iPhone點石成金術再發威　UWB鹹魚翻身應用超展開

Apple年度大事iPhone發表會，照例在9月分登場，在官網上iPhone 11系列的介紹最下方，有一段文字：「Apple全新設計的U1晶片將超寬頻技術用於空間感知，讓iPhone 11 Pro能精準找出同樣配備U1的其他Apple裝置。有了U1和iOS 13，你可以將iPhone對準他人的iPhone，AirDrop就會將其視為優先處理裝置，讓你能更快速地分享檔案。而這，還只是個開端。」

這個超寬頻感知技術並非甚麼新玩意，就是UWB(Ultra-wideband)，曾經在十多年前被看好發展為短距無線寬頻技術，可以應用在無線影音的傳輸，傳輸速率高達110~480Mbps，彌補其他無線短距技術如藍牙、ZigBee傳輸速率低的缺點，後來的市場發展並不順利，短距無線影音傳輸應用需求不如預期。然而，iPhone 11將UWB冷飯熱炒，應用在空間感知、精準室內定位、短距點對點資料傳輸等，可望再次展現技術應用的魔法，帶動該技術的新發展前景。

UWB精確定位/測距為技術特長

Apple透過旗下產品帶動技術與應用的風潮已經不是新鮮事，尤其iPhone是其最重要的產品，這也是多年來iPhone發表會總能吸引各界高度矚目的原因，像是觸控技術、TWS無線耳機等都不是新技術，卻能在Apple的應用下大放異彩。UWB技術被導入iPhone 11在產品發表前只有少數分析師提到，在發表會上也不是三鏡頭、夜幕綠這類廣受關注的亮點，然而因為Apple官網上的一句引人遐想的「這只是開端」，讓業界更加期待這顆U1晶片將開創的新興應用與產業發展契機。

UWB在沉寂的這幾年中，儘管受到產業的關愛眼神少，但技術並沒有因此停下發展的腳步，該技術是一種無線載波通訊技術，它不採用正弦載波，而是利用奈秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據，低功率脈衝傳送數據不會對常規窄頻無線通訊系統造成干擾，並可充分利用頻譜資源。因此其所占的頻譜範圍很寬，UWB可在非常寬的頻段上傳輸訊號，美國聯邦通訊委員會FCC對UWB的規定為：在3.1~10.6GHz頻段中占用500MHz以上的頻寬，可以利用低功耗、低複雜度發射/接收器實現高速資料傳輸。

由HID Global、恩智浦(NXP)、三星(Samsung)、博世(Bosch)、索尼(Sony)、LitePoint和TTA等廠商組成的FiRa(Fine Ranging)聯盟，主旨在推廣UWB的技術發展與產業應用。聯盟定義了UWB的主要三種應用(圖1)，免持卡門禁(Hands-Free Access Control)也稱為無縫連接控制(Seamless Access Control)，UWB可以識別一個人目前是正走向或是遠離安全入口，並可同時驗證安全憑證，授權通過入口而毋須刷卡。

行動定位服務(Location-Based Service, LBS)，即使在擁擠的多路徑訊號環境中，UWB也能提供高精度定位，尤其是室內定位可達10公分等級的精準度，讓用戶可以更輕鬆地在機場和購物中心等大型場所活動避免迷路，或在多層停車場中找到汽車。還可以實現針對性的數位行銷活動和人流量數據，零售商可以提供量身訂做的優惠、政府機構可發送個別通知，娛樂場所可於活動期間進行個性化推薦等。設備到設備(點對點)服務(Device-to-Device (Peer-to-Peer) Services)，透過在兩個設備之間提供精確的相對距離和方向，UWB允許設備找到彼此的相對位置，這使得人們可以在擁擠的空間中輕鬆找到彼此，或者即使放置在隱藏區域也能找到物品。

雙向測距確保高精準度

室內精準定位與測距看起來是UWB技術的強項，這兩項功能也是iPhone 11導入而且未來將持續發展新應用的基礎，事實上，過去幾年已經有許多其他技術也訴求這兩項功能，包括藍牙結合信標(iBeacon)技術、紅外線/雷射、RFID、Wi-Fi、ZigBee等，但其中UWB的定位精度高於其他技術。其定位技術是利用脈衝無線電進行測距和測向，在室內定位系統中，人員或物品上所配戴的定位標籤利用UWB脈衝訊號發射出位置數據，待定位基地台接收後，計算出定位標籤訊號到達不同定位基地台的時間差，透過軟體的計算，最終得到被定位物體的位置。

UWB的測距採用雙向飛時測距(Two Way-Time of Flight, TW-ToF)每個模組從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳記。模組A的發射器在其時間戳上發射請求性質的脈衝訊號，模組B在己端發射一個響應性質的訊號，被模組A在自己的時間戳時刻接收。可以計算出脈衝訊號在兩個模組之間的飛行時間，以確定飛行距離。此方法屬於雙向測距技術，它主要利用訊號在兩個非同步收發器之間飛行時間來測量節點間的距離，因為在視距視線環境下，基於ToF測距方法隨距離呈線性關係，所以結果會更加精準。

整體而言，ＵＷＢ的技術優勢包括系統容量大、傳輸速度快，傳輸速率可以輕鬆達到100Mbps以上；發射功率低，IR-UWB具有1GHz以上的頻帶寬度，極大的頻寬保證了較低的發射功率，在短距離應用中，發射機發射的UWB訊號功率要低於1mW；多徑解析度高，UWB信號採用持續時間很短的窄脈衝，具有較強的時間和空間解析度，系統能夠充分利用發射訊號的能量；系統保密性好，UWB發射功率低，可以把信號彌散在一個極寬的頻帶範圍內，訊號類似於白噪聲可以安全地隱藏起來；穿透能力強，窄脈衝具有很強的穿透能力。

UWB新興應用大舉出籠

UWB由於iPhone的光環，讓產業發現新驚喜，未來還有更多應用值得發掘，像是NXP就與福斯汽車合作，透過未來概念車，展示超寬頻技術在提升車輛的防盜保護、安全性和便利性的功能。例如拖車掛鉤裝置自動啟動、車內乘客檢測、自動代客泊車、自動泊車、停車場進入與免下車支付等。Volkswagen概念車同時展示另個有趣應用，亦即汽車門禁的步行模式識別，搭載超寬頻技術的Volkswagen汽車鑰匙採用高精度感測技術與人工智慧，以學習個人化的使用者手勢。

另外，NXP也將將安全元件(Secure Element, SE)、近場無線通訊(Near Field Communications, NFC)和UWB精密測距技術結合為整合性解決方案，實現360o定位精確感測與安全定位功能，精確度範圍可達±10公分和±3o角度，在智慧家庭的各項應用中如智慧燈具、智慧音響和任何其他具備UWB感測功能的裝置，能夠感知使用者在不同房間的移動。

UWB的測距與精確定位來自雙向感測，因此只要在同個空間中安裝足夠的感測節點，或者具備開放互通架構的終端裝置，應用便利性與感測精確度可以獲得更好的發揮。經過拆解團隊分析iPhone 11的規格後發現，其U1晶片確實是Apple自家所設計(圖2)，而一直以來，蘋果對於高度重視的晶片才會投入設計。U1功能與全球專注UWB晶片設計的Decawave產品DW1000晶片類似，可以提供10公分以下的精確無線電定位功能，並且可以與搭載Decawave的其他裝置相容。

有分析師推測，U1晶片未來很有可能會被用於Apple將推出的藍牙小物「Apple Tags」，據傳聞這是一款類似Tile的追蹤器，除了能用定位的方式尋找外，還可以透過線上操作，使其發出聲響，更直接讓人尋找到物品所在之處。還有消息指出Apple Tags可以與AR功能結合，像是可以透過虛擬氣球的標示來讓用戶更直觀地尋找。另外，今年Apple發表會未曾現身的VR眼鏡，未來可能結合U1晶片讓iPhone就是操控搖桿。隨著UWB技術越來越受市場好奇與重視，勢將掀起一股開發熱潮，可以預期Android陣營的手機品牌大廠目前將密切關注，2020年初的MWC或許就會有機種積極跟進，對於已經住在冷宮多時的UWB技術，頗有盼得雲開見月明的感受。