探索基于UWB超宽带技术Air Tag空间感知网络

2021年4月苹果Apple发布了其用于定位的产品Airtag。苹果对Airtag布局发展很早,事实上在苹果之前发布的iOS系统更新中,早已经预示了Airtag的出现,包括前期Iphone11,内置基于UWB技术的U1芯片。智能感知体系可考虑目前市场新兴的这款基于UWB高精度定位火热产品,为城市的Lost &Found做出市场级、用户及、消费级产品。

UWB属于短距离无线电发射设备,早在2008年工信部已发布相关规定;明确了UWB设备是需要进行型号核准认证。工信部链接

 

UWB技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很大,尽管使用无线通信,但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。使用UWB技术可在非常宽的带宽上传输信号,美国联邦通信委员会(FCC)对UWB技术的规定为:在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。

UWB技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。UWB技术利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信,故又称为基带通信技术、无线载波通信技术,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。2002年2月,美国联邦通信委员会发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。该规定中,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。由于UWB技术具有数据传输速率高(达1Gbit/s)、抗多径干扰能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、截获率低、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点,UWB技术成为无线个人局域网通信技术(WPAN)的首选技术。

一、AirTag基本规格参数

(一)尺寸和重量

AirTag尺寸:31.9 毫米(1.26 英寸)*31.9 毫米(1.26 英寸)大小,圆形设计结构。直径为31.9 毫米 (1.26 英寸),厚度为8.0 毫米 (0.31 英寸),其重量 11 克 (0.39 盎司)。

由此可以看出,Air Tag体积轻巧,便于携带,适合于出行随身佩戴挂件。

(二)物理性能

具有防溅、抗水、防尘 效果,在 IEC 60529 标准下达到 IP67 级别 (在最深 1 米的水下停留时间最长可达 30 分钟)

(三)功能连接

集成蓝牙技术,用于近距离感应查找,Apple 设计的 U1 芯片,支持超宽频UWB技术和精确查找功能NFC 轻触,支持丢失模式。

(四)内置器件

扬声器内置扬声器、可更换的 CR2032 纽扣电池、加速感应器

(五)系统环境

查找 app 兼容以下 iPhone 辅助功能:安装 iOS 14.5 或更新版本的 iPhone 和 iPod touch 机型、安装 iPadOS 14.5 或更新版本的 iPad 机型

主要功能

让你通过iphone的“精准查找”功能能找到丢失的物品。

使用方式

  • 在手机查找app中显示大概位置,走到近场后,利用UWB进行精准查找。
  • 通过Siri或者手机界面中的按钮操作,让AirTag发声,从而快速发现设备。
  • 通过NFC贴近AirTag,可以看到联系人信息,相当于电子工牌。

二、工作原理

苹果生态空间感知网络

借助全球的iphone、iPad移动终端产品变成了定位基站网络,从而实现可以找到这个全球网络覆盖下的任意AirTag。这也是苹果生态网络的价值所在,巨量的全球Apple终端,是苹果生态的空间感知与数据收集网络。

工作原理

AirTag平时以低频BLE模式工作,当设备丢失后,被设置成“丢失模式”后,会启动高频上报,方便周围的手机及时发现位置。平时AirTag会通过BLE进行数据广播,周围的手机收集到这个位置数据后,通过操作系统的服务,将位置匿名发给苹果,然后苹果根据硬件特征信息关联到主人的账号,主人就能在自己的手机的查找服务中看到设备的位置了。当设备设置为丢失模式后,这个位置消息会推送给主人手机。

用户通过iphone“查找”功能找到设备大概位置时,可以进一步使用“精确查找”功能启动UWB精准定位,UWB能实现10-30cm的精准定位,同时支持AoA角度定位,结合精准的距离和方向,那么就能实现快速的精准查找。

在进入设备附近后,还可以让设备发声,从而让设备更容易被发现。

当AirTag被陌生人捡到后,用支持NFC的iphone贴近设备后,手机上就会弹出AirTag主人的联系方式,从而可以提供一种方式,让拾到者跟主人取得联系,提高被找到的可能性。

Airtag的工作方式如下:

在常规情况下,Airtag和用户的其他苹果设备(如iPhone)处于同一个地理位置(例如都在用户的家中)。在这种情况下,Airtag主要使用蓝牙和iPhone进行交互。Airtag会定期用蓝牙和iPhone进行通信,用以获取当前的GPS地理位置。Airtag上的加速度计则可以根据Airtag有没有移动来进一步降低Airtag和iPhone之间的蓝牙交互频率,例如当Airtag一直没有被移动则降低蓝牙通信频次来省电。

当用户需要做精确定位时,使用UWB。UWB可以实现亚米级别的定位精度,从而帮助用户找到Airtag的精确位置。

当Airtag和用户iPhone距离较远时(即蓝牙无法连接时),iPhone将显示Airtag上次成功连接时的地理位置在地图上,用户可以根据该位置去寻找Airtag。此外,在Airtag被人移走的情况下,Airtag还可以使用蓝牙与附近的其他iPhone连接,从而用户可以使用Find My网络来通过其他iPhone来定位Airtag的地理位置。

最后,其他人发现遗失的Airtag时,可以通过NFC去扫描Airtag并将信息提供给苹果。

防跟踪功能

当其他用户用AirTag跟踪你时,设备接近你的iphone周围时,你的手机能感应到这个AirTag,并发出提醒。如果你想找到它,可以让他发声,从而找到它。如果多个AirTag在一起时,当AirTag在主人手机范围内时(类似蓝牙防丢距离以内)时,这时候AirTag不会发声,也就是AirTag在离开主人被当做跟踪器时,才能被进行发声控制。当然,主人是随时可以让其发声的。

三、国内厂商跟进,布局UWB定位感知市场

此同时, 国内UWB领域的厂商,近日推出兼容安卓生态的类 AirTag 硬件产品 TicTag,并将为 OEM 开放硬件平台。

TICTAG是一款采用802.15.4Z UWB 标准协议以及 BLE5.0 技术规范的测距测角终端平台,提供厘米级的 TOF测距精度、高灵敏度 AOA 测向精度。相比于传统蓝牙 RSSI 距离预估技术, UWB 以无可比拟的精确测距和测距角度,实现灵敏的全空间定位追踪效果。

TICTAG 将符合 FIRA 国际标准 MAC/PHY 以及应用层规范,兼容下半年即将发售的所有 UWB 安卓旗舰机。

主要应用场景:

  • 防丢提醒:重要物品的防丢报警,可精确设置距离实现灵敏的无误触发报警;
  • AR寻物:基于后置摄像头及D-TOF传感器实现TICTAG的沉浸式可视化搜寻;
  • 无感门禁:高安全的基于位置的进出身份认证,实现无需刷卡直接进出门禁开锁关锁;
  • 潜在应用场景还包括:基于位置和身份认证的无感支付、地库车辆找寻、共享单车预约后找寻、无线虚拟卷尺。相信基于精确测距与位置的硬件载体会有无穷新玩法。

四、UWB 互通性将为城市智能感知体系做出贡献

苹果在 UWB 的技术应用和产品规划上依然自成一派,采用私有协议,保持其苹果闭环生态,短期内未见开放其生态可能性,国内苹果用户终端庞大,足以支撑其网络高度联通性;与之相对应的是安卓阵营中小米、三星、华为、索尼、 OPPO 等安卓厂商都加入了 UWB FIRA 联盟,参与 MAC/PHY/Upper Layer 层的标准制定,确保安卓手机间、安卓手机与 UWB 配套生态链产品间的互通性。

长期来看,评估开放 UWB 生态的可能性较大,因 Iphone 确定会兼容 CCC (汽车连通联盟)3.0规范以实现基于UWB位置技术的 PEPS (无钥匙开门与进入),而 CCC 与 UWB FIRA 紧密合作,所以长期来看 UWB 跨平台的互通性将不是问题

首先,随着未来智能设备的进一步普及,智能设备之间的互动也不仅仅局限于数据互联。在下一代智能设备的交互中,智能设备之间的物理位置将会成为重要的互动要素。苹果的Airtag就是基于智能设备之间物理位置互动的一个极佳案例,由于Airtag除了将会催生各类相似功能竞品之外,也将促进智能设备之间基于物理位置的互动设计。如小米已经在之前推出了基于UWB技术的指向性投屏技术(一指连)。除此之外,许多智能设备之间的类似互动也预计将在未来几年内出现,例如扫地机器人与空气净化器之间基于位置的互动等等。而且,随着AR和VR技术的进一步普及,这类基于精确定位的互动将会变得越来越重要,例如基于用户在超市购物区域的位置来推送相应广告等,而在这些基于物理位置的互动中,UWB将成为最有竞争力的核心技术。

从芯片技术上来看,UWB的芯片端的设计门槛并不算高。UWB的无线收发部分主要是脉冲收发,其设计复杂度远低于4G、5G等蜂窝网络的无线通信部分。目前,Nordic,NXP和ST等都能供货UWB模组,未来随着UWB在智能设备中获得越来越多的应用,预计中国芯片供货商将会崛起。

最后,基于UWB技术做物理位置用户体验的市场格局:究竟会是类似蓝牙的开放式生态(即不同公司推出的产品可以使用UWB技术互相感知物理位置),还是会是生态内互动?我们更倾向于后者,即生态内互动。我们认为,UWB提供的设备间基于物理位置的互动用户体验中,每个设备的特性非常重要,必须仔细根据每个设备的功能来设计互动才能实现较好的用户体验,这也就更倾向于生态内互动,而非开放生态。

基于此,我们预计中国智能设备行业将会成为使用UWB的重要力量,我们认为许多基于UWB的新用户体验也将会由中国的厂商首先提出。如前所述,UWB将会成为智能设备之间互动的重要技术,同时我们也认为UWB做设备交互将会主要出现在同一智能设备生态内部,例如苹果的Airtag只能在苹果生态中使用,而并不能和安卓设备互动(除了NFC扫码报告捡到的Airtag之外)。因此,拥有较为完整智能设备生态的公司将会更倾向于使用UWB做生态内产品之间的互动,而小米、华为等目前拥有全球领先智能设备生态的中国公司也将与苹果一起引领基于UWB用户新体验的潮流。由于UWB芯片设计复杂度并不高,而更考验功力的其实是用户体验和系统算法设计,因此我们认为华为、小米等中国公司很有可能在未来会有自研UWB芯片计划,通过自研的UWB芯片搭配独特的算法来提供具有差异化的用户体验。这样一来,就会形成“拥有智能设备生态的公司需要基于UWB的用户体验 -> 拥有智能设备的公司自研UWB技术提供差异化用户体验 -> 拥有智能设备生态的公司迭代催生下一代基于UWB用户体验”的循环,从而让智能设备生态类公司成为基于UWB技术的物理交互用户体验的主要推动力。

目前全球智能设备生态积累最深的苹果、小米和华为都有自己的汽车计划,而UWB又恰恰是下一代无线车钥匙的主流技术。因此,我们认为这些公司将进一步将汽车纳入其UWB技术的应用范围内,同时我们预期在未来也将会看到越来越多UWB技术进入消费者的视野。

随着苹果高举技术创新大旗,在多款硬件中断中大胆采用UWB技术,加上手机、汽车、智能家居的跟进,以及国际标准联盟推动, UWB 技术有望成为消费级产品标配。填补了城市Lost &Found用户级空间感知空白!

附件一工信部无[2008]354号

附件二:

超宽带(UWB)技术频率使用规定

一、超宽带(UWB)无线电发射设备:该设备的发射信号带宽(-10dB 带宽)至少500MHz。

二、超宽带(UWB)无线电设备UWB 发射信号的等效全向辐射功率谱密度限值:

频率范围(GHz) 限值(dBm/MHz) 检波方式
1.6GHz 以下 -90 有效值(RMS)
1.6-3.6GHz -85
3.6-6.0GHz(注1) -70
6.0-9.0 -41
9.0-10.6 -70
10.6GHz 以上 -85

注1:4.2-4.8GHz 频段,到2010 年12 月31 日前,UWB 无线电发射设备的等效全向辐射功率谱限值可以为-41dBm/MHz。在此之后,该频段的UWB 设备必须采用信号检测避让等干扰缓解技术,该技术的有效性应得到国家无线电管理机构的认定。

三、超宽带(UWB)无线电发射设备窄带杂散辐射限值:

发射机状态 48.5-72.5MHz

76-108MHz

167-223MHz

470-798MHz

(测试带宽100KHz)

30M-1GHz 内的其他频段(测试带宽100KHz) 1-40GHz

(测试带宽1MHz)

工作 -54dBm -36dBm -30dBm
待机 -57dBm -57dBm -47dbm

四、禁止在航空器上使用超宽带(UWB)设备。

五、在《中华人民共和国无线电频率划分规定》的脚注“CHN12”中列出的射电天文台址周围1公里范围内禁止使用超宽带(UWB)无线电发射设备。

六、超宽带(UWB)无线电发射设备按微功率(短距离)无线电发射设备进行管理。设备投入使用前需获得工业和信息化部核发的无线电发射设备型号核准证。

七、超宽带(UWB)无线电发射设备使用时,不得对其它无线电业务的电台产生无线电干扰,也不得向其它无线电业务的电台提出干扰保护要求。

参考文献;

《苹果AirTag发售在即,国内UWB定位厂商推出兼容安卓生态的TicTag》CSDN社区

《苹果Airtag能否带火UWB?》半导体网

 

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