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UWB技术重获新生古老的技术如何融入AIOT时代?

作者:365真人游戏 发布时间:2021-02-25 06:37 点击数:

  近日,小米正式发布“一指连”UWB技术,引发全网关注。在小米的带动下,UWB技术持续增温。UWB技术既非近期初生的全新技术,也非前无古人的鸿蒙初辟。这一始于上世纪的古老技术,却从2019年起又开始焕发了青春与活力。

  当时,物联网智库曾在《今天,小米在交互方式领域闹了场“革命”!》一文中对小米的这项应用进行了详细剖析。文中提到,UWB技术既非近期初生的全新技术,也非前无古人的鸿蒙初辟。然而,这一始于上世纪的古老技术,却从2019年起又开始焕发了青春与活力。

  那么,这项技术究竟有着怎样的前世今生?具有哪些方面的独特优势?未来能够有多么广阔的应用前景?国内外产业链又有怎样布局?本文将化繁就简,尽可能的对相关信息进行汇总。

  现代意义上的超宽带UWB无线技术,又称脉冲无线年代。不同于传统通信技术,UWB技术能够通过送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲实现无线传输。由于脉冲时间宽度极短,因此可以实现频谱上的超宽带:使用的带宽在500MHz以上。

  这项技术由Sperry研究中心的Gerald、Ross、Robbins博士,美国天主教大学的Henning、Harmuth博士和USAF开发中心共同提出,当时是专属于军方使用的技术,主要用于军事上的雷达系统。

  UWB技术在20世纪70年代获得了重要的发展,Ross和Robbins博士在1972年-1987年间对时域电磁场波的研究和大量专利使他们成为UWB应用领域的先锋。此后,UWB被主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。1989年,美国国防部首次使用了UWB这一术语,意指产生、传输、接收一段持续时间非常短(纳秒或以下)的爆发式射频能量脉冲。

  随着时代的发展,通信技术的应用范围逐步得到扩大。1998年,FCC开始征询将UWB技术用于民用的意见。

  2002年2月,美国联邦通信委员会(FCC)公布了超宽带无线通信的初步规范,正式解除了超宽带在民用领域的限制。这在UWB的发展史上是划时代的事件,它极大地促进了相关的学术研究,也成为超宽带技术正式走向商业化的一个里程碑。

  在FCC的规定中,将相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统,同时批准了UWB技术可用于民用商品。随后,日本于2006年8月开放了超宽带频段。

  自2002年以后,UWB技术进入高速发展期,各种技术方案层出不穷。发展到民用阶段,UWB技术也一直主要面向B端,其典型的应用场景包括工厂、仓储、隧道、司法等各种垂直行业的人员或物资高精度定位。

  但是,据集微网介绍,由于UWB当时策略上有失误,其选择与WiFi、蓝牙USB争夺市场。最终由于市场时机、技术复杂度、网速体验等诸多原因而没能战胜WiFi,在线缆取代上又因为发热和价格败给蓝牙和USB,高成本、高功率和缺乏标准化等三个硬伤成为其暂时褪去光芒的主要原因。

  2018年,UWB工作小组等组织的专家们一边继续完善802.15.4a,一边默默的在2018年推出新标准即802.15.4z,将物理层分为高速率和低速率两个实现方式,并在高速率中加入了定位功能。

  2019年8月1日,恩智浦、三星博世、索尼等公司组建了FiRa联盟,参与厂商涵盖UWB芯片、设备和应用解决方案商,旨在利用超宽带(UWB)技术推动用户无缝体验,发展UWB生态系统。

  2019年9月,苹果在其发布的最新手机iPhone11系列手机中植入了支持UWB技术的U1芯片。当时苹果介绍称,U1芯片可以进一步提升手机定位功能,在应用于隔空传送时,距离越近越能率先得到响应。

  此后,三星、小米相继推出三星GalaxyNote20Ultra、小米10系列等搭载UWB技术的手机,UWB技术开始在ToC领域崭露头角。

  据鲜枣课堂介绍,作为目前最广泛应用的定位技术,卫星定位是通过利用地球卫星进行点位测量的技术,具有精度高、速度快、成本低等特点。其中,包括GPS、北斗等都属于GNSS全球导航卫星系统,另也有在其基础上结合辅助手段以更好地消除误差、提高反应速度的A-GNSS。

  但是,对于卫星定位来说,一个明显的缺点是不能实现室内定位。原因显而易见,卫星信号会被建筑物遮挡。然而,随着时代的发展,室内定位的业务场景却越来越多,用户对室内定位的需求越来越强烈。例如地下车库导航、商场寻找店铺或同伴等。于是,一些企业开始尝试开发高精度的室内定位系统,UWB技术开始得到关注。

  在FCC的规定中,为UWB分配了3.1~10.6GHz共7.5GHz频带,还对其辐射功率做出了比FCCPart15.209更为严格的限制,将其限定-41.3dBm频带内。简而言之,这项技术通过超大带宽和低发射功率,实现了低功耗水平上的快速数据传输。

  由于UWB与传统通信系统相比,工作原理迥异,因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点:

  系统结构的实现比较简单:当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波,载波的频率和功率在一定范围内变化,从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波,它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线,不需要传统收发器所需要的上变频,从而不需要功用放大器与混频器,因此,UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端,UWB接收机也有别于传统的接收机,不需要中频处理,因此,UWB系统结构的实现比较简单。

  高速的数据传输:民用商品中,一般要求UWB信号的传输范围为10m以内,再根据经过修改的信道容量公式,其传输速率可达500Mbit/s,是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输,并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源,而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中,可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

  相比于其他技术,UWB技术具有抗多径能力强、时间戳精度高、电磁兼容性强、通信系统能效高、发射功率低等优点。

  另外,由于后续的标准制定更新,UWB对应的市场也有所变化,从而开拓和找准自己的应用领域。从功能来看,UWB有通讯连接和精准测距定位两项,而后者会是UWB的杀手锏。

  室内环境下,卫星信号会被严重干扰,GPS或北斗等卫星定位方法是不可行的。因此在室内或者相对密闭的空间下,需要一套室内的定位体系,常见的室内无线定位技术还有:Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFIDZigBee和超声波,而UWB是其中的佼佼者。

  UWB定位的基本原理是飞行时间测算ToF(meofFlight)。为了实现始终同步,ToF测距方法采用了时钟偏移量解决时钟同步问题。其通过平均正向和反向多次测量的平均值,减少了对任何时钟偏移量的影响,从而减少测距误差,定位精度正常情况下可以达到10cm,同时其可探测移动的角度误差控制在3度以内。

  但是,由于工作频段较高和大频宽,如果在室内遇到实体墙阻挡,会使得UWB信号衰减60-70%,定位精度误差上升30厘米左右,两堵或者两堵以上的实体墙遮挡,将使得UWB无法定位。

  目前,全球UWB定位技术主要行业巨头有:爱尔兰DecaWave、英国Ubisense、美国TImedomain、Zebra、荷兰NXP等。在国内,清研讯科、联睿电子、浩云科技、精位科技、环旭电子、长电科技等数十家企业也开始风云乍起,迎接市场的红利期,且环旭电子和长电科技皆是苹果的UWB相关产品供应商。

  清研讯科源于清华大学测试技术与仪器国家重点实验室,是一家工业无线精确定位产品及定位系统提供商。它提供的LocalSense精确定位解决方案,解决了工业现场供应链组件、设备、车辆与人员精确定位的问题。

  同时,清研讯科UWB全球标准FIRA联盟的投票权会员。前段时间,清研讯科还发布了第一颗UWB/BLE双频定位与测距芯片TSG5162,也是第一颗同时符合802.15.4z/Bluetooth5.1技术标准规范的全功能芯片,芯片内置UWB/蓝牙5.1双频段,加上内置的射频单元与处理器,实现单芯片+天线即可构成完整定位终端。

  6月,智慧物联网数据平台提供商浩云科技投资入股国产UWB上游芯片企业,正式切入UWB上游芯片领域。而且浩云科技控股子公司深圳市润安科技发展有限公司(简称润安科技)成为深圳市多功能智能杆配套产品中UWB独家入库单位。润安科技也是中国核电独家中标的UWB高精准位置管理系统的供应商。

  UWB模组方面,环旭电子是全球第一家实现UWB生产的公司,iPhone11Pro/11ProMax首次采用公司提供的UWB模组封装技术,拥有“具有超宽带特性的天线设备”以及“超宽带宽平面天线”两项UWB专利。随着UWB技术在苹果手机大规模商用,环旭电子或将凭借成熟前沿的模组技术获得更大的订单。同时,苹果作为世界UWB消费级应用的领路者,将会带动UWB消费级产品使用SiP封装的潮流,并且传播环旭在这一领域良好的声誉,扩大环旭的影响力。

  长电科技是全球领先的半导体微系统集成和封装测试服务提供商,通过高集成度的晶圆级WLP、2.5D/3D、系统级(SiP)封装技术和高性能的FlipChip和引线互联封装技术,提供全方位的微系统集成一站式服务。在UWB方面,长电科技是iPhoneUWBSiP主要供货商。

  据中海达官方信息,其子公司联睿电子创立于2010年,是国内首家自主研发UWB高精度定位技术的国家高新技术企业。据悉,联睿电子基于UWB室内定位技术自主研发了U-Loc室内厘米级实时定位系统,该系统定位精度高,功耗低,辐射小,能够精准、可实时地提供既定区域内的人员和设备的实时位置和轨迹信息。

  精位科技推出的首颗国产UWB芯片-JR3401已于2019年年底流片成功并投入量产,将于2020年推向市场。该芯片运用精位科技多项自主独特的技术,适合在多个领域中应用,例如:高精度定位、通信、雷达等针对不同的市场需求,公司将提供多种模组,更易于集成和二次开发。

  南京沃旭通讯科技有限公司成立于2012年,开始曾为中国移动布置Wifi热点,后来转向UWB技术。据其官方介绍,沃旭是国内首家基于IR-UWB产品研发及应用的高新技术企业,也是“Decawave”官方指定的主要合作伙伴。2016年沃旭完成Pre-A轮融资。产品已通过国家无委、FCC,以及即将通过德国莱茵TUV功能安全认证。

  据物联传媒数据预测,我国2022年UWB企业级应用的市场体量将达到121.5亿元,远超2016年的2.97亿元,实现快速增长。

  而在智能手机领域,不只是小米,包括OPPO等手机厂商也已经加入FIRA联盟,致力于打造UWB生态。无疑,UWB技术在ToC领域将从智能手机开始突破,或将成为类似GPS的手机标配,并也将由点及面,成为智能时代的重要管道。

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