Осенняя конференция Apple 2020 года прошла в Театре Джобса 11 сентября.

На этой конференции одна деталь заключается в том, что все iPhone оснащены чипом U1, который поддерживает технологию сверхширокополосной связи (UWB).

Согласно официальной публикации, новая технология значительно улучшит возможности пространственного восприятия мобильных телефонов Apple.

Итак, что же означает пространственное восприятие? Что именно умеет чип U1? Что такое СШП технология? Все это приведет к новому витку инноваций в области приложений для смарт-устройств?

Ответы на эти вопросы будут раскрыты далее.

Пространственная осведомленность — это способность воспринимать ориентацию, которая является способностью позиционирования.

Согласно представлению Apple, iPhone, оснащенный чипом U1, еще больше улучшает функцию позиционирования мобильного телефона. Он может определять не только местоположение своего мобильного телефона, но и местоположение других мобильных телефонов поблизости.

Основываясь на возможности распознавания пространства, обеспечиваемой чипом U1, при использовании AirDrop (AirDrop — это функция беспроводного обмена файлами, предоставляемая устройствами Apple), вам нужно только направить свой iPhone на чужой iPhone, и система отдаст ему приоритет ( ближе вы находитесь, тем выше приоритет), что позволяет быстрее обмениваться файлами.

iPhone11 может достичь эффекта приложения «чем ближе вы ко мне, тем первым вы получите ответ».

Позиционирование — знакомая всем нам тема. Мы часто используем приложения, такие как Google Map или Baidu Map, которые имеют службы позиционирования и навигации.

Службы определения местоположения помогают нам указывать направления и повышают наше чувство безопасности, а также контроля, что приносит большое удобство в нашу работу и жизнь.

Поэтому в чем разница между технологией UWB и технологией позиционирования, которую мы используем сейчас?

Обычно используемые технологии позиционирования в настоящее время в основном включают спутниковое позиционирование и позиционирование базовой станции.

Спутниковое позиционирование — это технология, использующая искусственные спутники Земли для измерения положения точки. И в настоящее время это наиболее широко используемая и самая популярная технология позиционирования среди пользователей. Очень важны такие характеристики, как высокая точность, высокая скорость и низкая стоимость использования.

К хорошо известным системам спутникового позиционирования относятся американская система глобального позиционирования (GPS), китайская Beidou (BDS), европейская Galileo, российская ГЛОНАСС.

Принцип позиционирования базовой станции аналогичен радару. Радарное позиционирование заключается в излучении радиолокационных волн и выполнении измерения пространственного положения на основе отражения цели.

Базовая станция работает как «радар».

Обычно мобильный телефон находится в зоне покрытия сигнала нескольких базовых станций в городе. Мобильный телефон будет «измерять» пилот-сигналы нисходящей линии связи различных базовых станций, чтобы получить сигнал TOA (время прибытия) или TDOA (разница во времени прибытия) каждой базовой станции.

По результату измерения можно рассчитать координаты мобильного телефона в сочетании с координатами базовой станции,

Вот картинка, чтобы показать это.

Все вышеперечисленные методы позиционирования имеют очевидный недостаток. Они не могут проникать в здания и не могут достигать позиционирования внутри помещений.

Спутниковое позиционирование требует, чтобы приемник принимал достаточное количество спутниковых сигналов. При входе в комнату или при наличии препятствий спутниковый сигнал очень слаб и не может быть эффективно позиционирован.

Когда мы находимся на улице, сигнал GPS-позиционирования, полученный мобильным телефоном, может достигать более 15. Когда мы находимся в помещении, сигнал GPS-позиционирования, получаемый мобильным телефоном в помещении, может быть меньше 3.

Известно, что при уменьшении количества спутников ошибка позиционирования увеличивается с 10 м до 66 м.

С одной стороны, технологии спутникового и базового позиционирования не могут удовлетворить потребности внутреннего позиционирования. С другой стороны, растет потребность в позиционировании внутри помещений, например, в подземных гаражах, торговых центрах для поиска магазинов и товаров и даже для поиска потерявшихся детей.

Благодаря растущему спросу люди разработали ряд технологий, чтобы попытаться использовать другие типы узлов привязки для обеспечения возможностей позиционирования. Он включает в себя Wi-Fi, Bluetooth , UWB и другие технологии.

Что такое УВБ?

Wi-Fi и Bluetooth не являются для нас большой новостью. Итак, что такое УШП?

UWB — это сверхширокополосная технология, возникшая на основе технологии импульсной связи, появившейся в 1960-х годах.

Общая система связи использует высокочастотную несущую для модуляции узкополосного сигнала, и фактическая полоса пропускания, занимаемая сигналом связи, невелика.

UWB отличается от традиционной технологии связи тем, что реализует беспроводную передачу, отправляя и получая чрезвычайно узкие импульсы с наносекундной или микросекундной величиной. Благодаря чрезвычайно малой длительности импульса может быть достигнута сверхширокая полоса спектра, превышающая 500 МГц.

FCC (Федеральная комиссия по связи) выделила в общей сложности 7,5 ГГц с 3,1 ГГц до 10,6 ГГц для UWB. Они также наложили более строгие ограничения на его излучаемую мощность, чем FCC Part15.209 UWB ограничена полосой частот -41,3 дБм.

Короче говоря, UWB обеспечивает быструю передачу данных с низким энергопотреблением за счет сверхширокой полосы пропускания и низкой мощности передачи.

Из-за чрезвычайно короткой длительности импульсов СШП для измерения расстояния также можно использовать высокоточную синхронизацию.

По сравнению с технологиями позиционирования Wi-Fi и Bluetooth, UWB имеет свои преимущества.

• Сильная анти-многолучевая способность, высокая точность позиционирования. Полоса пропускания определяет разрешающую способность сигнала по расстоянию в многолучевом окружении (прямо пропорционально). UWB имеет широкую полосу пропускания и сильное разрешение многолучевости, что позволяет различать и устранять большую часть влияния сигналов многолучевых помех и получать результаты высокоточного позиционирования. UWB может быть выше, чем у других традиционных систем в разрешении расстояния, а его точность может даже достигать более чем в сто раз по сравнению с традиционными системами, такими как Wi-Fi и Bluetooth, в сложной среде.
• Высокая точность отметки времени. Импульсы СШП имеют полосу пропускания в наносекунды. При расчете положения по времени вносимая погрешность обычно не превышает нескольких сантиметров.
• Сильная электромагнитная совместимость. UWB имеет низкую мощность передачи и широкую полосу пропускания сигнала, которая может быть хорошо скрыта в других типах сигналов и окружающем шуме. Традиционные приемники не могут идентифицировать и принимать. Он должен использовать ту же последовательность импульсов кода расширения, что и передатчик для демодуляции, поэтому он не будет создавать помех другим службам связи, в то же время он также может избежать помех от других устройств связи.
• Высокая энергоэффективность. UWB имеет полосу пропускания радиочастот более 500 МГц, что может обеспечить большой коэффициент усиления спектра, что делает систему связи UWB высокой энергоэффективностью. Для оборудования с батарейным питанием время работы системы может быть значительно увеличено, и при том же ограничении мощности передачи зона покрытия намного больше, чем у традиционной технологии. Передатчики UWB обычно передают менее 1 мВт для приложений малого радиуса действия. В дальних приложениях можно достичь расстояния 200 метров без дополнительного усилителя мощности, достигая при этом скорости эфира 6,8 Мбит/с.

Основываясь на вышеуказанных технических преимуществах, UWB может формировать высокоточную систему позиционирования внутри помещений.

Сравнение UWB и других технологий позиционирования

В настоящее время существует три широко используемых метода определения дальности СШП.

(1) ToF (время полета). Измерение дальности достигается путем измерения времени прохождения сигнала СШП между базовой станцией и меткой.

(2) TDoA (разница во времени прибытия). Сигнал UWB используется для определения разницы во времени от метки до каждой базовой станции.

(3) PDoA (разность фаз прибытия). Отношение азимута между базовой станцией и меткой измеряется фазой угла прихода.

Развитие отрасли СШП

UWB широко использовался в военных целях до 2002 года. В 2002 году Федеральная комиссия по связи (FCC) сняла запрет на технологию UWB и разрешила использовать ее в гражданской сфере.

С тех пор технология СШП вступила в период быстрого развития, и различные технические решения также вызвали ожесточенную конкуренцию в разработке международных стандартов СШП.

В 2007 году IEEE стандартизировал технологию UWB в стандарте 802.15.4a. После почти 10 лет разработки стандарты UWB постоянно совершенствуются.

Decawave должен быть упомянут в отраслевой цепочке UWB.

В настоящее время Decawave является единственным известным производителем микросхем позиционирования UWB, который поддерживает IEEE 802.15.4. Они предлагают недорогие чипы по розничной цене в несколько долларов. Чип DW1000 соответствует стандартному протоколу IEEE 802.15.4-2011 UWB (в идеальных условиях максимальная измеряемая дальность составляет 300 м).

После запуска продукта Apple INTRANAV, производитель позиционирования на базе чипа Decawave DW1000, опубликовал два твита, в которых утверждалось, что его комплект поддерживает взаимодействие с iPhone11, и Decawave также опубликовал твит. Это показывает, что Apple U1 имеет большие возможности для поддержки IEEE 802.15.4.

Другие производители, использующие технологию UWB, включают Ubisense и BeSpoon. Эти производители используют собственные СШП-решения, которые обычно выпускаются в виде комплекта модулей, но ни одно из них не поддерживает IEEE 802.15.4.

Реализация лучшего пространственного восприятия требует поддержки экологии приложений. Чтобы построить всю экосистему приложений, устройства от разных производителей должны добиться функциональной совместимости и совместимости. Ожидается, что в будущем устройства всех производителей, скорее всего, будут поддерживать стандарт IEEE 802.15.4.

Эффект позиционирования СШП

В настоящее время в мире проводятся три соревнования по позиционированию в помещении высокого стандарта:

1) Конкурс Microsoft по внутренней локализации (MILC)

2) PERFLoc (Оценка производительности смартфона в помещении), организованная Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).

3) Международная конференция по внутреннему позиционированию и внутренней навигации (IPIN)

Конкурс Microsoft MILC признан лучшим этапом оценки высокоточных технологий внутреннего позиционирования.

Ниже приводится список из трех лучших результатов, основанных на группе инфраструктуры в соревнованиях MILC за эти годы.

Известно, что с 2015 года преимущества СШП постепенно проявляются, и она стала самой многообещающей технологией в технологии высокоточного позиционирования. В то же время Decawave DW1000 также является основным выбором для конкретных решений позиционирования. 7 из 8 команд-победителей UWB использовали DW1000.

В конкурсе 2018 года очень высокопроизводительный лазер SLAM использовался для построения карты (левое изображение) и на основе этого вывода в реальном времени траектории реального положения (справа), которая использовалась в качестве основы оценки для игры.

Местом проведения игры является Дворец фондовой биржи Порту, Португалия, и окружающая среда очень сложная.

Конкурс 2018 года был первым, кто оценил динамическую точность. Место проведения соревнований было очень сложным, и результаты были очень ориентированы. В этом мероприятии стоит упомянуть команду Энтони Роу из Университета Карнеги-Меллона в США. Эта команда является лидером в области внутреннего позиционирования. они входили в тройку лидеров 3 раза. В 2018 году они заняли первое место и разделили второе место.

Команда CMU Энтони Роу

Что еще более важно, технический маршрут, по которому команда заняла первое место в 2018 году, — это UWB + дополненная реальность (AR), а iPhone 11 Pro стал первым мобильным телефоном, поддерживающим как AR, так и UWB. Это доказывает, что у команды есть сильное техническое понимание.

Кроме того, внимания заслуживает и компания Nanjing ATE Electronic Technology Co., Ltd. из Китая.

Это развивающаяся команда. Через год после выхода на рынок UWB они приняли участие в конкурсе 2018 года и заняли второе место. На данный момент это лучший результат отечественной команды в этом турнире.

На картинке выше показана траектория, которую команда ATE выдает в реальном времени во время соревнований. Видно, что, за исключением нескольких областей, большинство областей имеют выходные координаты позиционирования с высокой точностью. Синяя точка — это траектория лазерного SLAM в реальном времени, зеленая точка — это траектория, выданная командой ATE, а красная — ошибка вектора.

На картинке выше показано сравнение средних ошибок позиционирования участвующих команд. Средняя ошибка позиционирования команды ATE составляет 0,4 метра.

Тем не менее, несколько традиционных сильных команд, таких как Racelogic и Российский НИИ, которые также используют технологию UWB, достигли только близкого к 1 метру или даже хуже. Это полностью иллюстрирует сложность гонки 2018 года.

Краткое содержание

В целом, всесторонняя поддержка UWB в iPhone — очень ценная возможность для крупномасштабного коммерческого продвижения. Это также ускорит развитие и зрелость отраслевой цепочки UWB вверх и вниз по течению.

С появлением 5G мы приближаемся к эре Интернета всего, и будет появляться все больше и больше устройств и приложений IoT. Технология UWB может быть тесно интегрирована с этими приложениями IoT в соответствии с ее собственными характеристиками, чтобы предоставить пользователям лучший сервис.

У технологии UWB очень широкие перспективы развития, включая умный дом, дополненную реальность, мобильные платежи, сестринское сопровождение, геологоразведку, внутреннюю навигацию и др.

По прогнозам соответствующих агентств, технология UWB в будущем займет от 30% до 40% рынка внутреннего позиционирования, а объем рынка, как ожидается, достигнет 16,4 млрд долларов США в 2022 году.

Давайте с нетерпением ждем светлого будущего UWB.