Die Herbstkonferenz 2020 von Apple fand am 11. September im Jobs Theater statt.

Ein Detail bei dieser Konferenz ist, dass die iPhones alle mit einem U1-Chip ausgestattet sind, der die Ultra-Wideband-Technologie (UWB) unterstützt.

Laut offizieller Werbung wird die neue Technologie die räumlichen Wahrnehmungsfähigkeiten von Apple-Mobiltelefonen erheblich verbessern.

Was bedeutet also räumliches Bewusstsein? Was genau kann der U1-Chip? Was ist UWB-Technologie? All dies wird zu einer neuen Runde von Innovationen bei Anwendungen für intelligente Geräte führen?

Die Antworten auf diese Fragen werden als nächstes enthüllt.

Das räumliche Bewusstsein ist die Fähigkeit, Orientierung wahrzunehmen, was Positionierungsfähigkeit ist.

Laut Apples Einführung verbessert das mit dem U1-Chip ausgestattete iPhone die Ortungsfunktion des Mobiltelefons weiter. Es kann nicht nur den Standort seines eigenen Mobiltelefons erkennen, sondern auch den Standort anderer Mobiltelefone in der Nähe.

Basierend auf der Raumerkennungsfunktion des U1-Chips müssen Sie bei Verwendung von AirDrop (AirDrop ist die Funktion der drahtlosen Dateifreigabe von Apple-Geräten) nur Ihr iPhone auf das iPhone einer anderen Person richten, und das System priorisiert es (die näher Sie sich befinden, desto höher ist die Priorität), sodass Sie Dateien schneller freigeben können.

Das iPhone11 kann den Anwendungseffekt von "je näher du mir kommst, desto zuerst bekommst du eine Antwort".

Positionierung ist für uns alle ein bekanntes Thema. Wir verwenden häufig APPs wie Google Map oder Baidu Map, die über Ortungs- und Navigationsdienste verfügen.

Ortungsdienste helfen uns, Richtungen anzugeben und unser Sicherheits- und Kontrollgefühl zu erhöhen, was unsere Arbeit und unser Leben sehr angenehm macht.

Was ist also der Unterschied zwischen der UWB-Technologie und der Ortungstechnologie, die wir jetzt verwenden?

Zu den gebräuchlichen Ortungstechnologien gehören heute hauptsächlich die Satellitenortung und die Basisstationspositionierung.

Satellitenpositionierung ist eine Technologie, die künstliche Erdsatelliten verwendet, um Punktpositionsmessungen durchzuführen. Und es ist derzeit die am weitesten verbreitete und beliebteste Ortungstechnologie für Benutzer. Die Eigenschaften der hohen Präzision, der schnellen Geschwindigkeit und der niedrigen Gebrauchskosten sind sehr hervorstechend.

Zu den bekannten Satellitenpositionierungssystemen gehören das Global Positioning System (GPS) der Vereinigten Staaten, das chinesische Beidou (BDS), das europäische Galileo und das russische GLONASS.

Das Prinzip der Basisstationspositionierung ist ähnlich wie beim Radar. Die Radarpositionierung besteht darin, Radarwellen auszusenden und eine räumliche Positionsmessung basierend auf der Reflexion des Ziels durchzuführen.

Die Basisstation funktioniert wie ein „Radar“.

Normalerweise befindet sich ein Mobiltelefon unter der Signalabdeckung mehrerer Basisstationen in einer Stadt. Das Mobiltelefon "misst" die Downlink-Pilotsignale verschiedener Basisstationen, um das Signal TOA (Ankunftszeit) oder TDOA (Zeitdifferenz der Ankunft) jeder Basisstation zu erhalten.

Je nach Messergebnis können die Koordinaten des Mobiltelefons kombiniert mit den Koordinaten der Basisstation berechnet werden,

Hier ist ein Bild, um es zu zeigen.

Alle oben erwähnten Positionierungsverfahren haben einen offensichtlichen Nachteil. Sie können keine Gebäude durchdringen und können keine Indoor-Positionierung erreichen.

Die Satellitenpositionierung erfordert, dass der Receiver genügend Satellitensignale empfängt. Beim Betreten des Raumes oder bei Hindernissen ist das Satellitensignal sehr schwach und kann nicht effektiv positioniert werden.

Wenn wir uns im Freien aufhalten, kann das vom Mobiltelefon empfangene GPS-Positionssignal mehr als 15 erreichen. In Innenräumen kann das vom Mobiltelefon empfangene GPS-Positionssignal in Innenräumen weniger als 3 betragen.

Es ist bekannt, dass sich der Positionsfehler von 10 m auf 66 m erhöht, wenn die Anzahl der Satelliten abnimmt.

Einerseits können Satelliten- und Basisstations-Positionierungstechnologie die Anforderungen der Indoor-Positionierung nicht erfüllen. Auf der anderen Seite besteht eine zunehmende Nachfrage nach Indoor-Ortung, wie beispielsweise Tiefgaragen-Navigation, Einkaufszentren, um Geschäfte und Waren zu finden, und sogar um verlorene Kinder zu finden.

Dank der steigenden Nachfrage haben die Menschen eine Reihe von Technologien entwickelt, um zu versuchen, andere Arten von Ankerknoten zu verwenden, um Positionierungsmöglichkeiten bereitzustellen. Es enthält WLAN, Bluetooth , UWB und andere Technologien.

Was ist UWB?

Wi-Fi und Bluetooth sind für uns keine großen Neuigkeiten. Also, was ist UWB?

UWB ist eine Ultrabreitbandtechnologie, die aus der in den 1960er Jahren entstandenen Pulskommunikationstechnologie hervorgegangen ist.

Das allgemeine Kommunikationssystem verwendet einen Hochfrequenzträger, um ein Schmalbandsignal zu modulieren, und die tatsächliche durch das Kommunikationssignal belegte Bandbreite ist nicht hoch.

UWB unterscheidet sich von herkömmlicher Kommunikationstechnologie, es realisiert eine drahtlose Übertragung durch das Senden und Empfangen extrem schmaler Impulse mit einer Größenordnung von Nanosekunden oder Mikrosekunden. Aufgrund der extrem kurzen Pulsdauer kann ein Ultrabreitband im Spektrum erreicht werden, das über 500 MHz liegt.

Die FCC (Federal Communications Commission) hat für UWB insgesamt 7,5 GHz von 3,1 GHz bis 10,6 GHz zugeteilt. Sie legten auch strengere Grenzen für die Strahlungsleistung fest als FCC Part 15.209 UWB ist auf das Frequenzband von -41,3 dBm begrenzt.

Kurz gesagt erreicht UWB eine schnelle Datenübertragung bei geringem Stromverbrauch durch ultragroße Bandbreite und geringe Sendeleistung.

Aufgrund der extrem kurzen zeitlichen Breite von UWB-Pulsen kann eine hochpräzise Zeitmessung auch zur Entfernungsmessung verwendet werden.

Im Vergleich zu Wi-Fi- und Bluetooth-Positionierungstechnologie hat UWB seine eigenen Vorteile.

• Starke Anti-Multipath-Fähigkeit, hohe Positionierungsgenauigkeit. Die Bandbreite bestimmt das Entfernungsauflösungsvermögen des Signals in einer Mehrwegeumgebung (im direkten Verhältnis). UWB hat eine große Bandbreite und eine starke Mehrwege-Auflösungsfähigkeit, die den größten Teil des Einflusses von Mehrwege-Störsignalen unterscheiden und eliminieren und hochpräzise Positionierungsergebnisse erzielen kann. UWB kann in der Entfernungsauflösung höher sein als bei anderen herkömmlichen Systemen, und seine Genauigkeit kann in einer komplexen Umgebung sogar mehr als das Hundertfache von herkömmlichen Systemen wie Wi-Fi und Bluetooth erreichen.
• Hohe Zeitstempelgenauigkeit. UWB-Pulse haben eine Bandbreite von Nanosekunden. Bei der Berechnung der Position durch Timing beträgt der eingeführte Fehler normalerweise weniger als einige Zentimeter.
• Starke elektromagnetische Verträglichkeit. UWB hat eine geringe Sendeleistung und eine große Signalbandbreite, die in anderen Signalarten und Umgebungsgeräuschen gut verborgen werden kann. Herkömmliche Empfänger können nicht identifizieren und empfangen. Es muss dieselbe Spreizcode-Impulssequenz wie der Sender zum Demodulieren verwenden, damit es keine Störungen anderer Kommunikationsdienste verursacht und gleichzeitig auch Störungen durch andere Kommunikationsgeräte vermieden werden können.
• Hohe Energieeffizienz. UWB hat eine HF-Bandbreite von mehr als 500 MHz, die einen großen Spreizspektrumgewinn bieten kann, was dem UWB-Kommunikationssystem eine hohe Energieeffizienz verleiht. Bei batteriebetriebenen Geräten kann die Betriebszeit des Systems erheblich verlängert werden, und bei gleicher Sendeleistungsbegrenzung ist der Abdeckungsbereich viel größer als bei herkömmlicher Technologie. UWB-Sender senden typischerweise weniger als 1 mW für Anwendungen mit kurzer Reichweite. Bei Langstreckenanwendungen kann ohne zusätzliche Endstufe eine Distanz von 200 Metern erreicht werden, während eine Luftrate von 6,8 Mbit/s erreicht wird.

Basierend auf den oben genannten technischen Vorteilen kann UWB ein hochpräzises Indoor-Positionierungssystem bilden.

Vergleich von UWB und anderen Ortungstechnologien

Gegenwärtig gibt es drei häufig verwendete UWB-Entfernungsmessungsverfahren.

(1) ToF (Flugzeit). Die Reichweitenmessung wird durch die Messung der Flugzeit des UWB-Signals zwischen der Basisstation und dem Tag erreicht.

(2) TDoA (Zeitdifferenz der Ankunft). Das UWB-Signal wird verwendet, um die Zeitdifferenz vom Tag zu jeder Basisstation zu lokalisieren.

(3) PDoA (Phasendifferenz der Ankunft). Die Azimut-Beziehung zwischen der Basisstation und dem Tag wird durch die Ankunftswinkelphase gemessen.

Entwicklung der UWB-Branche

UWB wurde vor 2002 häufig für militärische Zwecke eingesetzt. Im Jahr 2002 hob die FCC das Verbot der UWB-Technologie auf und erlaubte ihr den Einsatz im zivilen Bereich.

Seitdem hat die UWB-Technologie eine rasante Entwicklung durchlaufen, und verschiedene technische Lösungen haben auch einen harten Wettbewerb um die Formulierung internationaler UWB-Standards ausgelöst.

Im Jahr 2007 standardisierte IEEE die UWB-Technologie im 802.15.4a-Standard. Nach fast 10 Jahren Entwicklung werden die UWB-Standards ständig verbessert.

Decawave muss in der UWB-Industriekette erwähnt werden.

Decawave ist derzeit der einzige Hersteller von UWB-Positionierungschips, von dem bekannt ist, dass er IEEE 802.15.4 unterstützt. Sie bieten kostengünstige Chips zu einem Verkaufspreis von wenigen Dollar an. Der Chip ist DW1000, der dem UWB-Standardprotokoll IEEE 802.15.4-2011 entspricht (unter idealen Bedingungen beträgt die maximal messbare Reichweite 300 m).

Nach der Produkteinführung von Apple veröffentlichte INTRANAV, ein Positionierungshersteller auf Basis des Decawave-Chips DW1000, zwei Tweets, in denen behauptet wurde, dass sein Kit die Interoperabilität mit dem iPhone11 unterstützt, und Decawave hat den Tweet ebenfalls erneut veröffentlicht. Dies zeigt, dass Apple U1 eine große Möglichkeit hat, IEEE 802.15.4 zu unterstützen.

Andere Hersteller, die sich mit UWB-Technologie beschäftigen, sind Ubisense und BeSpoon. Diese Hersteller verwenden eigene UWB-Lösungen, die meist in Form eines Modulbaukastens auf den Markt kommen, aber keiner unterstützt IEEE 802.15.4.

Die Realisierung einer besseren Raumwahrnehmung erfordert die Unterstützung der Anwendungsökologie. Um das gesamte Anwendungs-Ökosystem aufzubauen, müssen Geräte verschiedener Hersteller Interoperabilität und Kompatibilität erreichen. Es ist absehbar, dass zukünftig Geräte aller Hersteller den Standard IEEE 802.15.4 unterstützen werden.

UWB-Positionierungseffekt

Derzeit gibt es weltweit drei Indoor-Positionierungswettbewerbe mit hohem Standard,

1) Microsoft Indoor Localization Competition (MILC)

2) PERFLoc (Performance Evaluation of Smart-phone Indoor) organisiert vom National Institute of Standards and Technology (NIST)

3) Internationale Indoor Positioning and Indoor Navigation Conference (IPIN)

Der MILC-Wettbewerb von Microsoft gilt als beste Bühne für die Bewertung hochpräziser Indoor-Positionierungstechnologie.

Im Folgenden finden Sie eine Liste der drei besten Ergebnisse basierend auf der Infrastrukturgruppe bei den MILC-Wettbewerben im Laufe der Jahre.

Es ist bekannt, dass sich seit 2015 die Vorteile von UWB nach und nach gezeigt haben und sich zur vielversprechendsten Technologie in der hochpräzisen Positionierungstechnik entwickelt haben. Gleichzeitig ist der DW1000 von Decawave auch die Mainstream-Wahl für spezifische Positionierungslösungen. 7 der 8 siegreichen UWB-Teams haben den DW1000 verwendet.

Im Wettbewerb 2018 wurde mit einem sehr leistungsstarken Laser-SLAM eine Karte erstellt (linkes Bild) und basierend auf dieser Echtzeitausgabe der realen Positionstrajektorie (rechts), die als Auswertungsgrundlage für das Spiel diente.

Der Austragungsort des Spiels ist der Palast der Börse von Porto, Portugal, und die Umgebung ist sehr kompliziert.

Der Wettbewerb 2018 war der erste, der die dynamische Genauigkeit bewertet hat. Der Wettkampfort war sehr kompliziert und die Ergebnisse waren sehr orientiert. Erwähnenswert ist in diesem Fall das Team von Anthony Rowe von der Carnegie Mellon University in den USA. Dieses Team ist führend im Bereich Indoor Positionsbestimmung. sie haben es dreimal unter die ersten drei geschafft. Im Jahr 2018 wurden sie Erster und Zweiter.

CMU Anthony Rowe-Team

Noch wichtiger ist, dass der technische Weg, den das Team 2018 den ersten Platz belegte, UWB + Augmented Reality (AR) ist, und das iPhone 11 Pro wurde das erste Mobiltelefon, das sowohl AR als auch UWB unterstützt. Dies beweist, dass das Team über starke technische Kenntnisse verfügt.

Darüber hinaus verdient Nanjing ATE Electronic Technology Co., Ltd. aus China Beachtung.

Sie sind ein aufstrebendes Team. Ein Jahr nach dem Eintritt in den UWB-Markt nahmen sie am Wettbewerb 2018 teil und erreichten einen Gleichstand um den zweiten Platz. Dies ist die bisher beste Platzierung der heimischen Mannschaft bei diesem Event.

Das Bild oben zeigt die Echtzeit-Trajektorienausgabe des ATE-Teams während des Wettbewerbs. Es ist ersichtlich, dass mit Ausnahme einiger weniger Bereiche die meisten Bereiche Positionskoordinaten mit hoher Genauigkeit ausgegeben haben. Der blaue Punkt ist die Echtzeit-Trajektorie des Laser-SLAM, der grüne Punkt ist die vom ATE-Team ausgegebene Trajektorie und der rote der Vektorfehler.

Das obige Bild ist ein Vergleich der durchschnittlichen Positionierungsfehler der teilnehmenden Teams. Der durchschnittliche Positionierungsfehler des ATE-Teams beträgt 0,4 Meter.

Mehrere traditionell starke Teams, wie Racelogic und das Russian Research Institute, die ebenfalls UWB-Technologie verwenden, erreichten jedoch nur knapp 1 Meter oder noch schlechter. Dies veranschaulicht die Schwierigkeit des Rennens 2018.

Zusammenfassung

Alles in allem ist die umfassende Unterstützung des iPhones für UWB eine sehr wertvolle Chance für die großflächige kommerzielle Förderung. Es wird auch die Entwicklung und Reife der vor- und nachgelagerten Industriekette der UWB beschleunigen.

Mit dem Aufkommen von 5G beschleunigen wir uns auf das Zeitalter des Internets von allem zu, und es werden immer mehr IoT-Geräte und -Anwendungen erscheinen. Die UWB-Technologie kann gemäß ihren eigenen Eigenschaften eng in diese IoT-Anwendungen integriert werden, um den Benutzern ein besseres Serviceerlebnis zu bieten.

Die UWB-Technologie hat sehr breite Entwicklungsperspektiven, einschließlich Smart Home, AR, Mobile Payment, Pflegeverfolgung, geologische Prospektion, Indoor-Navigation usw.

Nach Prognosen einschlägiger Behörden wird die UWB-Technologie in Zukunft 30 bis 40 % des Indoor-Positionierungsmarktes einnehmen, und die Marktgröße wird 2022 voraussichtlich 16,4 Milliarden US-Dollar erreichen.

Freuen wir uns auf die strahlende Zukunft von UWB.

Geschrieben von RF-star Senior Advisor XCODER (ein We-Media Essayist)