一文看懂UWB室内定位技术

文章大纲
苹果有望发布UWB技术手机
UWB补齐日益复杂的个人局域网通信需求
室内定位迎来机遇，UWB技术异军突起
·室内定位需求强劲，市场前景广阔
·UWB定位技术优势突出
巨头抱团，UWB生态系统逐步成熟
·恩智浦：UWB重要的芯片供应商
·三星：UWB的重要消费级系统方案商
产业链投资机会
UWB
苹果有望发布UWB技术手机




媒体报道，苹果2019年9月发布的iPhone将会配置UWB通信芯片。结合苹果产品布局和UWB的技术特性，我们认为，UWB将用于两方面功能：1）精准的室内定位、导航和追踪；2）实现iPhone与未来可能发布的眼镜实现近距离的高速数据传输。
苹果一直都是室内定位和精准营销的先行者，早在2013年就推出了基于蓝牙通信方式的iBeacon定位技术，在2015年初，国内微信摇一摇功能更是助推了iBeacon发展，但是由于场景单调、应用生态不完善，逐渐被消费者抛弃。UWB技术有望成为苹果室内定位的突破口，苹果在美国获得了《Pulse Shaping Interoperability Protocol for Ultra Wideband Systems》专利，用于精准的室内定位和室内导航，应用场景包括无感门禁认证、物品定位、动物定位、手机互联定位等。


苹果UWB专利名称及摘要
超宽带系统脉冲成形互操作协议（专利号：US20190007093）
1、通过交换脉冲形状信息，实现超宽带（UWB）设备的通信协作。
2、UWB设备使用脉冲形状信息来提高测距精度。
3、改进的测距精度可以用在复杂的多径环境中，其中使用高级估计方案来提取用于飞行时间估计的到达路径。
4、在一些实施例中需要提供包括确定UWB设备的位置信息并选择满足区域方面的脉冲形状信息来确定要共享的脉冲形状信息。
5、UWB接收器使用脉冲形状信息，包括特定于测距信号的时间零指标，用于时间戳飞行时间计算。
6、在一些实施例中，采用包括测量性能特性并基于性能特性选择不同的脉冲形状信息的方法来提高精度。
也有媒体报道，苹果也在计划发布一款类似tile的防丢追踪器，这个产品是一个圆形小配件，苹果logo在正中间，可以固定在任何产品上，然后通过手机定位防丢器的位置。这对于经常找不到钱包、钥匙的用户来说，这个产品非常方便。我们预测，苹果防丢追踪器可能将采用UWB技术。目前在iOS 13内测版本系统中已经发现了这项产品的线索，这款产品将会和“寻找”APP联动，此款产品的优势在于就算防丢器当下没有连上网络，也可以向周围的iOS装置发送加密信号，这也意味着，周围的所有苹果iOS装置都可以定位该防丢器的位置。考虑到，苹果的产品使用面积之广，也就意味着全世界的苹果产品都是用户的眼线，市场前景巨大。这也将极大推动室内定位市场产品的发展。
UWB
UWB补齐日益复杂的个人局域网通信需求


UWB的出现顺应了电子行业发展的趋势。随着Apple Watch、AirPods等穿戴式设备的兴起，用户对于不同设备之间的互联互通要求日益提升。不同于普通计算机局域网，个人局域网中设备之间的差异极大，在传输速度、传输距离、功耗、安全性等方面有着不同的要求。
WiFi、蓝牙、NFC等是个人局域网通信的几种重要方式。基于传输速度、距离、耗电量、安全性、价格或者用户特殊的需求等方面，这几种技术在不同的场合有着各自的优势。比如：WiFi传输距离远，价格便宜，因此被广泛被使用，但是WiFi也存在着安全性性能不高、传输速率偏慢的缺点；NFC对数据有着较高的安全保护，因此被用在支付相关的应用，但是传输距离较短。相比其他几种个人局域网的通信方式，UWB技术最大的特点是传输速率快（110Mb/s）、安全性能高、功耗低，但是传输距离有限，因此UWB适合应用在小范围、高分辨率的图像和视频的无线个人局域网。
日本著名话筒厂商铁三角公司从2008年开始就致力于UWB技术的开发，推出了SpectraPulse UWB无线麦克风系统，这款产品能绕过日益拥挤的射频环境，另外，其安全程度是以前商业无线麦克风从未达到的高度，是公司会议、审判、政府和商业活动的理想选择。


近些年，随着市场需求的增加，铁三角公司又专门成立了一个子公司Alteros，专注于高级的技术解决方案来帮助解决用于现场音频制作、广电、体育赛事、剧场等场景下日益变窄的频谱的一系列问题，其立足的核心就是UWB无线传输，Alteros开发了GTX系列产品，包括麦克风、发射器、接收器、控制器等。GTX产品传输每个脉搏都非常短，持续时间只有2.5纳秒，因为这意味着系统几乎总是处于“关闭”状态。系统只有1.2%的时间处于打开状态（即发送信号），其余98.8%的时间处于关闭状态。由于这个非常短的占空比，GTX24发射机信号对周围设备不可见，既能提高安全性能，同时更节能。
美国计算机外设连接领域领先的厂商IOGEAR，基于UWB技术发开了多款无线USB产品，能实现1080P视频的高速传输。
UWB满足了VR/AR对无线传输速度提出的更高要求，4K VR要求20-40Mbps的传输速度，8K VR要求高达90-130Mbps。传统的WiFi传输速率较低，UWB技术的高速传输性能有望在VR/AR的个人局域网内容传输发挥上巨大作用。
此外，UWB技术也可以解决VR/AR的精准定位和动作捕捉，实现无区域互动、手指操作实现多种姿势随意转换等功能。
UWB
室内定位迎来机遇，UWB技术异军突起


室内定位需求强劲，市场前景广阔


商业和消费端室内定位需求强烈。空间定位技术分为室外和室内定位技术。室外定位主要是基于卫星定位技术，主要包括GPS、北斗、伽利略、GLONASS这四大卫星定位系统。随着现代化建筑规模越来越大、地下建设越来越频繁、工厂安全和高效生产的需求越来越高、以及基于物联网和大数据分析的需求，室内定位技术需求越来越来多，而传统的卫星信号会受到建筑物的干扰，因此“最后一公里”定位技术迎来巨大机遇。多种室内定位技术快速发展，如蓝牙、wifi、有源RFID、UWB等，商业级室内定位已经进入快速发展期，而消费级定位也已经进入导入期。
基于医疗、零售、工业生产以及自动驾驶等行业的强劲需求，Market&Market的预测，全球实时定位系统市场规模将由2018年的31.9亿美元，增长到2023年的87.9亿美元，市场规模CAGR为22.5%。


UWB定位技术优势突出


室内定位技术多种多样，按照信号源划分，目前技术相对成熟有蓝牙、WiFi，以及异军突起的UWB技术，此外，部分细分领域也运用ZigBee、RFID等定位技术。


WiFi定位开始于2010年前后，首先应用于定位标签的人员监控。2013年，基于手机的WiFi探测等应用也崭露头角。目前，WiFi定位是比较流行的一种室内定位技术，其定位方法是基于信号强度的传播模型法等，适用于米级定位精度的一些场景，如：对人/车的定位导航，医疗机构、商场、主题公园等。华为、Google、Cisco、Motorola等公司是商业Wi-Fi米级定位解决方案的主要参与者。


蓝牙定位开始于2014年左右，也是首先开始于监控定位领域。2017年7月，蓝牙mesh正式推出，在一年半的时间里，已经有超过105种具有蓝牙mesh网络功能的产品获得认证，其中包含芯片、协议栈、模组及终端产品供应商等。全新蓝牙5.1标准新增了寻向功能，可帮助设备明确蓝牙信号的方向，实现更高精度的定位。蓝牙传输不受视距的影响，但对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。另外，蓝牙定位范围较短，一般只有10m左右，不适合空旷的场合。Nokia推出的HAIP和苹果公司推出的iBeacon都是基于蓝牙定位技术的解决方案，但尚没有大规模推广。
UWB定位技术，始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，2002年美国首先批准用于民用通信，2015年在微软室内定位大赛开始真正展现，2016年占据微软室内定位大赛3D组半壁江山，同时开始了商业化应用。UWB与传统通信技术有极大差异，不使用传统通信体制中的数据载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来检测时间，中心频率可以是3.1~10.6GHz，使用500M以上的频率带宽。
相比WiFi和蓝牙定位技术，UWB具备以下优势：
1）定位精度高：带宽决定了信号距离的分辨能力（成正比关系）。超宽带的带宽很宽，这给超宽带系统带来了一个优势，即它可以在距离分辨能力上高于其他传统系统，而分辨能力的精度在特定条件下是传统系统的百倍以上。超宽带脉冲信号的宽带在纳秒级，定位精确度通常小于几厘米。


2）安全性高：UWB的发射功率低，信号能够很好地隐蔽在其他类型信号和环境噪声之中，传统的接收机无法识别和接收，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，系统具有较强的系统安全性。


3）系统稳定性和抗干扰能力强：从射频机制层面来说，UWB发射的脉冲波抗干扰能力就比连续的电磁波强，并且UWB工作的频段在3GHz-10GHz，相比2.4G频段的无线定位技术，外界的干扰信号也少很多。


4）传输速率高：信道容量与带宽成正比，UWB具备较宽的带宽，具备较高的传输速率高。


5）功耗较低：超宽带无线电具有的1GHz以上的射频带宽，发射时需要的平均功率很低。特别是在短距离通信应用中，UWB发射机的发射功率普遍低于1mW；较低的发射功率可以延长系统的工作时间，而且发射功率较低，对人体的电磁波辐射也会很小。


高性能拉动To B端快速渗透


相比于消费级(To C)类应用，企业级(To B)更注重技术性能，对价格敏感度更低，而UWB定位技术相对于其他定位技术，具备高精度、更高的安全性、低延时、高传输速率、稳定性高等指标，在企业级市场已获得应用，主要包括司法监狱、医院、矿井、化工厂、工厂与仓库等对于物资或者人员管理需求比较高的应用场景。根据物联传媒，仅仅一次性建设成本，中国企业级定位市场的潜在需求将会达到千亿级别以上，加上后续的营运，市场规模则更为庞大。
UWB率先在企业级应用快速渗透，迎来巨大商机。根据物联传媒，2018年中国UWB企业级应用市场规模为10.9亿元，预计2020年，中国UWB定位企业级应用市场规模为121.1亿元，未来4年CAGR为83%。


物联网时代，To C端有望迎来爆发


2019年6月，中国工业和信息化部正式向中国移动、中国联通、中国电信和中国广电发布了四张5G商用牌照，这意味着国内正式迈进5G时代。相比可打电话的2G、能够上网的3G、满足移动互联网用户需求的4G相比，逐步可以商用的5G在多重性能上更胜一筹。5G最大的两个特点是增强移动宽带和低时延/高可靠，这将助推机器进入万物互联的时代，即物联网时代，而位置信息能为智慧家庭、零售、制造、医疗、机器人等行业提供十分准确的位置信息数据，是物联网时代的重要基础。室内定位技术作为物联网感知网络的底层基础，自然能够获得更大的市场机遇。根据Machina Research的研究报告，未来物联网数百亿的连接设备中，有60%的应用将可能包括地理数据，其中约三分之一的应用将严重依赖地理位置数据。
UWB定位技术拥有高精度、高安全性、高抗干扰能力等特点，这些优秀的特质使得UWB在消费市场具备极大的应用潜质，总结起来UWB的应用当前主要集中在三个场景：智慧门禁，定位服务和设备间联通服务。
智慧门禁：UWB测量的实时精确度意味着支持UWB的系统可以高度确定地知道设备的精确位置以及设备是静止的还是朝向或远离给定对象移动。例如：启用UWB的系统可以感知用户是否正朝着锁着的门移动，并且可以知道用户在门口的内侧或外侧，受验证安全凭据，并让授权的个人通过入口，而无需出示凭据。与蓝牙BLE和近场通信（NFC）等其他连接技术相结合，UWB可以嵌入在手机、徽章和其他可穿戴设备中工作，甚至可以在设备关闭或处于睡眠模式时锁定或解锁门。
定位服务：UWB提供非常精确的定位，即使在拥挤的大型场馆（如：机场、购物中心或多层停车库）中，也能给用户提供准确的导航，还支持有针对性的数字营销活动和步行流量数据。零售商可以提供定制服务，政府机构可以定制通知，娱乐场所可以提供个性化推荐。
设备间联通服务：基于到达角（AOA）技术，两个UWB 设备可以共享相对的测距和定位数据，从而实现彼此精确定位。这使得两个有手机的人能够精确地定位对方，父母和儿童或宠物保持在一定距离范围内，搭车的顾客可以在车辆的海洋中找到他们的司机。在智能家庭中，当用户进入房间时，联网设备可以自动响应实现开灯、设置温度，播放音乐等等功能，电视可以根据沙发上的观众选择播放的节目。
UWB
巨头抱团，UWB生态系统逐步成熟




不仅仅苹果积极准备应用UWB技术，三星、索尼、博世、恩智浦等巨头抱团组建FiRa(find ranging前两个字母)联盟，有望快速建立完整的生态系统。UWB技术虽然具备较多优势，但是该项技术2016年才兴起，仍处于导入期。因此产业链仍不成熟，建设成本相对较高，技术标准尚未统一，生态系统不够完善。制定规范的行业标准和认证是确保一个行业快速无缝衔接的基础,从而确保建立跨芯片组、设备和基础设施服务的UWB生态系统。为了快速推动这个行业的发展，2019年，恩智浦、三星、Sony、博世（Bosch）、ASSA ABLOY、HID Global组建了FiRa联盟，旨在利用UWB技术推动用户无缝体验，索尼、LitePoint、电信技术协会（TTA）也已加入FiRa组织。FiRa联盟也在积极推动和汽车等其他行业参与者合作开发和定义技术。


恩智浦：UWB重要的芯片供应商


在2019年6月的年度开发者大会上，恩智浦宣布推出UWB技术，旨在服务包括移动终端、汽车、物联网(IoT)和工业等多个应用市场。


恩智浦与大众合作，预计2019年末把UWB技术应用到汽车门锁。恩智浦的产品方案是以手环或者手机为移动终端，采用蓝牙+UWB双重控制，即UWB技术用于精准定位，蓝牙用于数据交换和认证，同时采用NFC作为备份保证，确保移动终端在没有电的情况下，仍然能打开车门。恩智浦UWB芯片在视距下其定位精度在10cm之内，复杂环境下也有1米的精确度。
恩智浦车规级UWB-NCJ29Dx特点
1、NXP拥有第一颗车规级UWB芯片
2、为安全测距和完全符合IEEE A标准的IoT设备互联提供解决办法
3、高效的首次进入的动态测距可以应对多路径环境
4、在自定义闪存的发展下，高度整合的MCU和射频芯平片减少了BOM和系统消耗
5、快速测距（＜500微秒）
6、UWB在视距下定位精度在10cm之内，复杂环境中也有1米的精确度


三星：UWB的重要消费级系统方案商


早在2003年，三星就联合芯片厂商Staccato布局UWB技术。2006年，三星在CeBIT展览会上，展出了一款基于UWB技术和d-hoc传输模式的原型手机SGH-i750，用于数据传输。根据不完全统计，从2003年至今，三星在美国已经申请了十几项专利，尤其2013年以来，三星在公开的UWB专利数量比早期更加的密集。三星有望在新款手机中采用UWB技术。
三星具有非常丰富的消费电子产品线，包括iPhone、智能手表、电脑、平板、电视、冰箱、洗衣机等，UWB技术有望成为其部分设备互联互通的重要通讯方式。
UWB
产业链机会


在to B市场，UWB技术产业链较为简单，可以分为芯片和解决方案两个环节，有些公司甚至从事芯片和解决方案的完整布局。


在to C市场，UWB技术产业链正形成芯片、模组、整机等多个环节，此外，UWB技术也为FPC、功能结构件等产业打开新的市场。我们大致测算，手机应用UWB技术有望给模组和FPC市场分别带来数十亿元新增市场，。


参考文献来自：东方证券、驭势资本研究所
END

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