揭秘苹果 AirTag 背后的神秘技术

UWB 到底是什么?

作者:李飞来源:半导体行业观察(ID:icbank)原标题:苹果 Airtag 能否带火 UWB?

近日,苹果发布了其用于定位的 Airtag。Airtag 的发布一点都不让人意外,事实上在苹果之前发布的 iOS 系统更新中,早已经预示了 Airtag 的出现,而如今的正式发布则让我们看到了其具体的硬件形态。

根据苹果公布的消息,Airtag 上的芯片至少会包括:(1)蓝牙,(2)加速度计,(3)UWB(自研 U1 芯片),(4)NFC,(5)扬声器以及用于控制的 MCU。Airtag 预期电池使用时间可达一年以上,我们认为这是整体系统优化的结果。根据 Airtag 目前公布的信息,我们认为 Airtag 的工作方式如下:

  • 在常规情况下,Airtag 和用户的其他苹果设备(如 iPhone)处于同一个地理位置(例如都在用户的家中)。在这种情况下,Airtag 主要使用蓝牙和 iPhone 进行交互。Airtag 会定期用蓝牙和 iPhone 进行通信,用以获取当前的 GPS 地理位置。Airtag 上的加速度计则可以根据 Airtag 有没有移动来进一步降低 Airtag 和 iPhone 之间的蓝牙交互频率,例如当 Airtag 一直没有被移动则降低蓝牙通信频次来省电。

  • 当用户需要做精确定位时,使用 UWB。UWB 可以实现亚米级别的定位精度,从而帮助用户找到 Airtag 的精确位置。

  • 当 Airtag 和用户 iPhone 距离较远时(即蓝牙无法连接时),iPhone 将显示 Airtag 上次成功连接时的地理位置在地图上,用户可以根据该位置去寻找 Airtag。此外,在 Airtag 被人移走的情况下,Airtag 还可以使用蓝牙与附近的其他 iPhone 连接,从而用户可以使用 Find My 网络来通过其他 iPhone 来定位 Airtag 的地理位置。

  • 最后,其他人发现遗失的 Airtag 时,可以通过 NFC 去扫描 Airtag 并将信息提供给苹果。旅游

苹果的 Airtag 的系统设计非常巧妙,它使用了多种技术来实现不同颗粒度的定位,同时也加入了多种省电技巧以延长电池使用时间。然而,Airtag 与其他基于蓝牙定位的 tag 最大的区别就在于使用了 UWB 技术实现精确定位,从而提供了差异化的用户体验。

Airtag 背后的 UWB(超宽带)技术并非全新的黑科技,而是已经经过了接近二十年的发展。与传统射频系统不同,UWB 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,而正是因为 UWB 的信号带宽很大,因此得名「超宽带」。

在时域,UWB 信号的形式则是短脉冲,根据脉冲的发射频率可以分为低频率脉冲(LRP)和高频率脉冲(HRP)两种,分别对应对数据传输率有不同需求的场景。UWB 的脉冲信号形式和脉冲雷达很像,这也是 UWB 可以用来做定位的原因——其原理和雷达一脉相承。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 计算距离使用的原理是飞行时间(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,从而可以实现亚米级别的距离精度。

此外,UWB 配合天线阵列设计,也可以实现高指向性的信号传输。我们认为 Airtag 中也用了类似的设计,即使用 UWB 加天线阵列实现高精度指向性定位,从而可以实现目前 Airtag 使用体验中提到了定位 Airtag 的具体方位和距离。

我们认为,UWB 将成为下一代智能设备交互的关键协议。

首先,随着未来智能设备的进一步普及,智能设备之间的互动也不仅仅局限于数据互联。在下一代智能设备的交互中,智能设备之间的物理位置将会成为重要的互动要素。苹果的 Airtag 就是基于智能设备之间物理位置互动的一个极佳案例,我们认为 Airtag 除了将会催生各类相似功能竞品之外,也将促进智能设备之间基于物理位置的互动设计。举例来说,小米已经在之前推出了基于 UWB 技术的指向性投屏技术(一指连)。除此之外,许多智能设备之间的类似互动也预计将在未来几年内出现,例如扫地机器人与空气净化器之间基于位置的互动等等。而且,随着 AR 和 VR 技术的进一步普及,这类基于精确定位的互动将会变得越来越重要,例如基于用户在超市购物区域的位置来推送相应广告等,而在这些基于物理位置的互动中,UWB 将成为最有竞争力的核心技术。

从芯片技术上来看,UWB 的芯片端的设计门槛并不算高。UWB 的无线收发部分主要是脉冲收发,其设计复杂度远低于 4G、5G 等蜂窝网络的无线通信部分。目前,Nordic,NXP 和 ST 等都能供货 UWB 模组,未来随着 UWB 在智能设备中获得越来越多的应用,预计中国芯片供货商将会崛起。

最后,我们来分析一下基于 UWB 技术做物理位置用户体验的市场格局:究竟会是类似蓝牙的开放式生态(即不同公司推出的产品可以使用 UWB 技术互相感知物理位置),还是会是生态内互动?我们更倾向于后者,即生态内互动。我们认为,UWB 提供的设备间基于物理位置的互动用户体验中,每个设备的特性非常重要,必须仔细根据每个设备的功能来设计互动才能实现较好的用户体验,这也就更倾向于生态内互动,而非开放生态。

基于此,我们预计中国智能设备行业将会成为使用 UWB 的重要力量,我们认为许多基于 UWB 的新用户体验也将会由中国的厂商首先提出。如前所述,UWB 将会成为智能设备之间互动的重要技术,同时我们也认为 UWB 做设备交互将会主要出现在同一智能设备生态内部,例如苹果的 Airtag 只能在苹果生态中使用,而并不能和安卓设备互动(除了 NFC 扫码报告捡到的 Airtag 之外)。因此,拥有较为完整智能设备生态的公司将会更倾向于使用 UWB 做生态内产品之间的互动,而小米、华为等目前拥有全球领先智能设备生态的中国公司也将与苹果一起引领基于 UWB 用户新体验的潮流。由于 UWB 芯片设计复杂度并不高,而更考验功力的其实是用户体验和系统算法设计,因此我们认为华为、小米等中国公司很有可能在未来会有自研 UWB 芯片计划,通过自研的 UWB 芯片搭配独特的算法来提供具有差异化的用户体验。这样一来,就会形成「拥有智能设备生态的公司需要基于 UWB 的用户体验 -> 拥有智能设备的公司自研 UWB 技术提供差异化用户体验 -> 拥有智能设备生态的公司迭代催生下一代基于 UWB 用户体验」的循环,从而让智能设备生态类公司成为基于 UWB 技术的物理交互用户体验的主要推动力。有趣的是,目前全球智能设备生态积累最深的苹果、小米和华为都有自己的汽车计划,而 UWB 又恰恰是下一代无线车钥匙的主流技术。因此,我们认为这些公司将进一步将汽车纳入其 UWB 技术的应用范围内,同时我们预期在未来也将会看到越来越多 UWB 技术进入消费者的视野。


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本文经授权转载自「半导体行业观察」作者:李飞

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