开放标准明确了超宽带(UWB)技术与蓝牙的角色

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帮助您寻找钥匙的追踪器-标签技术有了很大改进,可以支持更多新的使用场景。超宽带(UWB)技术由Apple公司推广,已经由FiRa联盟(FiRa Consortium)进行了标准化。FiRa 2.0规范定义了UWB的使用案例,包括物品定位、室内导航以及指向和触发功能。这些案例突出表明,将UWB与蓝牙对比时,UWB能提供更精确的距离和方向估计。然而,这两种技术并不是替代品,而是互补品。

由于智能手机的普及和易用性,许多UWB应用案例得以实现。Apple公司率先展示了UWB的潜力,但该技术即将变得更加普及。高通公司(Qualcomm)已经开始在其芯片中实施UWB技术,这为UWB在Android手机中普及铺平了道路,使其与在Apple iPhone中的普及程度相当。随着更多手机使用超宽带技术,安装用户基础不断增长,这使得在其他地方增加该技术以实现新的使用案例变得可行。

增加UWB功能需要新的芯片设计。由于UWB技术和蓝牙低功耗(BLE)能更好地协同工作,Ceva开发了集成这两种技术的半导体知识产权(IP)。此外,该公司还创新了技术,以促进UWB与最新的Wi-Fi标准的共存。公司可以在芯片中应用这种IP,不仅限于目前的智能手机和智能标签,还可以应用在更广泛的领域和产品中。

超宽带vs蓝牙

在经过十年的发展后,蓝牙技术首次出现在爱立信T36手机上。自从这款手机问世以来,蓝牙技术已经成为了一项标准功能。它迅速流行起来,不仅可以将手机与耳机、扬声器连接,还可以将电脑与键盘、鼠标连接。就连基础车型也配备了蓝牙功能,用于在驾驶时进行免提通话。

随后,在2000年代中期,即2004到2006年期间,蓝牙低功耗(BLE)技术也发展起来,其工作频率与经典蓝牙相同,并拥有相似的覆盖范围,但它降低了数据传输速率,并进行了其他改进以节省电力。BLE非常适合智能家居和其他物联网(IoT)应用,这些应用中数据传输速率较低,设备(如门锁或标签)必须长时间依赖电池运行,并且成本必须降至最低。

在BLE发展的同时,几家公司也试图商业化UWB技术。他们最初希望利用UWB可以提供更高的理论数据传输速率,超过当时的蓝牙甚至Wi-Fi。支持者们设想,可以将UWB作为USB的无线替代方案,让计算机可以轻松连接外设,消费电子产品也能不再依赖复杂的电缆连接。但是,实际使用中UWB的表现不如预期,并且标准制定过程中的激烈竞争使得这些计划未能实现。

2019年,Apple在iPhone 11机型中加入了UWB功能,使该技术重新受到关注。宝马公司在2022年款汽车上增加了这一功能。自从这些产品推出以来,其他智能手机和汽车也纷纷增加了UWB功能,Apple推出AirTags后,推动了大规模的UWB采用。

智能手机,汽车和标签都采用了UWB,但不是用于高速数据传输,而是用于空间感知。这项技术之所以出色,是因为它利用宽广的500 MHz信道和脉冲调制技术,有效地减少了噪声和多径干扰的影响,它还能够帮助精确估算无线信号的飞行时间(ToF)和到达角度(AoA)。

蓝牙5.1增加了空间感知技术,但比不上UWB的精度。在实际应用中,蓝牙在定位设备时的精度大约在一米左右,而UWB可以达到厘米级的精度。即将推出的新蓝牙版本通过采用信道探测技术来提高测距的精度,这种技术利用波形之间的相位差异来估算设备之间的距离。新的蓝牙版本预计可以将测距精度提高到10厘米,但与UWB的测距相比,需要更多的时间,从而造成明显的滞后。UWB还有其他优势,包括强大的安全架构和更快的数据传输速率(31 Mbps)。虽然UWB比BLE消耗更多电力,但在测距方面,它提供了更卓越的用户体验,因为它更准确、速度更快,并且更安全。

不过,在比较UWB与蓝牙时,最好将UWB视为一种补充,而不是问“UWB能否取代蓝牙?”一个设备可以通过BLE发出信号告知自己的存在,并根据需要使用UWB技术建立连接,以利用UWB提供的更快速的数据传输和更精确的定位能力。

新UWB设计将推动其广泛应用

虽然UWB的采用才刚刚起步,但它即将迎来一个重大推动。高通公司(Qualcomm)在其最新的移动组合芯片FastConnect 7900中集成了这项技术,该芯片还支持Wi-Fi 7和蓝牙。与此同时,该公司的主要竞争对手,即联发科技(MediaTek)很可能也会采用UWB技术。由于几乎所有的安卓手机都采用了这两家公司的芯片组,因此UWB将像蓝牙和近场通信(NFC)一样迅速普及。预测显示,到2028年,50%的新手机将支持UWB。

然而,像FastConnect 7900这样同时支持经典蓝牙和Wi-Fi的组合芯片,并不适合许多物联网(IoT)设备。对于那些不需要Wi-Fi的更高数据传输速率或更远传输距离、只需一小块电池供电就能持续工作数月的设备,可以使用仅提供BLE和UWB功能的芯片。这可以是一个仅用于通信的芯片,也可以是集成其他功能的片上系统(SoC)。

从零开始开发这样的芯片需要信号处理和射频(RF)模拟电路方面的专业知识,以及实施无线电协议和实现标准兼容性方面的专业知识。对于芯片制造商来说,幸运的是,Ceva提供了一个结合BLE和UWB无线电的设计许可。这个半导体知识产权(IP)还包含了所有必要的固件。

此外,Ceva的RivieraWaves UWB设计包含了新颖的技术,可以应对来自最新Wi-Fi无线电的干扰。在UWB中,有几个信道位于6 GHz频段,这个频段也被Wi-Fi 6E和Wi-Fi 7使用,如下图所示。由于Wi-Fi的功率比较高,并且可以使用更宽的320 MHz频道,所以它可能会压过在6 GHz频段工作的UWB无线电,并干扰其测距功能。

图 1。Wi-Fi 5E与Wi-Fi 7的频谱与UWB重叠,且功率谱密度更大。

新的使用案例展示了UWB技术优势所在

FiRa 2.0规范支持的消费类UWB应用包括智能标签、家庭自动化和室内导航。以前的智能标签要么只使用BLE技术,通常会向智能手机发送“我在附近”的信号,然后将其大致的GPS坐标记录在云端;要么使用UWB技术,以获得更高的精度,但只能在封闭的单一供应商生态系统中使用。FiRa是一个由多个供应商支持的联盟,其规范成为了行业标准。FiRa希望其“查找”规范能帮助用户在人群中找到朋友,识别拼车司机,同时还可以用于钥匙、行李和其他标签应用的定位功能。

新的家庭自动化使用案例,即“指向触发”功能,有望改变用户与设备互动的方式。仅使用BLE时,用户若想通过智能手表或智能手机打开或控制设备,必须在应用程序中选择相应设备。然而,使用UWB,用户只需将手表或手机对准设备,就可以选中它。“指向触发”效果也可以用于电视遥控器上,实现点击、拖动和圈选屏幕上的项目,与按下按钮相比,用户体验得到了改善,还可以支持电视游戏的实现。

室内导航UWB使用案例,特别是无跟踪导航。在像医院、机场、商场或餐厅这样的场所,要想定位步行中的人们,需要精确到米级的位置信息,甚至需要评估他们的朝向。尽管智能手机配备了GPS接收器,但在室内效果不佳且无法提供朝向。为了解决这个问题,这些场所可以安装固定的UWB“锚点”,与配备UWB设备或标签的人或物通信;FiRa 2.0规范定义了这些锚点和标签的作用和角色。

在跟踪导航中,这些锚点会将飞行时间(ToF)和到达角度(AoA)的信息发送给一个中央系统来跟踪目标位置。而在未跟踪导航中,处理过程转移到像智能手机这样的设备上,以增强隐私保护并简化固定基础设施的需求。用户可以像使用手机在城市中导航一样,在室内规划自己的路径,如上图所示。

图 2。FiRa 2.0可实现无跟踪室内导航,帮助用户轻松找到商场内店铺和机场登机口。

UWB接下来如何发展?

增强FiRa的开放标准以支持新的UWB使用案例,并将这一无线技术添加到新一波智能手机中,推动该技术走上广泛应用的道路。除了智能标签外,UWB技术还将应用于消费类设备,如电视和灯具,以及安装在固定锚点上,实现室内导航、人物和物体的定位,以及指向触发功能。类似的工业和医疗领域使用案例也将逐渐出现。要让设备配备UWB功能,就需要向芯片制造商提供无线电知识产权(IP),而最好的IP会包括BLE无线电作为补充,并引入创新技术来解决干扰问题。

如需了解更多信息请联系Ceva

常问问题

UWB有什么用途?

如今,UWB的主要使用案例集中在位置查找方面,包括智能标签、无钥匙进入汽车功能、室内导航、智能锁和指向触发接口等等。

UWB能否替代蓝牙?

UWB和蓝牙之间的关系更像是互补品,而不是替代品。在位置查找的应用中,蓝牙或蓝牙低功耗(BLE)可以在各方之间交换数据并提供大致的接近指示,随后UWB技术可以快速准确地定位。因此,智能设备会采用集成了UWB和蓝牙无线电的芯片。UWB的安全架构也使其成为汽车和家庭智能锁的良好选择。

UWB比蓝牙更快吗?

UWB确定距离和位置的速度比蓝牙快得多,因此定位应用程序的响应速度也更快。UWB还具有更高的峰值数据传输速率,高达31 Mbps,这使得需要快速传输大量数据的应用能够更快地执行。

UWB值得吗?

UWB是一项有价值的技术,它支持多种应用场景,如智能标签、室内导航、智能锁和指向触发接口。它正在经历转型,从少数供应商提供的小众能力转变为主流技术。随着它在更多智能手机型号中的应用,越来越多的物联网设备将集成UWB技术,这也会增加其价值。

UWB使用电池吗?

与其他大多数无线电技术一样,UWB也需要电源。然而,配备UWB的智能手机和其他设备可以将UWB保持在低功耗状态,直到需要使用它,从而节省电池电量。

责编: 爱集微
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