一文解讀國產(chǎn)UWB芯片級解決方案的機(jī)遇
本文來源:物聯(lián)傳媒
十幾年前,曾有研究機(jī)構(gòu)預(yù)言:2013年之后,UWB將從消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域消失。如今看來,UWB非但沒有完全消失于該領(lǐng)域,其發(fā)展速度反而有增無減。
雖說UWB技術(shù)在消費(fèi)類應(yīng)用中,不及工業(yè)類應(yīng)用來得成熟,但是隨著去年蘋果在其手機(jī)中植入UWB技術(shù),再次將UWB的熱度拉到了最高點(diǎn)。
值此UWB熱度被拉到最高點(diǎn)之際,物聯(lián)傳媒邀請了深圳市紐瑞芯科技有限公司創(chuàng)始合伙人/CEO陳振騏做了一期以“UWB消費(fèi)類應(yīng)用即將爆發(fā),國產(chǎn)UWB芯片級解決方案有哪些機(jī)遇”的線上沙龍分享,以下內(nèi)容整理自本期線上沙龍直播,總共分為五部分內(nèi)容。
一、UWB傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用情況介紹
二、立足手機(jī)市場,UWB在消費(fèi)類電子市場的應(yīng)用爆發(fā)趨勢顯現(xiàn)
三、UWB行業(yè)協(xié)會及IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)深入了解
四、新標(biāo)準(zhǔn)、新應(yīng)用下的UWB芯片設(shè)計(jì)技術(shù)挑戰(zhàn)
五、結(jié)語
01
UWB傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用情況介紹
在傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用中,技術(shù)方案多采用帶基站和終端節(jié)點(diǎn)的模式,需要定位基站的配合。該模式的特點(diǎn)是需要節(jié)點(diǎn)布網(wǎng),大部分應(yīng)用需要集中計(jì)算,因此極大的限制UWB規(guī)?;瘧?yīng)用擴(kuò)展。
該模式下更適用于封閉空間的場景中應(yīng)用,如大型工廠/井下定位/地下車庫/特殊行業(yè)(監(jiān)獄/大船/大艦)等。
由于UWB傳統(tǒng)行業(yè)用戶多采用Anchor-Tag模式,雖然一定程度上限制了UWB規(guī)?;陌l(fā)展,但是未來5年內(nèi),企業(yè)級應(yīng)用市場的用戶體量仍將實(shí)現(xiàn)百萬級增長。同時,中國UWB企業(yè)級應(yīng)用市場出貨量在接下來三年預(yù)計(jì)分別能達(dá)到450萬片、850萬片及1200萬片??傮w上,整個UWB企業(yè)級市場體量將實(shí)現(xiàn)逐漸上升的景象。
02
立足手機(jī)市場,UWB在消費(fèi)類電子市場的應(yīng)用爆發(fā)趨勢顯現(xiàn)
首先,來看看目前手機(jī)市場的情況如何?
據(jù)了解,2019年iPhone 11銷量約為4000萬部,亦即UWB芯片的銷量有4000萬片,這幾乎達(dá)到了前些年行業(yè)UWB芯片的銷量總和。而今年,根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測iphone的銷量可達(dá)2億部左右,部分會帶UWB芯片,可見消費(fèi)級UWB芯片的市場規(guī)模是十分巨大的。隨著UWB滲透率的快速增長,雖然目前國產(chǎn)芯片很難進(jìn)入蘋果手機(jī),不過,三星、國內(nèi)頭部客戶如華米OV,及國內(nèi)其他ODM及二線廠商的UWB需求市場預(yù)測也將非常廣闊,UWB可能甚至將成為未來手機(jī)的標(biāo)配。
可以說,手機(jī)消費(fèi)類電子的應(yīng)用市場是UWB技術(shù)應(yīng)用一個全新的增長點(diǎn)。在該應(yīng)用場景下,能夠以手機(jī)為核心進(jìn)行感知測距,避開了傳統(tǒng)行業(yè)中的節(jié)點(diǎn)布網(wǎng)的模式,可實(shí)現(xiàn)手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)遙控、智能開鎖/車庫控制與安全支付等功能。這給了UWB技術(shù)帶來了很大的應(yīng)用空間,潛在應(yīng)用前景巨大。
從圖片中可以看出全球智能手機(jī)出貨量的增長并不會出現(xiàn)較大的變化,但是UWB在手機(jī)應(yīng)用方面會有較大的增長。相比傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用,這將是一個巨大的藍(lán)海市場,以手機(jī)為核心衍生出的周邊UWB設(shè)備/標(biāo)簽將是手機(jī)數(shù)量的數(shù)倍,乃至數(shù)十倍的體量。
其次,再來看看目前為止UWB在手機(jī)消費(fèi)類應(yīng)用中最為成熟的兩大案例:
案例一
在該案例中,使用原有的解決方案很容易出現(xiàn)安全方面的問題,如非車主可通過無線中繼器在車主不知情的情況下將車門打開,從而導(dǎo)致車主財(cái)物受到不同程度的損害。UWB作為一種厘米級定位精確度的技術(shù),可根據(jù)需求限定開車門的距離范圍。
UWB之所以能夠解決該痛點(diǎn)的原因在于:1.基于UWB定位技術(shù)的特點(diǎn)是稍微延遲都可能產(chǎn)生巨大的差距而無法開車門,所謂失之毫厘差之千里;2.加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全加密的措施。
基于此,未來通過手機(jī)開車、開車門、開車庫、通過手機(jī)認(rèn)證讓朋友開鎖都將變得更加安全。
案例二
由于UWB具有無需貼近設(shè)備、安全認(rèn)證方面的優(yōu)勢,在某種程度上可視為擁有了二維碼以及NFC兩種技術(shù)方案的優(yōu)勢。
03
UWB行業(yè)協(xié)會及IEEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)深入了解
目前,在全球范圍內(nèi),最知名的四大標(biāo)準(zhǔn)組織分別為:美國電子工程協(xié)會、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會、UWB聯(lián)盟以及FiRa會社。
關(guān)于美國電子工程協(xié)會:
2000年左右,UWB技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域。最初是802.15.3協(xié)議推動,早起由于該協(xié)議中存在兩個不同的技術(shù)方向,最終沒有定稿導(dǎo)致協(xié)議流產(chǎn)。后來,將技術(shù)平移至802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中,從而獲得了新生,并實(shí)現(xiàn)了較快的發(fā)展。
IEEE 802.15.4定義了低速率無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)的協(xié)議,其中UWB相關(guān)的內(nèi)容由IEEE 802.15TG4z工作組維護(hù)。
TG4z工作組包含了NXP、蘋果、Decawave、三星等國際知名企業(yè),負(fù)責(zé)增強(qiáng)型HRP及LRP物理層及MAC層相關(guān)測距技術(shù)的研究,預(yù)計(jì)今年6月份發(fā)布穩(wěn)定版本的標(biāo)準(zhǔn)。且新智能手機(jī)和消費(fèi)類電子應(yīng)用必須與4z協(xié)議兼容。
關(guān)于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會:
歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 TG UWB工作組籌建于2017年,該工作組包含了博世、Decawave、高通、Ubisense等國際知名企業(yè),研究和開發(fā)針對短測距設(shè)備的ETSI無線電標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)可用于通信、網(wǎng)絡(luò)和傳感器等應(yīng)用中,預(yù)計(jì)今年6月份發(fā)布最終技術(shù)規(guī)范。
關(guān)于UWB聯(lián)盟:
該聯(lián)盟成立于2018年12月,是一個全球性的非盈利組織,旨在將UWB技術(shù)建立成為一個開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其主要訂立傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn),預(yù)計(jì)今年Q4發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
從上圖可以看出,該聯(lián)盟涵蓋了從芯片、模組、解決方案到應(yīng)用較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè),而其中應(yīng)用又以汽車、手機(jī)、Tag/穿戴、機(jī)器人為主。
關(guān)于FiRa會社:
從以上兩圖看來,該會社主要推動UWB設(shè)備的互操作性以建立良好的UWB生態(tài)系統(tǒng),該會社以測距為核心,最終將訂立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)合UWB聯(lián)盟以及FiRa會社的成員來看,前文所提的UWB在手機(jī)消費(fèi)類電子市場的應(yīng)用顯示出了爆發(fā)的趨勢,從兩者的應(yīng)用廠商成分或可見端倪。
04
新標(biāo)準(zhǔn)、新應(yīng)用下的UWB芯片設(shè)計(jì)技術(shù)挑戰(zhàn)
關(guān)于HRP與LRP
目前,無論是HRP還是LRP,兩種協(xié)議均已被IEEE 802.15所采納,只是兩種協(xié)議背后有不同的公司驅(qū)動、推進(jìn)。
在本次沙龍分享過程中,陳博士提出相關(guān)建議:行業(yè)用戶不應(yīng)該通過芯片來選邊站,因?yàn)殡p模式共存的方式成本代價并不大。但是雙模式共存也存在一定的挑戰(zhàn),其挑戰(zhàn)在于(以HRP兼容LRP的角度看):
LRP對功放的設(shè)計(jì)有較高的要求,瞬時功率有10dB以上的增加,該差距實(shí)際上已屬于一個完全不一樣的設(shè)計(jì)門檻;
需要一個很好的集成功放的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)芯片面積與效率的最優(yōu)化;
基于低功耗設(shè)計(jì)需求,功放可隨時進(jìn)行開關(guān),在大功率、瞬時功率之間的切換時需保證穩(wěn)定度;
兩種協(xié)議基于不同的調(diào)制方式,需要支持不同的帶寬、脈沖寬度的信號,需要有更精確的時域控制、更窄的時間精度;多種調(diào)制方式在數(shù)字和基帶上也需要靈活的支持,因此需要利用軟件無線電的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。
關(guān)于LB與HB
此前,中國無委會發(fā)布過一個標(biāo)準(zhǔn),其對UWB LB功耗有很低的功率限制,功率譜密度遠(yuǎn)低于FCC的限制,達(dá)到-70dBm/MHz,這意味著低頻段在公開的空間中無法使用。針對此,陳博士提出建議,手機(jī)等應(yīng)用可都集中在6.5G以上的高頻段。陳博士提到,UWB芯片設(shè)計(jì)廠商,除了Decawave之前行業(yè)用戶壟斷產(chǎn)品都是在LB,后面新出的芯片(包括Decawave新出的)都集中在HB。
基于該點(diǎn)也面臨著一些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn),如:
實(shí)現(xiàn)低功耗寬頻段鎖相環(huán),覆蓋6.5G~10G的范圍;
面積占比如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化;
快速啟動及快速鎖定的實(shí)現(xiàn)需要較高的技術(shù)積累。
在芯片設(shè)計(jì)過程中,其挑戰(zhàn)并不僅僅只是存在于以上所提到的兩個方面,事實(shí)上,如何實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)測距與增強(qiáng)測距同時支持、各類定位算法、安全測距以及數(shù)據(jù)加密等方面均存在不同的挑戰(zhàn),如:
更復(fù)雜的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的調(diào)制方式;
AES-128硬件加速;
較大規(guī)模的專用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)多種編碼方式和底層MAC功能
較高性能的CPU實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的MAC功能和上層協(xié)議
自有的抗多徑高靈敏度接收信號時間測量算法,兼容多種測距方案;
如何讓外部器件最少化,以降低成本等。
05
結(jié) 語
隨著去年蘋果在其手機(jī)中植入UWB技術(shù),再次將UWB消費(fèi)類市場應(yīng)用引爆。
正如前文所提,UWB在消費(fèi)類電子市場的應(yīng)用爆發(fā)的趨勢顯現(xiàn),對于國內(nèi)UWB芯片廠商來說,各方面也都發(fā)出了良好的信號,預(yù)示著機(jī)遇的存在:
首先,在這次市場爆發(fā)中,中國或?qū)⒊蔀楸l(fā)的主場,且在芯片領(lǐng)域,近年來國產(chǎn)替代一直是主旋律。
其次,從當(dāng)前UWB發(fā)展進(jìn)展來看,UWB芯片的研發(fā)和國外大廠存在的差距僅為半代到一代,這在整個芯片發(fā)展歷史上或許算得上是最緊跟國際進(jìn)展的了,且目前歐美芯片大廠入場的還不多,競爭相對較小。
當(dāng)然了,在各標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議還未定稿的情況下,也要求入場的企業(yè)對技術(shù)協(xié)議有較好的把握,同時還要有敏銳的市場洞察力以滿足相應(yīng)市場需求。
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