北京时间 2019 年 9 月 11 日凌晨，苹果公司公布了 iPhone 11 与 iPhone 11 Pro 系列手机。虽然在舞台上没有直接提到，但 Phil Schiller 在演讲期间使用的 Apple Pay 演示文稿中，赫然出现了全新的苹果 U1 芯片。而且相信绝大多数朋友，实际是在后来的回放中注意到这一点的。
这个似乎是“技术失误”的小细节引起了本文作者的关注，他以此为线索进行了一番挖掘，结果竟然发现了苹果在超宽带无线电技术领域的野心。
2019 年 9 月 10 日苹果发布会上出现的苹果 U1 芯片
2012 年，Phil 在公布 TouchID 时也提供了类似的线索——屏幕上出现了一台 Hypercom 设备[0]，其暗示 TouchID 有望提供刷卡器这类功能。当时在我看来，这几乎 100%代表着 TouchID 将在 Apple Pay 当中有所作为。但包括初创企业在内的很多行业参与者都认为我疯了，他们认定 TouchID 在 Apple Pay 出现后将被淘汰。而这一次，我觉得历史又将再次重演。
2012 年介绍 TouchID 时 Phil 使用的演示材料
为什么苹果 U1 芯片只在演示文稿中被一笔带过，而没能在苹果的官方网站上拥有自己的一席之地？我们将在后文中具体探讨这一点。目前，苹果公司在其网站上只是提到计划如何利用 U1 芯片开发出 AirDrop 的一套高指向性版本。
苹果官方网站在谈到 iPhone 11 系列产品时写道：
超宽带技术即将登陆 iPhone。
苹果全新设计的 U1 芯片将利用超宽带（Ultar Wideband）技术实现空间感知——允许 iPhone 11 精确定准其它配备有 U1 的苹果设备。这类似于在客厅之内建立 GPS 体系。因此，如果您希望与他人通过 AirDrop 共享文件，只需要将 iPhone 指向他们的 iPhone，对方的设备就会在您的搜索列表中排在第一位。
另外：
还能更准确吗？当然可以。
苹果全新设计的 U1 芯片利用超宽带（Ultar Wideband）技术实现空间感知——允许 iPhone 11 Pro 精确定准其它与配备有 U1 的苹果设备。这相当于 iPhone 提供了新的知觉类型，并有望带来一系列惊人的新功能。
凭借 U1 加 iOS 13 的组合，大家可以将 iPhone 指向他人的 iPhone，对方的设备就会在您的搜索列表中排在第一位以实现文件快速共享。
而这，还仅仅只是开始。
没错，确实只是开始。
苹果网站在 2019 年 9 月 10 日展示的苹果 U1 芯片宣传内容
苹果网站在 2019 年 9 月 10 日公布的苹果 U1 芯片宣传内容
遇见超宽带无线电技术
U1 芯片中的“U”指的是超宽带无线电技术（UWB）[1]技术。UWB 拥有众多应用与用例。苹果公司比较重视的方向之一，应该是将其应用在 AR/MR 技术领域，包括帮助苹果眼镜追踪不同物体间的空间关系。要实现这种关系判断，一种方法就是苹果已经通过 FaceID 与 Animoji 进行尝试的激光加红外系统；另一种就是通过无线电频谱来实现。
该功能的早期版本正是已经被苹果遗弃的 iBeacons 计划[2]。该技术以蓝牙与蓝牙低功耗（Bluetooth low energy，BLE）为中心。虽然想法非常合理，但这项技术的分辨率很低，低到至少要有 3 台或者更多支持 iBeacons 进行三角定位才能在几英尺范围内实现追踪。即使设备数量充足，热量与障碍物等因素也会给定位结果带来巨大干扰。
在推进 iBeacons 技术研究的同时，苹果公司还在研究实验室中测试了另一项更新且更为精密的技术。在 2006 年的 iPhone 发布会之前，苹果公司申请了一项“用于飞行时间与网络位置估算的超带宽无线电”专利，并获得了利弗莫尔国家实验室的研究经费支持。不过直到四年之后，也就是 2010 年 9 月，美国专利局才批准这项专利。在此期间，苹果又在 iBeacons 以及 BLE 身上下了不少工夫，但其在三维空间内的分辨率始终无法达到苹果公司的要求。最终，他们放弃了 iBeacons 这一概念。
苹果 UWB 专利中的“独门绝招”
最近，苹果公司申请了一系列以 UWB 为中心的新专利。
发明家 Joachim S. Hammerschmidt 为这项技术做出了不少惊人的扩展。另外，苹果发明家 Benjamin Vigier 也为 UWB 的信标概念做出巨大贡献。同样来自苹果的 Joachim，更是立足 UWB 以及其他射频技术提交了数十项专利申请。
Joachim S. Hammerschmidt 申请的苹果专利
尽管 UWB 这一概念自上世纪五十年代随美国无线电公司的诞生而一同出现，但相关芯片的小型化与低功耗化无疑为其找到了新的发展空间。
我在这里看到了几项非常有趣的 UWB 相关苹果专利，相信很多朋友并没有对它们产生足够的重视。
信标触发过程 2019 (美国专利申请: 0190272567)
用于飞行时间测距与网络位置估计的超带宽无线电 2006 (美国专利申请: 0100225541)
超带宽系统的时间即时参考 2018 (美国专利申请: 0190199398)
用于超带宽系统的脉冲塑形互操作性协议 2017 (美国专利申请: 0190007093)
Joachim S. Hammerschmidt 苹果专利实现案例
很明显，苹果公司早在 2000 年初就预测到 UWB 技术的广泛应用前景。苹果的专利申请与这项技术高度相关，同时给出了以下几项具体应用思路：
信标触发过程
摘要
公开了用于信标触发过程的技术与系统。其中描述的技术包括使信标设备向所在位置周边广播信标消息；根据响应信标消息发出的第一条响应消息，检测用户移动设备是否存在；基于首条响应消息中的用户或移动设备标识检索交易记录；基于现有交易记录生成并发送第二条消息，以完成与交易记录相关的操作；第二条消息通过配置向用户发出通知，并委派工作人员介入以处理交易操作；基于交易记录生成并发送第三条消息，以便在移动设备上完成交易。
Benjamin Vigier 苹果专利案例
此外：
用于飞行时间测距与网络位置估计的超带宽无线电
摘要
本项发明提供一种新型高精度室内测距方案，其使用低功率且低成本的电子器件发出的超带宽（UWB）RF 脉冲。本发明的独特之处，在于其利用时间与空间上的多次测量以实现高精确度测距。这里使用的宽带无线电信号特别适合在恶劣的 RF 环境下进行测距，包括允许信号重建以抵消多路径传播中的失真问题。此外，这里讨论的测距与定位技术直接解决了在 UWB 定位中普遍存在的同步与采样等已知技术挑战。在这一方法当中，可以通过在通道上重复范围测量以消除噪声与信号损坏，同时将间接飞行路径与穿墙广播延迟相结合，共同通过对目标周边多个位置进行组合距离测量以最大程度降低范围偏差。
再有：
超宽带系统的时间即时参考
摘要
本实例能够通过交换脉冲的形状信息实现不同超带宽（UWB）设备之间的通信与协作。UWB 设备可利用脉冲形状信息提高测距精度。经过改进的测距精度适用于复杂的多路径环境，其中还将采用高级估算方法以预测飞行时间的可能抵达路径。为了确定需要共享的脉冲形状信息，可能采用确定 UWB 设备位置信息并选择满足区域内脉冲形状要求的方法。脉冲形状信息包括特定于测距信号的时间零点指数，UWB 接收器将利用这一数值进行飞行时间的时间戳计算。可能的实现方式包括测量性能特征，并根据性能特征选择不同的脉冲形状信息以提高精度水平。
最后：
超宽带系统的脉冲塑形互操作协议
摘要
本实例能够通过交换脉冲的形状信息实现不同超带宽（UWB）设备之间的通信与协作。UWB 设备可利用脉冲形状信息提高测距精度。经过改进的测距精度适用于复杂的多路径环境，其中还将采用高级估算方法以预测飞行时间的可能抵达路径。为了确定需要共享的脉冲形状信息，可能采用确定 UWB 设备位置信息并选择满足区域内脉冲形状要求的方法。脉冲形状信息包括特定于测距信号的时间零点指数，UWB 接收器将利用这一数值进行飞行时间的时间戳计算。可能的实现方式包括测量性能特征，并根据性能特征选择不同的脉冲形状信息以提高精度水平。
在“超宽带系统的脉冲塑形互操作协议”专利当中，我们发现了以下极具启发性的实现方式：
[0021] 通过对站点发射机所使用的脉冲形状信息进行精确了解，我们可以隔离真实传播隧道效应中的脉冲塑形或者其它滤波效果。对脉冲形状信息的了解，还允许我们使用“去卷积”信息处理技术以查看整体信号接收情况（例如从发射器到接收器的端到端脉冲响应），同时分解已知脉冲干扰（包括天线效应或者接收器传输特性）。这些信号处理技术，有望为整体系统响应当中为无线电传播信道带来显著提升，而这一提升反过来又可用于确定信号通过传播路径的具体时长。
其它实例则涉及具体的潜在应用系统，其中包括并不限于无线电通信设备等 UWB 设备 (iPhones # 110 与 120)、车载转发器设备(#130)、入户门处的转发器设备 (#140)、家用电器 (#150 恒温器)、宠物皮带 (#160)以及锚节点 l70al70c。
过去 35 年以来，我一直在关注专利申请内容，特别是苹果专利。苹果提交的 UWB 专利申请引起了我的巨大兴趣，因为我知道 UWB 不仅有望建立起室内导航系统（类似于室内空间的 GPS），同时也将成为 AR/MR/VR 等环境下空间坐标微调的关键。此外，UWB 也将给无人驾驶汽车、无人机以及机器人系统带来巨大助益。我向客户提交了多份相关报告，其中一位风投人士评论称，“这将彻底改变我们对于室内空间的看法。”我对此深表赞同。
这些苹果专利代表着苹果公司未来潜在的 UWB 技术使用方式。关于这些，单独出一本书都绰绰有余。不过在这里，我打算结合自己自 2010 年以来的观察与总结，整理出一份个人的应用方向预测。
苹果 UWB 个人雷达系统
UWB 技术可以作为一种个人雷达，通过对所发出无线电波的自我参考实现对用户所处空间的高精度回声定位。至少，这能防止很多拿着手机走在路上的人们一不留神撞上障碍物或者其他行人。
异想天开的雷达屏幕
虽然看似搞笑，但如果苹果公司将其发布为开放标准，甚至以开源项目的形式推出，那么 UWB 技术可能会在充斥着汽车与行人的交通环境中发挥巨大作用。未来的碰撞检测与回避系统将变得非常强大，甚至足以挽救无数生命。
UWB 是如何工作的？
UWB 设备通过交换可用于测距的脉冲形状信息实现彼此协作。这些脉冲形状信息的接收，也是由 UWB 设备负责实现，并能够显著提高测距精度。这种更高的测距精度适用于复杂的多路径环境，其中的高级估算方案用于整理出飞行时间的预计抵达路径。对 UWB 来说，飞行时间就是其发挥作用的基础——这一点与 GPS 颇为相似。
脉冲形状信息当中包含特定于接收到的测距信号的时间零点指数。UWB 接收器利用这一数值建立用于飞行时间计算的时间戳，计算过程则包括测量性能特征以及选择不同的脉冲形状信息。
UWB 从其它设备处接收脉冲形状信息，这些信息用于实现不同电子设备之间的 UWB 通信、接收并使用第一条脉冲形状信息，并最终确定当前电子设备与另一电子设备之间的位置（部分基于脉冲形状信息加测距信号）。
总体来讲，只要能够计算与测距信号相关的飞行时间，同时获取脉冲形状信息（包括时间零点指数，此指数可以是脉冲形状信息的主瓣样本，例如接收到的第一样本或者脉冲形状信息的中心主瓣样本），即可实现距离测算。另外，脉冲形状信息还能够通过电子设备的位置信息将一个或者多个区域关联起来。
此外，苹果也可能配合 iPhone 或者其它移动设备使用一个或者多个锚节点，从而进一步提高测距的准确性与可靠性。该设备可以实现三角定位，并确定可用于提供本地方向信息的地理位置。
主 UWB 也可作为自己的锚节点，对自己的测距贪吃模式进行自我参考。与个人雷达系统类似，虽然无法通过与两或者更多其它设备进行三角定位以提供高分辨率信息，但其应用前景同样非常广泛。
苹果 U1 芯片
苹果 U1 芯片是一种专用型低功耗芯片设计方案，类似于新的 Decawave 脉冲无线电超宽带（IR0UWB）DW1000 无线 IC 芯片组。到目前为止，这类芯片已经出货数百万块，其室内定位精度已达到 10 厘米以内。苹果 U1 芯片很可能采用 Decawave 芯片的许可技术或者定制 OEM 版本，并有望在理论上实现 3 厘米以内的定位精度。
Decawave DW1000 芯片
以 Decawave DW1000 无线电 IC[3]为例，它能够提供 6.8 Mbps 的数据传输速率，且定位精度比 WiFi 或者蓝牙高 100 倍。其覆盖范围可达 290 米，功耗要求极低，且速度与标准 GPS 延迟相比要快 50 倍。虽然苹果 U1 芯片目前尚未公布，以 DW1000 作为基础，我们基本可以想象苹果 U1 将拥有何等强大的能力。
苹果 U1 芯片
虽然苹果方面只是间接提到新款 iPhone 11 系列将采用 U1 芯片，但我认为其很有可能也被一并引入 Apple Watch Series 5 当中。即使 5 代未采用，相信它也会出现在 Apple Watch 的后续版本之内。我能够想到的 U1 施展平台，将包括 AirPod、AirPod 充电盒、Apple Glasses、MacBook Pro 以及类似于 Tile 的其它独立设备。
苹果 U1 芯片
考虑到苹果 U1 芯片类似纽扣电池的纤细尺寸与极低功耗，也许其续航能力可达一年甚至更久。我们还可以使用周边环境中常见的各类无线电频率，特别是苹果收购 Passif[4]后获得的专利技术进行无线充电。Passif 技术在这方面似乎是个符合逻辑的用例，其曾被用于为早期 iBeacons 的内部测试版本提供电能。
UWB 覆盖图
凭借着苹果 U1 芯片极低的功耗加上 Passif 无线电波充电技术，我们未来似乎会迎来一款不到 2 英寸的圆盘——我个人将其命名为 Locate 或者 Apple Locate（苹果内部暂时称其为 Rose Tag）。Apple Locate 似乎能够在 iPhone 的 Find My 应用中显示，而 iPhone 11 系列采用 U1 芯片后的第一个用例也许就是支持这款新设备。很多人推测这将是一款独立设备，目前看来这种可能性很大。而我个人，认为它正是 2012 年的 iBeacons 与后来的 UWB 技术的直接体现。
在苹果软件中找到的 Locate 或者说 Apple Locate 图像
Apple Locate 价格不会太贵，起价大概是 20 美元。产量提升之后，稳定价格可能会在 2 美元以内。至少在我看来，它拥有着极为广泛的实际用途。
Apple Locate 能够以极高的精度跟踪周边位置。例如，当 Apple Locate 进入或者离开某个区域乃至身边时，用户都会收到通知！其它苹果设备也将配备这款芯片，通过这种边界移动跟踪能力，以后小偷恐怕很难窃取我们的苹果产品了。
HyperLocal 与 HyperPrivate
我们完全可以在几分钟之内利用苹果 U1 芯片构建起任何室内空间的 AR/MR/VR 地图。这款芯片还能与 iPhone for FaceID 中的激光技术以及/或 IR 技术配合使用。因此，通过将苹果 U1 芯片以及苹果 A13 Bionic 神经引擎组合起来，我们将能够在任意当前可用的消费级设备当中获得有史以来最复杂也最精确的空间映射与分析系统之一。
多年以来，科技行业先后尝试利用多种方法进行室内测绘，包括使用 roomba 机器人真空吸尘器系统但在发现该公司可能利用 SLAM 技术绘制用户家中的室内地图时，Roomba 随即遭到产品用户的猛烈抨击。在苹果这边，U1 芯片与 FaceID/TouchID 系统得出的结果将被存储在 Secure Enclave 当中。存储在这里的数据从物理角度讲几乎不可能被检索出来，且以完全加密的形式单纯保存在本地设备之内。
如果苹果真的打算利用苹果 U1 芯片收集并出售用户的室内测绘结果与其它遥测数据，那么随之而来的必然是无穷无尽的指控与诉讼。但事实并非如此，苹果自己根本无法访问这些信息，更不用说加以使用了。
开发者的机遇
看起来，苹果公司很可能会向开发人员开放苹果 U1 芯片中的部分功能。当然，这意味着向开发人员提供明确权限，类似于共享位置数据。但是，我觉得苹果永远都不会批准这种准确位置信息的自由流动。苹果公司可能只会提供经过精心设计的功能 API，但这已经足以带来惊人的潜在发展空间。从 AR 到防撞系统，再到其它类似的用例，苹果开发者们将迎来一个前所未有且极为广阔的施展平台。在我看来，苹果公司很可能在其 2020 年全球开发者大会上公布该 API。
Apple Glasses：立足以往成果打磨出的全新软件版本
最重要的是，苹果 U1 芯片还将给 Apple Glasses AR/MR 平台带来巨大助力。在苹果内部，有一个与 Apple Glasses 相关的 StarBoard 项目。此外，iPhoneOS 13 当中的 ARDisplayDevice SDK 也明确承认苹果即将发布自己的外部 AR/MR 显示设备。其首个版本将以无线方式将 iPhone 11 系列作为主机，这种设计与 Apple Watch 以及 Apple CarPlay 非常相似，通过相同的方式与 iPhone 上的完整应用程序进行交互与通信。Apple Glasses 当中可能内置有苹果 U1 芯片以及新的 Siri 芯片与 Bone Conduction 音效芯片。此外，Apple Glasses 以及 iPhone 中的苹果 U1 芯片也将作为锚节点协同工作。
使用 AirPlay 构建的假想 Apple Glasses 投影效果图
苹果公司将在同一代码项目之上将其分为两个运行版本。其一面向 iPhone 设备，另一套则面向 Apple Glasses。而且与 CarPlay 的旧有版本一样，第一代 Apple Glasses 能够处理的信息可能比较有限。苹果方面会逐步添加功能，确保 Apple Glasses 能够对接苹果地图、Find My 应用以及其它苹果应用，从而脚踏实地地建立起基础设施体系并吸引更多开发者投身于 Apple Glasses 阵营。因此，我们会继续关注苹果公司为苹果 U1 芯片设计的更多新用例，并思考它们能够在 Apple Glasses 上迸发出怎样的能量。随着时间的推移，相信苹果自己也会找到明确且可行的功能设计思路。
Apple Pay、零售与工业 用途
正如我在前文中所提到，苹果 U1 芯片将拥有无数新用例。我构建起了世界上第一款，也是规模最大的 Apple Pay 地图 PayFinders[6]。在开发过程中，我遇到的一大挑战，在于用户身在办公室、但同时又离实体店铺不远的情况，该如何向他们的手机发送通知。对于 Target 这类大型商超，我的定位精度非常高。但对于那些体量较小的门店，身处商店附近但却实际上不在店内的用户就会带来识别难题。我敦促苹果公司在各商家当中使用蓝牙机制，以帮助用户了解 Apple Pay 读取设备的位置及运行情况。我的研究表明，人们在大多数情况下并不愿意动嘴询问，也不想进行反复测试。在这方面，Apple Locate 能够将用户的定位精确至几毫米范围，从而彻底解决这个难题。
产品位置问题也是如此。2019 年 9 月 5 日刚刚发布的苹果专利“信标触发过程”意味着，苹果公司已经在 U1 芯片与 Apple Pay 之间的协同使用与交易执行方面取得了很大进展。苹果体验店目前已经开始在店内测试 Apple Locate 设备。虽然需要一些有趣的射频设备才能找到它们，但我在两家店里都成功找到了它们，这意味着我们未来也许能够在店面中轻松找到自己想要的商品——类似于“Find My”应用。我们也可以通过 FaceID 与 Apple Pay 确认已购买的产品并直接离开。不难想象，未来会有很多零售企业采用这套系统。Apple Locate 在工业以及医疗场景下的应用也值得期待。在接下来的几个月中，我会继续关注相关动向，并根据自己十多年的相关用例研究经验整理出更多潜在用例。
苹果 UWB 技术的开源前景
我认为，围绕 AppleLocate 系统以及苹果 U1 芯片出现的一系列技术，可能会以开放形式供其他企业使用。与 AIrPlay 元素相似，苹果完全可以让尽可能多的其他制造商采用这套系统。这有望帮助苹果公司在知识产权与公开专利方面领先于谷歌、三星与亚马逊，在家庭自动化方面获得显著优势，也可能让 Siri 在家居环境中进一步扩大市场份额。
可能性较高的其它苹果 U1 芯片用例
过去几年以来，我已经写过不少与 UWB 未来使用方式相关的报告。前面提出了一些我比较肯定的用例。下面，我打算再聊聊暂时不敢断言，但仍具有较高可能性的其它用例。受篇幅所限，我主要就以下三点谈谈看法：
比特币钱包与商家支付系统
医学生物识别技术
Voice First HyperLocal HyperContextual 系统
苹果为什么没有正式公布 U1 芯片？
既然意义如此重大，苹果公司为什么没有正式公布 U1 芯片？我猜主要理由有以下几点：
必要的 iPhoneOS 软件还没有公布
苹果即将在 2019 年购物季发布 Apple Locate
苹果在这次发布会上已经公布了不少新内容，必须得有所取舍
苹果意识到很多人会对其中的隐私问题表示担忧，因此希望找个更好的机会做出解释
其它一些我暂时还没有想到的理由
出于以上原因，我们并没能在这次大会旧听到任何关于苹果 U1 芯片的消息。但是，Phil 确实在演讲使用的演示文稿中使用了相关图片，具体提出于 AirDrop“定向”新版本的介绍部分。虽然将苹果 U1 芯片引入 AirDrop 确实很有搞头，但由此带来的 AR/MR 空间地图功能才是真正的意义所在。此外，通过 AIrDrop 对人员及设备进行精确定位，也将为我们带来发送大量私人及加密数据的全新方式。
U1 芯片的定位能力将涵盖众多苹果系统与软件，而这一切将始于 AirDrop 这套看似平平无奇的传输系统。市场调查告诉我们，AirDrop 在 14 到 23 岁年龄段的用户群体中已经成为最主要的文件共享通道，这相当于一套隐藏在美国各个校园的社交网络。内置于所有新 iPhone 当中的这款基于权限的查找器系统，完全有可能发展成一套新的社交网络。而且别担心，整个通信过程都在邀请与许可的严格控制之下。
新的 AirDrop 将提供极高的检测精度，能够发现文件及其他新元素，并允许用户将其发送至房间中的其他朋友或设备处。这种精度在毫米以内，而我们只需要将手机指向对方即可。屏幕上的动画将把对方的位置转化为方位及头像提示。
也许苹果 U1 芯片最早能够在 2019 年 9 月 30 日成型，苹果甚至有可能抢在今年最后一个季度发布 Apple Glasses 公告。
苹果公司此次发布会上最重要的声明，反而是其中着墨最少的部分。
上一世代 iPhone 的核心在于加速度计系统、GPS 系统以及红外位置传感器。而苹果 U1 芯片，也许将为下一世代 iPhone 产品拉开序幕。
我对苹果 U1 芯片产生了一种非常强烈的感觉，我坚信随着时间推移，它将被视为本次苹果开发者大会上最重要的成果。我们可能将其视为 HyperLocal 计算世界的开端，并最终显著降低对云服务的依赖。苹果 U1 芯片标志着 HyperLocal 与 HyperContextual 计算的开端，未来的全息晶体存储器[7]与极高的本地计算速度将提醒我们，云计算并没有那么重要，或者说至少没那么必要。未来，每一台设备上都将有数 PB 的数据，所有数据与互联网基础技术也都将存在于本地芯片之内。这远远超越物联网边缘计算的宏大野心，或许就将以苹果 U1 芯片的诞生为里程碑。我们将再次踏上大型机与云计算之外的发展征程。
参考内容：
[0] Brian Roemmele回答苹果的iPhone TouchID为什么如此重要。
[1] 超宽带——维基百科
[2] Brian Roemmele回答关于iOS 7中iBeacons技术的一些有趣应用。
[4] Brian Roemmele关于“接受付款”问题的文章。
[5] 嗨，苹果和谷歌：iRobot打算出售Roomba吸尘器绘制的室内地图数据
[7] 通过用于光学可重构栅极阵列的角度复用记录，构建全息分散聚合物液晶存储器
原文链接：
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