,多徑分辨能力強,能夠分辨並剔除大部分多徑干擾信號的影響,得到精度很高的定位結果。UWB可以在距離分辨能力上高於其他傳統系統,複雜環境下其精度甚至可以達到Wi-Fi、藍牙等傳統系統的百倍以上。

2)時間戳精度高:超寬帶脈衝信號的帶寬在納秒級,由定時來計算位置時,引入的誤差通常小於幾釐米。

3)電磁兼容性強:UWB的發射功率低,信號帶寬寬,能夠很好地隱蔽在其它類型信號和環境噪聲之中,傳統的接收機無法識別和接收,必須採用與發射端一致的擴頻碼脈衝序列才能進行解調,所以不會對其他通信業務造成干擾,同時也能夠避免其他通信設備對其造成干擾。

4)能效較高:UWB具有500MHz以上的射頻帶寬,能夠提供極大的擴頻增益,使得UWB通信系統能效較高。這意味著對於電池供電設備,系統的工作時間可以大大延長,或是同樣發射功率限製下,覆蓋範圍比傳統技術大得多。通常在短距離應用中,UWB發射機的發射功率普遍低於1mW;在長距離應用中,不需要額外的功率放大器即可達到200米的距離,同時實現6.8Mbps的空中速率。

  基於上述技術優勢,採用UWB能夠構成高精度的室內定位系統。

▲UWB和其它定位技術的對比
▲UWB和其它定位技術的對比

  目前,常用的UWB測距方法有三種,分別是:

(1)TOF(Time of flight):通過測量UWB信號在基站與標籤之間飛行的時間來實現測距。

(2)TDOA(Time Difference of Arrival):利用UWB信號由標籤到達各個基站的時間差來進行定位。

(3)PDOA(Phase Difference Of Arrival):利用到達角相位來測量基站與標籤之間方位關係。

  限於篇幅,我們將在後續詳細介紹UWB的算法原理。

  UWB的產業發展

  在2002年以前,UWB被廣泛用於軍事方面的用途。2002年,FCC(美國聯邦通信委員會)對UWB做了如前文所說的功率上的嚴格限製,才將UWB技術解禁,準許進入民用領域。

  此後,UWB技術進入了高速發展期,各種技術方案圍繞著UWB國際標準的製定也展開了激烈的競爭。

  2007年,IEEE在802.15.4a標準中對UWB技術進行了標準化。經過近十年的發展,UWB的標準也在不斷完善。

  說到UWB的產業鏈,就不得不提到Decawave公司。

  Decawave是目前已知唯一支援IEEE 802.15.4的UWB定位芯片廠商。他們提供低成本的芯片出售,零售價格在幾美元。芯片型號是DW1000,符合IEEE 802.15.4-2011 UWB標準協議(在理想條件下,最大可測量範圍為300m)。

▲DW1000芯片
▲DW1000芯片

  在Apple公司的產品發佈會後,基於Decawave芯片DW1000的定位廠商INTRANAV連發兩條推特,聲稱其套件支援與iPhone11的互操作,Decawave也轉發了該推特。這說明,AppleU1有極大的可能支援IEEE 802.15.4。

  其它從事UWB技術研究的廠商還包括Ubisense、BeSpoon。

  這些廠商使用了自己的UWB解決方案,通常以模組套件的形式推出,但均不支援IEEE 802.15.4。

  要實現更好的空間感知,需要應用生態的支援。為了構建整個應用生態,不同廠家設備性需要實現互操作、互兼容。可以預見,未來所有廠家設備都將可能支援IEEE 802.15.4標準。

  UWB的定位效果

  為了客觀評判不同的室內定位技術,多個國際組織一直在積極組織室內定位比賽。

  目前國際上三個高規格的室內定位比賽包括:

1)微軟室內定位比賽(Microsoft Indoor Localization Competition,MILC)

2)美國國家標準與技術研究院(NIST)舉辦的PerfLoc(Performance Evaluation of Smart-phone Indoor Localization Apps)

3)國際室內定位與室內導航大會(IPIN)室內定位比賽:IPIN competition

  微軟的MILC比賽被公認為評判高精度室內定位技術最好的舞台。

  下面列出了曆年MILC比賽中基於基礎設施組前三名的成績:

  可以看出,從2015年開始,UWB的優勢逐漸顯示出來,已成為高精度定位技術中最有前景的技術。同時,Decawave的DW1000也是具體定位方案中的主流選擇。8家獲獎的UWB團隊中,有7家都使用了DW1000。

▲2018年的比賽使用性能極高的激光SLAM構建地圖(左圖)並基於此實時輸出真實位置軌跡(右圖),由此作為比賽的評價依據
▲2018年的比賽使用性能極高的激光SLAM構建地圖(左圖)並基於此實時輸出真實位置軌跡(右圖),由此作為比賽的評價依據

▲比賽場地在葡萄牙波爾圖證卷交易所宮,現場環境十分複雜
▲比賽場地在葡萄牙波爾圖證卷交易所宮,現場環境十分複雜

  2018年的比賽首次評價動態精度,比賽場地非常複雜,結果的導向性很強。

  在這項賽事中,來自美國卡內基梅隆大學的Anthony Rowe團隊值得一提。這個團隊是室內定位領域的翹楚,三次進入前三名,2018年更是獲得第一名和並列第二名。

  更重要的是,2018年該團隊取得第一名的技術路線是UWB+增強現實(AR),而iPhone 11 Pro則成為了首款同時支援AR和UWB的手機。這足以證明該團隊具有極強的技術洞察力。

  此外,來自中國的南京愛銻奕電子科技有限公司也非常值得關注。

  他們是一個新興團隊,切入UWB市場一年後就參加了2018年的比賽,取得了並列第二名的成績。這是迄今為止國內隊伍在該項賽事中的最好成績。

  上圖是南京愛銻奕團隊在比賽中輸出的實時軌跡。可以看到,除少部分區域外,大部分區域都輸出了精度很高的定位坐標。藍色為激光SLAM實時軌跡,綠色點為愛銻奕團隊輸出的軌跡,紅色為矢量誤差。

  上圖是參加各支隊伍的平均定位誤差對比。愛銻奕團隊的平均定位誤差是0.4米,而幾個傳統強隊,如RaceLogic、俄羅斯研究院等同樣使用UWB技術,卻只取得了接近1米甚至更差的成績,這充分說明了2018年比賽難度之大。

  結 語

  總而言之,這次新款iPhone對UWB的全面支援,對UWB技術的規模化商用推廣是一次非常寶貴的機會。這也將加速UWB上下遊產業鏈的發展和成熟。

  隨著5G的到來,我們正在加速走向萬物互聯時代,越來越多的物聯網設備和應用將會出現。UWB技術可以根據自身的特點,與這些物聯網場景緊密結合,給用戶提供更好的服務體驗。

  包括智能家居、增強現實、移動支付、看護跟蹤、地質勘探、室內導航,都將是UWB技術的用武之地,擁有非常廣闊的發展前景。

  根據相關機構的預測,未來UWB技術將在室內定位市場中佔據30%~40%的市場份額,2022年市場規模將有望達到164億美元。

  UWB的美好未來,讓我們拭目以待!

  本文來自鮮棗課堂

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