UWB发展进入新阶段

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2019年和2020年对于超宽带(UWB)技术可以说非常重要。一方面,UWB技术终于正式进入了主流消费电子产品(iPhone 11),另一方面,在今年下半年,IEEE更新了UWB的相关标准(802.15.4z),从而为UWB进一步进入主流应用铺平了道路。

UWB技术历史沿革

UWB技术发展的第一个里程碑可以说是2003年UWB美国和欧洲标准的发布。频谱是一个相当宝贵的资源,每个国家和地区都有自己独特的频谱分配方案。传统的射频系统中,射频信号的功率都集中在相应协议对应的频谱段上,而在协议之外的频段则必须保证泄露的功率足够小以避免干扰。而UWB则使用了另一种思路,它将自己的信号功率分配在很宽的频谱段中(常常超过1GHz),而在每一个频点的功率都很小,从而避免对其他无线协议的干扰。这样做的好处是UWB可以在全球不同的地区都能普适地工作,而无需担心每个地区的频谱分配。

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如前所述,UWB的特征是带宽大,但是频率点功率密度小,因此传输距离通常限制在一米到数十米的范围内;同时,它的带宽大,因此传输速率可以做到较快,但是其传输速率也被功率密度所限制,因为信噪比的原因无法实现复杂的调制方案,其传输数据率通常在1Gb/s以下。另一方面,由于UWB的调制方式通常比较简单,因此其无线收发芯片的架构也相对简单,因此UWB无线收发系统的功耗较小,而能效比则较高。

UWB最早设想的应用是作为PC的外设做短距离无线传输,以充分利用其带宽大的特点,同时在这样的应用中UWB传输距离近的限制也不是问题。然而,这样的应用方向市场并不认可,一方面短距离传输使用UWB相对于USB等其他方案来说无论是成熟度还是成本都没有优势,另一方面应用在类似距离场景的无线协议(如WiFi)则在兴起并且其传输速度改善速度很快,这也从另一个方向降低了UWB的竞争优势。

UWB的另一个应用思路是利用其低功耗的优势,因此曾经有很多关于把UWB应用在可穿戴设备上的研究。然而,UWB在这个场景里又遇到了蓝牙。相对于蓝牙,UWB的功耗优势并不是特别显著,尤其是在可穿戴设备和手机等智能设备之间通信无需很高的数据率时,UWB的高带宽高能效比特性更是难以体现。

UWB在沉寂了多年之后,终于凭借其高带宽的优势找到了一个合适的应用,即定位应用。在定位相关的应用时,UWB高带宽的特点决定了其定位精度较高(这里的原理和雷达很接近)。有趣的是,最早设计UWB的时候,希望高带宽能带来的是高数据率,然而和UWB相关的数据传输应用都没有得到市场认可,反而是在和雷达比较接近的定位应用用上了其高带宽的特点。

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UWB正处于爆发前夜

在过去两年中,UWB用于定位的特性帮助其进入了主流消费电子领域。UWB定位的一大优势是其精确度高。与蓝牙或WiFi等基于射频信号强度来做定位的方法相比,UWB使用的原理是和一些汽车雷达类似的飞行时间(ToF),即发送端发射一个信号,接收端在收到这个信号之后经过协议定义的延迟后再发回给发送端,这样发送端只要比较发送和接受信号的时间差并乘以光速就能获得发送端与接收端之间的距离。根据多个发送端对于接收端的距离,就可以通过几何关系计算出接收端的位置,从而实现定位。相对于基于其他无线协议定位的高误差(米级别),UWB定位可以实现分米甚至厘米级别定位精度。

UWB和雷达信号的相似性也启发了使用UWB做高指向性应用。众所周知,雷达通过天线阵列可以实现高指向性扫描,因此UWB配合类似的天线设计,也可以实现高指向性的信号传输,这一点在苹果iPhone 11和小米的“一指连”中都得到了充分应用。例如,小米的“一指连”使用了天线阵列,从而实现高指向性UWB信号收发,最终实现了手机可以把视频投影到它所指向的电视上的效果。

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此外,UWB定位还有另一个独特的优势,就是安全性。在前几个月刚刚发布的IEEE 802.15.4z更新标准中,对于UWB定位的安全性做了改进,从而可以从理论上进一步防止基于UWB的定位被黑客入侵和篡改。由于UWB的定位是基于飞行时间,因此定位的时候需要设备实际在场,这样一来黑客就难以使用一个不在场的设备来伪造和定位设备之间的通信。UWB的安全性将在汽车钥匙远程解锁等应用中得到体现。

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在过去几年,UWB的发展得到了市场和标准制定组织的多重助力,并实现了进入主流智能设备(iPhone 11 和三星Note 20 Ultra)这一重要里程碑。同时,在科研领域也获得了久违的重视,在2021年ISSCC上又为久违的UWB重新开设了一个会议议程,我们认为这也从另一个角度体现了UWB在未来几年将会进入高速发展期。根据UWB Alliance的预测,到2025年UWB芯片的总体芯片收入将达到2020年的10倍。

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UWB未来应用方向与我国半导体企业的机会

我们认为,未来的UWB的核心发展方向仍然是雷达类应用(即定位和指向)。

在定位和指向应用中,首先智能家电将会成为UWB重要的使用场景。iPhone 11中的U1 UWB芯片根据指向来优先传输AirDrop只是该技术的小试牛刀,未来随着物联网智能设备更多地进入家庭,凭借UWB的指向性特性手机将成为下一个遥控器,同时智能设备之间使用UWB定位也能完成众多新颖的应用场景,例如家用机器人的智能定位和导航等。

除了智能设备之外,另一个能充分利用UWB定位能力的应用场景是车载应用,例如无线车钥匙等。随着智能化汽车的普及,一些远程操控空能将会越来越复杂(例如远程离开停车位,远程启动等等),然而其安全性必须得到保障以避免被黑客实现入侵和偷窃,因此基于UWB高安全性特性的方案将会在这个领域占有越来越重要的地位。

从无线技术上来说,UWB的实现比起手机通信来说要容易许多,其复杂度甚至会比WiFi更低,而最关键的是如何与应用相结合。我们认为,这对于中国目前纷纷开始自研芯片的手机和智能设备公司来说是一个好消息,因为小米,Oppo、华为等系统厂商本来就离应用很近,可以很容易地根据自己的应用路线图去自己设计UWB芯片(就像苹果自研U1 UWB芯片一样),这一方面可以实现差异化竞争,另一方面又提升了整体应用方案的独特特性,因此我们认为小米,Oppo、华为等系统厂商有机会成为未来UWB应用+芯片的整体领导者。除此之外,由于UWB芯片的技术门槛较低,我们认为在市场出货量上升之后,我们也会快速看到一批有技术积累的中国公司进入市场抢占份额。总体而言,我们预期在未来的数年内,UWB技术和市场发展将会进入快车道,同时我们也期待中国芯片在这个领域大放异彩。

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来源: 半导体行业观察

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