La conferencia de otoño de 2020 de Apple se celebró en el Jobs Theatre el 11 de septiembre.

En esta conferencia, un detalle es que todos los iPhones están equipados con un chip U1 que admite la tecnología de banda ultra ancha (UWB).

Según la publicidad oficial, la nueva tecnología mejorará significativamente las capacidades de Conciencia Espacial de los teléfonos móviles de Apple.

Entonces, ¿qué significa conciencia espacial? ¿Qué puede hacer exactamente el chip U1? ¿Qué es la tecnología UWB? ¿Todos estos conducirán a una nueva ronda de innovación en aplicaciones de dispositivos inteligentes?

Las respuestas a estas preguntas se revelarán a continuación.

La Conciencia Espacial es la capacidad de percibir la orientación, que es la capacidad de posicionamiento.

Según la introducción de Apple, el iPhone equipado con el chip U1 mejora aún más la función de posicionamiento del teléfono móvil. No solo puede detectar la ubicación de su propio teléfono móvil, sino también la ubicación de otros teléfonos móviles cercanos.

Según la capacidad de reconocimiento del espacio proporcionada por el chip U1, al usar AirDrop (AirDrop es la función de intercambio de archivos inalámbrico proporcionada por los dispositivos Apple), solo necesita apuntar su iPhone al iPhone de otra persona, y el sistema lo priorizará (el más cerca esté, mayor será la prioridad), lo que le permitirá compartir archivos más rápido.

iPhone11 puede lograr el efecto de aplicación de "cuanto más te acercas a mí, primero obtienes una respuesta".

El posicionamiento es un tema familiar para todos. A menudo utilizamos APP como Google Map o Baidu Map, que cuentan con servicios de posicionamiento y navegación.

Los servicios de ubicación nos ayudan a indicar direcciones y aumentan nuestra sensación de seguridad y control, lo que brinda una gran comodidad a nuestro trabajo y nuestra vida.

Por lo tanto, ¿cuál es la diferencia entre la tecnología UWB y la tecnología de posicionamiento que usamos ahora?

Las tecnologías de posicionamiento comúnmente utilizadas ahora incluyen principalmente posicionamiento por satélite y posicionamiento de estación base.

El posicionamiento por satélite es una tecnología que utiliza satélites terrestres artificiales para realizar la medición de la posición de un punto. Y actualmente es la tecnología de posicionamiento más utilizada y más popular por los usuarios. Las características de alta precisión, alta velocidad y bajo costo de uso son muy destacadas.

Los conocidos sistemas de posicionamiento por satélite incluyen el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de los Estados Unidos, el Beidou (BDS) de China, el Galileo de Europa y el GLONASS de Rusia.

El principio del posicionamiento de la estación base es similar al del radar. El posicionamiento por radar consiste en emitir ondas de radar y realizar una medición de la posición espacial basada en el reflejo del objetivo.

La estación base funciona como un "radar".

Por lo general, un teléfono móvil estará bajo la cobertura de señal de varias estaciones base en una ciudad. El teléfono móvil "medirá" las señales piloto de enlace descendente de diferentes estaciones base para obtener la señal TOA (hora de llegada) o TDOA (diferencia horaria de llegada) de cada estación base.

Según el resultado de la medición, las coordenadas del teléfono móvil se pueden calcular combinadas con las coordenadas de la estación base,

Aquí hay una imagen para mostrarlo.

Todos los métodos de posicionamiento mencionados anteriormente tienen un defecto obvio. No pueden penetrar en los edificios y no pueden colocarse en interiores.

El posicionamiento por satélite requiere que el receptor reciba suficientes señales de satélite. Al entrar en la habitación o estar obstruido, la señal del satélite es muy débil y no se puede posicionar de forma eficaz.

Cuando estamos al aire libre, la señal de posicionamiento GPS recibida por el teléfono móvil puede llegar a más de 15. Cuando estamos en interiores, la señal de posicionamiento GPS recibida por el teléfono móvil en interiores puede ser inferior a 3.

Se puede saber que cuando el número de satélites disminuye, el error de posicionamiento aumenta de 10 ma 66 m.

Por un lado, la tecnología de posicionamiento de estaciones base y satélites no puede satisfacer las necesidades de posicionamiento en interiores. Por otro lado, existe una demanda creciente de posicionamiento en interiores, como navegación en garajes subterráneos, centros comerciales para encontrar tiendas y bienes, e incluso para encontrar niños perdidos.

Gracias a la creciente demanda, las personas han desarrollado una serie de tecnologías para intentar utilizar otros tipos de nodos de anclaje para proporcionar capacidades de posicionamiento. Incluye Wi-Fi, Bluetooth , UWB y otras tecnologías.

¿Qué es UWB?

Wi-Fi y Bluetooth no son una gran noticia para nosotros. Entonces, ¿qué es UWB?

UWB es una tecnología de banda ultra ancha, que se originó a partir de la tecnología de comunicación por pulsos que surgió en la década de 1960.

El sistema de comunicación general utiliza una portadora de alta frecuencia para modular una señal de banda estrecha y el ancho de banda real ocupado por la señal de comunicación no es alto.

UWB es diferente de la tecnología de comunicación tradicional, realiza la transmisión inalámbrica enviando y recibiendo pulsos extremadamente estrechos con magnitud de nanosegundos o microsegundos. Debido al ancho de tiempo de pulso extremadamente corto, se puede lograr una banda ultraancha en el espectro, y está por encima de 500 MHz.

La FCC (Comisión Federal de Comunicaciones) ha asignado un total de 7,5 GHz de 3,1 GHz a 10,6 GHz para UWB. También impusieron límites más estrictos a su potencia radiada que la FCC Parte 15.209 UWB está limitada a la banda de frecuencia de -41,3 dBm.

En resumen, UWB logra una transmisión de datos rápida con un bajo consumo de energía a través de un ancho de banda ultra grande y una potencia de transmisión baja.

Debido al ancho de tiempo extremadamente corto de los pulsos UWB, la temporización de alta precisión también se puede utilizar para la medición de distancias.

En comparación con la tecnología de posicionamiento Wi-Fi y Bluetooth, UWB tiene sus propias ventajas.

• Fuerte capacidad anti-multitrayecto, alta precisión de posicionamiento. El ancho de banda determina la capacidad de resolución de distancia de la señal en un entorno de trayectos múltiples (en proporción directa). UWB tiene un ancho de banda amplio y una gran capacidad de resolución de trayectos múltiples, que puede distinguir y eliminar la mayor parte de la influencia de las señales de interferencia de trayectos múltiples y obtener resultados de posicionamiento de alta precisión. UWB puede ser más alto que otros sistemas tradicionales en resolución de distancia, y su precisión puede llegar a ser más de cien veces mayor que la de sistemas tradicionales como Wi-Fi y Bluetooth en un entorno complejo.
• Alta precisión de sello de tiempo. Los pulsos de UWB tienen un ancho de banda de nanosegundos. Al calcular la posición por tiempo, el error introducido suele ser inferior a unos pocos centímetros.
• Fuerte compatibilidad electromagnética. UWB tiene una potencia de transmisión baja y un ancho de banda de señal amplio, que puede ocultarse bien en otros tipos de señales y ruido ambiental. Los receptores tradicionales no pueden identificar ni recibir. Debe usar la misma secuencia de pulsos de código de expansión que el transmisor para demodular, por lo que no causará interferencia a otros servicios de comunicación, al mismo tiempo, también puede evitar la interferencia de otros dispositivos de comunicación.
• Alta eficiencia energética. UWB tiene un ancho de banda de RF de más de 500 MHz, lo que puede proporcionar una gran ganancia de espectro expandido, lo que hace que el sistema de comunicación UWB sea de alta eficiencia energética. En el caso de los equipos que funcionan con baterías, el tiempo de trabajo del sistema se puede ampliar considerablemente y, con la misma limitación de potencia de transmisión, el área de cobertura es mucho mayor que la de la tecnología tradicional. Los transmisores UWB generalmente transmiten menos de 1 mW para aplicaciones de corto alcance. En aplicaciones de larga distancia, se puede alcanzar una distancia de 200 metros sin un amplificador de potencia adicional, mientras se logra una velocidad de aire de 6,8 Mbps.

Basado en las ventajas técnicas anteriores, UWB puede formar un sistema de posicionamiento interior de alta precisión.

Comparación de UWB y otras tecnologías de posicionamiento

En la actualidad, existen tres métodos de determinación de distancia UWB de uso común.

(1) ToF (tiempo de vuelo). La medición del rango se logra midiendo el tiempo de vuelo de la señal UWB entre la estación base y la etiqueta.

(2) TDoA (diferencia horaria de llegada). La señal UWB se utiliza para localizar la diferencia de tiempo desde la etiqueta hasta cada estación base.

(3) PDoA (Diferencia de fase de llegada). La relación de azimut entre la estación base y la etiqueta se mide por la fase de ángulo de llegada.

Desarrollo de la industria UWB

UWB fue ampliamente utilizado con fines militares antes de 2002. En 2002, la FCC levantó la prohibición de la tecnología UWB y le permitió ingresar al campo civil.

Desde entonces, la tecnología UWB ha entrado en un período de rápido desarrollo, y varias soluciones técnicas también han lanzado una feroz competencia en torno a la formulación de estándares internacionales UWB.

En 2007, IEEE estandarizó la tecnología UWB en el estándar 802.15.4a. Después de casi 10 años de desarrollo, los estándares de UWB mejoran constantemente.

Decawave debe mencionarse en la cadena industrial de UWB.

Decawave es actualmente el único fabricante de chips de posicionamiento UWB conocido por admitir IEEE 802.15.4. Ofrecen chips de bajo costo a un precio minorista de unos pocos dólares. El chip es DW1000, que cumple con el protocolo estándar IEEE 802.15.4-2011 UWB (en condiciones ideales, el rango máximo medible es 300 m).

Después del lanzamiento del producto de Apple, INTRANAV, un fabricante de posicionamiento basado en el chip Decawave DW1000, publicó dos tweets afirmando que su kit es compatible con la interoperabilidad con iPhone11, y Decawave también volvió a publicar el tweet. Esto muestra que Apple U1 tiene una gran posibilidad de admitir IEEE 802.15.4.

Otros fabricantes comprometidos con la tecnología UWB incluyen Ubisense y BeSpoon. Estos fabricantes utilizan sus propias soluciones UWB, que normalmente se lanzan en forma de kit de módulos, pero ninguno de ellos es compatible con IEEE 802.15.4.

La realización de una mejor conciencia espacial requiere el apoyo de la ecología de la aplicación. Para construir todo el ecosistema de aplicaciones, los dispositivos de diferentes fabricantes deben lograr interoperabilidad y compatibilidad. Es previsible que los dispositivos de todos los fabricantes probablemente admitirán el estándar IEEE 802.15.4 en el futuro.

Efecto de posicionamiento UWB

Actualmente, hay tres competiciones de posicionamiento en interiores de alto nivel en el mundo,

1) Concurso de localización de interiores de Microsoft (MILC)

2) PERFLoc (Evaluación de desempeño de teléfonos inteligentes en interiores) organizado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST)

3) Conferencia Internacional de Posicionamiento en Interiores y Navegación en Interiores (IPIN)

La competencia MILC de Microsoft es reconocida como el mejor escenario para evaluar la tecnología de posicionamiento en interiores de alta precisión.

La siguiente es una lista de los tres primeros resultados basados ​​en el grupo de infraestructura en las competencias MILC a lo largo de los años.

Se puede saber que desde 2015, las ventajas de UWB se han ido demostrando gradualmente y se ha convertido en la tecnología más prometedora en tecnología de posicionamiento de alta precisión. Al mismo tiempo, el DW1000 de Decawave también es la opción principal en soluciones de posicionamiento específicas. 7 de los 8 equipos ganadores de la UWB han utilizado el DW1000.

En la competencia de 2018, se utilizó un SLAM láser de muy alto rendimiento para construir un mapa (imagen de la izquierda) y se basó en esta salida en tiempo real de la trayectoria de la posición real (derecha), que se utilizó como base de evaluación para el juego.

La sede del juego es el Palacio de la Bolsa de Valores de Oporto, Portugal, y el entorno es muy complicado.

La competencia de 2018 fue la primera en evaluar la precisión dinámica. El lugar de la competición fue muy complicado y los resultados muy orientados. En este evento, cabe destacar al equipo de Anthony Rowe de la Universidad Carnegie Mellon de Estados Unidos. Este equipo es líder en el campo del posicionamiento en interiores. han entrado entre los tres primeros 3 veces. En 2018, ocuparon el primer lugar y empataron en segundo lugar.

Equipo CMU Anthony Rowe

Más importante aún, la ruta técnica por la que el equipo tomó el primer lugar en 2018 es UWB + Realidad aumentada (AR), y el iPhone 11 Pro se convirtió en el primer teléfono móvil que admite AR y UWB. Esto demuestra que el equipo tiene una sólida visión técnica.

Además, Nanjing ATE Electronic Technology Co., Ltd. de China también es digna de atención.

Son un equipo emergente. Un año después de ingresar al mercado UWB, participaron en la competencia de 2018 y lograron un empate por el segundo lugar. Este es el mejor ranking de la selección nacional en este evento hasta el momento.

La imagen de arriba es la salida de la trayectoria en tiempo real del equipo ATE durante la competencia. Se puede ver que, con la excepción de algunas áreas, la mayoría de las áreas tienen coordenadas de posicionamiento de salida con alta precisión. El azul es la trayectoria en tiempo real del láser SLAM, el punto verde es la trayectoria de salida del equipo ATE y el rojo es el error vectorial.

La imagen de arriba es una comparación de los errores de posicionamiento promedio de los equipos participantes. El error de posicionamiento medio del equipo ATE es de 0,4 metros.

Sin embargo, varios equipos tradicionales fuertes, como Racelogic y el Russian Research Institute, que también usan tecnología UWB, solo lograron cerca de 1 metro o incluso peor. Esto ilustra completamente la dificultad de la carrera de 2018.

Resumen

Con todo, el soporte integral del iPhone para UWB es una oportunidad muy valiosa para la promoción comercial a gran escala. También acelerará el desarrollo y la madurez de la cadena industrial upstream y downstream de UWB.

Con la llegada de 5G, nos estamos acelerando hacia la era de Internet de todo, y aparecerán cada vez más dispositivos y aplicaciones de IoT. La tecnología UWB puede integrarse estrechamente con estas aplicaciones de IoT de acuerdo con sus propias características para proporcionar a los usuarios una mejor experiencia de servicio.

La tecnología UWB tiene perspectivas de desarrollo muy amplias, que incluyen hogar inteligente, AR, pago móvil, seguimiento de enfermería, prospección geológica, navegación interior, etc.

Según las predicciones de las agencias relevantes, la tecnología UWB ocupará entre el 30% y el 40% del mercado de posicionamiento en interiores en el futuro, y se espera que el tamaño del mercado alcance los 16.400 millones de dólares estadounidenses en 2022.

Miremos hacia el brillante futuro de UWB.

Escrito por el asesor senior de RF-star XCODER (un ensayista de We-Media)