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

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

Offiziellen Angaben zufolge wird die neue Technologie die räumliche Wahrnehmungsfähigkeit 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 Smart-Device-Anwendungen führen?

Die Antworten auf diese Fragen werden im Folgenden bekannt gegeben.

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

Laut der Einführung von Apple verbessert das mit dem U1-Chip ausgestattete iPhone die Positionierungsfunktion des Mobiltelefons weiter. Es kann nicht nur den Standort des eigenen Mobiltelefons erfassen, sondern auch den Standort anderer Mobiltelefone in der Nähe.

Basierend auf der vom U1-Chip bereitgestellten Raumerkennungsfunktion müssen Sie bei Verwendung von AirDrop (AirDrop ist die Funktion zur drahtlosen Dateifreigabe von Apple-Geräten) nur Ihr iPhone auf das iPhone einer anderen Person richten, und das System priorisiert es (das Je näher Sie sind, desto höher ist die Priorität. Dadurch können Sie Dateien schneller teilen.

Mit dem iPhone11 kann der Anwendungseffekt „Je näher du mir kommst, desto zuerst bekommst du eine Antwort“ erzielt werden.

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

Ortungsdienste helfen uns dabei, den Weg zu weisen und erhöhen unser Sicherheits- und Kontrollgefühl, was unsere Arbeit und unser Leben erheblich erleichtert.

Was ist also der Unterschied zwischen der UWB-Technologie und der Positionierungstechnologie, die wir derzeit verwenden?

Zu den am häufigsten verwendeten Positionierungstechnologien gehören heute hauptsächlich Satellitenortung und Basisstationspositionierung.

Bei der Satellitenpositionierung handelt es sich um eine Technologie, die künstliche Erdsatelliten zur Messung der Punktposition nutzt. Und es ist derzeit die am weitesten verbreitete und beliebteste Positionierungstechnologie für Benutzer. Die Merkmale hohe Präzision, hohe Geschwindigkeit und niedrige Nutzungskosten stehen im Vordergrund.

Zu den bekannten Satellitenpositionierungssystemen gehören das Global Positioning System (GPS) der Vereinigten Staaten, Beidou (BDS) aus China, Galileo aus Europa und GLONASS aus Russland.

Das Prinzip der Basisstationspositionierung ähnelt dem Radar. Bei der Radarpositionierung werden Radarwellen ausgesendet und eine räumliche Positionsmessung basierend auf der Reflexion des Ziels durchgeführt.

Die Basisstation funktioniert wie ein „Radar“.

Normalerweise wird ein Mobiltelefon von mehreren Basisstationen in einer Stadt abgedeckt. Das Mobiltelefon „misst“ die Downlink-Pilotsignale verschiedener Basisstationen, um die Signal-TOA (Ankunftszeit) oder TDOA (Ankunftszeitdifferenz) jeder Basisstation zu erhalten.

Anhand des Messergebnisses können die Koordinaten des Mobiltelefons kombiniert mit den Koordinaten der Basisstation berechnet werden.

Hier ist ein Bild, um es zu zeigen.

Alle oben genannten Positionierungsmethoden weisen einen offensichtlichen Mangel auf. Sie können nicht in Gebäude eindringen und keine Innenpositionierung erreichen.

Für die Satellitenpositionierung muss der Empfänger genügend Satellitensignale empfangen. Beim Betreten des Raumes oder bei Hindernissen ist das Satellitensignal sehr schwach und kann nicht effektiv positioniert werden.

Wenn wir draußen sind, kann das vom Mobiltelefon empfangene GPS-Positionssignal mehr als 15 erreichen. Wenn wir drinnen sind, kann das vom Mobiltelefon in Innenräumen empfangene GPS-Positionssignal weniger als 3 betragen.

Es ist bekannt, dass der Positionierungsfehler von 10 m auf 66 m zunimmt, wenn die Anzahl der Satelliten abnimmt.

Einerseits können Satelliten- und Basisstations-Positionierungstechnologien die Anforderungen der Indoor-Positionierung nicht erfüllen. Andererseits besteht ein zunehmender Bedarf an Indoor-Positionierung, etwa für die Navigation in Tiefgaragen, Einkaufszentren, um Geschäfte und Waren zu finden und sogar um verlorene Kinder zu finden.

Aufgrund der steigenden Nachfrage haben Menschen eine Reihe von Technologien entwickelt, um zu versuchen, andere Arten von Ankerknoten für die Bereitstellung von Positionierungsmöglichkeiten zu nutzen. Es umfasst Wi-Fi, Bluetooth , UWB und andere Technologien.

Was ist UWB?

Wi-Fi und Bluetooth sind für uns keine große Neuigkeit. Was ist also UWB?

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

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

UWB unterscheidet sich von der herkömmlichen Kommunikationstechnologie. Es realisiert die drahtlose Übertragung durch das Senden und Empfangen extrem schmaler Impulse mit einer Größenordnung von Nanosekunden oder Mikrosekunden. Aufgrund der extrem kurzen Pulszeitbreite kann eine Ultrabreitbandigkeit im Spektrum erreicht werden, die über 500 MHz liegt.

Die FCC (Federal Communications Commission) hat UWB insgesamt 7,5 GHz von 3,1 GHz bis 10,6 GHz zugewiesen. Sie legten außerdem strengere Grenzwerte für die Strahlungsleistung fest als FCC Teil 15.209. UWB ist auf das Frequenzband von -41,3 dBm beschränkt.

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

Aufgrund der extrem kurzen Zeitbreite von UWB-Pulsen kann ein hochpräzises Timing auch zur Entfernungsmessung eingesetzt werden.

Im Vergleich zur Wi-Fi- und Bluetooth-Ortungstechnologie hat UWB seine eigenen Vorteile.

• Starke Anti-Multipath-Fähigkeit, hohe Positionierungsgenauigkeit. Die Bandbreite bestimmt die Entfernungsauflösungsfähigkeit des Signals in einer Mehrwegeumgebung (direkt proportional). UWB verfügt über eine große Bandbreite und eine starke Mehrwegeauflösungsfähigkeit, wodurch der Einfluss von Mehrwegeinterferenzsignalen größtenteils unterschieden und eliminiert und hochpräzise Positionierungsergebnisse erzielt werden können. Die Entfernungsauflösung von UWB kann höher sein als bei anderen herkömmlichen Systemen, und seine Genauigkeit kann in einer komplexen Umgebung sogar mehr als das Hundertfache der Genauigkeit herkömmlicher Systeme wie Wi-Fi und Bluetooth erreichen.
• Hohe Zeitstempelgenauigkeit. UWB-Pulse haben eine Bandbreite von Nanosekunden. Bei der zeitlichen Berechnung der Position beträgt der Fehler normalerweise weniger als einige Zentimeter.
• Starke elektromagnetische Verträglichkeit. UWB verfügt über eine geringe Sendeleistung und eine große Signalbandbreite, die von anderen Signaltypen und Umgebungsgeräuschen gut verdeckt werden kann. Herkömmliche Empfänger können weder identifizieren noch empfangen. Es muss die gleiche Spreizcode-Impulssequenz wie der Sender zum Demodulieren verwenden, damit es keine Störungen bei anderen Kommunikationsdiensten verursacht und gleichzeitig Störungen durch andere Kommunikationsgeräte vermieden werden können.
• Hohe Energieeffizienz. UWB verfügt über eine HF-Bandbreite von mehr als 500 MHz, was einen großen Spread-Spectrum-Gewinn bieten kann und das UWB-Kommunikationssystem zu einer hohen Energieeffizienz macht. Bei batteriebetriebenen Geräten kann die Arbeitszeit des Systems erheblich verlängert werden, und bei gleicher Übertragungsleistungsbeschränkung ist der Abdeckungsbereich viel größer als bei herkömmlicher Technologie. UWB-Sender übertragen für Nahbereichsanwendungen typischerweise weniger als 1 mW. Bei Langstreckenanwendungen kann eine Distanz von 200 Metern ohne zusätzlichen Leistungsverstärker erreicht werden, wobei 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 Positionierungstechnologien

Derzeit gibt es drei häufig verwendete UWB-Entfernungsmessungsmethoden.

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

(2) TDoA (Zeitunterschied der Ankunft). Das UWB-Signal wird verwendet, um den Zeitunterschied zwischen dem Tag und jeder Basisstation zu ermitteln.

(3) PDoA (Phase Difference of Arrival). Die Azimutbeziehung zwischen der Basisstation und dem Tag wird anhand der Ankunftswinkelphase gemessen.

Entwicklung der UWB-Branche

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

Seitdem ist die UWB-Technologie in eine Phase rasanter Entwicklung eingetreten, 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 Entwicklungszeit 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 auf dem Decawave-Chip DW1000 basierender Positionierungshersteller, zwei Tweets, in denen behauptet wurde, dass sein Kit die Interoperabilität mit dem iPhone11 unterstütze, und Decawave veröffentlichte den Tweet ebenfalls erneut. Dies zeigt, dass Apple U1 eine große Chance hat, IEEE 802.15.4 zu unterstützen.

Weitere Hersteller, die sich mit der UWB-Technologie beschäftigen, sind Ubisense und BeSpoon. Diese Hersteller nutzen eigene UWB-Lösungen, die meist in Form eines Modulbaukastens auf den Markt kommen, jedoch unterstützt keiner von ihnen IEEE 802.15.4.

Die Verwirklichung eines besseren räumlichen Bewusstseins erfordert die Unterstützung der Anwendungsökologie. Um das gesamte Anwendungsökosystem aufzubauen, müssen Geräte verschiedener Hersteller Interoperabilität und Kompatibilität erreichen. Es ist absehbar, dass in Zukunft 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-Lokalisierungswettbewerb (MILC)

2) PERFLoc (Performance Evaluation of Smartphone Indoor), organisiert vom National Institute of Standards and Technology (NIST)

3) Internationale Indoor-Positionierungs- und Indoor-Navigationskonferenz (IPIN)

Der MILC-Wettbewerb von Microsoft gilt als die beste Bühne zur Beurteilung 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 es sich zur vielversprechendsten Technologie in der hochpräzisen Positionierungstechnologie entwickelt hat. Gleichzeitig ist der DW1000 von Decawave auch die gängige 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 darauf basierend in Echtzeit die Trajektorie der realen Position ausgegeben (rechts), die als Bewertungsgrundlage für das Spiel diente.

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

Der Wettbewerb 2018 war der erste, bei dem die dynamische Genauigkeit bewertet wurde. Der Wettkampfort war sehr kompliziert und die Ergebnisse waren sehr zielführend. Erwähnenswert ist in diesem Fall das Team um Anthony Rowe von der Carnegie Mellon University in den USA. Dieses Team ist führend auf dem Gebiet der Indoor-Positionierung. Sie haben es dreimal unter die ersten drei geschafft. Im Jahr 2018 belegten sie den ersten und punktgleichen zweiten Platz.

CMU Anthony Rowe-Team

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

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

Sie sind ein aufstrebendes Team. Ein Jahr nach dem Einstieg in den UWB-Markt nahmen sie am Wettbewerb 2018 teil und belegten unentschieden den zweiten Platz. Dies ist die bisher beste Platzierung der heimischen Mannschaft bei dieser Veranstaltung.

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

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

Allerdings erreichten mehrere traditionell starke Teams wie Racelogic und Russian Research Institute, die ebenfalls UWB-Technologie nutzen, nur knapp 1 Meter oder sogar noch schlechter. Dies verdeutlicht voll und ganz die Schwierigkeit des Rennens 2018.

Zusammenfassung

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

Mit dem Aufkommen von 5G schreiten wir schneller in Richtung des Zeitalters des „Internet of Everything“, und es werden immer mehr IoT-Geräte und -Anwendungen auf den Markt kommen. Die UWB-Technologie kann entsprechend ihren eigenen Merkmalen eng in diese IoT-Anwendungen integriert werden, um Benutzern ein besseres Serviceerlebnis zu bieten.

Die UWB-Technologie hat sehr breite Entwicklungsperspektiven, darunter Smart Home, AR, mobiles Bezahlen, Pflegeverfolgung, geologische Prospektion, Indoor-Navigation usw.

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

Freuen wir uns auf die glänzende Zukunft von UWB.