超宽带(UWB)技术:未来已来,下一步呢?
By Yuka Muto
September 19, 2024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。
Categories
Subscribe to the LitePoint Blog
Related Posts
UWB – 是一时炒作还是成为常态?
September 19, 2024
3 问 3 答:UWB,它是什么以及它是如何工作的?
September 19, 2024