解读国产UWB芯片级解决方案的机遇

发布时间:2020-04-29

导读:物联传媒线上沙龙第四期有啥亮点,小编在这给你总结了!

十几年前,曾有研究机构预言:2013年之后,UWB将从消费电子应用领域消失。如今看来,UWB非但没有完全消失于该领域,其发展速度反而有增无减。
虽说UWB技术在消费类应用中,不及工业类应用来得成熟,但是随着去年苹果在其手机中植入UWB技术,再次将UWB的热度拉到了最高点。
值此UWB热度被拉到最高点之际,物联传媒邀请了深圳市纽瑞芯科技有限公司创始合伙人/CEO陈振骐做了一期以“UWB消费类应用即将爆发,国产UWB芯片级解决方案有哪些机遇”的线上沙龙分享,以下内容整理自本期线上沙龙直播,总共分为五部分内容。
一、UWB传统行业应用情况介绍 
二、立足手机市场,UWB在消费类电子市场的应用爆发趋势显现 
三、UWB行业协会及IEEE技术标准深入了解 
四、新标准、新应用下的UWB芯片设计技术挑战 
五、结语
01、UWB传统行业应用情况介绍
在传统行业应用中,技术方案多采用带基站和终端节点的模式,需要定位基站的配合。该模式的特点是需要节点布网,大部分应用需要集中计算,因此极大的限制UWB规模化应用扩展。
该模式下更适用于封闭空间的场景中应用,如大型工厂/井下定位/地下车库/特殊行业(监狱/大船/大舰)等。
由于UWB传统行业用户多采用Anchor-Tag模式,虽然一定程度上限制了UWB规模化的发展,但是未来5年内,企业级应用市场的用户体量仍将实现百万级增长。同时,中国UWB企业级应用市场出货量在接下来三年预计分别能达到450万片、850万片及1200万片。总体上,整个UWB企业级市场体量将实现逐渐上升的景象。
02、立足手机市场,UWB在消费类电子市场的应用爆发趋势显现
首先,来看看目前手机市场的情况如何?
据了解,2019年iPhone 11销量约为4000万部,亦即UWB芯片的销量有4000万片,这几乎达到了前些年行业UWB芯片的销量总和。而今年,根据有关机构预测iphone的销量可达2亿部左右,部分会带UWB芯片,可见消费级UWB芯片的市场规模是十分巨大的。随着UWB渗透率的快速增长,虽然目前国产芯片很难进入苹果手机,不过,三星、国内头部客户如华米OV,及国内其他ODM及二线厂商的UWB需求市场预测也将非常广阔,UWB可能甚至将成为未来手机的标配
可以说,手机消费类电子的应用市场是UWB技术应用一个全新的增长点。在该应用场景下,能够以手机为核心进行感知测距,避开了传统行业中的节点布网的模式,可实现手机物联网遥控、智能开锁/车库控制与安全支付等功能。这给了UWB技术带来了很大的应用空间,潜在应用前景巨大。
从图片中可以看出全球智能手机出货量的增长并不会出现较大的变化,但是UWB在手机应用方面会有较大的增长。相比传统行业应用,这将是一个巨大的蓝海市场,以手机为核心衍生出的周边UWB设备/标签将是手机数量的数倍,乃至数十倍的体量。
其次,再来看看目前为止UWB在手机消费类应用中最为成熟的两大案例:
案例一
在该案例中,使用原有的解决方案很容易出现安全方面的问题,如非车主可通过无线中继器在车主不知情的情况下将车门打开,从而导致车主财物受到不同程度的损害。UWB作为一种厘米级定位精确度的技术,可根据需求限定开车门的距离范围。
UWB之所以能够解决该痛点的原因在于:1.基于UWB定位技术的特点是稍微延迟都可能产生巨大的差距而无法开车门,所谓失之毫厘差之千里;2.加强数据安全加密的措施。
基于此,未来通过手机开车、开车门、开车库、通过手机认证让朋友开锁都将变得更加安全。
案例二
由于UWB具有无需贴近设备、安全认证方面的优势,在某种程度上可视为拥有了二维码以及NFC两种技术方案的优势。
03、UWB行业协会及IEEE技术标准深入了解
目前,在全球范围内,最知名的四大标准组织分别为:美国电子工程协会、欧洲电信标准协会、UWB联盟以及FiRa会社。
关于美国电子工程协会:
2000年左右,UWB技术开始应用于民用领域。最初是802.15.3协议推动,早起由于该协议中存在两个不同的技术方向,最终没有定稿导致协议流产。后来,将技术平移至802.15.4标准中,从而获得了新生,并实现了较快的发展。
IEEE 802.15.4定义了低速率无线个域网(LR-WPAN)的协议,其中UWB相关的内容由IEEE 802.15TG4z工作组维护。
TG4z工作组包含了NXP、苹果、Decawave、三星等国际知名企业,负责增强型HRP及LRP物理层及MAC层相关测距技术的研究,预计今年6月份发布稳定版本的标准。且新智能手机和消费类电子应用必须与4z协议兼容。
关于欧洲电信标准协会:
欧洲电信标准协会 TG UWB工作组筹建于2017年,该工作组包含了博世、Decawave、高通、Ubisense等国际知名企业,研究和开发针对短测距设备的ETSI无线电标准,该标准可用于通信、网络和传感器等应用中,预计今年6月份发布最终技术规范。
关于UWB联盟:
该联盟成立于2018年12月,是一个全球性的非盈利组织,旨在将UWB技术建立成为一个开放的行业标准,其主要订立传输层和网络层标准,预计今年Q4发布相关标准。
从上图可以看出,该联盟涵盖了从芯片、模组、解决方案到应用较为完整的产业链企业,而其中应用又以汽车、手机、Tag/穿戴、机器人为主。
关于FiRa会社:
从以上两图看来,该会社主要推动UWB设备的互操作性以建立良好的UWB生态系统,该会社以测距为核心,最终将订立相关标准。
结合UWB联盟以及FiRa会社的成员来看,前文所提的UWB在手机消费类电子市场的应用显示出了爆发的趋势,从两者的应用厂商成分或可见端倪。
04、新标准、新应用下的UWB芯片设计技术挑战
关于HRP与LRP
目前,无论是HRP还是LRP,两种协议均已被IEEE 802.15所采纳,只是两种协议背后有不同的公司驱动、推进。
在本次沙龙分享过程中,陈博士提出相关建议:行业用户不应该通过芯片来选边站,因为双模式共存的方式成本代价并不大。但是双模式共存也存在一定的挑战,其挑战在于(以HRP兼容LRP的角度看):
LRP对功放的设计有较高的要求,瞬时功率有10dB以上的增加,该差距实际上已属于一个完全不一样的设计门槛;
需要一个很好的集成功放的设计来实现芯片面积与效率的最优化;
基于低功耗设计需求,功放可随时进行开关,在大功率、瞬时功率之间的切换时需保证稳定度;
两种协议基于不同的调制方式,需要支持不同的带宽、脉冲宽度的信号,需要有更精确的时域控制、更窄的时间精度;多种调制方式在数字和基带上也需要灵活的支持,因此需要利用软件无线电的设计思路进行设计。
关于LB与HB
此前,中国无委会发布过一个标准,其对UWB LB功耗有很低的功率限制,功率谱密度远低于FCC的限制,达到-70dBm/MHz,这意味着低频段在公开的空间中无法使用。针对此,陈博士提出建议,手机等应用可都集中在6.5G以上的高频段。陈博士提到,UWB芯片设计厂商,除了Decawave之前行业用户垄断产品都是在LB,后面新出的芯片(包括Decawave新出的)都集中在HB。
基于该点也面临着一些设计上的挑战,如:
实现低功耗宽频段锁相环,覆盖6.5G~10G的范围;
面积占比如何实现最优化;
快速启动及快速锁定的实现需要较高的技术积累。
在芯片设计过程中,其挑战并不仅仅只是存在于以上所提到的两个方面,事实上,如何实现标准测距与增强测距同时支持、各类定位算法、安全测距以及数据加密等方面均存在不同的挑战,如:
更复杂的收发机结构实现复杂多样的调制方式;
AES-128硬件加速;
较大规模的专用数字电路实现多种编码方式和底层MAC功能
较高性能的CPU实现更复杂的MAC功能和上层协议
自有的抗多径高灵敏度接收信号时间测量算法,兼容多种测距方案;
如何让外部器件最少化,以降低成本等。
05、结 语
随着去年苹果在其手机中植入UWB技术,再次将UWB消费类市场应用引爆。
正如前文所提,UWB在消费类电子市场的应用爆发的趋势显现,对于国内UWB芯片厂商来说,各方面也都发出了良好的信号,预示着机遇的存在:
首先,在这次市场爆发中,中国或将成为爆发的主场,且在芯片领域,近年来国产替代一直是主旋律。
其次,从当前UWB发展进展来看,UWB芯片的研发和国外大厂存在的差距仅为半代到一代,这在整个芯片发展历史上或许算得上是最紧跟国际进展的了,且目前欧美芯片大厂入场的还不多,竞争相对较小。
当然了,在各标准协议还未定稿的情况下,也要求入场的企业对技术协议有较好的把握,同时还要有敏锐的市场洞察力以满足相应市场需求。

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