介绍

超宽带 (UWB) 技术凭借其卓越的定位和传感能力，正在成为改变生活各方面连接体验的主要元素。总体而言，UWB 市场动态表明许多老牌公司利用 UWB 技术设计和构建产品和服务。最明显的例子是苹果、谷歌、三星和小米等主要手机制造商将 UWB 纳入手机中，以及使用 UWB 接入汽车。

UWB 是一种商用无线技术，可提供高度精 确的定位和精细测距测量，同时还支持高级别安全性以保护访问凭证和数据通信。

本研究文章概述了 UWB 技术，强调基于位置的服务，并提供有关基于 IEEE 技术部署标准构建的 UWB 生态系统的简要信息。讨论了 UWB 用例的三个主要类别：免提访问控制、基于位置的服务和设备到设备（点对点）应用。UWB 技术的基础建立在 IEEE 标准的基础上，以有效利用通信通道，并使 UWB 技术从安全角度来看更加稳健，并且不易受到攻击。

¡  室内定位要求

开发高效室内定位技术需要满足几个条件。首先，位置读数需要非常精 确和正确。由于该位置通常需要保密，因此必须保护该技术。即使在恶劣的环境中，它也必须可靠且易于扩展，以专注于大型场馆中的数千人和资产。其他要求包括低功耗和经济性。这种技术可以嵌入到从高端（例如智能手机等复杂设备）到低端（例如资产标签等简单设备）的所有设备中。此外，该技术必须具有低延迟才能实时跟踪对象的移动。

图1显示了室内定位和定位的总体要求。

¡  UWB 与现有 WiFi 和 BLE 相比如何

在设计第 一个室内定位系统时，工程师使用了可用的创新技术：WiFi 和低功耗蓝牙 (BLE)。此类技术非常适合数据通信，但它们都不是为实时定位服务 (RTLS) 发明的。这样的发明并不能满足所有基于微的室内定位需求。

WiFi、蓝牙和其他窄带无线电系统的精度可以达到几米。然而，其可靠性并未达到构建安全可信系统的 99.9% 标准。

由于大量电子设备的碰撞和干扰，实时报告他们的位置相当困难。因此，他们很难提供实时定位服务。例如 – BLE 在低功耗数据通信方面处于领先地位；获得一个位置点的确认所需的测量和后处理数量可能会消耗巨大的功耗和长达数秒的延迟。

超宽带（UWB）技术部署

为什么 UWB 需要一个联盟？

市场见证了 UWB 开发的重大转变，许多老牌公司利用 UWB 技术设计和构建产品和服务。然而，随着 UWB 技术过渡到大规模使用，消费电子公司知道其成功基于可互操作、通用和互连的生态系统。

FiRa 联盟为消费电子公司提供了一种解决生态系统和互操作性挑战的方法，以实现未来的共同成功。

¡  FiRa 联盟

FiRa 联盟(   FiRa )是一个非营利协会，支持 将超宽带 技术用于访问控制、基于位置的服务和设备到设备服务等用例。UWB 提供精细测距和安全功能，并在可用的 6-9 GHz 频谱中运行。ASSA ABLOY 集团（包括安全连接和移动/CE 设备解决方案领域的领先公司 HID Global、NXP Semiconductors、三星电子和博世）宣布成立 FiRa 联盟。 新协会旨在发展超宽带 (UWB) 生态系统，以便精细测距功能的新用例能够取得成功，最终为无缝用户体验树立新标准。

FiRa 名称“精细测距”强调了 UWB 技术提供与目标相对位置有关的精 确位置和距离的独特能力。此外，UWB 技术在精度、功耗、射频连接的鲁棒性和安全性方面都远远优于其他技术。

¡  以 IEEE 基金会为基础

IEEE 802.15 工作组 于 2020 年 6 月对 UWB 进行标准化，如下：

IEEE 802.15.4z-2020  –  IEEE 低速率无线网络标准 – 修正案 1：增强型超宽带 (UWB) 物理层 (PHY) 和相关测距技术。

低速率无线网络 IEEE 标准的修正案涵盖了增强型超宽带 (UWB) 物理层 (PHY) 和相关测距技术。各种测距功能，例如高速 PHY (HRP) 和低速 PHY (LRP)，均适用于 IEEE 802.15.4 标准。IEEE 802.15.4 标准指定了 PHY、MAC 和子层，重点关注低数据速率无线连接和精 确测距。此外，针对不同地理区域的设备，在不同的 PHY 下定义了各种免许可品牌。

FiRa 开发支持 UWB 的生态系统的旅程始于利用 IEEE 标准 802.15.4 和IEEE 802.15.4z 修正案。通过使用可互操作的 HRP 标准支持 IEEE 的工作，FiRa 将能够为各种垂直行业开发特定于服务的协议，并为各种应用定义必要的参数。 

为了满足增强功能的需求，成立了 802.15.4z 任务组来定义 HRP 和 LRP 的 PHY 和 MAC 层。IEEE 802.15.4z 标准侧重于额外的编码和前导码选项以及对现有调制的增强，以提高测距测量的可靠性和准确性，无线电的典型范围可达 200 米。

FiRa 联盟旨在以 IEEE 之前为 HRP 建立的基础为基础。这意味着通过可互操作的 HRP 标准支持 IEEE 的工作，该标准包含性能需求、测试方法和技术以及基于 IEEE 所描述功能的认证计划。它还意味着定义超出 IEEE 标准范围的机制，包括发现 UWB 设备和服务并以可互操作的方式配置它们的应用层 。图 2 显示了相关 IEEE 标准的功能层。

UWB 应用程序包括 iPhone 用户查找其AirTags，以及三星手机查找其Galaxy SmartTag+。

¡  超宽带用例

凭借精 确的测距能力，UWB在准确性和安全性方面比蓝牙和WiFi具有优势。FiRa 联盟为多个垂直领域开发了特定协议，并为各种应用定义了必要的参数。FiRa 联盟最初的重点是三个主要类别的用例：免提访问控制、基于位置的服务和设备到设备（点对点）应用程序，如图 3 所示。

超宽带详细信息

目前，IEEE 802.15.4z（PHY/MAC 级别）中规定了安全扩展，使其成为一种独特且安全的精细测距技术。

为何采用 UWB 进行室内定位？

超宽带（或 UWB） 是一种快速、安全、低功耗的无线电技术，用于以任何其他无线技术无法比拟的精 确度确定位置。虽然与蓝牙类似，但它更准确、可靠、有效 [8]。

· UWB从基于OFDM的数据通信演进为IEEE 802.15.4a（2ns脉冲宽度）规定的脉冲无线电技术；

UWB 能够以非常高的精度安全地确定对等设备的相对位置，并且可以在长达 200 米的视线范围内进行操作。此外，与窄带无线技术相比，宽带宽意味着即使在拥塞的多路径信号环境中，UWB 也能提供稳定的连接，几乎没有干扰，并且定位准确。图 4 描述了 NB 和 UWB 信号的差异。

如下图所示，图 5 比较了窄带和超宽带。UWB 脉冲（中图和右图）宽度为 2 纳秒 (ns)。它使其免受反射信号（多路径）干扰。中图和右图显示反射信号（橙色）不会影响直接信号（蓝色）。UWB 信号的上升沿和下降沿比窄带信号快得多（左）。即使在噪声和多径效应中，UWB 信号也能保持其完整性和结构。此外，UWB 干净的信号边缘可以精 确确定到达时间和距离。

超宽带如何工作？

操作理念很简单。一旦设备（例如智能手机、腕带或智能钥匙）配备了 UWB 无线电，当设备进入另一个 UWB 设备的范围时，设备就会开始测距。该范围是通过在设备之间执行飞行时间 (ToF) 测量来计算的。首先，ToF 应通过计算质询/响应数据包的往返时间来确定。然后，根据功能的类型（例如，资产跟踪、设备定位），移动或固定 UWB 设备计算设备的精 确位置。例如，假设设备运行室内导航服务。在这种情况下，它必须知道其与固定UWB设备的相对位置并计算其在区域地图上的位置。图6展示了UWB的一般工作原理。

UWB 使用相当大的信道带宽 (500 MHz)，每个脉冲约为两 (2) ns；这有助于实现厘米级精度。此外，UWB 定位过程是实时发生的，可以非常准确地跟踪设备移动。

FiRa 联盟支持通道 5 至通道 14 范围内的 500 MHz 频段。由于 Channel 9 获得了全球最重要的监管认可，因此它是 FiRa Certified™ 设备使用的唯 一通道。

UWB 如何感知物体运动及其相对位置？

支持 UWB 的系统根据其准确的 UWB 测量提供设备的精 确位置，无论设备是静止的还是靠近或远离给定物体。UWB 测距的精 确度允许用例定义精 确的意图范围，以防止错误触发。UWB 测距的精 确度允许用例定义精 确的意图范围，以防止错误触发。

例如，支持 UWB 的系统可以感知物体是否靠近或远离上锁的门。UWB系统还可以感知用户是在门口的内侧还是外侧，以在用户到达某个点时保持锁关闭或打开

增强安全性

当今的测距技术依靠信号强度来计算距离并确定准确位置。如果 UWB 测量设备的信号强度并假定信号很强，则意味着该设备就在附近。不幸的是，攻击者已经找到了一种利用中继站攻击来欺骗这些系统的技术。在这种类型的攻击中，无线信号被拦截并放大，导致锁着的门解锁。

这些方法所缺乏的是对实际物理距离的精 确计算，而 UWB 为应用带来了这一点。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响应设备确认信号的到达，从而使基于 UWB 的锁清楚地知道响应设备距离更远，而不是更近。攻击者成功拦截和增强的任何 UWB 信号都不会诱骗配备 UWB 的锁进入开口。此外，IEEE 802.15.4z 的扩展为针对传统 UWB 无线电的所有已知攻击添加了 PHY 级保护[9]。

IEEE 标准 802.15.4z HRP UWB PHY 将加扰时间戳 (STS) 字段插入数据包中。目的是通过将加密密钥和整数随机性添加到 PHY 数据包中，防止 ToF 相关数据被访问或预测。它可以防止利用原始 UWB PHY 的确定性和可预测性来操纵距离读数的各种外部攻击。

STS 字段包含一组伪随机二进制相移键控 (BPSK) 调制脉冲。加密安全的伪随机整数生成器确保 BPSK 调制序列的伪随机性。由于安排的伪随机性，不存在重复模式，从而提供由接收器生成的可靠、高度准确且无对象的信道延迟估计[10]。IEEE 802.15.4z 修正案为针对传统 UWB 无线电的所有已知攻击提供 PHY 级保护。从安全角度来看，它使 UWB 更加稳健，并且更不易受到攻击。

UWB 行业展望

尽管取得了进展，但公众的兴趣还是随着 2019 年 9 月的声明而唤起，苹果将在 iPhone 11 中采用专门设计的 U1 UWB 收发器来整合 UWB。很快，这样的创新鼓励了三星和小米等其他智能手机制造商纷纷效仿。此外，Qorvo或ST微电子等芯片供应商立即发现了通过收购DecaWave和BeSpoon进入UWB市场的市场机会。

为了避免孤立的不兼容的 UWB 实施，UWB 联盟的成立最初的重点是帮助定义和推广 IEEE 802.15.4z UWB 规范。这些努力为先前存在的 IEEE 标准 802.15.4a 规范（2007 年为消费电子设备的数据通信定义）增加了安全级别。此外，还创建了旨在增强UWB定位功能的新标准。因此，UWB联盟广泛推广了IEEE 802.15.4z。

在消费者方面，Apple 的 U1 芯片现已嵌入 iPhone、Apple Watch、iPad 和 AirTags 等设备中。此外，苹果还向应用程序开发者开放了U1接口，并将其同步到IEEE标准802.15.4z，使U1芯片与Qorvo和NXP收发器兼容。这种对齐使用户位置感知应用程序能够根据精 确确定的用户相对位置来智能地运行。

¡  三星 UWB

三星是 FiRa 联盟的创始合作伙伴，FiRa 联盟是一个会员驱动的组织，致力于利用超宽带 (UWB) 技术的安全精细测距和定位功能来开发和提供无缝用户体验。FiRa 联盟目前拥有约 70 个成员，确保跨芯片组、设备和服务基础设施建立可互操作的 UWB 生态系统 [12]。

UWB是消费电子公司正在致力于增强其能力以提供更广泛应用的一项新技术。三星 是FiRa 联盟的成员，该联盟致力于促进 UWB 技术的采用，并提供 UWB 标准和认证计划的更新，以保障互操作性。

三星 Galaxy 中已经有一些令人兴奋的应用程序利用了 UWB。例如，用于设备到设备文件传输的新“附近共享”应用程序通过使用 UWB 得到了改进。通过将手机指向另一个配备 UWB 的设备，附近共享会自动在共享面板的顶部列出该设备。

三星还将 UWB 集成到其 SmartThings Find 应用程序中。使用增强现实 (AR) 和直观方向，您可以精 确定位其他配备 UWB 的设备。正如三星在 2021 年 1 月的 Unpacked上宣布的那样，新款 Galaxy SmartTag+ 将采用 UWB 功能并可附加到几乎任何物品，因此您甚至可以跟踪 没有内置连接的物品。

¡  苹果 UWB

概述

Apple 附近交互应用程序可帮助定位 iPhone 11 或更新机型、Apple Watch 和第三方配件等设备中嵌入了 U1 或超宽带 (UWB) 芯片的设备的位置。为了进行交互，物理上接近的设备运行应用程序并共享其位置和唯 一标识它们的设备令牌。当应用程序在前台运行时，附近交互通过报告对等方的方向和距离（以米为单位）来通知交互会话对等方的位置。

苹果将推出一些新的 API，使附近交互与兼容的第三方硬件成为可能。Apple 附近交互的第三方硬件标准支持与 FiRa 等行业组织合作，使该 API 可与各种配件配合使用。在原型设计、实验和构建配件方面，Apple 一直与 NXP 和 Qorvo 等芯片组制造商合作，提供包含可与 iPhone 中的 U1 互操作的硬件和固件的开发套件 。

与 Apple U1 互操作的安全 UWB 开发套件

NXP 现在提供 beta UWB 开发套件，可与受支持的 Apple® 产品中的 U1 芯片进行互操作。使用这些开发套件来评估新的支持 UWB 的物联网应用的设计。

Apple U1 超宽带 (UWB) 分析

Apple 是第 一家在智能手机设备中提供 UWB 芯片的消费电子公司。苹果表示，U1 芯片使 iPhone 11 能够使用空间感知技术检测其他 U1 设备。Apple iPhone 中的 UWB 以两种不同的频率进行通信 - 6.24 GHz 和 8.2368 GHz。苹果公司于 2006 年（第 一代 iPhone 发布之前）申请了“用于飞行时间测距和网络位置估计的超宽带无线电”专利。从那时起，它在其未来的产品中至少申请了三项以 UWB 为中心的专利。

Apple U1 芯片嵌入在 iPhone 11 及后续系列 iPhone（不包括 第二代 和 第三代 iPhone SE）、Apple Watch Series 6 和 Series 7、Home Pod mini 和 AirTag 追踪器中。AirTag 是一款小巧而优雅的设计配件，可让 iPhone 用户使用“查找我的”应用程序安全地定位和跟踪他们的贵重物品。

AirTag 嵌入了 Apple 设计的 U1 芯片，采用超宽带技术，方便 iPhone 11 和 iPhone 12 用户准确定位。当丢失的 AirTag 在范围内时，这项创新技术可以更准确地确定其距离和方向。当用户移动时，精 确定位会融合来自摄像头、ARKit、加速计和陀螺仪的输入。然后，它将结合声音、触觉和视觉反馈引导他们使用 AirTag。

结论

本研究文章讨论了超宽带 (UWB) 技术，并对 UWB 定位技术及其应用进行了详细和最 新的概述。此外，我们还讨论了影响该技术的一些外部因素（威胁），并提供了顶 级消费电子公司采用 UWB 技术的市场前景。

室内定位是导航系统中最关键和最苛刻的阶段之一，已经开发了不同的创新来提高性能。如今，UWB 通过提高工厂运营效率、改善工人保护、驾驶机器人和无人机自导航，为涵盖消费、汽车、工业和商业市场领域的产品和服务带来价值。其安全距离限制功能还可以安全、免提地进入汽车、前门、家庭和办公室。