Оригинал: Ulink Media
Автор: 旸谷
Недавно голландская компания NXP, специализирующаяся на полупроводниковых технологиях, в сотрудничестве с немецкой компанией Lateration XYZ получила возможность обеспечивать позиционирование других сверхширокополосных объектов и устройств с точностью до миллиметра, используя эту технологию. Новое решение открывает новые возможности для различных сценариев применения, требующих точного позиционирования и отслеживания, и знаменует собой важный шаг вперед в истории развития сверхширокополосных технологий.
Фактически, нынешняя точность позиционирования на уровне сантиметров в технологии UWB достигается быстро, но высокая стоимость оборудования также создает проблемы для пользователей и поставщиков решений в плане затрат и развертывания. Необходим ли сейчас переход на миллиметровый уровень? И какие рыночные возможности откроет технология UWB миллиметрового уровня?
Почему сложно достичь сверхширокополосной связи миллиметрового масштаба?
Как высокоточный, высокодефектный и высокозащищенный метод позиционирования и определения расстояния, UWB-позиционирование внутри помещений теоретически может достигать точности в миллиметры или даже микрометры, но на практике оно долгое время оставалось на уровне сантиметров, главным образом из-за следующих факторов, влияющих на фактическую точность UWB-позиционирования:
1. Влияние способа размещения датчиков на точность позиционирования.
В процессе определения точности позиционирования увеличение количества датчиков означает увеличение избыточной информации, а богатая избыточная информация может дополнительно снизить ошибку позиционирования. Однако точность позиционирования не повышается с увеличением количества датчиков, и когда количество датчиков достигает определенного уровня, вклад в точность позиционирования становится незначительным. Кроме того, увеличение количества датчиков означает увеличение стоимости оборудования. Поэтому поиск баланса между количеством датчиков и точностью позиционирования, а следовательно, и рациональное размещение UWB-датчиков, является предметом исследований влияния размещения датчиков на точность позиционирования.
2. Влияние эффекта многолучевого распространения
Сверхширокополосные сигналы позиционирования (UWB) отражаются и преломляются окружающей средой, такой как стены, стекло и предметы внутри помещений, например, рабочие столы, в процессе распространения, что приводит к многолучевому распространению. Сигнал изменяется по задержке, амплитуде и фазе, что приводит к затуханию энергии и снижению отношения сигнал/шум, в результате чего первый достигнутый сигнал оказывается непрямым, вызывая ошибки измерения расстояния и снижение точности позиционирования. Поэтому эффективное подавление многолучевого распространения может повысить точность позиционирования, а существующие методы подавления многолучевого распространения в основном включают MUSIC, ESPRIT и методы обнаружения границ.
3. Влияние отсутствия прямой видимости
Распространение сигнала в пределах прямой видимости (LOS) является первым и необходимым условием для обеспечения точности результатов измерения сигнала. Когда условия между мобильным объектом позиционирования и базовой станцией не выполняются, распространение сигнала может происходить только в условиях отсутствия прямой видимости, таких как преломление и дифракция. В этом случае время первого приходящего импульса не соответствует реальному значению времени прихода сигнала (TOA), а направление первого приходящего импульса не соответствует реальному значению угла прихода сигнала (AOA), что приводит к определенной ошибке позиционирования. В настоящее время основными методами устранения ошибки, возникающей в условиях отсутствия прямой видимости, являются метод Уайли и метод корреляционного исключения.
4. Влияние человеческого тела на точность позиционирования
Основной компонент человеческого тела — вода. Вода оказывает сильное поглощающее воздействие на сигнал беспроводной сверхширокополосной связи, что приводит к ослаблению сигнала, искажению информации о расстоянии и влияет на конечный результат позиционирования.
5. Влияние ослабления проникновения сигнала
Проникновение сигнала через стены и другие препятствия ослабевает, и UWB не является исключением. Когда сигнал UWB проникает через обычную кирпичную стену, он ослабевает примерно вдвое. Изменения времени передачи сигнала из-за проникновения через стену также влияют на точность позиционирования.
Из-за особенностей строения человеческого тела, проникновение сигнала, обусловленное точностью удара, трудно обойти. NXP и немецкая компания LaterationXYZ планируют использовать инновационные решения в компоновке датчиков для улучшения технологии UWB. Конкретных демонстраций инновационных результатов пока не было, поэтому я могу лишь опираться на технические статьи с официального сайта NXP, чтобы делать соответствующие предположения.
Что касается мотивации повышения точности UWB, я считаю, что это, прежде всего, связано с тем, что NXP, как ведущий мировой игрок в области UWB, стремится противостоять нынешним отечественным производителям в их масштабных инновациях, находящихся на стадии прорыва, и обеспечить техническую защиту. В конце концов, нынешняя технология UWB все еще находится на стадии бурного развития, и соответствующие затраты, области применения и масштабы еще не стабилизировались. В это время отечественные производители больше озабочены скорейшим внедрением и распространением UWB-продуктов, завоеванием рынка, и у них нет времени на повышение точности UWB и совершенствование инноваций. NXP, как один из ведущих игроков в области UWB, обладает полной продуктовой экосистемой, а также многолетним опытом и накопленными техническими ресурсами, что позволяет ей более эффективно внедрять инновации в области UWB.
Во-вторых, компания NXP, на этот раз ориентированная на сверхширокополосные технологии миллиметрового уровня, также видит безграничный потенциал будущего развития UWB и убеждена, что повышение точности выведет на рынок новые области применения.
На мой взгляд, потенциал UWB будет продолжать расти с развитием «новой инфраструктуры» 5G, а также расширит свои координаты ценности в процессе промышленной модернизации, направленной на внедрение интеллектуальных технологий 5G.
Ранее в сетях 2G/3G/4G сценарии мобильного позиционирования в основном были сосредоточены на экстренных вызовах, доступе к местоположению в соответствии с законом и других приложениях, требования к точности позиционирования были невысокими, основываясь на идентификаторе соты (Cell ID) и обеспечивая приблизительную точность позиционирования от десятков до сотен метров. В то время как 5G использует новые методы кодирования, слияние лучей, крупномасштабные антенные решетки, миллиметровый диапазон частот и другие технологии, его большая полоса пропускания и технология антенных решеток обеспечивают основу для высокоточного измерения расстояния и угла. Таким образом, новый этап развития UWB-технологий в области точности поддерживается соответствующим контекстом эпохи, технологической базой и достаточными перспективами применения, и этот этап можно рассматривать как подготовительный этап для модернизации цифрового интеллекта.
На какие рынки откроется Millimetre UW?
В настоящее время распределение UWB на рынке в основном характеризуется разбросом на стороне B и концентрацией на стороне C. В практическом применении сторона B имеет больше вариантов использования, а сторона C предоставляет больше возможностей для повышения производительности. На мой взгляд, эта инновация, ориентированная на точность позиционирования, укрепляет преимущества UWB в точном позиционировании, что не только обеспечивает прорыв в производительности существующих приложений, но и открывает новые возможности для применения UWB.
На рынке B-диапазона, в парках, на заводах, предприятиях и в других сценариях, беспроводная среда в конкретной зоне относительно определена, и точность позиционирования может быть гарантирована на постоянной основе. При этом в таких условиях сохраняется стабильный спрос на точное определение местоположения, или же в скором времени на рынке будет ориентирован UWB-технологии миллиметрового уровня.
В горнодобывающей промышленности, с развитием интеллектуального горнодобывающего строительства, комплексное решение «позиционирование 5G+UWB» позволяет интеллектуальной горнодобывающей системе выполнять позиционирование в кратчайшие сроки, обеспечивая идеальное сочетание точного позиционирования и низкого энергопотребления, а также реализуя такие характеристики, как высокая точность, большая пропускная способность и длительное время работы в режиме ожидания. В то же время, в рамках управления безопасностью на шахте, это решение может использоваться для обеспечения безопасности и управления производственной безопасностью. Кроме того, в соответствии с жесткими требованиями к управлению безопасностью на шахте, технология UWB будет также использоваться в повседневном управлении персоналом и отслеживании транспортных средств. В настоящее время в стране насчитывается около 4000 угольных шахт, и средняя потребность в базовой станции для каждой шахты составляет около 100 единиц. Из этого можно сделать вывод, что общая потребность в базовых станциях для угольных шахт составляет около 400 000, а общее число шахтеров — около 4 миллионов человек. По показателю «1 человек — 1 метка», потребность в UWB-метках составляет около 4 миллионов. Исходя из текущей рыночной цены для конечного потребителя, объем продаж оборудования UWB «базовая станция + метка» на угольном рынке составляет около 4 миллиардов.
В горнодобывающей промышленности и аналогичных сценариях высокого риска, а также в нефтедобыче, на электростанциях, химических заводах и т. д., требования к точности позиционирования в сфере управления безопасностью выше, и повышение точности позиционирования с помощью UWB до миллиметрового уровня поможет укрепить его преимущества в этих областях.
В промышленном производстве, складском хозяйстве и логистике технология UWB стала инструментом снижения затрат и повышения эффективности. Рабочие, использующие портативные устройства с технологией UWB, могут более точно определять местоположение и размещать различные детали; создание системы управления, интегрирующей технологию UWB в управление складом, позволяет точно отслеживать все виды материалов и персонал на складах в режиме реального времени, обеспечивая контроль запасов, управление персоналом, а также эффективную и безошибочную беспилотную передачу материалов с помощью автоматизированных транспортных средств (AGV), что значительно повышает эффективность производства.
Кроме того, миллиметровый скачок в развитии UWB-технологий может открыть новые возможности в области железнодорожного транспорта. В настоящее время активная система управления поездом в основном полагается на спутниковое позиционирование, но в условиях подземных тоннелей, городских высоток, каньонов и других подобных ситуаций спутниковое позиционирование подвержено сбоям. UWB-технология в системах позиционирования и навигации CBTC поездов, предотвращения столкновений и раннего предупреждения о них, точной остановке поезда и т.д. может обеспечить более надежную техническую поддержку безопасности и управления железнодорожным транспортом. В настоящее время подобные приложения в Европе и США имеют разрозненные примеры применения.
На рынке C-терминалов повышение точности UWB до миллиметрового уровня откроет новые сценарии применения, помимо цифровых ключей для автомобилей. Например, автоматическая парковка, автоматическая оплата и так далее. В то же время, благодаря технологиям искусственного интеллекта, они смогут «изучать» модели движений и привычки пользователя, повышая эффективность технологий автоматического вождения.
В сфере потребительской электроники технология UWB может стать стандартом для смартфонов в условиях развития технологий взаимодействия автомобилей и устройств, таких как цифровые автомобильные ключи. Помимо расширения области применения для позиционирования и поиска устройств, повышение точности UWB также открывает новые возможности для сценариев взаимодействия устройств. Например, точный диапазон UWB позволяет точно контролировать расстояние между устройствами, корректировать построение сцен дополненной реальности, а также улучшать сенсорное восприятие в играх, аудио и видео.
Дата публикации: 04.09.2023