超寬帶（UWB）是一種已有數(shù)十年歷史的高速無線通信技術(shù)，如今已作為一種精確、安全、實時的定位技術(shù)得到了新生。IEEE和最近成立的FiRa聯(lián)盟正視圖引領(lǐng)這一技術(shù)的重生，其將制定一些規(guī)范，為使用UWB開發(fā)安全、互操作和最先進(jìn)的能力奠定了基礎(chǔ)。例如，免密訪問控制、基于位置的服務(wù)和對等通信格式等，安全的UWB技術(shù)將補充如今最流行的幾類無線技術(shù)，包括衛(wèi)星導(dǎo)航、Wi-Fi和藍(lán)牙。

從高速通信到安全測距

UWB最初在1960年代被用于雷達(dá)應(yīng)用，后來被改編為正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)（IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)化），作為近距離高達(dá)480 Mbps的超高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。人們的期望是，UWB將提供數(shù)字家庭應(yīng)用所需的高數(shù)據(jù)速率通信，但802.11 Wi-Fi憑借其更長的距離和更高的數(shù)據(jù)速率，最終獲勝，UWB后來基本消失了。

然而，近年來，超寬帶作為一種高精度、高準(zhǔn)確性、高安全的定位和測距方法重新出現(xiàn)。這種新轉(zhuǎn)變的超寬帶技術(shù)使用脈沖無線電信號以非常高的精度找到設(shè)備的相對位置，在理想條件下甚至可以在200米的視距范圍內(nèi)工作。UWB可以使用很少的功率來發(fā)送信號，并且提供穩(wěn)定的連接，幾乎沒有干擾。

IEEE已經(jīng)在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)化了新的UWB，F(xiàn)iRa聯(lián)盟則是一個聯(lián)盟組織，致力于開發(fā)和推廣廣泛采用可互操作的UWB技術(shù)。

無線共存，性能提升

根據(jù)FCC的定義，UWB可以在3.1GHz到10.6GHz之間工作。UWB不會取代現(xiàn)在用于定位服務(wù)的無線技術(shù)。相反，它可以通過提供比當(dāng)前使用的任何其他技術(shù)更精確的讀數(shù)來增強位置識別。與Wi-Fi和藍(lán)牙相比，UWB可以將物品的位置縮小到大約150厘米的區(qū)域內(nèi)，相比之下，UWB的定位精度為10厘米，并且需要更少的錨來覆蓋區(qū)域。此外，UWB還可以在GPS難以操作的室內(nèi)提供這種高精度，以擴(kuò)展導(dǎo)航能力。圖1突出了一些新的超寬帶特性。

圖1。這些主要的超寬帶技術(shù)參數(shù)將其與其他無線技術(shù)（如Wi-Fi和藍(lán)牙）區(qū)分開來。（來源：FiRa聯(lián)盟）

超寬帶獨特的脈沖信號使它更加精確，陡峭和狹窄脈沖的快速傳輸，以每秒200到1000次的速度刷新，使得標(biāo)記信號定時具有更高的確定度，通過飛行時間（ToF）和到達(dá)角（AoA）計算更為精準(zhǔn)。

圖2。與其他技術(shù)相比，寬UWB功率譜可以實現(xiàn)低功耗。（來源：FiRa財團(tuán)）

UWB的另一個特點是脈沖能夠抵抗一個常見的困難，即多徑效應(yīng)，即當(dāng)無線電信號通過一條以上的路徑到達(dá)接收器時，由于靠近主信號路徑的自然或人造物體引起的反射或折射?？紤]到不精確性也是由多徑效應(yīng)引起的，對多徑的抗擾度進(jìn)一步提高了定位精度?？拐瓗ヂ浜透蓴_有助于使超寬帶成為一個非常穩(wěn)健的技術(shù)選擇。

近期的標(biāo)準(zhǔn)化工作

超寬帶定位技術(shù)的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。在802.15.4規(guī)范中定義了UWB的一個重要補充是用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的物理層（PHY），新規(guī)范增加了加密、隨機(jī)數(shù)生成和其他技術(shù)，使外部攻擊者更難操縱超寬帶通信。

ieee802.15.4是一個寬泛的標(biāo)準(zhǔn)，它定義了在不同地理區(qū)域的不同品牌下運行的設(shè)備的不同PHY。具體地說，對于UWB，IEEE 802.15.4為PHY層、MAC層（數(shù)據(jù)鏈路層的一個子層）和許多其他子層（圖3）提供了定義。然而，在實現(xiàn)一個真實世界的UWB IC之前，有幾個關(guān)鍵的操作特性需要改進(jìn)和優(yōu)化。FiRa聯(lián)盟承擔(dān)了這項任務(wù)，重點是定義UWB的細(xì)節(jié)，以確?？缧酒M、設(shè)備和服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的互操作生態(tài)系統(tǒng)。

圖3:FiRa聯(lián)盟正在擴(kuò)展和完善超寬帶的IEEE標(biāo)準(zhǔn)。（來源：FiRa財團(tuán)）

經(jīng)過內(nèi)部工作組一年的集中努力，F(xiàn)iRa聯(lián)盟發(fā)布了他們的第一個UWB PHY和MAC層的技術(shù)要求規(guī)范。這兩個規(guī)范都基于IEEE 802.15.4-2015技術(shù)規(guī)范中的高速脈沖（HRP）部分和用于精測距UWB技術(shù)的802.15.4z/D8草案修正案。根據(jù)FiRa聯(lián)盟，UWB-MAC技術(shù)要求定義了諸如測距協(xié)議如何工作、支持的測距類型、交換的消息的參數(shù)和格式以及測距消息如何加密等要素。類似地，F(xiàn)iRa聯(lián)盟PHY技術(shù)要求規(guī)范文件利用了IEEE規(guī)范的部分選擇，以促進(jìn)FiRa聯(lián)盟認(rèn)證的支持UWB的產(chǎn)品之間的互操作性。新的規(guī)范將作為FiRa聯(lián)盟即將推出的認(rèn)證計劃的基礎(chǔ)。

新用例

UWB獨特的信號特性組合——易于識別、抗噪聲和反射、與其他信號分離——使其成為測量距離和解決各種引人注目的新用例的絕佳選擇。

詳細(xì)的UWB規(guī)范（包括專用的安全機(jī)制和互操作性設(shè)計）的到來意味著工程師可以自信地開始開發(fā)這些新功能。此外，智能手機(jī)制造商和其他移動設(shè)備制造商也開始將超寬帶技術(shù)集成到他們的產(chǎn)品中。這有助于拓寬UWB服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，并為UWB特性建立勢頭。

超寬帶將使直觀的系統(tǒng)能夠無縫地融入日常生活。免提門禁系統(tǒng)將使開鎖和進(jìn)入建筑物更安全、更直觀。室內(nèi)提供的GPS定位服務(wù)將使人們更容易在大型空間（如購物中心、教育校園和醫(yī)療設(shè)施）中導(dǎo)航。設(shè)備到設(shè)備的通信將使家庭、零售和企業(yè)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)更智能的移動（圖4）。

圖4。超寬帶顯示出在多領(lǐng)域具有創(chuàng)新潛力，其中就包括各類支付場景。（來源：NXP半導(dǎo)體）

超寬帶在汽車應(yīng)用領(lǐng)域顯示出了希望，OEM已經(jīng)在展示具有超寬帶功能的汽車。大眾已經(jīng)演示了基于超寬帶的無鑰匙進(jìn)入，寶馬也于2019年11月展示了無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)。車門上的鎖可以識別您的動作，并在您接近時自動解鎖，同時有效地解決了如今智能鑰匙可能存在的中繼攻擊問題。汽車連接聯(lián)盟（CCC）是此類汽車接入解決方案的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。CCC的網(wǎng)站在其CCC第3版中提到了智能汽車接入的實現(xiàn)，該版本規(guī)定了安全的數(shù)字密鑰管理、用于通信的汽車BLE和用于精確和安全定位的UWB技術(shù)。這些補充的目的是進(jìn)一步為智能設(shè)備制造商和汽車制造商提供機(jī)會，以增強不斷發(fā)展的數(shù)字生活方式。

圖5。超寬帶實現(xiàn)汽車的安全接入（來源：NXP半導(dǎo)體）

大型原始設(shè)備制造商和FiRa聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)正在仔細(xì)評估和測試UWB在各種應(yīng)用中大規(guī)模運行的能力，標(biāo)準(zhǔn)化工作為廣泛的應(yīng)用打開了空間。

本文作者：Charles Dachs是NXP副總裁兼安全嵌入式部門的總經(jīng)理，此前，他曾在Philips半導(dǎo)體公司、Philips研究公司和CERN工作。