蘋果的新大招與室內定位技術

文作者:楊豐林

蘋果的新大招與室內定位技術

蘋果的新大招與室內定位技術

蘋果即將推出的基於UWB(Ultra WideBand,超寬帶)技術的電子追蹤器AirTags(Apple Tags),到底是個什麼神奇玩意兒?

近期有媒體報導蘋果即將推出基於UWB(Ultra WideBand,超寬帶)技術的電子追蹤器AirTags(Apple Tags),並預測2020年出貨量將達千萬等級,甚至有可能成為繼目前十分火爆的TWS產業之後下一個聚焦熱點,前景十分看好。

蘋果的新大招與室內定位技術

(圖片出自網絡)

根據曝光的消息,AirTags應該是一個小小的圓形白色物件,通過藍牙和iPhone等其他蘋果硬件設備配對,並將利用iPhone 11系列當中的超寬帶U1芯片實現更加精準的室內追蹤;它還將具有增強現實組件,使您可以通過將相機對準按鍵或其他物品可能存在的區域來定位物品。這是目前上其他同類產品所無法比擬的。

AirTags 本質上是一種基於UWB技術的近距離尋向和高精度定位產品,通過提供短距離測量功能,這款設備將增強iOS的尋找功能和增強現實(AR)應用的用戶體驗。由於蘋果巨大的產業引導能力,該報導在業界引起不小的反響。

為更好瞭解室內定位技術分類及產業發展趨勢,本文將就其原理進行基本介紹,並就高精度定位技術發展趨勢進行展望。

01

室內定位市場

室內定位就是指在室內環境中實現物體或人的位置定位。近年來,隨著室內定位技術精度的提高,室內定位為零售、制造、醫療、機器人等行業提供十分準確的位置信息數據,成為物聯網時代的重要基礎。不可否認的是,未來是物聯網的時代,而室內定位技術作為物聯網感知網絡的底層基礎,自然能夠獲得更大的市場機遇。

據統計,普通人有80%時間是在室內度過,而在眾多的數據中,位置數據是一個重要的維度,未來50%以上的信息都與位置數據相關。要采集位置數據就需要依賴定位技術,隨著技術的發展,定位技術的各項性能指標也得到瞭長足的進步,基於定位技術的相應市場也正在逐漸開啟。

室內定位應用廣泛,大概有四類市場:

●政府類應用:公、檢、法、司、機關等

●工業類應用:貨品倉庫、智能工廠、地鐵、隧道、礦井等;

●商業類應用:商場、博物館、體育館、展覽館、圖書館、地下車庫等;

●消費類應用:防丟器、跟隨器等;

據Market&Markets的調查數據顯示,未來幾年,室內定位的全球市場將以42.0%的年復合成長率增長,市場規模預計從2017年的71億1000萬美元擴大到2022年的409億9000萬美元。特別是以蘋果為代表的手機企業將高精度定位系統引入手機生態系統後,原本TO B 的商業模式將快速過度到TO C的市場,這必將引起新一輪市場的快速增長。

蘋果的新大招與室內定位技術

預計2018 ~ 2022年期間,室內定位技術將廣泛滲透進入智能制造、智能建設、養老醫療、公共安全、物流運輸等行業應用,逐漸成為追蹤和定位服務的主流技術。

02

室內定位技術簡介

定位技術方面,GPS技術應用最成熟也最廣泛,但它不支持室內定位。室內外區域定位常用到的技術有Wi-Fi、RFID、ZigBee、紅外線、藍牙和UWB超寬帶技術,各種技術有各自的特點,如下表所示:

蘋果的新大招與室內定位技術

點擊可放大

有眾多技術可以實現室內定位,其中包括RFID、紅外線、藍牙Beacon、Zigbee,Wi-Fi、UWB及AOA-BLE,每種技術都有其長處和不足,其中高精度定位領域主要是UWB 及最新BLE 5.1 所支持的AOA/AOD技術;下面分別就這兩種技術進行詳細說明。

01

UWB 定位技術

UWB定位系統在室內定位市場中占據30% ~ 40%的市場份額。制造產業中的資源利用和工作流優化,使企業對基於UWB技術的實時定位系統的應用需求日益增長,促進瞭UWB技術在定位精度方面的進步,提升瞭市場競爭力。

UWB是一種寬帶短距離的無線脈沖通信技術,在室內高精度定位技術方面,UWB被視為最有發展前途的技術之一,其擁有精度高、抗多徑幹擾能力強(多徑:是指RF信號通過不同路徑到達同一接收端)、保密性高等特點而被廣受關註。

UWB 定位基本原理:

蘋果的新大招與室內定位技術

UWB技術最大問題:

1.成本高

此前,UWB定位技術主要在企業級應用市場推廣,雖然性能優越,不過比較小眾。此次蘋果在其新品手機中植入UWB芯片,將會正式開啟UWB在消費級的應用市場,對整個UWB定位產業的擴大與成熟有很大的幫助。目前UWB定位技術最讓人詬病的就是費用太貴,而手機植入後,也將會對成本下降有很明顯的促進作用,讓外界對UWB定位技術有瞭很高的期待。

2.功耗大

由於工作頻段在3.1GHz~10.6GHz 超高頻范圍,且帶寬高達500MHz,其功耗為普通藍牙模塊還是要高很多。

3.發射功率受限,覆蓋范圍較小

美國FCC關於UWB設備發射功率的要求:在3.1GHz~10.6GHz頻段上FCC對發射場強的功率限制為:測量帶寬1MHz時,距離3m處場強最大為500μV/m,即-41.3dBm。如果帶寬為500MHz, 則信道內絕大發射功率不得超過:-41.3+10log(500)=-14.3dBm;此功率為EIRP(全向輻射功率),考慮到天線增益與空間衰減可近似抵消,因此UWB發射機帶內發射功率不得超過-14.3dBm。

此功率僅為傳統藍牙發射設備(6dBm)的1/100左右(註:對於無線發射功率,20dB相對於100倍),因此其有效覆蓋范圍相對於其他設備大打折扣,這也是Apple Tags 僅僅能夠支持近距離聯絡的原因。

02

AOA-BLE 定位技術

AOA-BLE定位基本原理:AOA(Angle of Arrival )定位系統由標簽端(或被定位目標)及定位器組成,其中定位器包含由天線陣列及高速定位引擎。基於AOA定位的的基本原理是標簽發射無線信號到定位器,定位器中天線陣列在不同時間點收到同一信號源發出的無線信號,通過分析到達時間差,借助定位器中所嵌入的定位算法(例如MUSIC算法),通過運算可以計算出標簽對定位器的方位角與俯仰角,再配合信號強度估計,可以精確對目標進行兩維平面定位(兩個以上定位器可對同一目標進行空間定位)。如下圖所示:

蘋果的新大招與室內定位技術

●BLE高精度定位系統主要采用信號到達角(AOA)定位技術;

●通過精確估計出標簽發送信號到達定位基站的角度,測量出標簽在2D平面裡X,Y的坐標定位,實現對標簽的精確定位;

●高精度定位覆蓋范圍圓錐角度約100°;

●超過100°的范圍定位精度較差;

在2019年藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group)推出的低功耗藍牙核心規范BLE 5.1中,基於AOA/AOD測向功能(Direction Finding)的空中數據接口規范已經正式納入其中,這使得搭載瞭低功耗藍牙技術BLE5.1的裝置(包括手機、各種職能終端)可發射定位數據包給定位器(AOA,室內定位),或者偵測藍牙定位器所發出的導航信號(AOD,室內導航),從而提供厘米等級的定位/導航精準度。

作為一項定位技術,藍牙已成手機中的標配是其最大的優勢,借助手機已有的生態環境將該技術進行大規模推廣已經成為產業發展趨勢。本次藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group)協議標準的更新,通過藍牙AOA/AOD定位可將定位精度提升到亞米級。此外,再結合藍牙本身的優勢,使得整個室內定位行業對藍牙定位技術及相關市場都充滿瞭期待。

基於AOA-BLE 定位系統組成:

蘋果的新大招與室內定位技術

●基站系統

√RF開關精確實現微秒級控制天線陣列接收信號

√RF硬件及ADC完成信號IQ采樣

√支持標準的BLE通信協議

√優化的軟硬件方式實現AOA及RSSI定位雙引擎

√標準化定位API接口

●標簽系統

√支持電子卡、手環、手機APP等多種標簽形式

√標簽可實現超低功耗;

●定位服務器

√標準化的定位信息接口

√支持多種數據服務

●行業應用終端

√實時標簽的運動軌跡

√支持電子圍欄

√實時室內導航

基於AOA-BLE 室內定位技術優勢:

1)兼容性好–兼容BLE5.1協議,具有廣闊的生態空間;

2)功耗小–適合於包括手機在內的各種智能終端及物聯網設備;且功耗也比較低;

3)標簽成本低—采樣普通的藍牙芯片或兼容藍牙廣播包的2.4GHz芯片便可搭建(或普通手機),BLE芯片目前成本也相對比較低;

4)頻譜資源不受限制–工作在全球通用的2.4GHz ISM免費頻段,適應性強。

5)核心芯片可控–國內藍牙芯片供應商眾多,完全自主可控;

03

室內定位技術發展趨勢

(1)基於低功耗藍牙BLE的定位技術會被越來越廣泛應用。藍牙室內定位已發展一段時間,隨著BLE5.1規范推出,BLE定位受到相當大的關註。目前基於該技術的信息推送應用在零售業已經獲得相當大的響應,預期未來BLE室內定位技術會更多結合信息推送、移動支付等應用,或被實踐在日常生活上提供個性化服務。

(2)多種技術結合的混合定位方法,以滿足各種室內環境和應用場景的需求,並彌補單一技術的局限。

(3)室內地圖和室內定位數據庫會迅速發展,相關技術趨於成熟,以保證快速擴展的能力和定位性能的可靠性與一致性。

(4)采用專用的定位引擎來處理定位、運動檢測、傳感器數據分析、信息融合和地理圍欄(Geo-fencing)。

(5)低功耗優化,降低定位功能對移動設備帶來的額外功耗以實現隨時隨地的精準定位。

04

室內定位領域上下遊產業鏈

室內定位領域已經形成較為完整的產業鏈,主要分為上遊芯片產業、中遊系統方案商、下遊系統集成商。

01

上遊芯片領域

A、UWB芯片:

●國外:Decawave、NXP等

●國內:精位科技

B、BLE5.1 芯片(帶AOA功能):

●國外:TI、SiliconLab、Dialog、Nordic、Cypress etc;

●國內:磐啟微、泰凌微etc;

02

中遊的方案提供商

A、UWB:

●國外:SKYLAB、Zebra、Ubisense等

●國內:清研訊科、紅點定位、中電昆辰、恒高科技、南京沃旭、精位科技、品鉑科技、唐恩科技、鄭州聯睿、潤安科技、全跡科技、星網雲聯等。

B、BLE5.1(帶AOA功能):

以BLE芯片為基礎,並結合自己的定位算法研發出AOA定位系統

●國外:Quuppa、SiliconLab、TI

●國內:磐啟微、芯核互聯、上海極維、尋息電子等

03

下遊的集成商

負責為終端客戶提供應用解決方案。集成商根據每個行業的具體情況,將AOA-BLE定位系統二次開發,並和其他人員管理設備或者自動化配套設備集成,研發出更適合這些行業的定位系統與設備。

終上所述,隨著物聯網產業發展,室內定位作為物聯網感知網絡的底層基礎,具有很大的市場潛力。

05

總 結

室內定位技術眾多,各種技術都有自己的特點,彼此間又在一定程度上存在互相競爭。高精度室內定位技術均需要比較昂貴的額外輔助設備或前期大量的人工處理,這些都大大制約瞭技術的推廣普及。

低成本的定位技術則在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基礎上降低成本也是室內定位的一個方向。基於UWB 或AOA-BLE技術的兩種高精度室內定位系統是未來主流發展方向,在物聯網時代具有廣闊的生態空間及發展潛力。未來的趨勢一定是多種技術融合使用,實現優勢互補,以面對復雜環境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技術越容易普及。

本文作者:楊豐林 上海磐啟微電子有限公司

參考文獻:

1.http://mini.eastday.com/a/200219191558176.html;

2.https://blog.csdn.net/liulianchoudoufu/article/details/104376637;

3.https://blog.csdn.net/Hdu_lc14015312/article/details/93873741;

4.https://jingyan.baidu.com/article/7c6fb428cdf88780642c909a.html;

5.http://m.elecfans.com/article/672171.html

6,https://wenku.baidu.com/view/0573b069f021dd36a32d7375a417866fb94ac07f.html;

7.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1651878760817722073&wfr=spider&for=pc

8.《AOA-BLE高精度室內定位系統》,上海磐啟微電子有限公司,2019-10;

9.《INDOOR POSITIONING AND NAVIGATION》,KEGEN YU,2018;

Published in News by Awesome.

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *