2020年09月16日 | UWB——一个即将消亡的技术是如何重获新生的

超宽带（UWB）是一种已有数十年历史的高速无线通信技术，如今已作为一种精确、安全、实时的定位技术得到了新生。IEEE和最近成立的FiRa联盟正视图引领这一技术的重生，其将制定一些规范，为使用UWB开发安全、互操作和最先进的能力奠定了基础。例如，免密访问控制、基于位置的服务和对等通信格式等，安全的UWB技术将补充如今最流行的几类无线技术，包括卫星导航、Wi-Fi和蓝牙。

从高速通信到安全测距

UWB最初在1960年代被用于雷达应用，后来被改编为正交频分复用（OFDM）技术（IEEE 802.15.3标准化），作为近距离高达480 Mbps的超高速数据传输技术。人们的期望是，UWB将提供数字家庭应用所需的高数据速率通信，但802.11 Wi-Fi凭借其更长的距离和更高的数据速率，最终获胜，UWB后来基本消失了。

然而，近年来，超宽带作为一种高精度、高准确性、高安全的定位和测距方法重新出现。这种新转变的超宽带技术使用脉冲无线电信号以非常高的精度找到设备的相对位置，在理想条件下甚至可以在200米的视距范围内工作。UWB可以使用很少的功率来发送信号，并且提供稳定的连接，几乎没有干扰。

IEEE已经在802.15.4标准化了新的UWB，FiRa联盟则是一个联盟组织，致力于开发和推广广泛采用可互操作的UWB技术。

无线共存，性能提升

根据FCC的定义，UWB可以在3.1GHz到10.6GHz之间工作。UWB不会取代现在用于定位服务的无线技术。相反，它可以通过提供比当前使用的任何其他技术更精确的读数来增强位置识别。与Wi-Fi和蓝牙相比，UWB可以将物品的位置缩小到大约150厘米的区域内，相比之下，UWB的定位精度为10厘米，并且需要更少的锚来覆盖区域。此外，UWB还可以在GPS难以操作的室内提供这种高精度，以扩展导航能力。图1突出了一些新的超宽带特性。

图1。这些主要的超宽带技术参数将其与其他无线技术（如Wi-Fi和蓝牙）区分开来。（来源：FiRa联盟）

超宽带独特的脉冲信号使它更加精确，陡峭和狭窄脉冲的快速传输，以每秒200到1000次的速度刷新，使得标记信号定时具有更高的确定度，通过飞行时间（ToF）和到达角（AoA）计算更为精准。

图2。与其他技术相比，宽UWB功率谱可以实现低功耗。（来源：FiRa财团）

UWB的另一个特点是脉冲能够抵抗一个常见的困难，即多径效应，即当无线电信号通过一条以上的路径到达接收器时，由于靠近主信号路径的自然或人造物体引起的反射或折射。考虑到不精确性也是由多径效应引起的，对多径的抗扰度进一步提高了定位精度。抗窄带衰落和干扰有助于使超宽带成为一个非常稳健的技术选择。

近期的标准化工作

超宽带定位技术的基础是IEEE 802.15.4标准。在802.15.4规范中定义了UWB的一个重要补充是用于发送和接收数据包的物理层（PHY），新规范增加了加密、随机数生成和其他技术，使外部攻击者更难操纵超宽带通信。

ieee802.15.4是一个宽泛的标准，它定义了在不同地理区域的不同品牌下运行的设备的不同PHY。具体地说，对于UWB，IEEE 802.15.4为PHY层、MAC层（数据链路层的一个子层）和许多其他子层（图3）提供了定义。然而，在实现一个真实世界的UWB IC之前，有几个关键的操作特性需要改进和优化。FiRa联盟承担了这项任务，重点是定义UWB的细节，以确保跨芯片组、设备和服务基础设施的互操作生态系统。

图3:FiRa联盟正在扩展和完善超宽带的IEEE标准。（来源：FiRa财团）

经过内部工作组一年的集中努力，FiRa联盟发布了他们的第一个UWB PHY和MAC层的技术要求规范。这两个规范都基于IEEE 802.15.4-2015技术规范中的高速脉冲（HRP）部分和用于精测距UWB技术的802.15.4z/D8草案修正案。根据FiRa联盟，UWB-MAC技术要求定义了诸如测距协议如何工作、支持的测距类型、交换的消息的参数和格式以及测距消息如何加密等要素。类似地，FiRa联盟PHY技术要求规范文件利用了IEEE规范的部分选择，以促进FiRa联盟认证的支持UWB的产品之间的互操作性。新的规范将作为FiRa联盟即将推出的认证计划的基础。

新用例

UWB独特的信号特性组合——易于识别、抗噪声和反射、与其他信号分离——使其成为测量距离和解决各种引人注目的新用例的绝佳选择。

详细的UWB规范（包括专用的安全机制和互操作性设计）的到来意味着工程师可以自信地开始开发这些新功能。此外，智能手机制造商和其他移动设备制造商也开始将超宽带技术集成到他们的产品中。这有助于拓宽UWB服务的基础设施，并为UWB特性建立势头。

超宽带将使直观的系统能够无缝地融入日常生活。免提门禁系统将使开锁和进入建筑物更安全、更直观。室内提供的GPS定位服务将使人们更容易在大型空间（如购物中心、教育校园和医疗设施）中导航。设备到设备的通信将使家庭、零售和企业应用程序实现更智能的移动（图4）。

图4。超宽带显示出在多领域具有创新潜力，其中就包括各类支付场景。（来源：NXP半导体）

超宽带在汽车应用领域显示出了希望，OEM已经在展示具有超宽带功能的汽车。大众已经演示了基于超宽带的无钥匙进入，宝马也于2019年11月展示了无钥匙进入系统。车门上的锁可以识别您的动作，并在您接近时自动解锁，同时有效地解决了如今智能钥匙可能存在的中继攻击问题。汽车连接联盟（CCC）是此类汽车接入解决方案的标准化机构。CCC的网站在其CCC第3版中提到了智能汽车接入的实现，该版本规定了安全的数字密钥管理、用于通信的汽车BLE和用于精确和安全定位的UWB技术。这些补充的目的是进一步为智能设备制造商和汽车制造商提供机会，以增强不断发展的数字生活方式。

图5。超宽带实现汽车的安全接入（来源：NXP半导体）

大型原始设备制造商和FiRa联盟等机构正在仔细评估和测试UWB在各种应用中大规模运行的能力，标准化工作为广泛的应用打开了空间。

本文作者：Charles Dachs是NXP副总裁兼安全嵌入式部门的总经理，此前，他曾在Philips半导体公司、Philips研究公司和CERN工作。