超宽带(UWB)技术:未来已来,下一步呢

超宽带（UWB）无线技术虽已存在多年，但其商业应用直到最近才迎来激增。这主要得益于智能手机中UWB技术的普及，以及对精确距离测量和安全访问需求的增加。

UWB利用仅几纳秒宽的短脉冲进行飞行时间（ToF）测量，通过准确测量信号在两个UWB启用设备（如钥匙扣或智能手机）与UWB启用资产（如汽车）之间的传输时间，来确定它们之间的距离。这种方法具有高度的安全性，因为与依赖信号强度来计算距离相比，时间更难被篡改或复制。此外，UWB数据包中的加扰时间戳序列（STS）字段进一步增强了安全性。通过使用AES-128加密对时间戳序列进行加密，只有发送方和接收方才能使用共享密钥解码数据包，这使得未经授权的设备更难拦截和操纵信号。这为UWB通信增加了额外的安全层，确保只有合法的授权密钥才能访问受保护的资产。这使得UWB成为安全测距应用和实时定位系统的理想选择，包括汽车、酒店房间的数字无钥匙访问以及免提支付。

UWB的性能在很大程度上取决于设备中使用的半导体、天线设计以及校准的质量。这意味着在设计验证、校准和制造过程中进行严格的测试至关重要，以防止可能导致昂贵产品故障和召回的缺陷。

UWB标准正在迅速发展，标准化机构和行业联盟正取得重大进展。UWB作为精细测距技术重新得到确立，IEEE一直在增强UWB的测距和安全功能，这对于其在消费者和工业领域的采用至关重要。FiRa联盟正在扩大UWB生态系统在消费者应用中的应用范围，而汽车连接联盟（CCC）正在推动包含UWB的新数字密钥规范，以实现车辆访问。

这一活跃的发展态势正推动UWB在个人和商业应用中的广泛应用，要求开发者和测试供应商持续关注、不懈努力。

三大标准和联盟团体引领前行

IEEE的802.15工作组致力于UWB技术的研发与标准化，肩负起制定MAC和PHY标准以及修订标准以进一步提升性能的重任。

作为对“精细测距”技术的坚定承诺，FiRa联盟正着手制定标准和认证计划，以确保UWB设备的互操作性和可靠性，同时构建并推动一个健康的UWB生态系统发展。FiRa 2.0技术规范引入了更多配置文件，详细阐述了UWB通信在各种用例中的高层功能，旨在拓宽其应用范围。

FiRa还与CCC紧密合作，共同成立了联合UWB MAC PHY工作组（JUMPWG），专注于开发和维护CCC数字密钥中使用的UWB技术规范。

IEEE 802.15.4ab 推动的增强功能

IEEE UWB标准的新修正案802.15.4ab目前正处于草案阶段，它基于现有的IEEE 802.15.4z修正案进行拓展。预计于2025年发布的802.15.4ab修正案，旨在增强远距离精确测距的性能。它将能够精确锁定标记物体或个人的位置，使得在拥挤场所寻找朋友或远距离识别遗失物品成为可能。

802.15.4ab中拟采用的两项技术实现了测距扩展。第一项技术称为窄带辅助（NBA）。顾名思义，它允许UWB设备在交换UWB测距信息之前，将频率和时序同步等任务委托给窄带信号（与UWB的500MHz宽带宽相对）。窄带信号在比UWB更低的频率上运行，且允许更高的发射功率，从而扩展了测距范围。此外，由于其窄带宽，其传输本身对噪声的敏感度较低。这改善了UWB设备之间的同步，即使在更远的距离上，NBA也能扩展UWB设备的初始同步范围。

另一项技术称为多毫秒（MMS）。在当前实现中，UWB测距是通过双向测距（DS-TWR）中的三个数据包（ping-pong-ping）完成的。然而，在MMS实现中，每个UWB数据包可以划分为多达16个较短的片段。每个传输片段的功率都得到了提升，但并未违反任何监管规范。接收UWB设备从这些片段中获取聚合信息，从而得到比原始UWB数据包更高的综合能量。这种增加的能量使UWB设备能够实现更远的测距。

这些进步将提高操作效率，使UWB设备能够在不违反监管排放限制的情况下增加距离，并符合FCC、ETSI和其他监管规则的第15部分要求。

802.15.4ab中的其他关键改进包括新的数据速率和感应支持。UWB设备将根据环境噪声水平动态调整数据速率，例如在嘈杂环境中降低速率以提高通信稳健性。另一方面，更高的数据速率为新的UWB应用打开了大门，如耳机与智能手机之间的音频传输。感应或雷达功能也被标准化，以支持存在检测和环境映射等应用。

FiRa 2.0带来的超宽带（UWB）创新

FiRa技术规范由FiRa联盟开发，旨在确保不同制造商的超宽带（UWB）芯片组、设备和装备之间的互操作性，从而促进一个健康且强大的UWB生态系统发展。去年秋天，FiRa 2.0技术规范横空出世。其中包括更多的安全测试用例，使得通过FiRa认证的设备都经过了严格的测试，以提升UWB设备的安全性，防止黑客攻击。此外，FiRa 2.0技术规范还解锁了新用例，有望改变个人和公共空间中的交互方式，提升安全性和用户参与度。该规范聚焦的三大新用例为：

未跟踪室内导航：在现有室内导航基础上，凭借其厘米级的精度以及从锚定设备到用户设备（如智能手机）的信息传输方式，实现了升级。用户设备通过接收建筑内锚定设备发出的UWB信号来计算自身位置，非常适合在大型室内场所如商场和机场中进行导航，同时保护用户的位置隐私。

寻人/物：在人群密集的场合（如节日庆典）或密集环境（如停车场）中，该用例显著提升了定位人和物体的能力，其位置定位精度超越了传统GPS。

指向与触发：利用UWB精确的角度测量能力，用户只需用智能手机或智能手表指向UWB启用设备（如家用电器或娱乐系统），即可对其进行控制。

CCC及其数字钥匙正利用UWB技术

数字钥匙由CCC开发，旨在使移动设备能够跨不同汽车制造商、钥匙扣和智能设备安全地认证和共享车辆数字钥匙。CCC采用UWB、蓝牙低功耗（以及近场通信NFC作为低电量情况下的备份）作为其数字钥匙3.0免提、位置感知无钥匙进入的无线标准。这使得驾驶员可以无线安全地解锁和启动车辆。

资料来源: Connected Car Consortium; Mobile Device Architecture   

超宽带（UWB）技术正通过其精确的测距精度和内置编码，使数字密钥3.0的安全性更上一层楼。FiRa正与汽车连接联盟（CCC）携手合作，共同推动全新的数字密钥认证，这一合作对于超宽带技术的成熟发展至关重要，它将促使汽车制造商和芯片组供应商紧密协作。这项将于今年晚些时候发布的新认证计划，将进一步巩固两大联盟之间的合作关系。同时，超宽带芯片组和模块制造商、一级供应商以及汽车制造商均可利用类似严格的互操作性认证计划，确保设备间能够无缝协同工作。

测试与UWB

过去，测试成本对UWB技术产生了显著影响。许多设备制造商在生产过程中仅依赖通过/不通过测试。然而，随着UWB在汽车、安全、智能手机和家庭娱乐等越来越多样化的领域得到应用，人们越来越重视参数测试。

受客户对高品质期望的驱动，这种方法允许早期发现制造缺陷和偏差。鉴于退货和维修带来的巨大成本，确保UWB性能无瑕现在比以往任何时候都更加重要。

这些关键任务设备即使在大量生产过程中也需要进行彻底测试。飞行时间（ToF）是UWB设备最关键的测试之一，因为它是UWB的独特、差异化功能。为避免降低ToF测量精度，必须对每个UWB设备进行校准，以最小化ToF误差，从而补偿前端组件、天线或UWB半导体本身存在的延迟或误差。此外，设备的发射功率必须准确校准，以确保符合区域监管限制。为了准确校准和验证UWB设备的射频性能，测试设置必须使用准确且可重复的测试设备进行仔细校准。这确保了设置中存在的外部路径损耗和延迟偏移被精确消除。

UWB正在成熟并产生影响

UWB技术已成为无线通信领域的创新驱动力，推动了位置跟踪、精确距离测量和增强安全性方面的显著进步。它在从汽车到消费电子产品的多个行业中日益普及，凸显了其革命性改变个人和商业应用的潜力。

展望未来，UWB有望成为一项基础性技术，改变我们与周围世界的互动方式。随着UWB技术的不断发展和标准的日益完善，严格的测试将是确保UWB启用设备可靠性能的关键。