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建立UWB技术平台,促进应用生态发展

2021-07-13 11:22:09
根据相关研究报告,今年全球 UWB 设备出货量预计将达到2.3亿台以上,到 2027年将超过12亿台。智能手机毫无疑问是 UWB 技术的最 大应用市场,其次则是汽车、智能家居设备、可穿戴设备、智能标签和面向工业领域的实时定位系统。

近两年来主流智能手机厂商无一例外都在探索在其产品上集成 “空间感知”能力,为用户带来方便,快捷的全新使用体验。比如去年10月,小米手机展示的“一指连”功能,当用手机指向智能设备(如风扇、空调等),对应设备控制卡片就能自动弹出,用户可直接开始操控;比如OPPO在其未来科技大会上现场展示了手机上的指向控制、室内精准定位追踪功能;再比如Google将会在PIXEL 6系列手机上支持类似功能。以上这些看似神奇的“空间感知”功能,是通过在手机中集成超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术来实现的。

UWB技术本质上是一种频谱范围很宽的无线载波通信技术,但目前主要应用在短距离数据传输、室内精准定位等方面,其原理、特点已有很多文章做了详细阐述,本文要从UWB应用生态和支撑技术平台两个维度来分析这项技术未来发展趋势。

一、UWB技术未来仍将以精准定位为主要应用特点。

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一项技术要被广泛应用,需要两个必不可少条件:第 一,技术可以满足用户明确或潜在需求;第二,技术特点或解决方案要有比较优势。两条充分结合才能构成实际的技术应用场景。

目前UWB技术有两大特点:一是具备短距离内的高速数据传输能力,传输速率高达27MB/s;二是可以在室内提供厘米级的精 确定位。目前UWB应用生态主要和第二个技术特点密切相关。

第 一个技术特点对应的是用户设备之间数据传输需求,但单纯UWB技术和同类型的无线或有线传输技术相比(如WiFi,Bluetooth、USB等),在高速数据传输方面没有明显比较优势。WiFi的速率可以更快,范围可以更广,蓝牙连接的功耗可以做到更低。

第二个技术特点对应着市场规模巨大的定位导航需求。目前手机上已有的卫星或惯性定位模组还不能在局域范围内提供精度很高的定位功能,但人们大概有70%的时间都室内活动,而且随着更多设备智能化和网络化后,人们对于室内实时定位潜在需求有待进一步发掘。

和其他室内定位技术相比,UWB技术有着精度高、实时性好的比较优势,具体比较见下图。

分类GPSRFIDZigbeeWiFi蓝牙UWB
定位精度5米区域判断5-10米3-10米1-3米10厘米-1米
工作距离室外5米100米200米<50米>100米
应用场景室外区域进入判断低精度低精度近距离、低精度高精度,高密度
价格

图1 UWB技术定位精度比较

实际上,UWB技术早在被智能手机厂商关注之前,已经有了非常广泛的应用场景,其中已经在40多个垂直应用领域(工业、汽车、消费)中的超过800万台设备上得到了部署。基于UWB技术实现的实时定位系统,对人、物、料的实现基于高精度位置的实时管控,在各类智能工厂中得到大量应用。国内如清研讯科公司,也已经有基于UWB技术的工业智能、安全生产、仓储物流、公检法司等多场景的高精度定位解决方案。

二、UWB在智能手机上的集成能带来更大市场空间和更广泛应用生态

在智能手机上集成UWB技术,未来UWB设备数量将从百万量级迅速提升到千万至上亿量级,同时智能手机还能够连接和带动更多的智能家居终端、物联网设备等联网,会进一步提高UWB技术在整个物联网应用中的渗透率。

根据相关研究报告,今年全球 UWB 设备出货量预计将达到2.3亿台以上,到 2027年将超过12亿台。智能手机毫无疑问是 UWB 技术的最 大应用市场,其次则是汽车、智能家居设备、可穿戴设备、智能标签和面向工业领域的实时定位系统。

图2 UWB技术相关市场出货量预测(数据来源:Techno Systems Research)

智能手机厂商还可以使用UWB技术进一步拓展应用生态。UWB技术集成到智能手机中,可以采用空间感知功能解锁UWB应用潜力,创造出更多应用场景,构建出个性化且符合当前语境的体验、精 确的控制系统、安全无钥匙进入系统以及强大的跟踪生态系统。例如:

  • 配套UWB技术的智能标签,可以采用智能手机,轻松找到物品和设备;

  • 配套UWB技术的智能汽车中,为汽车带来安全且符合驾驶情境的体验,例如,用手机靠近车辆自动解锁汽车,并自动实现符合要求的座椅位置、娱乐系统和温度设置;

  • 集成到游戏中,通过将UWB添加到游戏控制器或遥控器,以实现新型控制功能和端到端的游戏体验;

  • 配套智能家居,通过在电视、机顶盒或流媒体播放器中添加UWB,可实现通过智能手机的新型控制体验,增加用户互动;

  • 集成到安全系统中,当利用智能手机打开住宅或车辆的门时,距离和方向对于保证安全性至关重要。例如,只有当用户在外接近家时,才能打开家门。

  • 集成到智能商场系统中,可以实现智能手机上的精准位置导航,同时通过位置来开展实时互动营销。

上述场景都能为用户带来非常好的体验,所以UWB技术在智能手机上的集成,将进一步拓展设备空间维度,未来有着非常广阔的应用前景。

UWB应用生态需要一个整体化UWB技术平台支撑

不论是在工业还是消费电子领域,UWB技术的每一类应用场景都要对应一套应用程序或系统。在工业领域中,通常采用定制化开发方式来实现复杂应用系统,并优先保障系统稳定性和可靠性。那么随着手机等消费领域终端配置UWB后,那么对应的应用程序要更注重用户体验、更新迭代能力等,更需要一套完整的UWB技术平台来支持整个UWB应用生态建立。

例如,我们都知道最 新的高端手机里面要多集成一颗UWB芯片,但显然仅只集成一颗芯片是构不成UWB技术平台。完整的UWB技术平台至少应该包括UWB芯片、模组以及配套的UWB软件平台几个功能模块,同时UWB技术平台还必须提供和其他计算平台的兼容协作能力和底层技术标准。本文将UWB技术平台归纳图示如下:

图3 UWB技术平台结构

UWB技术标准:目前底层为IEEE 802.15.4。这套标准建立UWB技术平台底层的数据格式,互操作方式等。同时在UWB应用层面,推动UWB生态发展的FiRa联盟提出设备之间互操作的协议标准。

UWB芯片:提供了UWB硬件部分实现,保障UWB信号的发送接收。该芯片应兼容IEEE 802.15.4最 新标准规范。如果在工业领域内应用,芯片需要满足工业上的可靠性要求,而在消费电子领域内应用,芯片架构要重点考虑低功耗设计;

UWB模组:通过将UWB芯片和其他电源芯片,MCU芯片等集成,形成一个功能完整的硬件平台,方便和其他计算平台做进一步集成;

UWB软件:这个提供了UWB应用实现所需的算法模块,例如定位算法、安全模块等,并为上层应用开发提供一套完整的API。同时和底层芯片基于标准接口进行集成。

图4 UWB技术平台实例

有了这样一个技术平台,制造商就可以更容易的建立UWB应用生态。对于这样一个平台,能够支持在不同领域的应用是非常重要的。如果一个平台可以同时支持多种类型的操作系统和不同类型的CPU,通过底层的协议能够在Android设备、iOS设备包括国内华为鸿蒙设备直接进行互操作,那么在这个平台上完成的UWB应用也就能够更容易的在不同生态系统之间进行移植。实际上,可以看到目前各家公司都在整合资源推出自己的UWB技术平台。下表对几家主要公司平台做了简单总结。

表1 主要厂商的UWB技术平台

厂商QorvoNXPAppleRenesas
UWB芯片DW1000(第 一代)QM35720(第二代)NCJ29D5SR150U1与3DB Access合作芯片(3DB6830)
UWB软件提供Sevenhusgs’ UWB stackTrimension UWB开发套件苹果iOS生态支持与亚创(Altran)合作解决方案
是否支持IEEE 802.15.4支持支持支持支持
目标应用手机、汽车电子汽车电子手机嵌入式系统

目前各个厂商还是整合UWB技术资源,形成完整平台的阶段。例如在NXP官网上,芯片NCJ29D5还处于样品阶段,其应用主要定位在满足全球汽车业的连接和功能安全需求。苹果芯片和UWB技术目前主要服务其iOS生态,当然从去年基于Decawave芯片DW1000的定位厂商INTRANAV声称其套件支持与iPhone的互操作,苹果UWB技术应该也是支持IEEE 802.15.4标准的。

Qorvo公司的UWB技术平台其第二代底层芯片为DW3000,采用40纳米工艺,兼容IEEE 802.15.4最 新标准,具备更低功耗。Qorvo公司同时也提供系列化可用UWB模块。在软件层面,Qorvo通过收购Sevenhugs和Decawave,可以为用户同时提供工业级和消费级的UWB软件方案,支持Android、linux等操作系统上的集成和开发。瑞萨电子在芯片方面和3DB Access公司合作,方案方面则和亚创(Altran)公司合作,从可穿戴应用作为瑞萨电子在UWB方面的切入点。

其它从事UWB技术研究的国际厂商还包括Ubisense、BeSpoon。这些厂商使用了自己的UWB解决方案,通常以模组套件的形式推出,但均不支持IEEE 802.15.4。同时国内的UWB企业也在加速UWB技术商用的步伐,目前主要是面向企业级客户。

实际上,要通过UWB技术实现更好的空间感知应用,是非常需要一个完整的技术平台支持。为了构建整个UWB应用生态,不同厂家技术平台需要实现互操作、互兼容。可以预见,未来所有厂家设备都必须支持底层IEEE 802.15.4标准,而在软件层面,一方面要提供完整的UWB的应用组建,另一方面要进一步提升平台之间的互操作性。只有当UWB技术平台能进一步协同手机计算平台形成成熟解决方案,才能确实的实现本文第 一部分描述的广泛应用前景,为手机用户带来真正创新体验,实现真正的物联网应用。




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