超寬帶(UWB)技術:未來已來,下一步呢

超寬帶（UWB）無線技術雖已存在多年，但其商業(yè)應用直到最近才迎來激增。這主要得益于智能手機中UWB技術的普及，以及對精確距離測量和安全訪問需求的增加。

UWB利用僅幾納秒寬的短脈沖進行飛行時間（ToF）測量，通過準確測量信號在兩個UWB啟用設備（如鑰匙扣或智能手機）與UWB啟用資產（如汽車）之間的傳輸時間，來確定它們之間的距離。這種方法具有高度的安全性，因為與依賴信號強度來計算距離相比，時間更難被篡改或復制。此外，UWB數據包中的加擾時間戳序列（STS）字段進一步增強了安全性。通過使用AES-128加密對時間戳序列進行加密，只有發(fā)送方和接收方才能使用共享密鑰解碼數據包，這使得未經授權的設備更難攔截和操縱信號。這為UWB通信增加了額外的安全層，確保只有合法的授權密鑰才能訪問受保護的資產。這使得UWB成為安全測距應用和實時定位系統(tǒng)的理想選擇，包括汽車、酒店房間的數字無鑰匙訪問以及免提支付。

UWB的性能在很大程度上取決于設備中使用的半導體、天線設計以及校準的質量。這意味著在設計驗證、校準和制造過程中進行嚴格的測試至關重要，以防止可能導致昂貴產品故障和召回的缺陷。

UWB標準正在迅速發(fā)展，標準化機構和行業(yè)聯(lián)盟正取得重大進展。UWB作為精細測距技術重新得到確立，IEEE一直在增強UWB的測距和安全功能，這對于其在消費者和工業(yè)領域的采用至關重要。FiRa聯(lián)盟正在擴大UWB生態(tài)系統(tǒng)在消費者應用中的應用范圍，而汽車連接聯(lián)盟（CCC）正在推動包含UWB的新數字密鑰規(guī)范，以實現(xiàn)車輛訪問。

這一活躍的發(fā)展態(tài)勢正推動UWB在個人和商業(yè)應用中的廣泛應用，要求開發(fā)者和測試供應商持續(xù)關注、不懈努力。

三大標準和聯(lián)盟團體引領前行

IEEE的802.15工作組致力于UWB技術的研發(fā)與標準化，肩負起制定MAC和PHY標準以及修訂標準以進一步提升性能的重任。

作為對“精細測距”技術的堅定承諾，F(xiàn)iRa聯(lián)盟正著手制定標準和認證計劃，以確保UWB設備的互操作性和可靠性，同時構建并推動一個健康的UWB生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。FiRa 2.0技術規(guī)范引入了更多配置文件，詳細闡述了UWB通信在各種用例中的高層功能，旨在拓寬其應用范圍。

FiRa還與CCC緊密合作，共同成立了聯(lián)合UWB MAC PHY工作組（JUMPWG），專注于開發(fā)和維護CCC數字密鑰中使用的UWB技術規(guī)范。

IEEE 802.15.4ab 推動的增強功能

IEEE UWB標準的新修正案802.15.4ab目前正處于草案階段，它基于現(xiàn)有的IEEE 802.15.4z修正案進行拓展。預計于2025年發(fā)布的802.15.4ab修正案，旨在增強遠距離精確測距的性能。它將能夠精確鎖定標記物體或個人的位置，使得在擁擠場所尋找朋友或遠距離識別遺失物品成為可能。

802.15.4ab中擬采用的兩項技術實現(xiàn)了測距擴展。第一項技術稱為窄帶輔助（NBA）。顧名思義，它允許UWB設備在交換UWB測距信息之前，將頻率和時序同步等任務委托給窄帶信號（與UWB的500MHz寬帶寬相對）。窄帶信號在比UWB更低的頻率上運行，且允許更高的發(fā)射功率，從而擴展了測距范圍。此外，由于其窄帶寬，其傳輸本身對噪聲的敏感度較低。這改善了UWB設備之間的同步，即使在更遠的距離上，NBA也能擴展UWB設備的初始同步范圍。

另一項技術稱為多毫秒（MMS）。在當前實現(xiàn)中，UWB測距是通過雙向測距（DS-TWR）中的三個數據包（ping-pong-ping）完成的。然而，在MMS實現(xiàn)中，每個UWB數據包可以劃分為多達16個較短的片段。每個傳輸片段的功率都得到了提升，但并未違反任何監(jiān)管規(guī)范。接收UWB設備從這些片段中獲取聚合信息，從而得到比原始UWB數據包更高的綜合能量。這種增加的能量使UWB設備能夠實現(xiàn)更遠的測距。

這些進步將提高操作效率，使UWB設備能夠在不違反監(jiān)管排放限制的情況下增加距離，并符合FCC、ETSI和其他監(jiān)管規(guī)則的第15部分要求。

802.15.4ab中的其他關鍵改進包括新的數據速率和感應支持。UWB設備將根據環(huán)境噪聲水平動態(tài)調整數據速率，例如在嘈雜環(huán)境中降低速率以提高通信穩(wěn)健性。另一方面，更高的數據速率為新的UWB應用打開了大門，如耳機與智能手機之間的音頻傳輸。感應或雷達功能也被標準化，以支持存在檢測和環(huán)境映射等應用。

FiRa 2.0帶來的超寬帶（UWB）創(chuàng)新

FiRa技術規(guī)范由FiRa聯(lián)盟開發(fā)，旨在確保不同制造商的超寬帶（UWB）芯片組、設備和裝備之間的互操作性，從而促進一個健康且強大的UWB生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。去年秋天，F(xiàn)iRa 2.0技術規(guī)范橫空出世。其中包括更多的安全測試用例，使得通過FiRa認證的設備都經過了嚴格的測試，以提升UWB設備的安全性，防止黑客攻擊。此外，F(xiàn)iRa 2.0技術規(guī)范還解鎖了新用例，有望改變個人和公共空間中的交互方式，提升安全性和用戶參與度。該規(guī)范聚焦的三大新用例為：

未跟蹤室內導航：在現(xiàn)有室內導航基礎上，憑借其厘米級的精度以及從錨定設備到用戶設備（如智能手機）的信息傳輸方式，實現(xiàn)了升級。用戶設備通過接收建筑內錨定設備發(fā)出的UWB信號來計算自身位置，非常適合在大型室內場所如商場和機場中進行導航，同時保護用戶的位置隱私。

尋人/物：在人群密集的場合（如節(jié)日慶典）或密集環(huán)境（如停車場）中，該用例顯著提升了定位人和物體的能力，其位置定位精度超越了傳統(tǒng)GPS。

指向與觸發(fā)：利用UWB精確的角度測量能力，用戶只需用智能手機或智能手表指向UWB啟用設備（如家用電器或娛樂系統(tǒng)），即可對其進行控制。

CCC及其數字鑰匙正利用UWB技術

數字鑰匙由CCC開發(fā)，旨在使移動設備能夠跨不同汽車制造商、鑰匙扣和智能設備安全地認證和共享車輛數字鑰匙。CCC采用UWB、藍牙低功耗（以及近場通信NFC作為低電量情況下的備份）作為其數字鑰匙3.0免提、位置感知無鑰匙進入的無線標準。這使得駕駛員可以無線安全地解鎖和啟動車輛。

資料來源: Connected Car Consortium; Mobile Device Architecture

超寬帶（UWB）技術正通過其精確的測距精度和內置編碼，使數字密鑰3.0的安全性更上一層樓。FiRa正與汽車連接聯(lián)盟（CCC）攜手合作，共同推動全新的數字密鑰認證，這一合作對于超寬帶技術的成熟發(fā)展至關重要，它將促使汽車制造商和芯片組供應商緊密協(xié)作。這項將于今年晚些時候發(fā)布的新認證計劃，將進一步鞏固兩大聯(lián)盟之間的合作關系。同時，超寬帶芯片組和模塊制造商、一級供應商以及汽車制造商均可利用類似嚴格的互操作性認證計劃，確保設備間能夠無縫協(xié)同工作。

測試與UWB

過去，測試成本對UWB技術產生了顯著影響。許多設備制造商在生產過程中僅依賴通過/不通過測試。然而，隨著UWB在汽車、安全、智能手機和家庭娛樂等越來越多樣化的領域得到應用，人們越來越重視參數測試。

受客戶對高品質期望的驅動，這種方法允許早期發(fā)現(xiàn)制造缺陷和偏差。鑒于退貨和維修帶來的巨大成本，確保UWB性能無瑕現(xiàn)在比以往任何時候都更加重要。

這些關鍵任務設備即使在大量生產過程中也需要進行徹底測試。飛行時間（ToF）是UWB設備最關鍵的測試之一，因為它是UWB的獨特、差異化功能。為避免降低ToF測量精度，必須對每個UWB設備進行校準，以最小化ToF誤差，從而補償前端組件、天線或UWB半導體本身存在的延遲或誤差。此外，設備的發(fā)射功率必須準確校準，以確保符合區(qū)域監(jiān)管限制。為了準確校準和驗證UWB設備的射頻性能，測試設置必須使用準確且可重復的測試設備進行仔細校準。這確保了設置中存在的外部路徑損耗和延遲偏移被精確消除。

UWB正在成熟并產生影響

UWB技術已成為無線通信領域的創(chuàng)新驅動力，推動了位置跟蹤、精確距離測量和增強安全性方面的顯著進步。它在從汽車到消費電子產品的多個行業(yè)中日益普及，凸顯了其革命性改變個人和商業(yè)應用的潛力。

展望未來，UWB有望成為一項基礎性技術，改變我們與周圍世界的互動方式。隨著UWB技術的不斷發(fā)展和標準的日益完善，嚴格的測試將是確保UWB啟用設備可靠性能的關鍵。