射频原理

在例如停车场、医院、机场和高密度场馆等具有挑战性的应用环境中，UWB技术在准确性、功耗、无线连接的可靠性和安全性方面远远优于其他技术。

换而言之，UWB 能够安全地以非常高的准确度确定设备的相对位置，并且可以在高达 200 米的视线范围内运行。与窄带无线技术相比，高带宽的使用意味着 UWB 提供了非常稳定的连接，几乎没有干扰，并提供高度精确的定位，即使在拥挤的多路径信号环境中也是如此。

通过计算精确位置，基于 UWB 的精细测距是一种更安全的关闭和打开锁的方法，无论这些锁安装在车门、仓库入口、会议室还是您的前门。

在以前，UWB是一种用于高数据速率通信的技术，因此与 Wi-Fi 直接竞争。但从那时开始，UWB经历了几次转变：

UWB 从基于 OFDM 的数据通信发展为 IEEE 802.15.4a（2ns 脉冲宽度）规定的脉冲无线电技术；

IEEE 802.15.4z（在 PHY/MAC 级别）中指定了安全扩展，使其成为一种独特且安全的精细测距技术；

从数据通信转向安全测距允许各种应用程序利用空间上下文功能，包括免提（hands-free）访问控制、基于位置的服务和设备到设备（peer-to-peer）服务。

UWB 技术的起点是 IEEE 标准 802.15.4 和IEEE802.15.4z-2020 Amendment 1。

Amendment 1是低速率无线网络的 IEEE 标准，涵盖增强的超宽带 (UWB) 物理层 (PHY) 和相关测距技术。802.15.4 标准广泛用于各种使用测距功能的应用中，例如高速 PHY (HRP) 和低速 PHY (LRP)。一般来说，IEEE 802.15.4 标准定义了 PHY、MAC 和子层，重点是低数据速率无线连接和精确测距。为在不同地理区域以各种免许可品牌运行的设备定义了不同的 PHY。

2018 年 1 月，为响应增强操作的需求，成立了 802.15.4z 任务组，为 HRP 和 LRP 定义 PHY 和 MAC 层。

IEEE802.15.4z 专注于额外的编码和前导选项（preamble options），以及对现有调制的改进，以提高测距测量的完整性和准确性，无线电的典型范围可达 200 米。支持附加信息的元素的定义将有助于测距信息的交换。

FiRa 联盟的目标是在 IEEE 已经为 HRP 建立的基础上再接再厉。这意味着使用可互操作的 HRP 标准支持 IEEE 的工作，该标准包括性能要求、测试方法和程序，以及基于 IEEE 配置特征的认证计划。

UWB的操作理念很简单。一旦配备 UWB 无线电的设备（例如智能手机、腕带或智能钥匙）进入另一个 UWB 设备的范围，这些设备就会开始测距。通过在设备之间执行飞行时间 (ToF) 测量来完成测距。TOF 是通过测量challenge/response数据包的往返时间来计算的。根据应用程序的类型（例如，在资产跟踪、设备定位的情况下），移动或固定 UWB 设备会计算设备的精确位置。在设备运行室内导航服务的情

况下，需要知道其与固定UWB锚点（anchors）的相对位置，并计算其在区域地图上的位置。

UWB 使用非常大的信道带宽（高达500 MHz），每个短脉冲约为 2 ns；这有助于实现厘米级精度。UWB 定位过程发生在瞬间，因此可以非常准确地实时跟踪移动设备的运动。

FiRa 联盟支持 Channel 5 至 Channel 14 范围内的 500 MHz 频段。由于 Channel 9 提供了全球最大的监管接受度，因此它是唯一一个在 FiRa Certified™ 设备中被视为强制支持的频道。

UWB 测量的实时精度意味着支持 UWB 的系统可以非常确定地知道设备的实时精确位置，以及它是静止的还是朝向或远离相对对象的移动。例如，一个支持 UWB 的系统可以感知您是否正朝着一扇上锁的门移动，并且它可以知道您是在门内还是门外，以确定当您到达门时锁应该保持关闭还是打开。

UWB 测距的精确精度允许用例定义准确的意图范围以避免误触发。例如，如果您住在带车库的房子里，则支持 UWB 的系统可以配置为当你的汽车接近时，何时打开车库门。这样您就可以在购物回家时方便地停放汽车。或者帮助打开从车库到厨房的入口通道，这样你就可以把你购买的东西方便带到家里去。

今天的测距技术主要依靠信号强度来确定距离和位置。他们测量设备的信号强度，并假设信号强意味着设备就在附近。但针对这种系统，攻击者已经找到了一种方法来欺骗他们，那就是所谓的中继站攻击。在这种类型的攻击中，用于解锁门的合法无线信号被拦截和放大，这就使得即使钥匙不在附近，们也会被打开。

上述方法缺少的是对实际物理距离的精确计算，而这正是 UWB 为应用所带来的。使用 UWB，在中继攻击期间，任何拦截和放大信号的尝试都只会延迟设备确认信号到达已否的相应，从而使基于 UWB 的锁定清楚地知悉，响应设备实际上更远，而不是更近。攻击者成功拦截和增强的任何 UWB 信号都不会诱使配备 UWB 的锁打开。

此外，IEEE 802.15.4z 已经为传统 UWB 无线电的所有已知攻击增加了 PHY 级保护。

无线连接技术行业发展如此庞大，以至于很难将新进入者纳入视野。不过，虽然低功耗蓝牙 (BLE) 和 Wi-Fi 已经受益于当今非常广泛的市场采用，但它们在定位能力方面缺乏准确性，而且在与 UWB 相比时，他们提供的射频级安全性相对较少甚至没有，那就意味着它们难以保护测距数据的交换。

从下图，我们则能看到 UWB 相对于其他定位技术的主要优势：

我们必须承认的是，使用任何无线连接技术都可以实现测距。但是，您需要评估您的环境并确定您的用例所需的准确度和响应时间；这将决定你选择哪种技术。事实上，就我们所知，目前也有多种技术在使用，每种技术在一组选定的用例中都有自己的优势。

例如在准确定位方面，UWB 因其能够在视线或非视线内精确定位小于 10 厘米的设备和物体而脱颖而出。这主要得益于他们能够以每秒 200~1000 次的刷新率实时精确定位。

此外，UWB 脉冲抵抗了一种常见的困难——多径效应（multipath effect），当无线电信号通过多条路径到达接收器时，由于靠近主要信号路径的自然或人造物体引起的反射或折射，就会发生这种情况。而UWB对窄带衰落（narrowband fading）和干扰的免疫力也使其成为一种非常强大的技术选择。

UWB 在无线电频谱的不同部分运行，远离 2.4 GHz 附近的繁忙 ISM 频段。用于定位和测距的 UWB 脉冲在 6.5 GHz到 9 GHz 的频率范围内工作，不会干扰频谱中其他地方发生的无线传输。这意味着 UWB 与当今最流行的无线格式共存，包括卫星导航、Wi-Fi、蓝牙，甚至近场通信 (NFC)。

UWB 最重要的新增功能之一被定义为新的 802.15.4z 规范的一部分，是用于发送和接收数据包的物理层 (PHY) 的额外部分。新功能增加了密码学、随机数生成和其他技术，使外部攻击者更难访问或操纵 UWB 通信。

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用例的绝佳选择。如下图所示，则是Fira联盟提供的一些UWB应用方向。