iPhone 11的U1芯片超宽频技术技术 究竟有啥用

苹果刚刚发布的iPhone 11和iPhone 11 Pro最重要的新功能之一就是增加了一枚之前我们从来没有听说过的芯片，而这枚芯片也是苹果独立研发的成果。

这款芯片叫做U1，苹果公司表示，U1芯片具有空间感知能力和高精确度的数据定位功能，但其实U1芯片和驱动它所采用的技术，比听起来更具有突破性，而以下就是我们需要了解关于U1芯片的消息。

苹果U1芯片

苹果U1芯片使用超宽频(UWB)技术，可以非常精确的定位其它同样配备U1芯片的苹果设备。正如苹果在发布会上介绍的那样，它就像我们“客厅里的GPS”。

U1芯片的应用潜力巨大的，但苹果目前为止对于U1芯片的更多应用场景始终保持沉默。苹果甚至在上周的it By Innovation大会上都没有提到任何与U1芯片有关的话题，只是含糊的宣称它可以实现很多 “惊人的新功能”。

不过目前可以确定的是， U1芯片能够允许更好的提升AirDrop功能进行文件传输。在iPhone 11上，只要把手机对准另一部iPhone 11，它就会自动出现在AirDrop列表的顶部。

U1芯片所依赖的超宽频技术也可以实现类似蓝牙的功能。但是与蓝牙相比，超宽频技术更加准确和安全。比如对于像Tile这种的追踪器类产品来说，只是使用蓝牙技术进行定位而已，但相比之下，超宽频技术使用了ToF技术来获得更精确的距离定位，同时它还能够非常精确的确定方向，而这是蓝牙所无法做到的功能。

同样，当在你开始考虑基于智能手机超宽频技术可能带来的功能之前，所有这些描述性的词汇听起来其实还是有些平淡无奇。

U1芯片能做什么

正如Six Colors 站的Jason Snell所指出的那样，超宽频的一些潜在应用场景包括智能家居技术、增强现实、移动支付、前面提到的无钥匙汽车入口，甚至室内导航等领域。

其中最明显的用途是就是之前传闻中苹果最新的防丢定位设备，它可以将蓝牙、超宽频和AR技术整合到一起使用，实现极其精确的位置跟踪功能。之前外界预计苹果会在上周的秋季新品发布会上发布这款追踪器，但事实证明并没有。

另外，Snell也列举出了超宽频技术的其它一些应用场景，比如全家庭范围的音频系统，它可以根据用户的位置在不同的房间里播放音乐。或者使用在智能锁上，只在用户接近它或离开时自动打开和关闭。

而其它的潜在用途包括增强现实精确空间感知和对象定位功能，以及汽车的无钥匙进入或安全系统。

简单来说，超宽频技术可以极大的改善各种智能设备之间的交互方式，而苹果目前则处于创新的最前沿，因为该公司是迄今为止唯一一家在旗下产品中内置超宽频芯片的智能手机厂商。

换句话说，苹果可能开始“悄悄的”启动了超宽频技术革命。

为什么说U1芯片很重要？

其实苹果在9月10日发布会上最值得关注的功能，苹果并没有特别重点介绍。

比如以下的应用场景：

“嘿，Siri，我们找不到我的狗了，你知道它在哪里吗？”

Siri：狗狗距离iPhone的距离有26米，左右60厘米的范围，请举起你的手机，跟着画面上的气球定位找到狗狗的位置。”

怎么样，这样的场景，听起来很酷吧。

要知道在2012年，Phil在展示Touch ID指纹识别可以为信用卡支付提供安全保护的时候，也采取了类似的做法。一款来自Hypercom的设备作为了Touch ID的潜在应用场景出现在发布会的屏幕上。而后来它成为了Apple Pay最主要的支付验证方式(当时我把它叫做iWallet，这很有时代特色)。在支付行业，包括很多颠覆性初创公司在内的都认为我疯了，但在Apple Pay发布后，这些公司开始裁员。当然，我脑海中的印象远远不止一个Phil的形象，U1芯片的作用即将让历史重演。

为什么苹果的U1芯片会悄悄出现在Phil身后的屏幕上但却没有公开介绍，只是在苹果官 上轻描淡写的提了一句？后面我们会对这个问题进行详细的讨论。然而有关苹果会如何使用U1芯片的介绍，现在已经出现在了苹果官 上，而首先的应用场景就是提高AirDrop的性能。

我们现在看看苹果官 上关于iPhone 11系列机型的相关介绍文字：

iPhone采用超宽频技术。

苹果新设计的U1芯片使用的超宽频技术可以进行空间感知，这使得iPhone 11能够精确定位其它同样配备了U1芯片的苹果设备。想象一下，它就像客厅里的GPS。所以如果你想和使用AirDrop的朋友分享一个文件，只要把你的iPhone对准他们的手机，他们的手机就会出现在列表的首位。

简单来说，苹果新设计的U1芯片通过使用超宽频技术进行空间感知，这使得iPhone 11 Pro能够精确定位其它配备U1芯片的苹果设备。这就像给iPhone增加了第六感，并且未来将带来更多惊人的新功能。

有了U1芯片和iOS 13系统的组合，我们可以把自己的iPhone指向其他用户的iPhone，这时AirDrop会优先处理附近的设备，这样你就可以更快速的共享文件。

但这仅仅是个开始。

满足超宽频无线电技术

U1芯片中的“U”指的就是其所使用的超宽频无线电技术。UWB可以被用于许多应用程序和场景。随着苹果将重点转向AR/MR技术和潜在的苹果眼镜产品，未来一种将非常强大的应用场景能够跟踪对象的空间关系。其中一种方法是使用激光和红外系统，而苹果已经在某种程度上用FaceID和Animoji做到了这一点。同时另一种方法就是利用无线电频谱。

早期版本的iBeacon技术被用于一个现在几乎被放弃的苹果项目。该技术以蓝牙和蓝牙低功耗(BLE)为核心。虽然这个想法很好，但是技术的有效分辨率很低，如果没有3个或3个以上的ibeacon进行三角范围的定位，在几米的范围内很难实现目标。而即使这样，它也会随着温度和障碍物的增加而影响准确性。

2005年，苹果在自己的研究实验室里测试了一种更新更精确的技术。到2006年，也就是在iPhone发布之前，他们就通过利弗莫尔实验室的一项研究拨款申请了民给“用于ToF测距和 络位置预估的超宽频无线电”的专利。直到2010年9月，美国专利商标局才公布了这项专利申请。苹果然后继续与iBeacons和BLE合作。然而，3D空间分辨率远没有苹果所需要的那么精确，因此他们放弃了iBeacon的概念。

超宽频专利证据确凿

最近，苹果又申请了几项以超宽频技术为核心的专利。著名发明家Joachim S.Hammerschmidt同时对这项技术进行了更深入的扩展。苹果的工程师本杰明·维吉尔也对超宽频信标的概念做出了巨大贡献。

尽管超宽频的概念从无线电诞生之初就已经存在，但在20世纪50年代首次才以一种可用的方式开发了超宽频应用，而小型化和低功耗芯片的出现使其呈现出了一种新形式。

我下面列出了几项非常有趣的苹果专利，它们都是围绕超宽频技术展开，但之前大多数人都没有重视。

2019年Beacon触发流程(专利 ：0190272567)；

2006年用于ToF测距和 络位置估计的超宽频无线电技术(专利 ： 0100225541)；

2018年超宽频系统时间即时参考(专利 ：0190199398)；

2017年超宽频系统脉冲互操作性协议(专利 ：0190007093)；

显然在本世纪初，苹果就预见到了对超宽频技术的需求，同时苹果还有更多的专利与这项技术有关，但这些专利都涉及了一个有趣的概念。

iBeacon触发流程专利摘要：

本发明公开了信标触发过程的技术和系统。所述技术包括使信标设备广播信标消息，所述信标设备位于设施附近;基于从移动设备接收到响应信标消息的第一消息，检测移动设备用户的存在;基于第一消息中的用户或移动设备标识符检索事务记录;根据该交易记录生成并传送第二信息，以方便在该建立时完成与该交易记录相关联的交易;所述第二消息被配置为提供该用户到达的通知，并分派一名员工与该用户见面并处理该事务;以及根据交易记录生成和传输第三条消息，以方便在移动端完成交易。

超宽频无线电用于ToF测距和 络位置预估专利摘要：

超宽频系统时间专利摘要：

实施例允许通信超宽频(UWB)设备通过交换脉冲形状信息进行协作。超宽频器件利用脉冲形状信息来提高测距精度。改进的测距精度可用于复杂的多路径环境，其中先进的估计方案用于提取到达路径的飞行时间估计。为了确定要共享的脉冲形状信息，一些实施例包括确定超宽频设备的位置信息和选择满足区域方面的脉冲形状信息。脉冲形状信息包括特定于测距信 的时间零指标，超宽频接收机使用该时间零指标建立时间戳飞行时间计算。一些实施例包括测量性能特性和根据性能特性选择不同的脉冲形状信息，以提高精度。

超宽频系统脉冲互操作性协议专利摘要：

实施例允许通信超宽频(UWB)设备通过交换脉冲形状信息进行协作。超宽频器件利用脉冲形状信息来提高测距精度。改进的测距精度可用于复杂的多路径环境，其中先进的估计方案用于提取到达路径的飞行时间估计。为了确定要共享的脉冲形状信息，一些实施例包括确定超宽频设备的位置信息和选择满足区域方面的脉冲形状信息。脉冲形状信息包括特定于测距信 的时间零指标，超宽频接收机使用该时间零指标建立时间戳飞行时间计算。一些实施例包括测量性能特性和根据性能特性选择不同的脉冲形状信息，以提高精度。

在“超宽频系统的脉冲成形互操作性协议”苹果专利中，我们发现了非常有启发性的实施例:

通过对车站发射机脉冲形状信息的精确了解，可以使用接收器将脉冲形状或其他滤波效应与真实的传播信道效应隔离开来。知识的脉冲波形信息还允许使用信 处理技术,可以称为“反褶积技术,方法看一个整体接收信 (例如,从发射机到接收机端到端脉冲响应),提出工件等,例如,发射机脉冲整形包括天线或接收器传输特性的影响。这些信 处理技术允许提取无线传播信道在整个系统响应中的期望贡献。反过来，此提取可用于确定到达传播路径的时间瞬间。

其他实施例提供了一个示例系统，该示例系统可能包括但不限于超宽频设备，如无线通信设备(iPhone #110和120)、车辆应答器设备(#130)、门入口应答器设备(#140)、家用设备(#150恒温器)、宠物皮带标签(#160)和锚节点l70a-l70c。

我研究专利已经超过35年了，尤其是苹果的专利。我对苹果的超宽频专利非常感兴趣，因为我知道超宽频将不仅仅是一个室内测绘系统，就像室内空间的GPS一样，它将成为AR/MR/VR环境中空间坐标微调的关键。超宽频技术在汽车、无人机和机器人系统方面也将非常有用。我为客户写了几份 告，一位VC评论说，“这将永远改变我们看待室内空间的方式”，我表示同意。

这些苹果的专利是苹果能够而且很有可能使用超宽频的多种方式的大杂烩。我真的可以写一本书，仅仅通过这些专利，就能让苹果公司明白这一点。2010年以来我学到的一些东西，我将在这个答案中用到。

苹果UWB个人雷达系统

超宽频也可以作为一种个人雷达，它可以自我参照它发出的波，并以高精确度回声定位你的空间世界。我认为这是一种避免一些人弯腰用拇指抓着屏幕走在街上的方法，iPhone会弹出一个nan即将发生碰撞的通知。

虽然很幽默，但是如果苹果把它变成一个开放的标准，并且有一些证据表明某些方面可能会成为开源的，想象一下一个UWBs存在于所有汽车和行人中的世界。碰撞检测和避免系统可以变得非常强大，并挽救许多生命。

超宽频是如何运作的

超宽频设备通过交换脉冲形状的信息来相互协作，这些信息可以用于未来的测距交换。这是通过接收超宽频器件利用脉冲形状信息来提高测距精度来实现的。改进的测距精度可用于复杂的多路径环境，其中先进的估计方案用于提取到达路径的飞行时间估计。飞行时间是超宽频工作原理的基础，非常像GPS。

脉冲形状信息包括特定于接收到的测距信 的时间零指标，超宽频接收机使用该时间零指标来建立用于飞行时间计算的时间戳。这包括测量性能特性和选择不同的脉冲形状信息。

从其他设备超宽频接收脉冲形状信息,使用脉冲波形信息的超宽频通讯和电子设备之间的另一个电子设备,接收测距信 ,使用第一个脉冲形状信息,确定电子设备之间的距离和另一个电子设备至少部分基于脉冲形状和测距信 的信息。

因此确定飞行时间与距离包括计算测距信 和脉冲波形信息包括一个时刻0索引可能是样品的主瓣脉冲波形的信息(例如,首样或样品中心主瓣的脉冲形状信息)脉冲形状信息还满足与电子设备的位置信息相关的一个或多个区域方面。

一个或多个锚节点可以与iPhone或其他设备一起使用，以提高测距的准确性和可靠性。这些设备可以三角测量并确定可用于提供局部方向信息的地理位置。

主超宽频也可以作为它自己的锚节点和自参考测距信 模式本身。非常像个人雷达系统，这可能没有相同的高分辨率使用两个或更多的设备三角测量，它可以是非常有用的。

苹果U1芯片

苹果U1芯片是一款应用专用的低功耗芯片设计，非常像新的Decawave impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) DW1000无线IC芯片组。迄今为止，他们已经售出了数百万块这种芯片，并有超过10厘米的室内精度保证。苹果U1芯片很有可能使用Decawave芯片、授权技术或定制OEM版本。用这种技术理论上可以达到3厘米以上的精度。

例如，Decawave DW1000无线IC可以传输6.8Mbps的数据，其精度是WiFi或蓝牙的100倍。它可以达到290米的距离，与标准的GPS延迟相比，它的功率需求非常小，速度快50倍。虽然苹果U1芯片还没有发布，但我猜想我们会期待相同或更好的规格。因此，基于DW1000作为基础，我们可以想象苹果U1将变得多么重要。

虽然苹果只是间接提到了新iPhone 11系列的U1芯片，但我认为它很可能是Apple Watch 5系列的一部分。如果Apple Watch系列5还没有发布，它将会在未来的版本中发布。我还想象了AirPods、AirPod机箱、苹果眼镜、MacBook pro笔记本电脑，当然还有类似瓷砖的独立设备中的U1。

U1芯片极低的电池消耗可能使单个硬币电池助听器电池在正常设置下的使用寿命达到一年或更长。我们也可以使用环绕我们所有人的环境无线电频率，使用苹果收购的Passif公司的专利技术为电池充电。它似乎是Passif技术的一个非常自然的用例，并且曾经用于ibeacon的早期内部测试。

因此，我们将在几乎所有苹果设备中看到AppleLocate标签，用于非常精确的位置跟踪和周界隔离。例如，当AppleLocate标记进入或离开一个区域以及U!内置在其他苹果设备中的芯片。在未来，通过周边围栏的臀位通知来窃取苹果产品将变得更加困难。

使用苹果U1芯片，在短短几分钟内就可以为任何室内空间构建一幅有用的AR/MR/VR地图。这可以使用相同的激光和/或红外技术

在iPhone中出现了Face ID。因此，与苹果U1芯片和苹果A13仿生神经引擎的组合，我们将有一个最复杂的空间映射和分析系统，在任何现有的消费设备。

多年来，室内测绘已经通过许多方法进行了尝试，包括使用Roomba机器人真空吸尘器系统。当Roomba被发现可能在使用SLAM技术销售用户家庭的[5]室内地图时，该公司的产品遭到了用户的强烈反对。以苹果为例，U1芯片以及FaceID/TouchID系统的结果都存储在安全的Enclave中。存储在安全飞地中的数据是物理上的，几乎不可能从芯片中检索到，并且只保存在设备的本地，并且完全加密。

将会有很多不同的意见表示，苹果试图收集和销售苹果U1芯片的室内地图和其他遥测结果，但事实并非如此。苹果根本无法获得这些信息，如果你不提供这些信息，苹果也无法使用这些信息。

开发者的机会

看来苹果很可能会向开发者开放苹果U1芯片的一些功能。当然，这将通过显式的权限授予开发人员，就像共享位置数据一样。但是我强烈的感觉到苹果永远不会让你自由的流动!芯片数据可以与任何开发应用程序共享。苹果提供的精心设计的API提供的机会可能相当惊人。从AR用例到避碰系统，以及介于两者之间的所有东西，这将成为苹果开发者非常有趣的新领域。我想我们会在2020年的苹果全球开发者大会上看到这个API。

苹果眼镜：手持和佩戴的新软件版本

最重要的是，苹果U1芯片帮助电 苹果眼镜AR/MR平台。在苹果内部，这是众所周知的几个名字，右舷计划是与第一代苹果眼镜。iOS 13中的ARDisplayDevice SDK也明确确认了一个外部AR/MR显示设备。第一个版本将使用iPhone 11系列作为无线连接的基础。就像Apple Watch和Apple CarPlay一样，苹果眼镜将与iPhone上的所有应用程序进行互动。苹果眼镜很可能内置苹果U1芯片，以及苹果一直在研发的Siri芯片和骨传导音效芯片。苹果眼镜上的苹果U1芯片和iPhone上的苹果U1芯片将作为节点锚点一起工作。

苹果将允许运行相同代码的两个版本。像在iPhone里一样拿着，像在苹果眼镜里一样戴着。和CarPlay一样，第一代苹果眼镜的佩戴版本将拥有更少的信息。苹果一直在缓慢地添加一些功能，这些功能将在苹果地图、Find My app和其他苹果应用程序中使用苹果眼镜，以帮助构建基础设施和早期开发者对苹果眼镜的兴趣。因此，当我们看到苹果为苹果U1芯片慢慢推出用例时，想象一下它将如何与苹果眼镜相关联。随着这一过程的慢慢展开，苹果对这一问题的思考将变得非常清晰。

苹果支付，零售和工业用途

正如我所提到的，苹果U1芯片将会有无数的新用例。我建立了世界上第一个也是最大的Apple Pay地图，PayFinders。面临的挑战之一是，在iPhone用户的手机进入公司内部时，同时在离收银台很近的地方推送通知。在Target这样的大商店里，我的准确率很高。然而，在较小的商店，边界是在，有时在商店附近。我敦促苹果在顶级商户使用蓝牙技术，帮助用户了解Apple Pay信用卡机的位置和操作情况。我的研究表明，在大多数情况下，人们只是不想提问，甚至不想测试。有了信用卡机上的AppleLocate标签，Apple Pay用户可以在几毫米内被精确地定位。

产品位置也是如此。刚刚于2019年9月5日发布的“Beacon触发过程”苹果专利，对苹果U1芯片如何与Apple Pay一起使用，开始并完成一笔销售，有着深远的影响。苹果商店今天已经在他们的商店中测试了AppleLocate标签。虽然需要一些有趣的无线电频率设备才能找到它们，但我在两个地方都成功了。用例可以让你在一个 站上找到像你的世界这样的产品，这个 站上有一个古怪的气球，也可以在查找应用中使用，它会指引你找到苹果产品的确切位置。有了Face ID和Apple Pay，你只需看一眼手机，确认并离开即可。不难想象，许多零售企业会采用这种制度。不难想象AppleLocate应用于工业和医疗场所。在接下来的几个月里，我将对此有很多要说的，因为我已经对这些用例进行了十多年的深入研究。

开源的苹果超宽频技术

我认为围绕AppleLocate系统和苹果U1芯片的一些技术很可能会开源，供其他公司采用。就像AirPlay的元素一样，让尽可能多的制造商采用这一系统对苹果来说意义重大。在知识产权和公共专利方面，苹果领先于谷歌、三星和亚马逊数年。这些知识产权和公共专利将使苹果在家庭自动化方面拥有巨大优势，并有助于引导Siri在家庭中占据更有利的地位。

推测U1芯片最有可能的应用场景

比特币钱包和商户支付系统；

医学生物识别技术；

语音优先超局部超上下文系统；

为什么苹果没有发布U1芯片？

那么，有了这些惊人的特性，苹果为什么不重点介绍U1芯片呢？我认为这是多种因素的综合作用：包括所需的iOS软件还没有准备好、苹果将在2019年假期购物时发布AppleLocate标签、公司还有太多的事情要宣布在这个苹果的活动，这将花费太多的时间。苹果意识到许多人可能会对其隐私造成影响，希望花更多时间来解释等等。

因此，苹果才没有在发布会上重点介绍U1芯片，但它肯定是在Phil上台期间在他的身后进行了展示，后来作为新版本的“定向”AirDrop的一部分进行了间接交流。一些人觉得AirDrop使用苹果U1芯片很有趣，然而，在苹果地图上的AR/MR世界中，AirDrop将如何运作，将会更有意义。与此同时，能够通过AirDrop精确定位人员和设备将允许发送更多的私人和加密数据的新方法。

U1芯片的可寻功能将跨越许多苹果系统和软件。首先是AirDrop:，这是14-23岁人群中最大的文件共享 交媒体 络。隐藏在整个美国校园的AirDrop和Apple消息就像一个特别的超本地超私有的 交 络。所有新款iphone都内置了基于权限的超本地 交 络，内置基于权限的人物搜索系统。在我们听到这有多糟糕之前，请理解这是基于许可和邀请的。

新的AirDrop将允许极高的分辨率发现和发送文件和其他新元素到朋友和设备在一个房间。精度在毫米以内。这将通过简单地将手机指向人的方向和屏幕动画来实现

我们可能最早在2019年9月30日就能看到苹果U1芯片成型，但更有可能在2019年最后一个季度随着苹果眼镜的发布而出现。

潜力最大的功能，却没有正式亮相

第一代iPhone的加速度计系统、GPS系统和红外近距离传感器帮助定义了上一代手机，我们相信苹果U1芯片将成为定义下一代苹果产品的重要组成部分。

我非常强烈的感觉到苹果U1芯片的前景随着时间的推移，它将成为2019年9月10日苹果发布会最重要的部分之一。我们将把它视为超本地计算世界的开端，最终将减少对云的需求。而苹果U1芯片是更多目标的重要部分。