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 ultra larga (UWB).

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

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

Le risposte a queste domande verranno 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. Non solo può rilevare la posizione del proprio telefono cellulare, ma anche la posizione di altri telefoni cellulari nelle vicinanze.

In base alla capacità di consapevolezza dello spazio fornita dal chip U1, quando usi AirDrop (AirDrop è la funzione di condivisione file wireless fornita dai dispositivi Apple), devi solo puntare il tuo 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 ottieni una risposta".

Il posizionamento è un argomento familiare a tutti noi. Utilizziamo spesso APP come Google Map o Baidu Map, che dispongono di 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, il che porta grande comodità al nostro lavoro e alla nostra vita.

Quindi, 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 i satelliti della terra artificiale per eseguire la misurazione della posizione dei punti. Ed è attualmente la tecnologia di posizionamento più utilizzata e più popolare per gli utenti. Le caratteristiche di alta precisione, alta velocità 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 (BDS) della Cina, Galileo dell'Europa, GLONASS della Russia.

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 alla riflessione 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 "misurerà" i segnali pilota di downlink di diverse stazioni base per ottenere il segnale TOA (tempo di arrivo) o TDOA (differenza di tempo di arrivo) di ciascuna stazione di base.

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

Ecco una foto per mostrarlo.

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

Il posizionamento satellitare richiede che il ricevitore riceva abbastanza segnali satellitari. 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 al chiuso, il segnale di posizionamento GPS ricevuto dal telefono cellulare 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 della stazione base non può soddisfare le esigenze del posizionamento indoor. D'altra parte, c'è una crescente domanda di posizionamento indoor, come la navigazione nei garage sotterranei, i 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 provare a 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 la larghezza di banda effettiva 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 della larghezza del tempo di impulso estremamente breve, è possibile ottenere una banda ultra larga sullo spettro ed è 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 -41,3 dBm.

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

A causa della durata estremamente breve degli impulsi UWB, è possibile utilizzare anche la temporizzazione ad alta precisione per la misurazione della distanza.

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

• Forte capacità anti-multipercorso, 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 multipercorso, che può distinguere ed eliminare la maggior parte dell'influenza dei segnali di interferenza multipercorso e ottenere risultati di posizionamento ad alta precisione. UWB può essere superiore ad altri sistemi tradizionali nella risoluzione della distanza e la sua precisione può raggiungere anche 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 generalmente 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 per demodulare, quindi non causerà interferenze ad altri servizi di comunicazione, allo stesso tempo, può anche evitare interferenze da altri dispositivi di comunicazione.
• Alta efficienza energetica. UWB ha una larghezza di banda RF superiore a 500 MHz, che può fornire un grande guadagno a spettro diffuso, rendendo il sistema di comunicazione UWB ad alta efficienza energetica. Per le apparecchiature alimentate a batteria, il tempo di lavoro del sistema può essere notevolmente esteso e, a parità di 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 amplificatore di potenza aggiuntivo, raggiungendo una velocità d'aria di 6,8 Mbps.

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

Confronto tra UWB e altre tecnologie di posizionamento

Al momento, ci sono tre metodi di range 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 tempo dal tag a ciascuna stazione base.

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

Sviluppo del settore UWB

L'UWB è stato ampiamente utilizzato per scopi militari prima del 2002. Nel 2002, la FCC ha revocato il divieto alla 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 forte 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 del settore UWB.

Decawave è attualmente l'unico produttore di chip di posizionamento UWB noto per supportare IEEE 802.15.4. Offrono chip a basso costo ad 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 Decawave ha anche 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 kit di moduli, ma nessuno di loro supporta IEEE 802.15.4.

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

Effetto di posizionamento UWB

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

1) Concorso Microsoft per la localizzazione indoor (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 sulla navigazione indoor (IPIN)

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

Di seguito è riportato un elenco dei primi tre risultati in base al gruppo infrastrutture nelle competizioni MILC nel corso degli anni.

Si può sapere che dal 2015 i vantaggi dell'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 soluzioni di posizionamento specifiche. 7 degli 8 team UWB vincitori hanno utilizzato il DW1000.

Nella competizione del 2018, un laser SLAM ad altissime prestazioni è stato utilizzato per costruire una mappa (immagine a sinistra) e basata su 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 del gioco è il Palazzo della Borsa di Porto, in Portogallo, e l'ambiente è molto complicato.

Il concorso 2018 è stato il primo a valutare la precisione 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 3 volte tra i primi tre. Nel 2018, sono stati classificati primi e pareggiati per secondi.

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 intuizione tecnica.

Inoltre, anche la 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 2018 e hanno raggiunto un pareggio per il secondo posto. Questa è la migliore classifica della squadra nazionale in questo evento finora.

L'immagine sopra è la traiettoria in tempo reale prodotta dal team ATE durante la competizione. Si può notare che, ad eccezione di poche aree, la maggior parte delle aree ha coordinate di posizionamento in uscita con elevata precisione. Il blu è la traiettoria in tempo reale del laser SLAM, il punto verde è la traiettoria emessa 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 tradizionali forti, come Racelogic e Russian Research Institute, che utilizzano anche la tecnologia UWB, hanno raggiunto solo 1 metro o anche peggio. Questo illustra appieno 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. Accelererà inoltre lo sviluppo e la maturità della catena industriale a monte ea valle dell'UWB.

Con l'avvento del 5G, stiamo accelerando verso l'era di 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 casa intelligente, AR, pagamento mobile, monitoraggio infermieristico, prospezione geologica, navigazione interna, ecc.

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

Guardiamo al futuro luminoso di UWB.

Scritto dal consulente senior di RF-star XCODER (un saggista di We-Media)