超寬帶(UWB)技術(shù):未來已來,下一步呢

超寬帶（UWB）無線技術(shù)雖已存在多年，但其商業(yè)應(yīng)用直到最近才迎來激增。這主要得益于智能手機(jī)中UWB技術(shù)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(jìn)行飛行時(shí)間（ToF）測量，通過準(zhǔn)確測量信號在兩個(gè)UWB啟用設(shè)備（如鑰匙扣或智能手機(jī)）與UWB啟用資產(chǎn)（如汽車）之間的傳輸時(shí)間，來確定它們之間的距離。這種方法具有高度的安全性，因?yàn)榕c依賴信號強(qiáng)度來計(jì)算距離相比，時(shí)間更難被篡改或復(fù)制。此外，UWB數(shù)據(jù)包中的加擾時(shí)間戳序列（STS）字段進(jìn)一步增強(qiáng)了安全性。通過使用AES-128加密對時(shí)間戳序列進(jìn)行加密，只有發(fā)送方和接收方才能使用共享密鑰解碼數(shù)據(jù)包，這使得未經(jīng)授權(quán)的設(shè)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(quán)密鑰才能訪問受保護(hù)的資產(chǎn)。這使得UWB成為安全測距應(yīng)用和實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的理想選擇，包括汽車、酒店房間的數(shù)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(shè)備中使用的半導(dǎo)體、天線設(shè)計(jì)以及校準(zhǔn)的質(zhì)量。這意味著在設(shè)計(jì)驗(yàn)證、校準(zhǔn)和制造過程中進(jìn)行嚴(yán)格的測試至關(guān)重要，以防止可能導(dǎo)致昂貴產(chǎn)品故障和召回的缺陷。

UWB標(biāo)準(zhǔn)正在迅速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟正取得重大進(jìn)展。UWB作為精細(xì)測距技術(shù)重新得到確立，IEEE一直在增強(qiáng)UWB的測距和安全功能，這對于其在消費(fèi)者和工業(yè)領(lǐng)域的采用至關(guān)重要。FiRa聯(lián)盟正在擴(kuò)大UWB生態(tài)系統(tǒng)在消費(fèi)者應(yīng)用中的應(yīng)用范圍，而汽車連接聯(lián)盟（CCC）正在推動包含UWB的新數(shù)字密鑰規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)車輛訪問。

這一活躍的發(fā)展態(tài)勢正推動UWB在個(gè)人和商業(yè)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用，要求開發(fā)者和測試供應(yīng)商持續(xù)關(guān)注、不懈努力。

三大標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)盟團(tuán)體引領(lǐng)前行

IEEE的802.15工作組致力于UWB技術(shù)的研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化，肩負(fù)起制定MAC和PHY標(biāo)準(zhǔn)以及修訂標(biāo)準(zhǔn)以進(jìn)一步提升性能的重任。

作為對“精細(xì)測距”技術(shù)的堅(jiān)定承諾，F(xiàn)iRa聯(lián)盟正著手制定標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證計(jì)劃，以確保UWB設(shè)備的互操作性和可靠性，同時(shí)構(gòu)建并推動一個(gè)健康的UWB生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。FiRa 2.0技術(shù)規(guī)范引入了更多配置文件，詳細(xì)闡述了UWB通信在各種用例中的高層功能，旨在拓寬其應(yīng)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(hù)CCC數(shù)字密鑰中使用的UWB技術(shù)規(guī)范。

IEEE 802.15.4ab 推動的增強(qiáng)功能

IEEE UWB標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行拓展。預(yù)計(jì)于2025年發(fā)布的802.15.4ab修正案，旨在增強(qiáng)遠(yuǎn)距離精確測距的性能。它將能夠精確鎖定標(biāo)記物體或個(gè)人的位置，使得在擁擠場所尋找朋友或遠(yuǎn)距離識別遺失物品成為可能。

802.15.4ab中擬采用的兩項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測距擴(kuò)展。第一項(xiàng)技術(shù)稱為窄帶輔助（NBA）。顧名思義，它允許UWB設(shè)備在交換UWB測距信息之前，將頻率和時(shí)序同步等任務(wù)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(yùn)行，且允許更高的發(fā)射功率，從而擴(kuò)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(shè)備之間的同步，即使在更遠(yuǎn)的距離上，NBA也能擴(kuò)展UWB設(shè)備的初始同步范圍。

另一項(xiàng)技術(shù)稱為多毫秒（MMS）。在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)中，UWB測距是通過雙向測距（DS-TWR）中的三個(gè)數(shù)據(jù)包（ping-pong-ping）完成的。然而，在MMS實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)UWB數(shù)據(jù)包可以劃分為多達(dá)16個(gè)較短的片段。每個(gè)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(shè)備從這些片段中獲取聚合信息，從而得到比原始UWB數(shù)據(jù)包更高的綜合能量。這種增加的能量使UWB設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)的測距。

這些進(jìn)步將提高操作效率，使UWB設(shè)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(guān)鍵改進(jìn)包括新的數(shù)據(jù)速率和感應(yīng)支持。UWB設(shè)備將根據(jù)環(huán)境噪聲水平動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率為新的UWB應(yīng)用打開了大門，如耳機(jī)與智能手機(jī)之間的音頻傳輸。感應(yīng)或雷達(dá)功能也被標(biāo)準(zhǔn)化，以支持存在檢測和環(huán)境映射等應(yīng)用。

FiRa 2.0帶來的超寬帶（UWB）創(chuàng)新

FiRa技術(shù)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(shè)備和裝備之間的互操作性，從而促進(jìn)一個(gè)健康且強(qiáng)大的UWB生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。去年秋天，F(xiàn)iRa 2.0技術(shù)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(rèn)證的設(shè)備都經(jīng)過了嚴(yán)格的測試，以提升UWB設(shè)備的安全性，防止黑客攻擊。此外，F(xiàn)iRa 2.0技術(shù)規(guī)范還解鎖了新用例，有望改變個(gè)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(nèi)導(dǎo)航：在現(xiàn)有室內(nèi)導(dǎo)航基礎(chǔ)上，憑借其厘米級的精度以及從錨定設(shè)備到用戶設(shè)備（如智能手機(jī)）的信息傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了升級。用戶設(shè)備通過接收建筑內(nèi)錨定設(shè)備發(fā)出的UWB信號來計(jì)算自身位置，非常適合在大型室內(nèi)場所如商場和機(jī)場中進(jìn)行導(dǎo)航，同時(shí)保護(hù)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(jī)或智能手表指向UWB啟用設(shè)備（如家用電器或娛樂系統(tǒng)），即可對其進(jìn)行控制。

CCC及其數(shù)字鑰匙正利用UWB技術(shù)

數(shù)字鑰匙由CCC開發(fā)，旨在使移動設(shè)備能夠跨不同汽車制造商、鑰匙扣和智能設(shè)備安全地認(rèn)證和共享車輛數(shù)字鑰匙。CCC采用UWB、藍(lán)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(shù)字鑰匙3.0免提、位置感知無鑰匙進(jìn)入的無線標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)正通過其精確的測距精度和內(nèi)置編碼，使數(shù)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(shù)字密鑰認(rèn)證，這一合作對于超寬帶技術(shù)的成熟發(fā)展至關(guān)重要，它將促使汽車制造商和芯片組供應(yīng)商緊密協(xié)作。這項(xiàng)將于今年晚些時(shí)候發(fā)布的新認(rèn)證計(jì)劃，將進(jìn)一步鞏固兩大聯(lián)盟之間的合作關(guān)系。同時(shí)，超寬帶芯片組和模塊制造商、一級供應(yīng)商以及汽車制造商均可利用類似嚴(yán)格的互操作性認(rèn)證計(jì)劃，確保設(shè)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(shù)產(chǎn)生了顯著影響。許多設(shè)備制造商在生產(chǎn)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(jī)和家庭娛樂等越來越多樣化的領(lǐng)域得到應(yīng)用，人們越來越重視參數(shù)測試。

受客戶對高品質(zhì)期望的驅(qū)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(shí)候都更加重要。

這些關(guān)鍵任務(wù)設(shè)備即使在大量生產(chǎn)過程中也需要進(jìn)行徹底測試。飛行時(shí)間（ToF）是UWB設(shè)備最關(guān)鍵的測試之一，因?yàn)樗荱WB的獨(dú)特、差異化功能。為避免降低ToF測量精度，必須對每個(gè)UWB設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，以最小化ToF誤差，從而補(bǔ)償前端組件、天線或UWB半導(dǎo)體本身存在的延遲或誤差。此外，設(shè)備的發(fā)射功率必須準(zhǔn)確校準(zhǔn)，以確保符合區(qū)域監(jiān)管限制。為了準(zhǔn)確校準(zhǔn)和驗(yàn)證UWB設(shè)備的射頻性能，測試設(shè)置必須使用準(zhǔn)確且可重復(fù)的測試設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)校準(zhǔn)。這確保了設(shè)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(chǎn)生影響

UWB技術(shù)已成為無線通信領(lǐng)域的創(chuàng)新驅(qū)動力，推動了位置跟蹤、精確距離測量和增強(qiáng)安全性方面的顯著進(jìn)步。它在從汽車到消費(fèi)電子產(chǎn)品的多個(gè)行業(yè)中日益普及，凸顯了其革命性改變個(gè)人和商業(yè)應(yīng)用的潛力。

展望未來，UWB有望成為一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)，改變我們與周圍世界的互動方式。隨著UWB技術(shù)的不斷發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的日益完善，嚴(yán)格的測試將是確保UWB啟用設(shè)備可靠性能的關(guān)鍵。