UWB技术概述

一、UWB技术相关信息

1.UWB技术的前世

UWB(超宽带)概念在1960年就被提出。1973年,第一个UWB系统的专利被授予。从UWB出现到20世纪90年代之前,UWB技术主要用于军事上的雷达系统。

民用阶段,UWB行业内的厂商此前都在做B端,目前的典型应用包括工厂、仓储、隧道、司法等各种垂直行业的人员或物资高精度定位。

2.UWB技术特点

没有载波的通信系统:

UWB是一个非传统的通信系统,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲为信息载体传输数据。

带宽极宽+极低功率传输:

其频谱范围(3.1GHz—10.6GHz), UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0.20~1.5ns之间,有很低的占空比,系统耗电很低,在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。如下图所示:

高速的数据传输:

UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率,如下图,802.15.3表示的即是UWB技术。

抗干扰性能强:

UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。

 

3.UWB测距原理

双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight),主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳 。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号,模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号,被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间,从而确定飞行距离S。S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)

但是单纯的TOF算法有一个比较严格的约束:发送设备和接收设备必须始终同步。这是一个比较棘手的问题,但是一种Double-sided Two-way Ranging的算法巧妙的避开了这个问题,它既利用了TOF测距的优良特点,同时又极大的去除了TOF的同步问题,从而为TOF的实用化扫清了道路。

4.业内常用UWB的四种定位算法

定位算法中比较成熟的有:TOA(到达时间)、TDOA(到达时间差)、AOA(到达角度或称为DOA估计)定位技术和这三种技术的混合技术。

a)TOA(到达时间)

下面的图非常形象的诠释了TOA算法的原理:

然而事情都具有两面性:TOA定位对传播中产生的误差比较敏感,这些误差来自于传播中的反射、 多径传播、非视距传播和噪声等干扰,会造成各圆无法相交或相交处不是一个点而是一个区域。同时TOA定位要求移动终端和基站之间在时间上要准确同步,1ns的同步误差将会给定位带来大约0.3米的不确定性。

b)TDOA(到达时间差)对TOA技术加以了改进

TDOA定位不必要进行基站和移动终端之间的同步,而只需要基站之间进行同步。因为基站的位置是固定的,基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步要容易实现得多。

它通过测量出两个不同基站与移动终端的传输时延差来进行定位。假设移动终端的位置与基站1和基站2的距离差为R21=R2-R1,则移动终端的位置必定在以两个基站为焦点,与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线上。

再通过另一组移动终端与基站1基站3或基站2基站3的TDOA,可以得到 另一组双曲线,两组双曲线将最多产生两个交点,再根据先验知识(如半径范围 等)判断出移动终端的位置。

它的基本原理可以从下面的图得到良好的诠释:

c)AOA估计也叫DOA(Direction ofArrival)估计或者方向识别DF(DirectionFinding)

AOA的优点是所需要的基站比较少,最少只要两个基站就可以进行定位。

下图很好的诠释了AOA的基本原理:

AOA的缺点是当移动终端和基站的距离比较远的时候,即使有微小的定位角度的误差,都会造成比较大的定位距离的偏差。

因此AOA定位多见于中、短距离的定位。

d )混合定位技术

就是混合使用上述的两种或三种定位技术,比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等,通过检测并提取相关的定位参数,用于定位解算。

混合定位技术可以运用多种定位参数实现定位,综合不同定位技术的特点,在各 种定位技术的特性中取长补短,让最终的定位性能得到优化。

 

二、UWB市场相关信息

1.UWB产业链现状

分离电路板方式

早期,UWB定位方案的核心元器件采用的是分离电路板方式,提供此类方案的公司有:Ubisense公司,Ubisense公司是全球实时定位系统(RTLS)的领导者,由剑桥大学贝尔实验室团队组建,其设计和研发在英国,生产和服务在德国。

UWB芯片方式

UWB定位芯片出现之后,使得UWB最具技术壁垒与核心的环节得以标准化,因此,直接刺激了大量的企业涌入到UWB定位领域中进行技术的二次开发,以及市场应用的拓展。

UWB定位系统组成

UWB定位系统主要包含基站(Anchor),标签(Tag)和应用软件(system)。目前UWB定位企业第一梯队的企业都是采用提供整体方案的商业模式,因为对于很多用户来说,希望技术供应商能够供应整体化的解决方案。目前行业里面基站是主要的盈利点;标签量虽然大,但价格比较低,毛利也比较低;应用软件毛利很高,但目前占比比较小。

  1. UWB相关芯片及解决方案企业

估计最近几年,国内做UWB定位技术类企业数量也快速的增加,以下是对当前国内UWB定位技术企业的数量估算。

个人感觉目前UWB产品应该可以分为两代产品,第一代最代表的就是Ubisense,需要部署接收器,接收器间有线通信并进行时间同步,标签发射信号被动定位(监控系统知道标签位置,但标签无法知道自己位置),第二代比较具有代表性的是目前Decawave做的芯片级产品,利用的Two Way Ranging双程测距,无需时间同步,可以在终端或系统测定位,即可以主动也可以被动定位。

我们把UWB产商分类两类,一类是完整方案提供商,这类厂商主要是为了给行业需求服务,另一类是芯片或开发板提供商,这类厂商主要是提供研发类产品。

完整方案提供商我们正在联系的有唐恩科技、清研讯科、恒高科技、艾思科米、沃旭通讯、精位科技、晨控自动化、艾瑞森等几家国内产商,截止目前时间节点得到的信息,唐恩主要还是做Ubisense的代理,包括清研讯科、艾思科米都不能支持主动定位,推测主要产品还是第一代类Ubisense产品;沃旭据说是Decawave中国代理,他们做的产品属于二代的产品,另外在网上新闻今年的上海室内定位峰会上看到了精位的新产品,可以支持主动定位,也看到了他们的合作案例,而晨控和艾瑞森都支持终端解算,都属于二代产品行列。

目前了解到的厂商还有中电昆辰,貌似产品推广挺多,但是对他们了解不太深。

芯片级产品厂商主要就是Decawave、Pozyx、沃旭、SnailTech、ANO TC以及科创物联。前两家是国外厂商,其他都是国内集成厂商。

如果是监控人员和资产类,在成本允许条件下,选择第一代的成熟产品可能更方便快捷,选用第二代产品需要对产品的稳定性进行评估~

3.UWB芯片、标签及基站目前市场价格及盈利水平

在当前UWB企业级定位市场中,项目制的市场环境的特性是方案有很多定制化的内容,报价方式是对整体方案进行打包报价,尤其是很多项目中,还有一些应用软件的开发,因而报价会有很高的灵活性。

行业的毛利在的降幅会比较明显,主要原因是有:硬件尤其是基站产品降价比较明显,以及应用服务环节处于萌发期。To B类的应用行业毛利不会低,参考目前GNSS行业,我们预估,UWB定位的毛利将会稳定在50%左右。

4.苹果UWB分析

苹果在官网上只介绍了U1超宽带芯片可用于AirDrop,将手机指向另一个手机,通过测向和定位可以优先连接该手机。

其实苹果早些年开始已经进行了多项UWB布局,这个是关于UWB用于汽车车钥匙的专利。2019年苹果相关专利甚至传说苹果要用UWB技术做iBeacon V2。应用层面,网上也有很多例子,感兴趣的可以去查阅。

a)高精度定位的C端应用

可以在C端用于停车场找车、找宠物、找娃、找钥匙,也可以用于陌生人社交找人,这简直就是终极找东西的神器。想象下,在车海中快速找到来接我的滴滴快车。这种应用是不需要环境中部署基站的,只需要双方都具有UWB设备。

b)无感门禁

UWB的时间戳测距原理使得UWB几乎不可能通过被截获复制的方法伪造出自己的位置,那么UWB可以作为安全性很高且便捷的钥匙了。iPhone11可以作为车钥匙,提供比现有无钥匙进入技术安全性更高、定位精度更高的体验。想象下,拿着手机距离车辆5米时车灯自动点亮,距离车门1米时,对应车门自动解锁。如果此时转身,迈开一步离开,车门自动上锁。iPhone11希望连接未来所有汽车,这也许是苹果推出U1芯片的重要原因。

c ) 智能锁应用

在智能锁上应用也是可能的,三星在19年初CES期间以及发布一款应用UWB技术的智能锁,只是当时还没有手机钥匙,需要佩戴专用的UWB钥匙。随着手机加入UWB芯片,手机作为钥匙的应用前景会很快到来。

d) 无感支付

iPhone11也可以通过与POS机安全测距等方式为Apple Pay等支付技术提供更安全的无感支付体验。甚至将来拿了UWB手机的人可以直接无感过UWB地铁闸机,而无需掏手机出来扫码或刷NFC,类似汽车ETC过闸机一样。

 

三、UWB的一些问题

1.UWB技术

a) 技术标准向前兼容,而非向后兼容

Decawave公司的DW1000支持IEEE 802.15.4-2011标准,明年2020年量产的DW3000芯片将支持最新的IEEE 802.15.4z标准。苹果的U1和NXP新发布的SR100T也都支持IEEE802.15.4z最新标准。802.15.4z在原有标准基础上定义了新的特性,可以提升安全、功耗更低、且传输距离更远。注意IEEE 802.15.4z是向前兼容的,所以iPhone11可以和现在普遍应用的IEEE 802.15.4-2011标准的DW1000对接,但这只是理论上存在可能.

b) UWB领域并没有网络层及以上的行业标准。

虽然同样是采用DW1000芯片的系统,但不同厂家产品是完全不兼容的。定位算法也有很多种,适用不同的场景,并没有一个开源的算法给大家用。往往需要厂家做大量的算法研究工作,并结合各种场景做大量迭代。在苹果未来逐渐开放其U1芯片定位应用的SDK后,预计会有部分改观。

2、UWB芯片

前面的关于UWB的特性是从原理上来说明的,从芯片层面来较实际的应该有一些折扣。拿某款在55nm水平上的芯片为例,从大速率传输的角度看:

如果从定位的应用角度看:

3、UWB感想

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