商用多點開花 UWB千億級市場即將爆發

作者 : 李晉,國際電子商情(ESMC)

近年來,已有一些足球、籃球等專案,利用UWB技術幫助運動員提升訓練效果;同時,在定位標籤、會展導覽、機場導覽等應用中也能看到UWB的身影…

今年2月下旬,北京冬奧會落下帷幕。由於新冠疫情正在全球爆發,舉辦單位不僅要保證各項賽事順利進行,還要謹防新冠疫情的傳播。為了更高效地進行人員管理調度、提升運動員的訓練成績,以及加強賽事的安全管理,本屆冬奧會使用了超寬頻(Ultra Wide Band,UWB)高精確度定位系統。 其實,將UWB定位方案用於體育領域,並非是本屆冬奧會的首創。近年來,已有一些足球、籃球等專案,利用UWB技術幫助運動員提升訓練效果;同時,在定位標籤、會展導覽、機場導覽等應用中也能看到UWB的身影,一時間UWB在各個領域遍地開花。 UWB商業化曾屢遭失敗 UWB並不是什麼新概念,最初它作為一種軍用雷達技術而開發。2002年UWB技術被正式下放到民用領域,期間經歷了標準之爭和技術之爭。在落地PC週邊、穿戴式裝置應用失敗之後,UWB的商用化進程曾一度陷入停頓。 UWB的標準化之路也非一帆風順。2002年2月,美國聯邦通訊委員會(FCC)發佈了02-48號報告及法規,將UWB技術下放至民用領域;2003年2月,FCC詳細闡明了UWB技術的應用規則,UWB被定義為「-10dB絕對頻寬≥500MHz或相對頻寬大於20%」的無線電訊號,該定義把UWB擴寬為「所有使用超寬頻頻譜的通訊形式」,還劃定了3.1~10.6GHz的頻譜範圍,發射訊號的功率譜密度限制於-41.3dBm/MHz。 美國電氣電子工程師協會(IEEE)經歷了幾次失敗之後,在2004年3月成立了IEEE 802.15.4a工作小組,針對低速低功耗無線個人局域網應用。2007年3月,IEEE-SA標準委員會批准IEEE 802.15.4-2006,到2020年其最新修訂版本為802.15.4z,新標準增強了UWB的實體層,提高了測距測量的完整性及準確性。 關於方案的發展也值得關注。2003年初,IEEE收到了超過20種UWB方案,經歷了市場的淘汰之後,最終剩下以英特爾(Intel)、德州儀器(TI)主導的多頻帶OFDM (MB-OFDM)方案和由摩托羅拉(Motorola)、XtremeSpectrum主導的直接序列碼分多址(DS-CDMA)方案,不過這兩個方案均未通過IEEE的最終票選。 2007年,因飛思卡爾(Freescale,當時在摩托羅拉旗下,現已被NXP購併)的退出,加速了主導DS-CDMA方案的聯盟崩盤;次年,UWB控制器廠商WiQuest倒閉,英特爾宣佈停止對UWB晶片的開發;2009年3月,藍牙技術聯盟(SIG)、無線UWB促進組(Wireless USB Promoter Group)、UWB開發論壇(UWB-IF)接手了MB-OFDM UWB技術規範以及UWB的未來框架技術。 2019年,新的FiRa聯盟成立。該聯盟旨在推動精準測距功能發展,完善UWB的生態系統以及建立新標準。到2021年底,聯盟成員已超過100名,除了HID Global、博世(Bosch)、恩智浦(NXP)、三星(Samsung)等發起者之外,還包括了瀚巍微電子、紐瑞芯、精位元科技等中國UWB晶片公司。 UWB可直接發送脈衝無線電訊號,每秒發送脈衝數高達10億個。這些脈衝的頻域非常寬(數Hz至數GHz),又因為UWB發射的載波功率較小,所以UWB對無線電波的影響非常小,以上特點讓UWB技術具有窄帶和寬頻技術無法比肩的優勢。 基於以上特點,UWB曾在傳輸領域被寄予厚望。主要利用其頻寬大的特點,來負責短距離無線傳輸,作為PC的週邊來使用。只不過,2009年802.11n (Wi-Fi 4)問世,迅速搶佔了短距離無線傳輸市場。由於成熟度不夠和成本過高,UWB PC週邊方案在與USB、Wi-Fi的競爭中落敗。 業內曾經也有許多研究針對基於UWB的穿戴式裝置。不過,自2013年4月低功耗藍牙直驅模組誕生之後,低功耗藍牙成為了穿戴式裝置的主流連接技術。因為現在的穿戴式裝置與智慧型手機之間所要傳輸的資料量並不大,所以UWB的高頻寬、高能效比優勢在應用中較難體現。 基於定位功能已落地多個場景 隨著2019年FiRa新聯盟成立,UWB逐漸回歸到大眾視野。近年來,UWB憑藉顯著優勢,在B端市場陸續落地。比如,在工地、倉庫等場景中即時追蹤資產和庫存,進行人員、貨物、運載機器的精準定位,協助企業改進流程、提高搜索效率、減少資源浪費等。 UWB可提供精準的位置資訊,具備高安全性、高抗干擾能力,因此其在消費市場也有較大的應用潛質。又比如,在機場場景中,為旅客提供精準的室內導航;在會展、展廳、博物館場景中,為參觀者提供智慧化導覽服務;在養老院等場景中,透過智慧穿戴裝置配合電子圍欄,可圈定老人的安全活動範圍;在礦井、隧道等危險場景中,利用定位人員和資源,為安全位置緊急搜尋提供便利。 不過,室內定位系統並非只能基於UWB一種技術。室內定位系統還包括以電腦視覺技術為基礎的室內定位系統、以無線通訊技術為基礎的室內定位系統、以LED可見光技術為基礎的室內定位系統、以地磁匹配為基礎的室內定位技術等,這些不同的短距離無線通訊技術各有優缺點。  

表1:短距離無線通訊技術優缺點對比。

  前面我們有提到,UWB最初作為軍用雷達技術而開發。實際上,它使用了與雷達類似的飛行時間(ToF)原理:透過連續發射光脈衝到被觀測物體上,然後接收從物體反射回去的光脈衝,利用探測光脈衝的飛行(往返)時間來計算被測物體離發射端的距離。UWB系統中會根據多個發射端與接收端的距離,來判斷出接收端所處的位置以實現定位。觀察表1,無論是從安全性、定位精準度、穿透性、功耗,還是傳輸距離上,UWB都有較大的優勢,這些優勢使其也適用於C端市場。 2019年,隨著配置UWB晶片(U1)的iPhone 11發佈,該技術首次進入主流消費電子產品。到2021年春季,蘋果(Apple)推出了UWB硬體AirTag。AirTag內建了Qorvo的UWB晶片,與配置U1晶片的iPhone相連可實現公分級的精準定位。至此,UWB技術在需要定位功能的場景中,通過了諸多細分市場的初步驗證。 廠商已在智慧型手機及配件上應用UWB 在消費電子市場,蘋果率先帶動了UWB的商用,緊接著我們也看到,Android陣營也推出了內建UWB晶片的手機及配件產品。三星在2020年8月發佈的Galaxy Note20 Ultra採用了恩智浦UWB方案,不但可加速照片、視訊和文件檔的共用速度,還能讓手機作為數位鑰匙;小米在2020年10月發佈了「一指連」UWB技術,結合小米自研的天線排列及演算法,可實現公分級定位和±3°角度測量精度,目前「一指連」可實現「一指操控」和「一指投送」功能,未來還能實現無感開智慧門鎖;2021年5月,OPPO發佈了「一鍵聯手機殼套裝」,可幫助用戶更精準、快速地操控指定方向的智慧家庭設備…。 UWB在智慧型手機及配件中的應用尚處於初期階段,各手機及配件廠商正在積極探索。雖然全球智慧型手機出貨量增幅較前幾年有所下降,但是基於2021年全球智慧型手機年出貨量超過13億支的資料來看,智慧型手機仍是一個規模相當大的細分市場。對UWB廠商而言,即便只看智慧型手機及配件的需求,這都是個不容小覷的市場。 另據Techno Systems Research《2021年超寬頻市場分析》顯示,全球UWB出貨量到2021年超2億個,到2027年將突破12億個。其中,智慧型手機將在2027年成為UWB的最大應用市場(對UWB出貨量的需求超過8億個),其次則是汽車、智慧家庭設備、穿戴式裝置、消費者標籤和RTLS B2B。  

圖1:UWB市場和應用趨勢。

(來源:Techno Systems Research)

  對此,現階段許多UWB企業都針對智慧型手機推出了相應的晶片或方案。恩智浦UWB晶片已在三星Galaxy Note20 Ultra機型中應用,Qorvo的DW3000應用在蘋果的AirTag中。另外,也包括了一些中國廠商。《國際電子商情》注意到,一些中國國產UWB晶片預計在2022年前後量產,比如深圳紐瑞芯的Ursa Major大熊座系列(UMAJ) UWB定位通訊系統晶片(2019年底流片)、馳芯半導體的CX300(2021年12月發佈)、易百德的EB1003晶片(2020年4月發佈)。當然,廠商早在幾年前就提出了量產計畫,但截至發稿日(2022年3月初)都沒有傳來量產出貨的好消息。由此可見,UWB技術的落地並不容易。 大廠併購UWB企業趨勢初顯 除了以上提到的部分UWB晶片廠商的量產進度之外,在UWB領域還有一種市場現狀值得關注——大廠收購UWB企業的趨勢。  

表2:部分UWB晶片、方案商介紹。

  2020年3月,Qorvo以約4億美元的價格收購了UWB技術供應商Decawave,交易完成後Qorvo推出了基於Decawave技術的DW3000系列;2020年7月,ST收購了UWB技術Fabless廠商BeSpoon,後者的UWB RTLS系統適用於各類工業環境,甚至適用於板金車間這類多障礙,、強散射的環境。這筆收購完成之後,ST計畫將UWB安全定位技術整合到STM32產品組合中,應用於IoT、汽車和行動通訊應用場景。 中國浩雲科技也是透過併購潤安科技成功切入UWB領域。據瞭解,潤安科技是深圳市多功能智慧桿配套產品中的UWB獨家入庫單位,也是中國核電獨家得標的UWB高精準位置管理系統供應商。當前,浩雲科技可提供定位演算法伺服器、室外定位基地台、電子身份定位卡牌等產品。 對大廠而言,透過併購來填補技術空白的確是最簡單的方式。也可以預見,隨著UWB技術的市場能見度進一步提升,未來在該產業中會發生更多起併購事件。 小結:如何降成本是未來重點 預判一項新技術的發展,不能只看它的性能優勢,還要看其商業化的難易程度。如果對某個產業有所研究,可能會發現該領域普及的主流技術,並非是性能最佳的那個技術。實際上,這種情況在電子產業十分常見,對UWB技術而言正是如此,「如何進一步降低模組成本,使之降到消費者樂於接受的地步」,相信這將是未來幾年內產業鏈專注的焦點。 本文原刊登於國際電子商情網站          

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