La conferenza autunnale di Apple del 2020 si è tenuta al Jobs Theatre l'11 settembre.

In questa conferenza, un dettaglio è che gli iPhone sono tutti dotati di chip U1 che supporta la tecnologia a banda ultralarga (UWB).

Secondo la pubblicità ufficiale, la nuova tecnologia migliorerà in modo significativo le capacità di consapevolezza spaziale dei telefoni cellulari Apple.

Quindi, cosa significa consapevolezza spaziale? Cosa può fare esattamente il chip U1? Cos'è la tecnologia UWB? Tutto ciò porterà a un nuovo round di innovazione delle applicazioni per dispositivi intelligenti?

Le risposte a queste domande saranno rivelate in seguito.

La consapevolezza spaziale è la capacità di percepire l'orientamento che è capacità di posizionamento.

Secondo l'introduzione di Apple, l'iPhone dotato del chip U1 migliora ulteriormente la funzione di posizionamento del telefono cellulare. Può rilevare non solo la posizione del proprio telefono cellulare, ma anche la posizione di altri telefoni cellulari nelle vicinanze.

Sulla base della capacità di consapevolezza dello spazio fornita dal chip U1, quando si utilizza AirDrop (AirDrop è la funzione di condivisione file wireless fornita dai dispositivi Apple), è sufficiente puntare il proprio iPhone verso l'iPhone di qualcun altro e il sistema gli darà la priorità (il più vicino sei, maggiore è la priorità), permettendoti di condividere i file più velocemente.

iPhone11 può ottenere l'effetto applicativo di "più ti avvicini a me, prima ricevi una risposta".

Il posizionamento è un argomento familiare per tutti noi. Utilizziamo spesso APP come Google Map o Baidu Map, che hanno servizi di posizionamento e navigazione.

I servizi di localizzazione ci aiutano a indicare le direzioni e ad aumentare il nostro senso di sicurezza e controllo, che apportano grande comodità al nostro lavoro e alla nostra vita.

Pertanto, qual è la differenza tra la tecnologia UWB e la tecnologia di posizionamento che usiamo ora?

Le tecnologie di posizionamento comunemente utilizzate ora includono principalmente il posizionamento satellitare e il posizionamento della stazione base.

Il posizionamento satellitare è una tecnologia che utilizza satelliti terrestri artificiali per eseguire la misurazione della posizione del punto. Ed è attualmente la tecnologia di posizionamento più utilizzata e più apprezzata dagli utenti. Le caratteristiche di alta precisione, velocità elevata e basso costo di utilizzo sono molto importanti.

I ben noti sistemi di posizionamento satellitare includono il Global Positioning System (GPS) degli Stati Uniti, il Beidou cinese (BDS), il Galileo europeo, il GLONASS russo.

Il principio del posizionamento della stazione base è simile al radar. Il posizionamento radar consiste nell'emettere onde radar ed eseguire la misurazione della posizione spaziale in base al riflesso del bersaglio.

La stazione base funziona come un "radar".

Di solito, un telefono cellulare sarà sotto la copertura del segnale di più stazioni base in una città. Il telefono cellulare "misura" i segnali pilota di downlink di diverse stazioni base per ottenere il segnale TOA (tempo di arrivo) o TDOA (differenza di orario di arrivo) di ciascuna stazione base.

In base al risultato della misurazione, le coordinate del telefono cellulare possono essere calcolate in combinazione con le coordinate della stazione base,

Ecco una foto per mostrarlo.

Tutti i suddetti metodi di posizionamento presentano un evidente difetto. Non possono penetrare negli edifici e non possono raggiungere il posizionamento all'interno.

Il posizionamento satellitare richiede che il ricevitore riceva segnali satellitari sufficienti. Quando si entra nella stanza o si è ostruiti, il segnale satellitare è molto debole e non può essere posizionato in modo efficace.

Quando siamo all'aperto, il segnale di posizionamento GPS ricevuto dal telefono cellulare può raggiungere più di 15. Quando siamo all'interno, il segnale di posizionamento GPS ricevuto dal telefono cellulare all'interno può essere inferiore a 3.

Si può sapere che quando il numero di satelliti diminuisce, l'errore di posizionamento aumenta da 10 m a 66 m.

Da un lato, la tecnologia di posizionamento satellitare e delle stazioni base non può soddisfare le esigenze del posizionamento indoor. D'altra parte, c'è una crescente domanda di posizionamento indoor, come la navigazione di garage sotterranei, centri commerciali per trovare negozi e merci e persino per trovare bambini smarriti.

Grazie alla crescente domanda, le persone hanno sviluppato una serie di tecnologie per cercare di utilizzare altri tipi di nodi di ancoraggio per fornire capacità di posizionamento. Include Wi-Fi, Bluetooth , UWB e altre tecnologie.

Cos'è l'UWB?

Wi-Fi e Bluetooth non sono una grande novità per noi. Allora, cos'è l'UWB?

UWB è una tecnologia a banda ultralarga, che ha avuto origine dalla tecnologia di comunicazione a impulsi emersa negli anni '60.

Il sistema di comunicazione generale utilizza una portante ad alta frequenza per modulare un segnale a banda stretta e l'effettiva larghezza di banda occupata dal segnale di comunicazione non è elevata.

UWB è diverso dalla tecnologia di comunicazione tradizionale, realizza la trasmissione wireless inviando e ricevendo impulsi estremamente stretti con grandezza di nanosecondi o microsecondi. A causa dell'ampiezza del tempo di impulso estremamente breve, è possibile ottenere una banda ultralarga sullo spettro, superiore a 500 MHz.

La FCC (Federal Communications Commission) ha assegnato un totale di 7,5 GHz da 3,1 GHz a 10,6 GHz per UWB. Hanno anche imposto limiti più severi alla sua potenza irradiata rispetto a FCC Part15.209 UWB è limitato alla banda di frequenza di -41,3 dBm.

In breve, UWB raggiunge una trasmissione dati veloce con un basso consumo energetico grazie alla larghezza di banda ultra-ampia e alla bassa potenza di trasmissione.

A causa dell'ampiezza temporale estremamente breve degli impulsi UWB, è possibile utilizzare tempi ad alta precisione anche per la misurazione della distanza.

Rispetto alla tecnologia di posizionamento Wi-Fi e Bluetooth, UWB ha i suoi vantaggi.

• Forte capacità anti-multipath, elevata precisione di posizionamento. La larghezza di banda determina la capacità di risoluzione della distanza del segnale in un ambiente multipath (in proporzione diretta). UWB ha un'ampia larghezza di banda e una forte capacità di risoluzione multipath, che può distinguere ed eliminare la maggior parte dell'influenza dei segnali di interferenza multipath e ottenere risultati di posizionamento ad alta precisione. L'UWB può essere superiore a quello di altri sistemi tradizionali in termini di risoluzione della distanza e la sua precisione può persino raggiungere più di cento volte quella dei sistemi tradizionali come Wi-Fi e Bluetooth in un ambiente complesso.
• Elevata precisione del timestamp. Gli impulsi UWB hanno una larghezza di banda di nanosecondi. Quando si calcola la posizione in base al tempo, l'errore introdotto è solitamente inferiore a pochi centimetri.
• Forte compatibilità elettromagnetica. UWB ha una bassa potenza di trasmissione e un'ampia larghezza di banda del segnale, che può essere ben nascosta in altri tipi di segnali e rumore ambientale. I ricevitori tradizionali non possono identificare e ricevere. Deve utilizzare la stessa sequenza di impulsi del codice di diffusione del trasmettitore da demodulare, quindi non causerà interferenze ad altri servizi di comunicazione, allo stesso tempo, può anche evitare interferenze da altri dispositivi di comunicazione.
• Elevata efficienza energetica. UWB ha una larghezza di banda RF superiore a 500 MHz, che può fornire un grande guadagno di spettro esteso, rendendo il sistema di comunicazione UWB ad alta efficienza energetica. Per le apparecchiature alimentate a batteria, l'orario di lavoro del sistema può essere notevolmente esteso e, con la stessa limitazione della potenza di trasmissione, l'area di copertura è molto più ampia di quella della tecnologia tradizionale. I trasmettitori UWB in genere trasmettono meno di 1 mW per applicazioni a corto raggio. Nelle applicazioni a lunga distanza, è possibile raggiungere una distanza di 200 metri senza un ulteriore amplificatore di potenza, raggiungendo al tempo stesso una velocità d'aria di 6,8 Mbps.

Sulla base dei vantaggi tecnici di cui sopra, UWB può formare un sistema di posizionamento interno ad alta precisione.

Confronto tra UWB e altre tecnologie di posizionamento

Al momento, ci sono tre metodi di misurazione UWB comunemente usati.

(1) ToF (tempo di volo). La misurazione della portata si ottiene misurando il tempo di volo del segnale UWB tra la stazione base e il tag.

(2) TDoA (Differenza oraria di arrivo). Il segnale UWB viene utilizzato per individuare la differenza di orario dal tag a ciascuna stazione base.

(3) PDoA (differenza di fase di arrivo). La relazione azimutale tra la stazione base e il tag viene misurata dalla fase Angolo di arrivo.

Sviluppo del settore UWB

UWB è stato ampiamente utilizzato per scopi militari prima del 2002. Nel 2002, la FCC ha revocato il divieto della tecnologia UWB e le ha permesso di entrare nel campo civile.

Da allora, la tecnologia UWB è entrata in un periodo di rapido sviluppo e varie soluzioni tecniche hanno anche lanciato una feroce concorrenza intorno alla formulazione degli standard internazionali UWB.

Nel 2007, IEEE ha standardizzato la tecnologia UWB nello standard 802.15.4a. Dopo quasi 10 anni di sviluppo, gli standard UWB sono in costante miglioramento.

Decawave deve essere menzionato nella catena industriale UWB.

Decawave è attualmente l'unico produttore di chip di posizionamento UWB noto per supportare IEEE 802.15.4. Offrono chip a basso costo a un prezzo al dettaglio di pochi dollari. Il chip è DW1000, conforme al protocollo standard IEEE 802.15.4-2011 UWB (in condizioni ideali, la portata massima misurabile è di 300 m).

Dopo il lancio del prodotto Apple, INTRANAV, un produttore di posizionamento basato sul chip Decawave DW1000, ha pubblicato due tweet affermando che il suo kit supporta l'interoperabilità con iPhone11 e anche Decawave ha ripubblicato il tweet. Ciò dimostra che Apple U1 ha una grande possibilità di supportare IEEE 802.15.4.

Altri produttori impegnati nella tecnologia UWB includono Ubisense e BeSpoon. Questi produttori utilizzano le proprie soluzioni UWB, che di solito vengono lanciate sotto forma di un kit di moduli, ma nessuna di esse supporta IEEE 802.15.4.

La realizzazione di una migliore consapevolezza spaziale richiede il supporto dell'ecologia applicativa. Per costruire l'intero ecosistema applicativo, i dispositivi di diversi produttori devono raggiungere l'interoperabilità e la compatibilità. È prevedibile che in futuro i dispositivi di tutti i produttori supporteranno probabilmente lo standard IEEE 802.15.4.

Effetto di posizionamento UWB

Attualmente, ci sono tre gare di posizionamento indoor di alto livello nel mondo,

1) Concorso di localizzazione indoor Microsoft (MILC)

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

3) Conferenza internazionale sul posizionamento indoor e la navigazione indoor (IPIN)

Il concorso MILC di Microsoft è riconosciuto come il palcoscenico migliore per giudicare la tecnologia di posizionamento indoor ad alta precisione.

Di seguito è riportato un elenco dei primi tre risultati basati sul gruppo di infrastrutture nelle competizioni MILC nel corso degli anni.

Si può sapere che dal 2015 i vantaggi di UWB sono stati gradualmente dimostrati ed è diventata la tecnologia più promettente nella tecnologia di posizionamento ad alta precisione. Allo stesso tempo, il DW1000 di Decawave è anche la scelta principale in specifiche soluzioni di posizionamento. 7 degli 8 team UWB vincenti hanno utilizzato il DW1000.

Nella competizione del 2018, è stato utilizzato uno SLAM laser ad altissime prestazioni per costruire una mappa (immagine a sinistra) e sulla base di questo output in tempo reale della traiettoria della posizione reale (a destra), che è stata utilizzata come base di valutazione per il gioco.

La sede della partita è il Palazzo della Borsa di Porto, in Portogallo, e l'ambiente è molto complicato.

Il concorso del 2018 è stato il primo a valutare l'accuratezza dinamica. Il luogo della competizione era molto complicato ei risultati erano molto orientati. In questo caso vale la pena menzionare il team di Anthony Rowe della Carnegie Mellon University negli Stati Uniti. Questa squadra è leader nel campo del posizionamento indoor. sono entrati nei primi tre 3 volte. Nel 2018 si sono classificati al primo posto e al secondo posto.

Squadra CMU Anthony Rowe

Ancora più importante, il percorso tecnico che il team ha preso al primo posto nel 2018 è UWB + Augmented Reality (AR) e l'iPhone 11 Pro è diventato il primo telefono cellulare che supporta sia AR che UWB. Ciò dimostra che il team ha una forte conoscenza tecnica.

Inoltre, anche Nanjing ATE Electronic Technology Co., Ltd. dalla Cina merita attenzione.

Sono una squadra emergente. Un anno dopo essere entrati nel mercato UWB, hanno partecipato alla competizione del 2018 e hanno ottenuto un pareggio per il secondo posto. Questa è la migliore classifica della squadra di casa in questo evento finora.

L'immagine sopra è la traiettoria in tempo reale prodotta dal team ATE durante la competizione. Si può vedere che, con l'eccezione di poche aree, la maggior parte delle aree ha coordinate di posizionamento di output con elevata precisione. Il blu è la traiettoria in tempo reale del laser SLAM, il punto verde è la traiettoria prodotta dal team ATE e il rosso è l'errore del vettore.

L'immagine sopra è un confronto degli errori di posizionamento medi delle squadre partecipanti. L'errore di posizionamento medio del team ATE è di 0,4 metri.

Tuttavia, diversi team forti tradizionali, come Racelogic e Russian Research Institute, che utilizzano anche la tecnologia UWB, hanno raggiunto solo quasi 1 metro o anche peggio. Questo illustra pienamente la difficoltà della gara del 2018.

Riepilogo

Tutto sommato, il supporto completo dell'iPhone per UWB è un'opportunità molto preziosa per la promozione commerciale su larga scala. Inoltre, accelererà lo sviluppo e la maturità della catena industriale UWB a monte ea valle.

Con l'avvento del 5G, stiamo accelerando verso l'era dell'internet di tutto e appariranno sempre più dispositivi e applicazioni IoT. La tecnologia UWB può essere strettamente integrata con queste applicazioni IoT in base alle proprie caratteristiche per fornire agli utenti una migliore esperienza di servizio.

La tecnologia UWB ha prospettive di sviluppo molto ampie, tra cui smart home, AR, pagamento mobile, monitoraggio infermieristico, prospezione geologica, navigazione indoor, ecc.

Secondo le previsioni delle agenzie competenti, in futuro la tecnologia UWB occuperà il 30% ~ 40% del mercato del posizionamento indoor e si prevede che la dimensione del mercato raggiungerà i 16,4 miliardi di dollari USA nel 2022.

Guardiamo avanti al brillante futuro di UWB.