La technologie noire de l'iPhone : démystifier la technologie UWB Oct 29, 2021

La conférence d'automne d'Apple 2020 s'est tenue au Jobs Theater le 11 septembre.


Lors de cette conférence, un détail est que les iPhones sont tous équipés d'une puce U1 qui prend en charge la technologie ultra large bande (UWB).


Selon la publicité officielle, la nouvelle technologie améliorera considérablement les capacités de sensibilisation spatiale des téléphones mobiles Apple.


Alors, que signifie la conscience spatiale ? Que peut faire exactement la puce U1 ? Qu'est-ce que la technologie UWB ? Tout cela conduira à une nouvelle série d'innovations d'applications pour appareils intelligents ?


Les réponses à ces questions seront révélées par la suite.



La Conscience Spatiale est la capacité de percevoir l'orientation qui est la capacité de positionnement.


Selon l'introduction d'Apple, l'iPhone équipé de la puce U1 améliore encore la fonction de positionnement du téléphone mobile. Il peut non seulement détecter l'emplacement de son propre téléphone portable, mais également l'emplacement d'autres téléphones portables à proximité.


Sur la base de la capacité de sensibilisation à l'espace fournie par la puce U1, lors de l'utilisation d'AirDrop (AirDrop est la fonction de partage de fichiers sans fil fournie par les appareils Apple), il vous suffit de pointer votre iPhone vers l'iPhone de quelqu'un d'autre, et le système le priorisera (le plus vous êtes proche, plus la priorité est élevée), vous permettant de partager des fichiers plus rapidement.



iPhone11 peut obtenir l'effet d'application suivant : "plus vous vous rapprochez de moi, plus vous obtenez une réponse".


Le positionnement est un sujet familier pour nous tous. Nous utilisons souvent des applications telles que Google Map ou Baidu Map, qui disposent de services de positionnement et de navigation.


Les services de localisation nous aident à indiquer les directions et à augmenter notre sentiment de sécurité ainsi que de contrôle, ce qui apporte une grande commodité à notre travail et à notre vie.


Par conséquent, quelle est la différence entre la technologie UWB et la technologie de positionnement que nous utilisons actuellement ?


Les technologies de positionnement couramment utilisées comprennent désormais principalement le positionnement par satellite et le positionnement par station de base.


Le positionnement par satellite est une technologie qui utilise des satellites terrestres artificiels pour effectuer des mesures de position de points. Et c'est actuellement la technologie de positionnement la plus largement utilisée et la plus populaire pour les utilisateurs. Les caractéristiques de haute précision, de vitesse rapide et de faible coût d'utilisation sont très importantes.


Les systèmes de positionnement par satellite bien connus comprennent le Global Positioning System (GPS) des États-Unis, le chinois Beidou (BDS), l'européen Galileo et le russe GLONASS.


Le principe du positionnement de la station de base est similaire au radar. Le positionnement radar consiste à émettre des ondes radar et à effectuer une mesure de position spatiale en fonction de la réflexion de la cible.



La station de base fonctionne comme un "radar".


Habituellement, un téléphone mobile sera sous la couverture de signal de plusieurs stations de base dans une ville. Le téléphone mobile va « mesurer » les signaux pilotes descendants des différentes stations de base pour obtenir le signal TOA (heure d'arrivée) ou TDOA (différence horaire d'arrivée) de chaque station de base.


Selon le résultat de la mesure, les coordonnées du téléphone mobile peuvent être calculées combinées avec les coordonnées de la station de base,


Voici une image pour le montrer.


Toutes les méthodes de positionnement mentionnées ci-dessus présentent un inconvénient évident. Ils ne peuvent pas pénétrer dans les bâtiments et ne peuvent pas se positionner à l'intérieur.



Le positionnement par satellite nécessite que le récepteur reçoive suffisamment de signaux satellites. En entrant dans la pièce ou obstrué, le signal satellite est très faible et ne peut pas être positionné efficacement.




Lorsque nous sommes à l'extérieur, le signal de positionnement GPS reçu par le téléphone mobile peut atteindre plus de 15. Lorsque nous sommes à l'intérieur, le signal de positionnement GPS reçu par le téléphone mobile à l'intérieur peut être inférieur à 3.


On sait que lorsque le nombre de satellites diminue, l'erreur de positionnement augmente de 10 m à 66 m.


D'une part, la technologie de positionnement par satellite et par station de base ne peut pas répondre aux besoins du positionnement en intérieur. D'autre part, il existe une demande croissante de positionnement à l'intérieur, comme la navigation dans les garages souterrains, les centres commerciaux pour trouver des magasins et des marchandises, et même pour retrouver des enfants perdus.


Grâce à la demande croissante, les gens ont développé une série de technologies pour essayer d'utiliser d'autres types de nœuds d'ancrage pour fournir des capacités de positionnement. Il comprend Wi-Fi, Bluetooth , UWB et autres technologies.


Qu'est-ce que l'UWB ?


Le Wi-Fi et le Bluetooth ne sont pas une grande nouveauté pour nous. Alors, qu'est-ce que l'UWB ?


L'UWB est une technologie à ultra-large bande, issue de la technologie de communication par impulsions apparue dans les années 1960.


Le système de communication général utilise une porteuse haute fréquence pour moduler un signal à bande étroite, et la bande passante réelle occupée par le signal de communication n'est pas élevée.


L'UWB est différent de la technologie de communication traditionnelle, il réalise une transmission sans fil en envoyant et en recevant des impulsions extrêmement étroites d'une magnitude de la nanoseconde ou de la microseconde. En raison de la largeur de temps d'impulsion extrêmement courte, une bande ultra-large sur le spectre peut être obtenue, et elle est supérieure à 500 MHz.


La FCC (Federal Communications Commission) a alloué un total de 7,5 GHz de 3,1 GHz à 10,6 GHz pour l'UWB. Ils ont également imposé des limites plus strictes à sa puissance rayonnée que FCC Part15.209 UWB est limité à la bande de fréquences -41,3 dBm.


En bref, UWB permet une transmission de données rapide avec une faible consommation d'énergie grâce à une bande passante ultra-large et une faible puissance de transmission.


En raison de la largeur temporelle extrêmement courte des impulsions UWB, une synchronisation de haute précision peut également être utilisée pour la mesure de distance.


Par rapport aux technologies de positionnement Wi-Fi et Bluetooth, l'UWB a ses propres avantages.


  • Forte capacité anti-multipath, haute précision de positionnement. La bande passante détermine la capacité de résolution de distance du signal dans un environnement à trajets multiples (en proportion directe). L'UWB a une large bande passante et une forte capacité de résolution multi-trajets, ce qui permet de distinguer et d'éliminer la plupart de l'influence des signaux d'interférence multi-trajets et d'obtenir des résultats de positionnement de haute précision. L'UWB peut être plus élevé que les autres systèmes traditionnels en termes de résolution de distance, et sa précision peut même atteindre plus de cent fois celle des systèmes traditionnels tels que le Wi-Fi et le Bluetooth dans un environnement complexe.
  • Haute précision d'horodatage. Les impulsions UWB ont une bande passante de quelques nanosecondes. Lors du calcul de la position par chronométrage, l'erreur introduite est généralement inférieure à quelques centimètres.
  • Compatibilité électromagnétique forte. L'UWB a une faible puissance de transmission et une large bande passante de signal, qui peut être bien dissimulée dans d'autres types de signaux et de bruit environnemental. Les récepteurs traditionnels ne peuvent pas identifier et recevoir. Il doit utiliser la même séquence d'impulsions de code d'étalement que l'émetteur pour démoduler, de sorte qu'il ne causera pas d'interférences avec d'autres services de communication, en même temps, il peut également éviter les interférences d'autres appareils de communication.
  • Haute efficacité énergétique. UWB a une bande passante RF de plus de 500 MHz, ce qui peut fournir un grand gain de spectre étalé, rendant le système de communication UWB à haute efficacité énergétique. Pour les équipements alimentés par batterie, le temps de fonctionnement du système peut être considérablement prolongé et, avec la même limitation de puissance de transmission, la zone de couverture est beaucoup plus large que celle de la technologie traditionnelle. Les émetteurs UWB transmettent généralement moins de 1 mW pour les applications à courte portée. Dans les applications longue distance, une distance de 200 mètres peut être atteinte sans amplificateur de puissance supplémentaire, tout en atteignant un débit d'air de 6,8 Mbps.

Sur la base des avantages techniques ci-dessus, UWB peut former un système de positionnement intérieur de haute précision.


Comparaison de l'UWB et d'autres technologies de positionnement


À l'heure actuelle, il existe trois méthodes de télémétrie UWB couramment utilisées.


(1) ToF (Temps de vol). La mesure de portée est réalisée en mesurant le temps de vol du signal UWB entre la station de base et la balise.

(2) TDoA (Décalage Horaire d'Arrivée). Le signal UWB est utilisé pour localiser la différence de temps entre l'étiquette et chaque station de base.

(3) PDoA (Différence de Phase d'Arrivée). La relation d'azimut entre la station de base et l'étiquette est mesurée par la phase d'angle d'arrivée.



Développement de l'industrie UWB


L'UWB était largement utilisé à des fins militaires avant 2002. En 2002, la FCC a levé l'interdiction de la technologie UWB et lui a permis d'entrer dans le domaine civil.


Depuis lors, la technologie UWB est entrée dans une période de développement rapide, et diverses solutions techniques ont également lancé une concurrence féroce autour de la formulation de normes internationales UWB.


En 2007, IEEE a normalisé la technologie UWB dans la norme 802.15.4a. Après près de 10 ans de développement, les normes UWB ne cessent de s'améliorer.


Decawave doit être mentionné dans la chaîne industrielle UWB.


Decawave est actuellement le seul fabricant de puces de positionnement UWB connu pour prendre en charge IEEE 802.15.4. Ils proposent des puces à bas prix à un prix de détail de quelques dollars. La puce est DW1000, conforme au protocole standard IEEE 802.15.4-2011 UWB (dans des conditions idéales, la portée maximale mesurable est de 300 m).


Après le lancement du produit d'Apple, INTRANAV, un fabricant de positionnement basé sur la puce Decawave DW1000, a publié deux tweets affirmant que son kit prend en charge l'interopérabilité avec l'iPhone11, et Decawave a également republié le tweet. Cela montre qu'Apple U1 a une grande possibilité de prendre en charge IEEE 802.15.4.


Parmi les autres fabricants engagés dans la technologie UWB figurent Ubisense et BeSpoon. Ces fabricants utilisent leurs propres solutions UWB, qui sont généralement lancées sous la forme d'un kit de module, mais aucun d'entre eux ne prend en charge IEEE 802.15.4.


La réalisation d'une meilleure Conscience Spatiale nécessite le soutien de l'écologie applicative. Afin de créer l'ensemble de l'écosystème d'applications, les appareils de différents fabricants doivent assurer l'interopérabilité et la compatibilité. Il est prévisible que les appareils de tous les fabricants prendront probablement en charge la norme IEEE 802.15.4 à l'avenir.



Effet de positionnement UWB


Actuellement, il existe trois compétitions de positionnement en salle de haut niveau dans le monde,


1) Concours de localisation Microsoft Indoor (MILC)

2) PERFLoc (Performance Evaluation of Smart-phone Indoor) organisé par le National Institute of Standards and Technology (NIST)

3) Conférence internationale sur le positionnement intérieur et la navigation intérieure (IPIN)


Le concours MILC de Microsoft est reconnu comme la meilleure étape pour juger la technologie de positionnement intérieur de haute précision.


Ce qui suit est une liste des trois meilleurs résultats basés sur le groupe d'infrastructure dans les compétitions MILC au cours des années.


On sait que depuis 2015, les avantages de l'UWB ont progressivement été démontrés et sont devenus la technologie la plus prometteuse en matière de technologie de positionnement de haute précision. Dans le même temps, le DW1000 de Decawave est également le choix principal dans les solutions de positionnement spécifiques. 7 des 8 équipes UWB gagnantes ont utilisé le DW1000.


Lors de la compétition 2018, un laser SLAM très performant a été utilisé pour construire une carte (image de gauche) et basé sur cette sortie en temps réel de la trajectoire de position réelle (à droite), qui a servi de base d'évaluation pour le jeu.


Le lieu du jeu est le Palais de la Bourse de Porto, au Portugal, et l'environnement est très compliqué.


Le concours 2018 a été le premier à évaluer la précision dynamique. Le site de compétition était très compliqué et les résultats étaient très orientés. Dans cet événement, l'équipe d'Anthony Rowe de l'Université Carnegie Mellon aux États-Unis mérite d'être mentionnée. Cette équipe est le leader dans le domaine du positionnement indoor. ils sont entrés dans les trois premiers 3 fois. En 2018, ils étaient classés premiers et deuxièmes à égalité.


L'équipe CMU Anthony Rowe


Plus important encore, l'itinéraire technique que l'équipe a pris la première place en 2018 est UWB + Réalité Augmentée (AR), et l'iPhone 11 Pro est devenu le premier téléphone mobile qui prend en charge à la fois AR et UWB. Cela prouve que l'équipe a une forte perspicacité technique.


En outre, Nanjing ATE Electronic Technology Co., Ltd. de Chine est également digne d'attention.


C'est une équipe émergente. Un an après leur entrée sur le marché UWB, ils ont participé au concours 2018 et ont obtenu la deuxième place à égalité. Il s'agit du meilleur classement de l'équipe nationale dans cette épreuve jusqu'à présent.


L'image ci-dessus est la trajectoire en temps réel produite par l'équipe ATE pendant la compétition. On peut voir qu'à l'exception de quelques zones, la plupart des zones ont des coordonnées de positionnement de sortie avec une grande précision. Le bleu est la trajectoire en temps réel du laser SLAM, le point vert est la trajectoire sortie par l'équipe ATE et le rouge est l'erreur vectorielle.


L'image ci-dessus est une comparaison des erreurs de positionnement moyennes des équipes participantes. L'erreur de positionnement moyenne de l'équipe ATE est de 0,4 mètre.


Cependant, plusieurs équipes traditionnelles fortes, telles que Racelogic et Russian Research Institute, qui utilisent également la technologie UWB, n'ont atteint que près d'un mètre ou même pire. Cela illustre pleinement la difficulté de la course 2018.



Sommaire


Dans l'ensemble, la prise en charge complète de l'iPhone pour l'UWB est une opportunité très précieuse pour la promotion commerciale à grande échelle. Il accélérera également le développement et la maturité de la chaîne industrielle UWB en amont et en aval.


Avec l'avènement de la 5G, nous accélérons vers l'ère de l'internet de tout, et de plus en plus d'appareils et d'applications IoT apparaîtront. La technologie UWB peut être étroitement intégrée à ces applications IoT selon ses propres caractéristiques pour offrir aux utilisateurs une meilleure expérience de service.


La technologie UWB a des perspectives de développement très larges, incluant la maison intelligente, la RA, le paiement mobile, le suivi infirmier, la prospection géologique, la navigation indoor, etc.


Selon les prévisions des agences concernées, la technologie UWB occupera 30 % à 40 % du marché du positionnement intérieur à l'avenir, et la taille du marché devrait atteindre 16,4 milliards de dollars américains en 2022.


Attendons avec impatience le brillant avenir de l'UWB.



Écrit par le conseiller principal de RF-star XCODER (un essayiste de We-Media)

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