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10月20日深圳站--EDA365電子硬件研討會
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皇家社会vs莱加内斯比赛分析: 關于UWB芯片熱的冷思考

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發表于 2019-10-9 11:22 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

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市場燃爆
近日,蘋果公司召開2019年秋季發布會,3款新iphone均配備UWB,可用于室內導航與物件追蹤服務,點燃了大眾對UWB的熱情。甚至有朋友向我打聽哪家公司在做UWB,買什么股票好。
UWB技術的一個市場地位,也就是說奠定了它作為室內定位首選技術這么一個地位。蘋果手機將定位技術植入到手機之后,可能在民用市場也會引發一股超高頻精準定位腦洞開發,通過這些技術引爆UWB在民用市場一個應用?;赨WB的這些特點,其實在民用這個領域也有非常多廣泛的應用。比如說養老行業、電力行業、醫療行業、化工廠行業、工廠跟倉庫、停車場、司法行業、博物館等等都有非常多的應用。
整個預計UWB這個市場容量將近300個億市場規模,UWB由于是近幾年才讓人家慢慢發現并且開發很多產品應用,所以在過去一兩年當中它的市場也是一個高速成長一個市場。2018年UWB整個市場是大概11個億市場規模,預計到2020年整個市場規模要將近接近120億。根據數據統計全球這個實施定位系統市場規模將由2018年31.9美元增長到2023年的將近90億美元一個市場規模。那么國內UWB應用市場也會剛才說的2018年10個億增加到2020年120億市場空間這個是我一點補充。
UWB的概念
超寬帶技術(UWB,Ultra Wide Band)技術
一種新型的無線通信技術
UWB通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制,使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題,它具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜度低、定位精度高等優點。
超寬帶(UWB)可用來應用在近距離高速數據傳輸,也利用其亞納秒級超窄脈沖來做近距離精確內定位。UWB發射器直接用脈沖激勵天線,允許采用較為低廉的寬帶發射器,在接收端不需要中頻處理。由天線接收下來的UWB信號經過一個寬帶放大器后,進入積分檢測電路,在UWB信號脈沖到來時,選通脈沖控制UWB的積分信號進入比較判決電路,實現偽碼信號的檢測判決。判決后的偽碼信號與本地的PN碼相乘后,通過低通濾波器的積分,進入門限判決電路,實現數據的正確解調。
UWB自2002年2月14日FCC批準民用以來,已經得到了快速地發展。目前 FCC在2002年允許的UWB 3.1~10.6GHZ可用作商業應用,歐盟允許的UWB范圍為6.0~8.5Ghz。隨著5G的大規??薊窘ㄉ枰約癡-2X部署,UWB使用頻率會逐漸上升到6G以上,對成本及可靠性提出新的要求。
UWB的作用
國內公司如華為、京東方等公司,國際公司如索尼、時域、摩托羅拉、英特爾、戴姆勒克萊斯勒等高技術公司都已經設計了UWB技術的開發,將各種消費類電子設備以很高的速率相連,以滿足消費者對短距離無線通信小型化、低成本、低功率、高速數據傳輸等功能的需求。飛思卡爾半導體有限公司在2006年就已推出了超寬帶高清電視和家庭媒體中心等產品和系統。在定位用到的UWB技術,遵循802.15.4a 標準,乃至802.15.4z標準。
精準定位
UWB定位精度在厘米級內,其精度遠遠高于WIFI和藍牙定位。精度、安全性、穿透性、抗干擾性均高于同類技術??捎τ糜詼遠ㄎ瘓紉蠼細叩某【?。
數據傳輸
支持高達110MB/s的傳輸速度,適合家庭無線消費市場??捎τ糜詿鎁SB進行數據傳輸、家庭數字電視視頻信號等場景。
探測雷達
UWB 具有較高的空間分辨能力,使其具有較強的目標識別能力。用途:探地雷達、穿墻雷達和道路檢測等。
未來應用市場暢想
UWB的應用相對廣泛,除了基于脈沖計數的精準定位系統與消有線接口的無線數據傳輸外,還可以作為AR/VR,免碰撞和安全氣囊激活的汽車雷達系統,工作頻率22-29GHz,多數不需要UWB基站組網。
箱包跟隨
01
采用UWB無線定位原理,對標簽發出的信號測距和計算角度,并根據距離和角度進行相應的控制電機運動。跟隨距離20米,定位角度120度,最近跟進距離20cm。小米平衡車在多年前發布的自動跟隨平衡車就采用UWB技術,也有些廠家的自動跟隨行李箱采用相同技術,這兩類產品都需要使用者佩戴UWB手環。
尋找物體(UWB 防丟器)
02
可以在C端用于停車場找車、找寵物、找娃、找鑰匙,還可以在B端工廠倉庫里找物資,也可以用于陌生人社交找人,這簡直就是終極找東西的神器。想象下,在車海中快速找到來接我的滴滴快車。這種應用是不需要環境中部署基站的,只需要雙方都具有UWB設備。蘋果也在計劃采用UWB技術開發一款類似tile的防丟追蹤器,并能通過FindMy功能精確定位尋找。這個產品是一個圓形小配件,蘋果logo在正中間,可以固定在任何產品上,然后通過手機定位防丟器的位置。這對于經常找不到錢包、鑰匙的用戶來說,這個產品非常方便。
AR/VR
03
UWB滿足了VR/AR對無線傳輸速度提出的更高要求,4KVR要求20-40Mbps的傳輸速度,8KVR要求高達90-130Mbps。傳統的WiFi傳輸速率較低,UWB技術的高速傳輸性能有望在VR/AR的個人局域網內容傳輸發揮上巨大作用。
高精度定位
04
當然這種定位方式需要在環境里要預先安裝好UWB定位基站,這些不是蘋果親自做,主要由產業鏈伙伴做。AOA(Angle of Arrival)測向+測距。所以可以通過測量方向實現很多新穎的功能,滿足三維的定位要求。
數據通信
05
UWB可以實現數倍于藍牙的傳輸速率(6.8Mbps以上),功耗卻并不高。UWB在2000年初曾與WIFI技術競爭數據傳輸標準,但失敗了。后來UWB逐漸在高精度定位領域找到獨特應用點,現在憑借低功耗和高安全性,重新回來了。2011年三星日前在歐洲市場發布了一款頗具特色的顯示器新品SyncMaster C27A750,基于UWB超寬頻技術,可以實現與主機間的無線顯示。
停車自動計費
06
車輛的定位TAG本身就是有ID的,捆綁車牌號,車輛到達車輛與道閘的UWB定位芯片通過TOF定位,來判斷車輛進去,系統根據進出時間來計算停車費用,不需要復雜的攝像頭、地磁或其他傳感器。
車庫自動開啟
07
手機可以作為車鑰匙,提供比現有無鑰匙進入技術安全性更高、定位精度更高的體驗。想象下,拿著手機距離車輛5米時車燈自動點亮,距離車庫門1米時,對應車門自動解鎖。如果此時轉身,邁開一步離開,車門自動上鎖。iPhone11希望連接未來所有汽車,這也許是蘋果推出U1芯片的重要原因。
智慧門禁
08
UWB的時間戳測距原理使得UWB幾乎不可能通過被截獲復制的方法偽造出自己
的位置,那么UWB可以作為安全性很高且便捷的鑰匙了。在智能鎖上應用也是可能的,三星在19年初CES期間以及發布一款應用UWB技術的智能鎖,只是當時還沒有手機鑰匙,需要佩戴專用的UWB鑰匙。
無感閘機
09
手機可以通過與POS機安全測距等方式為移動支付等支付技術提供更安全的無感支付體驗。甚至將來拿了UWB手機的人可以直接無感過UWB地鐵閘機,而無需掏手機出來掃碼或刷NFC,類似汽車ETC過閘機一樣。這里空間很大,不去展開,我們已經申請了專利。
V-2X
10
實際工作場景中,如高樓林立的十字路口、樹木茂密的區域、高架橋下\立交橋下、長隧道、室內停車場、惡劣天氣等環境下,車輛終端接收不到導航信號、或者信號很弱。由于無法部署RTK增強基站,缺乏高精度位置信息的支持,目前將用于室內厘米級定位精度的UWB技術使用到以上區域的車輛上,就是滿足V2X對高精度位置信息缺失區域,提供高精度導航,實現自動駕駛的最有效、最現實、最可靠、最經濟的位置補充方案。
智能家居系統
11
基于UWB超寬帶通信系統,可用極快的數據傳輸速率實現家居多媒體互聯,以及實現室內精確定位等功能。
12
通過UWB的高精度定位和實時定位,可以準確的獲取物流倉儲、人員情況等位置信息,利于提高管理效率,安全有效。
自動駕駛
13
車輛實現自動駕駛需要知道車輛在道路的精準位置信息,相比于其他整套系統高昂的成本,UWB在精度以及價格上優于大部分的技術如激光雷達、毫米波雷達等,在行駛速度、定位精度、系統容量都滿足自動駕駛的需要。
高風險性工作設施
14
憑借UWB定位的精確性,可以監視高風險性場所人員活動情況,以保證安全。如核電站、變電站、隧道施工、監獄等場所。
機器人
15
AGV機器人是一種工業化自動運輸車,引入UWB技術可以減少工人勞動強度、重新布置二維碼、條型碼、磁條等。提升貨物運輸操作準確性,防止不正確操作所帶來的損失。
16
采用UWB技術實時定位工廠設備、工廠員工,提升管理效率。設置電子圍欄以加強工廠安全性管理??墑迪旨鍬既嗽鄙璞咐飯旒5裙δ?。
高速路收費站
17
高速路上可以不停車收費,用UWB就完全沒有問題。因為UWB它的時速可以達到200公里,就是你車在200公里以內一個速度,一?;鷴砩峽梢允侗?。但是像RFID就不行,RFID技術如果是高速過的可能會識別不到漏識,現在ETC用的也是RFID在收費站可能會堵塞,有可能會識別不到,需要重新識別或者是出現其他故障,但是用UWB把收費站全部可以撤掉,因為車只要從這經過馬上就可以從他賬戶里面直接扣錢。這個是UWB技術方面一些優勢。
呼吸監測
18
人在靜止時,胸部表面因呼吸和心跳產生周期性的振動,超寬帶雷達傳感器能夠獲取這些振動的信號。
舞臺燈光定位
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通過舞臺演員不同位置,配置不同的燈光效果,呈現別致的演出效果,演員、道具、燈光互動。
生命雷達
20
特指探測生命體的雷達,其融合雷達技術、生物醫學工程技術于一體,可以不需要任何電極或傳感器接觸生命體,實現隔著衣服、被褥、紗布等物體非接觸、遠距離、無約束的檢測到人體的呼吸及心臟跳動等信息。與激光、紅外探測和聲波探測技術相比,利用生物雷達檢測人體的生命體征信號不受環境溫度、熱物體的影響,能有效穿透介質,較好地解決了激光、紅外探測受溫度影響嚴重、遇物體阻擋失效及誤報率高的問題,也克服了超聲探測受環境雜物反射干擾及水、冰、泥土阻擋失效等問題,因此該技術在戰時及和平時得到廣泛應用,如軍事醫學(傷員探尋)、災害醫學(地震、坍方傷員的探尋)、城市反恐(解救人質)等領域,是國際科技界公認的一個非常重要的前沿技術領域。
目前存在的問題
目前UWB應用瑩然存在使用價格、應用環境、施工便利、系統組網、頻率合法化、協議兼容性、芯片華等諸多問題,使得UWB短期內無法大面積進入消費端。
成本之困
UWB的成本目前來說因為是一種新型的技術,它的芯片成本像WIFI、藍牙這些技術成本是較高的。但是到了大規模應用尤其進入民用市場以后,它的成本一定會是一個降低趨勢。另外它具有一些其他技術所無法比擬的優勢,在對于技術相對來說要求比較高,而且成本又沒有那么敏感市場來說無疑是一個更好選擇。
芯片化
當代的UWB芯片可以總結成:高安全高精度的測距芯片。高精度測距能力可以實現高精度定位,高安全性保障數據安全。
【1】業界已將UWB芯片量產的主要有爾蘭芯片制造商DecaWave、瑞士的3db、美國業者Alereon,以及法國公司Bespoon (已經被德國工具機制造商Tumpf在2017年中收購)、來自挪威的Novelda,還有2016年中被美國業者5DRobotics收購的Time DomAIn,與英國公司Ubisense等少數廠家。其中爾蘭芯片制造商Decawave(德卡維)公司DW1000芯片應用最廣泛,占有市場絕大部分份額,目前中國市場90%以上都是DecaWave的產品,收入的60%在中國,收入的60%在中國,隨著中國市場重要性的日趨凸顯, DecaWave在深圳南山區設立了技術中心。DecaWave公司下一代DW3000芯片計劃在2020年量產,支持最新的IEEE 802.15.4z,并且支持單芯片AOA(PDOA技術)。
【2】荷蘭NXP(恩智浦)公司
9月17日正式發布了其SR100T安全精密測距芯片,支持最新IEEE 802.15.4z,可為下一代支持UWB的移動終端提供量身定制的高精度定位性能。為市場加入強心針,全球首個將安全元件(SE)、近場通信(NFC)和超寬帶(UWB)精密測距技術相結合的一體式解決方案 。此前NXP已經和大眾汽車聯手開發UWB車鑰匙應用。借助SR100T,移動終端將能夠與智能門、入口和汽車進行通信,一旦靠近即可將它們開啟。智能燈具、智能音箱和任何其他具備UWB傳感功能的互聯設備能夠感知用戶在不同房間的移動,智能互聯技術也能直觀地融入人們的生活。
恩智浦在連接性和移動生態系統方面的專業知識以及成熟的安全架構已經廣泛應用于當今許多配備NFC和SE硬件的流行移動終端中,而采用UWB技術的全新芯片組SR100T在此基礎上做了進一步的突破。新增的UWB功能可為多種室內外設備帶來全新的相對定位連接能力,幾乎不會相互干擾。
【3】精位科技
2019年3月9日,精位科技發布了國內首顆UWB芯片JW3401并頒布了演進規劃
【4】北京山海芯科 uwb+BT芯
頻率
FCC規定UWB設備主要的工作頻段將位于3.1GHz和10.6GHz之間,這個頻段內,其發射功率被限制在-41.3dBm/MHz以下。
工信部文件,沒有頻率這方面的限制,只有功率的限制,但目前低頻段被5G占用。根據信息顯示,中國電信獲得3400MHz-3500MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源;中國聯通獲得3500MHz-3600MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源。而中國移動獲得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz頻段的5G試驗頻率資源。其中,新增頻段為2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz頻段,2575-2635MHz頻段為重耕母公司現有的4G頻段。工信部明確規劃5.905G—5.925G頻段作為基于LTE的C-V2X技術的車聯網(智能網聯汽車)直連通信的工作頻段。
根據DW1000所提供的產品規劃書,6Ghz--9Ghz的頻段資源,從頻點來看是5、7號頻點。而在別的channel上我國內是不允許的。所以國內做UWB定位的廠商,只能在5、7兩個channel上發射,也就是在6GMHz的頻譜上發射,6GMHz的穿透性明顯是要弱很多的,導致UWB定位系統不能有明顯的遮擋.
UWB標準化
Decawave公司的DW1000支持IEEE 802.15.4-2011標準,明年2020年量產的DW3000芯片將支持最新的IEEE 802.15.4z標準。蘋果的U1和NXP新發布的SR100T也都支持IEEE802.15.4z最新標準。成都精位科技的芯片規劃也是支持802.15.4z。802.15.4z在原有標準基礎上定義了新的特性,可以提升安全、功耗更低、且傳輸距離更遠。國內外還有些創業團隊也在做UWB芯片,注意現階段不支持IEEE 802.15.4z最新標準的將沒有未來。
注意IEEE 802.15.4z是向前兼容的,所以iPhone11可以和現在普遍應用的IEEE 802.15.4-2011標準的DW1000對接,但這只是理論上存在可能,因為現在UWB領域并沒有網絡層及以上的行業標準。雖然同樣是采用DW1000芯片的系統,但不同廠家產品是完全不兼容的。定位算法也有很多種,適用不同的場景,并沒有一個開源的算法給大家用。往往需要廠家做大量的算法研究工作,并結合各種場景做大量迭代。
UWB聯盟與組織
【1】2018年12月成立了,聯盟創始成員包括Decawave等。UWB Alliance聯盟在確保UWB與WIFI擴頻申請頻譜兼容共存等方面做了很多幕后貢獻。根據UWB Alliance路線圖,計劃在2020年Q4將網絡層和傳輸層訂立標準。
【2】2019年8月成立的FiRa(Fine Ranging)聯盟,創始成員是有HID Global,恩智浦,三星,博世,索尼,LitePoint和TTA等。FiRa聯盟當前側重于推動UWB設備的互操作性。FiRa聯盟(fine ranging)通過制定標準和認證,從而確保建立跨芯片組、設備和基礎設施服務的互操作UWB生態系統。
【3】 中國負責標準化的組織是
2009年10月,在全國信息技術標準化技術委員 會下成立了實時定位系統工作組,秘書處設在中國電子技術標準化研究院。成員單位有中國電子技術標準化研究院、西安電子科技大學、北京郵電大學、中國科學院計算技術研究所、武漢大學、衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室、中國計量科學院、中科院自動化所、青島安然物聯網科技有限公司、國家信息中心、麥釘艾特科技有限公司、金坤科創技術有限公司、北京羲和科技有限公司、蘇州尋息電子科技有限公司等14個。發布了6個國家標準,參與了16個國際標準制定。
信息安全之惑
最新IEEE802.15.4z標準對UWB的安全性做了特別加強, 今天的測距技術主要依靠信號強度來確定距離和位置,它們測量設備的信號強度,并假設強信號意味著設備靠近。攻擊者已經找到了一種使用所謂的中繼站攻擊來欺騙這些系統的方法。在這種類型的攻擊中,用于解鎖門的合法無線信號被攔截和放大,即使鑰匙未靠近,也會打開門。這些方法中缺少的是精確計算實際物理距離,這正是UWB帶來的好處。
對于UWB,在中繼攻擊期間攔截和放大信號的任何嘗試都只會延遲響應設備的確認信號的到達,使得基于UWB的鎖定清楚響應設備實際上距離更遠,而不是更近。攻擊者成功攔截和提升的任何UWB信號都不會欺騙配備UWB的鎖。此外,IEEE 802.15.4z的擴展為傳統UWB無線電上的所有已知攻擊增加了PHY級別?;?。
總 結
現在蘋果現在的UWB在手機上的植入,這是會是一個引爆點,這個也相當于是因為蘋果一直是在技術方面算是領潮者,對UWB技術一個認可,也是重新定義它的作為室內定位首選技術。
在B端,基于UWB的高精度定位和各個垂直行業的結合正在快速開展,并且越來越有機會。從傳統的隧道地下管廊、公檢法司、醫療養老,危險場所人員定位,到新興的工業4.0、智慧倉儲、新零售,甚至自動駕駛,高精度定位正在賦能各個垂直行業,為該行業的智慧升級提供基礎技術和靈感,使其決策具有更高精細度。未來,在C端,蘋果牽頭和各大手機廠商的加入,國內由企業開始討論手機與UWB結合。我們相信將賦予UWB技術新的使命,改變社會生活。道路仍崎嶇,且行且珍惜。
# Z# t# Y' A" e% [' G/ \

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