來(lái)源:貿澤電子 UWB UWB(超寬帶,Ultra-Wideband)是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),它提供比當前使用的其他定位技術(shù)更精確的讀數,使用飛行時(shí)間(ToF)和到達角(AoA)計算,UWB可以實(shí)時(shí)地確定+/-10厘米范圍內的位置。其主要優(yōu)點(diǎn)包括:低延遲、高可靠性、高刷新率下具有高精度和可擴展性,即使在嚴苛環(huán)境下也是如此。 建立在IEEE 802.15.4a/z標準之上的UWB技術(shù),在寬頻譜上工作,允許在低功率下快速傳輸數據。因此,UWB可提供高度準確和精確的位置和精細測距測量,同時(shí)還支持高級別的安全性,以保護訪(fǎng)問(wèn)證書(shū)和數據通信。 在商業(yè)上,UWB有著(zhù)廣闊的應用前景。2019年,蘋(píng)果宣布在iPhone 11中采用了其新出的U1芯片,從這款芯片開(kāi)始,UWB全面開(kāi)啟了在消費電子產(chǎn)品的應用之旅。隨后,UWB進(jìn)入了其他一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。在工業(yè)4.0時(shí)代,UWB是實(shí)時(shí)定位系統(RTLS)領(lǐng)域中發(fā)展超級快的技術(shù)之一,其可靠性和抗干擾能力使其成為工業(yè)環(huán)境下無(wú)線(xiàn)通信的不二選擇。在汽車(chē)應用領(lǐng)域,UWB確保了對汽車(chē)的安全訪(fǎng)問(wèn)權限。 UWB技術(shù)概況 誕生于20世紀60年代的UWB,初始時(shí)僅用于軍事用途,它可以精確跟蹤10厘米以?xún)鹊奈矬w,覆蓋范圍在10-200米,抗干擾能力強。與其他無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式截然不同,UWB是一種基于脈沖圖形無(wú)線(xiàn)電的技術(shù),在時(shí)域中發(fā)送數據,頻率范圍從3.1到10.6 GHz。 ![]() 圖1:超寬帶UWB與其他無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)工作頻率分布圖(圖源:eliko.tech) 當然,脈沖方法傳輸數據就需要占用更多的頻譜才能可靠地工作,這也是將其命名為超寬帶的原因。因頻譜較寬,脈沖數據可以非?焖俚匕l(fā)送,而不會(huì )失去準確性。UWB單個(gè)頻帶通常為500MHz,而4G LTE頻帶僅為5至20MHz,Wi-Fi頻帶為20MHz至80MHz。通常,UWB可以達到4Mbps到675Mbps或更高的數據速率,這遠比NFC的424Kbps和藍牙的標準2.1Mbps速度快得多,但低于Wi-Fi 6的2Gbps。 不會(huì )干擾同時(shí)工作的其他無(wú)線(xiàn)設備(如Wi-Fi或藍牙設備)是UWB的另一特點(diǎn)。為了避免相互干擾,大多數無(wú)線(xiàn)技術(shù)通常都會(huì )被限制在非常窄的頻帶內。UWB的工作電平非常低,基本上落在其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)的基底噪聲內,有效規避了相互干擾問(wèn)題。 歸納起來(lái),UWB代表的“超寬帶”,是一個(gè)頻譜很寬,很容易檢測,但功率足夠低,不會(huì )干擾其他信號,能夠實(shí)現極其精確位置跟蹤的短程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。支持UWB的設備可以以驚人的速度在短距離內發(fā)送和接收數據。大多數情況下,這些“基于脈沖的”無(wú)線(xiàn)電波用于通過(guò)精確計時(shí)無(wú)線(xiàn)脈沖在兩個(gè)不同設備之間傳播所需的時(shí)間來(lái)測量位置。 進(jìn)軍安全測距和定位領(lǐng)域 如前所述,UWB并不是一項新技術(shù),它開(kāi)始時(shí)被定位為一種與Wi-Fi類(lèi)似的數據傳輸技術(shù),但由于各種原因,包括功率限制,在商業(yè)用途上一直沒(méi)有取得成功。當該技術(shù)重新定位,主要朝著(zhù)基于脈沖無(wú)線(xiàn)電、基于IEEE 802.15.4a標準的安全測距和定位技術(shù)發(fā)展之后,為UWB賦予了安全、可靠、厘米級精確距離和位置測量的能力。UWB的主要吸引力在于其極高的位置和方向精度,可以精確定位物體的位置,誤差僅有幾個(gè)厘米,大大高于藍牙、GPS和其他跟蹤方法。這一應用已經(jīng)在A(yíng)pple AirTag和Samsung Galaxy SmartTag Plus等聯(lián)網(wǎng)跟蹤設備中有了具體展現。 在汽車(chē)行業(yè),寶馬、奧迪、福特和現代等制造商均表示,配備UWB的設備有朝一日可能會(huì )成為一把安全的汽車(chē)數字鑰匙。雖然目前已經(jīng)存在各種形式的無(wú)鑰匙進(jìn)入技術(shù),但UWB的采用將使車(chē)輛能夠在幾厘米內實(shí)時(shí)測量遙控鑰匙的確切位置,與其他無(wú)線(xiàn)標準相比,UWB極大地提高了車(chē)輛的安全性。未來(lái),你可以用支持UWB的設備(比如智能手機)或使用其數字鑰匙平臺的可穿戴設備解鎖車(chē)輛,不必隨身攜帶單獨的遙控鑰匙。 隨著(zhù)UWB技術(shù)向大規模商用過(guò)渡,企業(yè)深知UWB技術(shù)的成功必須基于可互操作、通用和互聯(lián)的生態(tài)系統。成立于2019年8月的FiRa(Fine Ranging)聯(lián)盟是一個(gè)非營(yíng)利協(xié)會(huì ),支持在接入控制、基于位置的服務(wù)和設備到設備服務(wù)等用例中使用UWB技術(shù),旨在全面發(fā)展UWB生態(tài)系統,以便精細測距功能的新用例能夠成功。該聯(lián)盟目前擁有100多名成員,其中包括半導體、手機、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和汽車(chē)等行業(yè)的領(lǐng)導者,如NXP、Samsung 、小米、Oppo、Bosch、思科、Sony、HID、現代汽車(chē)等。 有了NFC和藍牙,為何還要UWB? 如果說(shuō)我們討論的超寬帶應用聽(tīng)起來(lái)很熟悉,那是因為其中許多已經(jīng)使用了NFC和藍牙技術(shù)。這就引出了一個(gè)問(wèn)題,既然已經(jīng)有了NFC和藍牙,為什么我們還要考慮另一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)呢?什么時(shí)候UWB才是優(yōu)選? 在設計室內定位系統時(shí),工程師們先想到或者常使用的技術(shù)往往都會(huì )是Wi-Fi和藍牙低能耗(BLE)。這些技術(shù)對數據通信非常有用,但它們都不是為實(shí)時(shí)定位服務(wù)(RTLS)而發(fā)明的。另外,Wi-Fi、藍牙和其他窄帶無(wú)線(xiàn)電系統可以達到數米的精度,加之室內大量電子設備之間相互的電磁干擾,很難實(shí)時(shí)準確地檢測到它們的位置。因此,這些技術(shù)并不能滿(mǎn)足所有室內實(shí)時(shí)定位需求。 那么,什么時(shí)候UWB才是首推選擇呢? 當高速數據傳輸、高精度的快速位置檢測和/或低干擾風(fēng)險是關(guān)鍵要求時(shí),就是UWB的主場(chǎng)了。與窄帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比,寬帶意味著(zhù)UWB即使在擁擠的多徑信號環(huán)境中也能提供穩定的連接,幾乎沒(méi)有干擾還能精確定位。因此,UWB提供了比藍牙和NFC更高的定位精度。NFC工作頻率為13.56MHz,大多數情況下要求數據傳輸的物理距離必須非常近。UWB的傳輸距離介于藍牙和NFC之間,應用更加靈活。還有,UWB在需要額外安全性的場(chǎng)景中也能很好地工作,例如無(wú)線(xiàn)車(chē)輛接入。當然,并不是說(shuō)UWB可以直接取代市場(chǎng)上已經(jīng)存在的其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)。相反,UWB與BLE技術(shù)的結合更能惠及智能家居、汽車(chē)、消費類(lèi)和工業(yè)等應用。對于不同的用例來(lái)說(shuō),UWB給了我們一個(gè)更好、更通用的選擇。 要說(shuō)UWB有什么缺點(diǎn),從技術(shù)角度看,該技術(shù)的特殊之處就在于它并沒(méi)有太多缺點(diǎn),它節能、通用、經(jīng)濟高效,幾乎不受外來(lái)攻擊和干擾。但從應用角度看,性?xún)r(jià)比不高確實(shí)是UWB目前主要的短板。NFC和藍牙解決方案都很便宜,尤其是對于低功率信標或無(wú)源NFC標簽。兩相比較,UWB不僅價(jià)格高,并且還需要工作在有源條件下。 UWB的應用前景 盡管UWB每年都被集成到更多的智能手機中,但人們手中的大多數設備仍然沒(méi)有配備傳輸或接收UWB信號的設備,這嚴重阻礙了這項技術(shù)在消費者世界的潛力。雖有Apple AirTag和三星Galaxy SmartTag Plus 等設備的加持,目前UWB的采用率仍然不高。在商業(yè)應用領(lǐng)域,UWB的普及率遠遠不及藍牙、NFC和Wi-Fi,但UWB擁有的獨特技術(shù)優(yōu)勢仍讓人們看到它在未來(lái)的應用潛力。 · 汽車(chē)安全無(wú)鑰匙進(jìn)入(汽車(chē)數字鑰匙) 雖然這項技術(shù)尚未被整個(gè)汽車(chē)行業(yè)采用,但它的使用量每年都在增加。寶馬在其一些較新的車(chē)型如iX中已經(jīng)使用UWB進(jìn)行無(wú)鑰匙進(jìn)入。將超寬帶用于數字鑰匙的核心優(yōu)勢之一是UWB可以有效防止外部攻擊。 · 自動(dòng)駕駛中的實(shí)時(shí)信息傳遞 UWB每秒可以發(fā)射10億個(gè)脈沖,測距精度能精確到幾厘米以?xún)。自?dòng)駕駛汽車(chē)恰恰需要這種可靠且響應速度超快的傳感器,以確保車(chē)輛的駕駛安全。還有什么比UWB更合適的技術(shù)能夠幫助無(wú)人駕駛汽車(chē)“看到”周?chē)奈矬w呢?不過(guò),目前UWB尚未在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中得到充分利用。未來(lái),預計UWB有望在聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛中被用作提供準確、實(shí)時(shí)信息的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。 · 資產(chǎn)跟蹤 在智能手機中,蘋(píng)果和三星已經(jīng)利用UWB技術(shù)分別讓他們的智能手機通過(guò)AirTag和Galaxy Smart Tag+設備實(shí)現室內跟蹤。其中,AirTag無(wú)線(xiàn)追蹤器是BLE與UWB兩項技術(shù)的結合,借助UWB技術(shù),用戶(hù)可以在手機上看到 AirTag 離得有多遠,該往哪個(gè)方向尋找。在工業(yè)領(lǐng)域,我們可以用UWB技術(shù)來(lái)跟蹤工廠(chǎng)中數量龐大的、昂貴的工具、零件和設備,確保不會(huì )丟失任何有價(jià)值的物品。 · 智能家居設備的定位及自動(dòng)控 在智能家居行業(yè)UWB的應用潛力巨大。極其簡(jiǎn)單的應用可以是,通過(guò)向智能家居系統中的智能音箱發(fā)送指令尋找不知忘在家中某個(gè)角落的智能手機。又或者借助UWB使得智能家居變得更智能,例如用帶有UWB的智能手機控制家居設備、當主人離家門(mén)較近時(shí)通過(guò)對UWB數字門(mén)鎖進(jìn)行編程使其自動(dòng)解鎖等。 · 體育運動(dòng)中的實(shí)時(shí)跟蹤 在運動(dòng)項目中,UWB可以被用來(lái)跟蹤場(chǎng)上球員的位置,以利于技術(shù)統計和裁判。甚至,UWB天線(xiàn)被放置在足球內部,并以每秒大約2000次的速度更新足球的位置,這些應用不僅幫助裁判做出準確判罰,還能讓現場(chǎng)解說(shuō)人員提出更具前瞻性的見(jiàn)解。當然,這些應用可能屬于錦上添花,并不如消費和工業(yè)應用那樣看起來(lái)更具商業(yè)價(jià)值。 UWB發(fā)展現狀及行業(yè)展望 2019年9月,蘋(píng)果宣布將在iPhone 11中引入專(zhuān)門(mén)設計的U1 UWB收發(fā)器。很快,這樣的創(chuàng )新激勵了三星和小米等其他智能手機制造商對UWB的研發(fā)及應用。Qorvo和STMicroelectronics等半導體廠(chǎng)商迅速捕捉到這一商機,他們通過(guò)收購DecaWave和BeSpoon快速進(jìn)入UWB市場(chǎng)。 在消費電子市場(chǎng),蘋(píng)果公司帶有UWB收發(fā)器的U1芯片已經(jīng)嵌入到iPhone、AppleWatch、iPad和AirTag等設備中。利用UWB的高速傳輸能力,大幅提高了“隔空投送”功能的傳輸速度。此外,蘋(píng)果還向應用程序開(kāi)發(fā)人員開(kāi)放了U1接口,并將其同步到IEEE802.15.4z標準。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)Apple’s Nearby Interaction 協(xié)議和API,開(kāi)發(fā)者將能夠利用UWB的空間感知來(lái)構建應用程序,這些應用程序只需靠近配備U1的iPhone或Apple Watch即可與配件通信。目前,U1芯片可與Qorvo和NXP的UWB收發(fā)器兼容。 NXP是第一家提供系統級UWB解決方案的公司,NXP Trimension產(chǎn)品組合中的公測版UWB開(kāi)發(fā)工具,與Apple產(chǎn)品中的U1芯片兼容,支持開(kāi)發(fā)用于iPhone和Apple Watch的新超寬帶應用。這個(gè)開(kāi)發(fā)工具基于Trimention SR150和SR040,這是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的UWB物聯(lián)網(wǎng)解決方案組合,依據FiRa Consortium規范,所有PHY/MAC操作都在UWB IC內處理,開(kāi)發(fā)人員可快速將解決方案推向市場(chǎng)。 Qorvo是射頻解決方案的優(yōu)秀提供商,該公司于2021年6月宣布其DW3000系列產(chǎn)品與蘋(píng)果公司的iPhone和Apple Watch中使用的U1芯片達成互操作性。這種兼容性將使開(kāi)發(fā)人員能夠根據與配備U1的iPhone或Apple Watch的位置、距離和方向輕松評估新的應用體驗。DW3000是Qorvo的下一代超寬帶(UWB)芯片組系列,有四個(gè)UWB芯片組系列DW3110、DW3120、DW3210、DW3220,針對低功耗電池操作應用進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)UWB信道5(6.5 GHz)和信道9(8 GHz),支持數據速率高達6.8 Mbps,同時(shí)提供精確定位,測距精度在10厘米以?xún),角度測量精度在+/-5度以?xún)取?br /> ![]() 圖2:Qorvo下一代超寬帶芯片組DW3000(圖源:Mouser) 在汽車(chē)行業(yè),傳統的遙控鑰匙允許用戶(hù)鎖定和解鎖汽車(chē)、打開(kāi)車(chē)窗或啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機,F在,這些功能可全部由數字鑰匙(Digital Key)提供。除此之外,符合汽車(chē)互聯(lián)互通聯(lián)盟(CCC)規范的數字鑰匙還可以擴展額外的舒適功能,實(shí)現對汽車(chē)訪(fǎng)問(wèn)權限的完全控制。例如,無(wú)論物理距離如何,CCC數字鑰匙允許用戶(hù)在家人和朋友之間共享訪(fǎng)問(wèn)權限,這個(gè)訪(fǎng)問(wèn)權限可以在瞬間和任何時(shí)間內傳輸。隨著(zhù)CCC數字鑰匙3.0版規范的面世,智能手機變成全數字汽車(chē)鑰匙的標準已經(jīng)確定。Digital Key 3.0版本基于UWB獨特的定位功能,提供真正的無(wú)鑰匙汽車(chē)接入,它不僅提供了與傳統的基于遙控鑰匙的解決方案相同的舒適性和安全性,而且在操作上無(wú)需與智能手機進(jìn)行交互,這意味著(zhù)用戶(hù)不必從口袋里掏出手機就可以打開(kāi)應用,從而實(shí)現真正的免提訪(fǎng)問(wèn)。 2023年3月,三星推出的配備UWB功能的Exynos Connect U100芯片,經(jīng)過(guò)優(yōu)化,可在汽車(chē)、移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)設備之間實(shí)現安全測距和精確感測。三星U100芯片將閃存、射頻、基帶和電源管理技術(shù)集成在一個(gè)芯片上,非常適用于緊湊型設備,如Galaxy SmartTag+。該芯片還具有板載加擾時(shí)間戳序列(STS)功能,這是一種物理加密技術(shù),允許對數據包的時(shí)間戳進(jìn)行設備級加密。三星Exynos Connect U100已獲得FiRa聯(lián)盟的認證,同時(shí)符合CCC數字鑰匙3.0規范。 ![]() 圖3:配備UWB功能的Exynos Connect U100芯片(圖源:Samsung) NXP NCJ29D5是NXP新一代UWB IC系列的第一款產(chǎn)品,專(zhuān)用于滿(mǎn)足汽車(chē)的連接和功能安全需求。它實(shí)現了多個(gè)引人注目的新用例,包括:UWB IC使汽車(chē)能夠知道用戶(hù)的確切位置;當你靠近時(shí),汽車(chē)上的超寬帶門(mén)鎖會(huì )自動(dòng)解鎖,提供安全的免提開(kāi)啟功能;當用戶(hù)將手機放在口袋或包中,同樣能夠打開(kāi)和啟動(dòng)汽車(chē),并通過(guò)智能手機享受安全的遠程泊車(chē)服務(wù)。此外,ToF計算使得UWB不易受到基于信號放大的中繼攻擊,因此這款UWB IC可以很大限度地避免了盜車(chē)風(fēng)險。 ![]() 圖4:NXP NCJ29D5評估板(圖源:NXP) 在面向物聯(lián)網(wǎng)標簽的安全超寬帶解決方案中,NXP Trimension SR150和SR040是首個(gè)取得FiRa認證的UWB芯片集。2021年10月,FiRa聯(lián)盟宣布了新的認證計劃,Trimension SR150和SR040是第一個(gè)獲得PHY/MAC一致性和互操作性基礎(Base)認證的芯片組。FiRa認證意味著(zhù)NXP超寬帶芯片組已經(jīng)過(guò)獨立授權測試實(shí)驗室的驗證,符合新版本的IEEE UWB標準802.15.4z。其中,Trimension SR040支持低功耗操作,減少了對外部組件的需求,專(zhuān)為紐扣電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設備而設計,如UWB跟蹤器和標簽。內置的NXP FiRa MAC支持互操作性,加快了產(chǎn)品上市速度。Trimension SR040還可以與BLE或其他連接控制器集成在一個(gè)設備中,以利于開(kāi)發(fā)出更多的物聯(lián)網(wǎng)應用。Trimension SR150主要增加了到達角(AoA)技術(shù),提高了精確度,非常適合各種大型基礎設施的UWB應用,如門(mén)禁裝置、室內本地化設置和支付方案,以及消費品如電視和游戲機等。另外,多個(gè)采用SR150的設備可放置在同一個(gè)房間作為超寬帶錨,以幫助定位在房間內移動(dòng)的人和物體。 ![]() 圖5:第一個(gè)獲得FiRa聯(lián)盟PHY/MAC一致性和互操作性基礎認證的SR040芯片(圖源:NXP) UWB技術(shù)出現在商業(yè)市場(chǎng)上已經(jīng)有幾年的時(shí)間,不過(guò),它的應用遠未達到Wi-Fi或藍牙那么普遍,目前只在市場(chǎng)上一些較昂貴的設備上能夠見(jiàn)到它的身影。究其原因,我們發(fā)現,盡管UWB每年都被集成到更多的智能手機中,但人們手中的大多數設備仍然沒(méi)有配備傳輸或接收UWB信號的設備,嚴重阻礙了這項技術(shù)在消費行業(yè)的發(fā)展速度。隨著(zhù)UWB技術(shù)逐步進(jìn)入車(chē)輛和跟蹤市場(chǎng),預計這種情況很快就會(huì )發(fā)生變化。市場(chǎng)咨詢(xún)公司Statista的數據表明,2022年,基于UWB技術(shù)的全球乘用車(chē)接入控制市場(chǎng)規模約為5,650萬(wàn)美元,成為整個(gè)市場(chǎng)中主要的細分市場(chǎng)。預計該市場(chǎng)將在未來(lái)幾年增長(cháng),到2031年將達到2.304億美元。 當前,UWB市場(chǎng)正面臨來(lái)自藍牙、GPS和Wi-Fi等替代產(chǎn)品的激烈競爭。雖然UWB在許多方面優(yōu)于藍牙和Wi-Fi,如高安全性、低功耗、高帶寬、雙向通信等,使其在許多應用中都能獲得好評,然而,UWB因行業(yè)使用量不高導致它的產(chǎn)品價(jià)格較高,市場(chǎng)推廣仍然艱難。 結語(yǔ) 超寬帶是一種無(wú)線(xiàn)技術(shù),能夠提供比其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)更準確的實(shí)時(shí)跟蹤和定位能力。內置超寬帶芯片的智能手機可以找到帶有UWB標簽的錢(qián)包、鑰匙和其他個(gè)人物品。 著(zhù)名的分析機構Mordor Intelligence的預測顯示,UWB市場(chǎng)規模預計將從2023年的15.5億美元增長(cháng)到2028年的34.5億美元,復合年增長(cháng)率為17.37%。智能手機等消費電子設備的日益普及和滲透推動(dòng)了該市場(chǎng)的增長(cháng)。此外,由于UWB技術(shù)比Wi-Fi和RFID的測距和定位精度更高,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)中對RTLS有需求的應用已經(jīng)開(kāi)始從Wi-Fi和RFID轉向UWB技術(shù),以提高效率、縮短交付周期并降低成本,這也是UWB市場(chǎng)增長(cháng)的一個(gè)重要原因。 智能手機被認為是出貨量極大的消費類(lèi)產(chǎn)品,盡管并非所有智能手機都具有UWB技術(shù),但自2019年9月iPhone 11問(wèn)世以來(lái),包括谷歌、三星和小米在內的許多公司都發(fā)布了采用UWB技術(shù)的產(chǎn)品。在物聯(lián)網(wǎng)中,AirTag、AirPod和智能家居市場(chǎng)中的設備都被考慮在內。 這些只是已經(jīng)出現的用例,考慮到無(wú)線(xiàn)智能設備的普遍性,UWB的優(yōu)勢又如此明顯,預計在未來(lái)幾年我們將聽(tīng)到更多關(guān)于UWB技術(shù)廣泛應用的消息。 |