Hội nghị mùa thu năm 2020 của Apple được tổ chức tại Jobs Theater vào ngày 11 tháng 9.

Tại hội nghị lần này, một chi tiết là các iPhone đều được trang bị chip U1 hỗ trợ công nghệ siêu băng thông rộng (UWB).

Theo công khai chính thức, công nghệ mới sẽ cải thiện đáng kể khả năng Nhận thức Không gian của điện thoại di động Apple.

Vì vậy, nhận thức không gian có nghĩa là gì? Chính xác thì chip U1 có thể làm gì? Công nghệ UWB là gì? Tất cả những điều này sẽ dẫn đến một đợt đổi mới ứng dụng thiết bị thông minh mới?

Các câu trả lời cho những câu hỏi này sẽ được tiết lộ tiếp theo.

Nhận thức không gian là khả năng nhận thức định hướng là khả năng định vị.

Theo giới thiệu của Apple, iPhone được trang bị chip U1 giúp tăng cường hơn nữa chức năng định vị của điện thoại di động. Nó không chỉ có thể cảm nhận được vị trí của điện thoại di động của chính nó mà còn có thể cảm nhận được vị trí của các điện thoại di động khác gần đó.

Dựa trên khả năng nhận biết không gian do chip U1 cung cấp, khi sử dụng AirDrop (AirDrop là chức năng chia sẻ tệp không dây được cung cấp bởi các thiết bị của Apple), bạn chỉ cần trỏ iPhone của mình vào iPhone của người khác và hệ thống sẽ ưu tiên nó (các bạn càng ở gần, mức độ ưu tiên càng cao), cho phép bạn chia sẻ tệp nhanh hơn.

iPhone11 có thể đạt được hiệu ứng ứng dụng "bạn càng đến gần tôi, bạn càng nhận được phản hồi đầu tiên".

Định vị là một chủ đề quen thuộc với tất cả chúng ta. Chúng tôi thường sử dụng các ứng dụng như Google Map hoặc Baidu Map, những ứng dụng có dịch vụ định vị và điều hướng.

Dịch vụ định vị giúp chúng ta chỉ đường và tăng cảm giác an toàn cũng như khả năng kiểm soát, mang lại sự thuận tiện tuyệt vời cho công việc và cuộc sống của chúng ta.

Do đó, sự khác biệt giữa công nghệ UWB và công nghệ định vị chúng ta sử dụng hiện nay là gì?

Các công nghệ định vị thường được sử dụng hiện nay chủ yếu bao gồm định vị vệ tinh và định vị trạm gốc.

Định vị vệ tinh là công nghệ sử dụng vệ tinh nhân tạo của trái đất để thực hiện phép đo vị trí điểm. Và hiện tại nó đang là công nghệ định vị được người dùng sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất. Các đặc điểm của độ chính xác cao, tốc độ nhanh và chi phí sử dụng thấp là rất nổi bật.

Các hệ thống định vị vệ tinh nổi tiếng bao gồm Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) của Mỹ, Beidou (BDS) của Trung Quốc, Galileo của Châu Âu, GLONASS của Nga.

Nguyên tắc định vị trạm gốc tương tự như radar. Định vị radar là phát ra sóng radar và thực hiện phép đo vị trí không gian dựa trên phản xạ của mục tiêu.

Trạm cơ sở hoạt động giống như một "radar".

Thông thường, một chiếc điện thoại di động sẽ nằm trong vùng phủ sóng tín hiệu của nhiều trạm gốc trong một thành phố. Điện thoại di động sẽ "đo" tín hiệu thí điểm đường xuống của các trạm gốc khác nhau để thu được tín hiệu TOA (thời gian đến) hoặc TDOA (chênh lệch thời gian đến) của từng trạm gốc.

Theo kết quả đo, tọa độ của điện thoại di động có thể được tính kết hợp với tọa độ của trạm gốc,

Đây là một hình ảnh để hiển thị nó.

Tất cả các phương pháp định vị nêu trên đều có một thiếu sót rõ ràng. Chúng không thể xâm nhập vào các tòa nhà và không thể đạt được vị trí trong nhà.

Định vị vệ tinh yêu cầu đầu thu phải thu đủ tín hiệu vệ tinh. Khi vào phòng hoặc bị che khuất, tín hiệu vệ tinh rất yếu và không thể định vị hiệu quả.

Khi chúng ta ở ngoài trời, tín hiệu định vị GPS mà điện thoại di động nhận được có thể đạt tới hơn 15. Khi chúng ta ở trong nhà, tín hiệu định vị GPS mà điện thoại di động nhận được trong nhà có thể nhỏ hơn 3.

Có thể biết, khi số lượng vệ tinh giảm đi, sai số định vị tăng từ 10 m lên 66 m.

Một mặt, công nghệ định vị vệ tinh và trạm gốc không thể đáp ứng nhu cầu định vị trong nhà. Mặt khác, nhu cầu định vị trong nhà ngày càng tăng, chẳng hạn như điều hướng nhà để xe ngầm, trung tâm mua sắm để tìm cửa hàng và hàng hóa, thậm chí là tìm trẻ lạc.

Nhờ nhu cầu tăng cao, người ta đã phát triển một loạt công nghệ để cố gắng sử dụng các loại nút neo khác nhằm cung cấp khả năng định vị. Nó bao gồm Wi-Fi, Bluetooth , UWB và các công nghệ khác.

UWB là gì?

Wi-Fi và Bluetooth không phải là tin tức lớn đối với chúng tôi. Vậy, UWB là gì?

UWB là một công nghệ siêu băng rộng, bắt nguồn từ công nghệ truyền thông xung xuất hiện vào những năm 1960.

Hệ thống liên lạc chung sử dụng sóng mang tần số cao để điều chỉnh tín hiệu băng thông hẹp và băng thông thực tế chiếm bởi tín hiệu liên lạc không cao.

UWB khác với công nghệ truyền thông truyền thống, nó thực hiện truyền dẫn không dây bằng cách gửi và nhận các xung cực hẹp với cường độ nano giây hoặc micro giây. Do độ rộng thời gian xung cực ngắn, có thể đạt được băng thông siêu rộng trên phổ và nó ở trên 500 MHz.

FCC (Ủy ban Truyền thông Liên bang) đã phân bổ tổng cộng 7,5 GHz từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz cho UWB. Họ cũng áp đặt các giới hạn chặt chẽ hơn đối với công suất bức xạ của nó so với FCC Part15.209 UWB bị giới hạn ở dải tần -41,3 dBm.

Nói tóm lại, UWB đạt được tốc độ truyền dữ liệu nhanh với mức tiêu thụ điện năng thấp thông qua băng thông cực lớn và công suất truyền thấp.

Do độ rộng thời gian cực ngắn của xung UWB, thời gian có độ chính xác cao cũng có thể được sử dụng để đo khoảng cách.

So với công nghệ định vị Wi-Fi và Bluetooth, UWB có những ưu điểm riêng.

• Khả năng chống đa đường mạnh, độ chính xác định vị cao. Băng thông xác định khả năng phân giải khoảng cách của tín hiệu trong môi trường đa đường (theo tỷ lệ trực tiếp). UWB có băng thông rộng và khả năng phân giải đa đường mạnh mẽ, có thể phân biệt và loại bỏ hầu hết ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu đa đường và thu được kết quả định vị có độ chính xác cao. UWB có thể cao hơn các hệ thống truyền thống khác về độ phân giải khoảng cách và độ chính xác của nó thậm chí có thể đạt tới hơn một trăm lần so với các hệ thống truyền thống như Wi-Fi và Bluetooth trong một môi trường phức tạp.
• Độ chính xác tem thời gian cao. Các xung UWB có băng thông cỡ nano giây. Khi tính toán vị trí theo thời gian, lỗi được đưa ra thường nhỏ hơn vài centimet.
• Khả năng tương thích điện từ mạnh. UWB có công suất phát thấp và băng thông tín hiệu rộng, có thể che giấu tốt trong các loại tín hiệu khác và tiếng ồn môi trường. Đầu thu truyền thống không thể nhận dạng và nhận. Nó phải sử dụng cùng một chuỗi xung mã trải rộng như máy phát để giải điều chế, vì vậy nó sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ liên lạc khác, đồng thời, nó cũng có thể tránh nhiễu từ các thiết bị liên lạc khác.
• Hiệu quả năng lượng cao. UWB có băng thông RF hơn 500 MHz, có thể cung cấp mức tăng phổ trải rộng lớn, giúp hệ thống truyền thông UWB đạt hiệu suất năng lượng cao. Đối với thiết bị chạy bằng pin, thời gian làm việc của hệ thống có thể được kéo dài rất nhiều và trong cùng giới hạn công suất truyền dẫn, vùng phủ sóng lớn hơn nhiều so với công nghệ truyền thống. Máy phát UWB thường truyền ít hơn 1 mW cho các ứng dụng tầm ngắn. Trong các ứng dụng đường dài, có thể đạt được khoảng cách 200 mét mà không cần bộ khuếch đại công suất bổ sung, đồng thời đạt được tốc độ không khí là 6,8 Mbps.

Dựa trên những lợi thế kỹ thuật trên, UWB có thể tạo thành một hệ thống định vị trong nhà có độ chính xác cao.

So sánh UWB và các công nghệ định vị khác

Hiện tại, có ba phương pháp phân loại UWB thường được sử dụng.

(1) ToF (Thời gian bay). Phép đo phạm vi đạt được bằng cách đo thời gian bay của tín hiệu UWB giữa trạm cơ sở và thẻ.

(2) TDoA (Chênh lệch thời gian đến). Tín hiệu UWB được sử dụng để xác định chênh lệch thời gian từ thẻ đến từng trạm gốc.

(3) PDoA (Sự khác biệt về pha khi đến). Mối quan hệ góc phương vị giữa trạm cơ sở và thẻ được đo bằng Giai đoạn góc đến.

Phát triển ngành công nghiệp UWB

UWB được sử dụng rộng rãi cho mục đích quân sự trước năm 2002. Năm 2002, FCC dỡ bỏ lệnh cấm đối với công nghệ UWB và cho phép nó đi vào lĩnh vực dân sự.

Kể từ đó, công nghệ UWB đã bước vào thời kỳ phát triển nhanh chóng và các giải pháp kỹ thuật khác nhau cũng đã tạo ra sự cạnh tranh khốc liệt xung quanh việc xây dựng các tiêu chuẩn quốc tế của UWB.

Năm 2007, IEEE chuẩn hóa công nghệ UWB trong chuẩn 802.15.4a. Sau gần 10 năm phát triển, các tiêu chuẩn của UWB không ngừng được cải thiện.

Trong chuỗi ngành UWB phải kể đến Decawave.

Decawave hiện là nhà sản xuất chip định vị UWB duy nhất được biết là hỗ trợ IEEE 802.15.4. Họ cung cấp chip giá rẻ với giá bán lẻ vài đô la. Con chip này là DW1000, tuân thủ giao thức chuẩn IEEE 802.15.4-2011 UWB (trong điều kiện lý tưởng, phạm vi đo tối đa là 300 m).

Sau khi sản phẩm của Apple ra mắt, INTRANAV, nhà sản xuất định vị dựa trên chip Decawave DW1000, đã đăng hai dòng tweet tuyên bố rằng bộ công cụ của họ hỗ trợ khả năng tương tác với iPhone11 và Decawave cũng đăng lại dòng tweet này. Điều này cho thấy Apple U1 có khả năng hỗ trợ IEEE 802.15.4 rất lớn.

Các nhà sản xuất khác tham gia vào công nghệ UWB bao gồm Ubisense và BeSpoon. Các nhà sản xuất này sử dụng các giải pháp UWB của riêng họ, thường được tung ra dưới dạng bộ mô-đun, nhưng không có giải pháp nào hỗ trợ IEEE 802.15.4.

Việc hiện thực hóa Nhận thức Không gian tốt hơn cần có sự hỗ trợ của hệ sinh thái ứng dụng. Để xây dựng toàn bộ hệ sinh thái ứng dụng, các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau cần đạt được khả năng tương tác và tương thích. Có thể thấy trước rằng các thiết bị từ tất cả các nhà sản xuất sẽ hỗ trợ chuẩn IEEE 802.15.4 trong tương lai.

Hiệu ứng định vị UWB

Hiện nay, có ba cuộc thi định vị trong nhà tiêu chuẩn cao trên thế giới,

1) Cuộc thi bản địa hóa trong nhà của Microsoft (MILC)

2) PERFLoc (Đánh giá hiệu suất của Smart-phone Indoor) do Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) tổ chức

3) Hội thảo định vị trong nhà và dẫn đường trong nhà quốc tế (IPIN)

Cuộc thi MILC của Microsoft được công nhận là sân khấu tốt nhất để đánh giá công nghệ định vị trong nhà có độ chính xác cao.

Sau đây là danh sách ba kết quả hàng đầu dựa trên nhóm cơ sở hạ tầng trong các cuộc thi MILC qua các năm.

Có thể biết, kể từ năm 2015, những ưu điểm của UWB dần được thể hiện và trở thành công nghệ triển vọng nhất trong công nghệ định vị độ chính xác cao. Đồng thời, DW1000 của Decawave cũng là sự lựa chọn chủ đạo trong các giải pháp định vị cụ thể. 7 trong số 8 đội UWB chiến thắng đã sử dụng DW1000.

Trong cuộc thi năm 2018, SLAM laser hiệu suất rất cao đã được sử dụng để xây dựng bản đồ (hình bên trái) và dựa trên đầu ra thời gian thực này của quỹ đạo vị trí thực (bên phải), được sử dụng làm cơ sở đánh giá cho trò chơi.

Địa điểm của trò chơi là Cung điện của Sở giao dịch chứng khoán Porto, Bồ Đào Nha và môi trường rất phức tạp.

Cuộc thi năm 2018 là cuộc thi đầu tiên đánh giá độ chính xác động. Địa điểm thi đấu rất phức tạp và kết quả rất có định hướng. Trong sự kiện này, phải kể đến đội Anthony Rowe đến từ Đại học Carnegie Mellon, Hoa Kỳ. Đội ngũ này dẫn đầu trong lĩnh vực định vị trong nhà. họ đã 3 lần lọt vào top ba. Năm 2018, họ đứng nhất và đồng hạng nhì.

Đội CMU Anthony Rowe

Quan trọng hơn, lộ trình kỹ thuật mà nhóm đã giành vị trí đầu tiên trong năm 2018 là UWB + Thực tế tăng cường (AR) và iPhone 11 Pro trở thành điện thoại di động đầu tiên hỗ trợ cả AR và UWB. Điều này chứng tỏ rằng đội có cái nhìn sâu sắc về kỹ thuật.

Ngoài ra, Nanjing ATE Electronic Technology Co., Ltd. đến từ Trung Quốc cũng đáng được quan tâm.

Họ là một đội mới nổi. Một năm sau khi gia nhập thị trường UWB, họ đã tham gia cuộc thi năm 2018 và giành được vị trí thứ hai. Đây là thứ hạng tốt nhất của đội trong nước ở nội dung này từ trước đến nay.

Hình trên là đầu ra quỹ đạo thời gian thực của nhóm ATE trong cuộc thi. Có thể thấy, ngoại trừ một số khu vực, hầu hết các khu vực đều được xuất tọa độ định vị với độ chính xác cao. Màu xanh lam là quỹ đạo thời gian thực của SLAM laser, điểm màu xanh lá cây là quỹ đạo do nhóm ATE tạo ra và màu đỏ là lỗi vectơ.

Hình trên là bảng so sánh sai số định vị trung bình của các đội tham gia. Sai số định vị trung bình của nhóm ATE là 0,4 mét.

Tuy nhiên, một số đội mạnh truyền thống như Racelogic và Viện nghiên cứu Nga, cũng sử dụng công nghệ UWB, chỉ đạt được gần 1 mét hoặc thậm chí tệ hơn. Điều này nói lên đầy đủ độ khó của cuộc đua năm 2018.

Bản tóm tắt

Nói chung, sự hỗ trợ toàn diện của iPhone cho UWB là một cơ hội rất quý giá để xúc tiến thương mại quy mô lớn. Nó cũng sẽ đẩy nhanh sự phát triển và trưởng thành của chuỗi công nghiệp thượng nguồn và hạ nguồn UWB.

Với sự ra đời của 5G, chúng ta đang tăng tốc hướng tới kỷ nguyên vạn vật kết nối internet và ngày càng nhiều thiết bị và ứng dụng IoT sẽ xuất hiện. Công nghệ UWB có thể được tích hợp chặt chẽ với các ứng dụng IoT này theo các đặc điểm riêng của nó để cung cấp cho người dùng trải nghiệm dịch vụ tốt hơn.

Công nghệ UWB có triển vọng phát triển rất rộng, bao gồm nhà thông minh, AR, thanh toán di động, theo dõi điều dưỡng, thăm dò địa chất, điều hướng trong nhà, v.v.

Theo dự đoán của các cơ quan liên quan, công nghệ UWB sẽ chiếm 30% ~ 40% thị trường định vị trong nhà trong tương lai và quy mô thị trường dự kiến ​​sẽ đạt 16,4 tỷ đô la Mỹ vào năm 2022.

Chúng ta hãy mong chờ tương lai tươi sáng của UWB.