UWB可以做什么，有什么優(yōu)勢？

UWB是什么？

在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，例如停車場、醫(yī)院、機(jī)場和高密度場館，UWB 技術(shù)在準(zhǔn)確性、功耗、無線連接的穩(wěn)健性和安全性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他技術(shù)。

UWB 以非常高的準(zhǔn)確度安全地確定對等設(shè)備的相對位置，并且可以在高達(dá) 200 米的視線范圍內(nèi)運(yùn)行，與窄帶無線技術(shù)相比，寬帶寬的使用意味著 UWB 提供了非常穩(wěn)定的連接，幾乎沒有干擾，并提供高度精確的定位，即使在擁擠的多路徑信號環(huán)境中也是如此。

FiRa 功率譜圖如下

通過計(jì)算精確位置，基于 UWB 的精細(xì)測距是一種更安全的關(guān)閉和打開鎖的方法，無論這些鎖安裝在車門、倉庫入口、會議室還是家門。

IEEE 802 中 UWB 的歷史

UWB 以前是一種用于高數(shù)據(jù)速率通信的技術(shù)，因此與 Wi-Fi 直接競爭，從那時起，UWB經(jīng)歷了幾次轉(zhuǎn)變。

UWB 已經(jīng)從基于 OFDM 的數(shù)據(jù)通信發(fā)展為 IEEE 802.15.4a（2ns 脈沖寬度）規(guī)定的脈沖無線電技術(shù)，并且還在目前的 IEEE 802.15.4z（在 PHY/MAC 級別）中指定了安全擴(kuò)展，使其成為一種獨(dú)特且安全的精細(xì)測距技術(shù)。

從數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)向安全測距允許各種應(yīng)用程序利用空間上下文功能，包括免提訪問控制、基于位置的服務(wù)和設(shè)備到設(shè)備之間的對等服務(wù)。

以 IEEE 基金會為基礎(chǔ)

UWB 技術(shù)的起點(diǎn)是 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.15.4 和 IEEE 802.15.4z-2020 修正案，該修正案是涵蓋增強(qiáng)型超寬帶 (UWB) 物理層 (PHY) 的低速率無線網(wǎng)絡(luò)的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 和相關(guān)的測距技術(shù)。

802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)廣泛用于各種使用測距功能的應(yīng)用，例如高速 PHY (HRP) 和低速 PHY (LRP)。

一般來說，IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了 PHY、MAC 和子層，重點(diǎn)是低數(shù)據(jù)速率無線連接和精確測距，為在不同地理區(qū)域以各種設(shè)備定義了不同的 PHY。

2018 年 1 月，為響應(yīng)增強(qiáng)操作的需求，成立了 802.15.4z 任務(wù)組，為 HRP 和 LRP 定義 PHY 和 MAC 層，IEEE 802.15.4z 專注于額外的編碼和前導(dǎo)選項(xiàng)，以及對現(xiàn)有調(diào)制的改進(jìn)，以提高測距測量的完整性和準(zhǔn)確性，無線電的典型范圍可達(dá) 200 米，并且支持附加信息的元素的定義將有助于測距信息的交換。

FiRa 聯(lián)盟的目標(biāo)是在 IEEE 已經(jīng)為 HRP 建立的基礎(chǔ)上再接再厲，這意味著使用可互操作的 HRP 標(biāo)準(zhǔn)支持 IEEE 的工作，其中包括性能要求、測試方法和程序，以及基于 IEEE 配置文件的認(rèn)證計(jì)劃。

它還意味著定義超出 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)范圍的機(jī)制，包括應(yīng)用層，它發(fā)現(xiàn) UWB 設(shè)備和服務(wù)并以可互操作的方式配置它們，此外還在開展許多其他活動，例如為多個垂直行業(yè)開發(fā)服務(wù)特定協(xié)議，并為一系列應(yīng)用程序定義必要的參數(shù)，包括物理訪問控制、基于位置的服務(wù)、設(shè)備到設(shè)備服務(wù)等等，如下圖。

UWB如何工作？

操作理念很簡單，一旦配備 UWB 無線電的設(shè)備（例如智能手機(jī)、腕帶或智能鑰匙）進(jìn)入另一個 UWB 設(shè)備的范圍，這些設(shè)備就會開始測距。

通過在設(shè)備之間執(zhí)行飛行時間 (ToF) 測量來完成測距，TOF 是通過測量質(zhì)詢/響應(yīng)數(shù)據(jù)包的往返時間來計(jì)算的。

根據(jù)應(yīng)用程序的類型（例如，在資產(chǎn)跟蹤、設(shè)備定位的情況下），移動或固定 UWB 設(shè)備會計(jì)算設(shè)備的精確位置。

在設(shè)備運(yùn)行室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)的情況下，需要知道其與固定UWB錨點(diǎn)的相對位置，并計(jì)算其在區(qū)域地圖上的位置。

UWB 使用非常大的信道帶寬（500 MHz），每個短脈沖約為 2 ns；這有助于實(shí)現(xiàn)厘米精度， UWB 定位過程在瞬間發(fā)生，因此可以非常準(zhǔn)確地實(shí)時跟蹤移動設(shè)備的運(yùn)動。

FiRa 聯(lián)盟支持 Channel 5 至 Channel 14 范圍內(nèi)的 500 MHz 頻段，由于 Channel 9 提供了全球最大的監(jiān)管接受度，因此它是唯一一個在 FiRa Certified 設(shè)備中被視為強(qiáng)制支持的渠道。

UWB定位過程圖解如下：

支持 UWB 的設(shè)備了解運(yùn)動和相對位置

UWB 測量的實(shí)時精度意味著支持 UWB 的系統(tǒng)可以非常確定地知道設(shè)備的精確位置，以及它是靜止的還是朝向或遠(yuǎn)離給定對象的移動。

例如，一個支持 UWB 的系統(tǒng)可以感知是否正朝著一扇上鎖的門移動，并且它可以知道是在門內(nèi)還是門外，以確定當(dāng)?shù)竭_(dá)門時鎖應(yīng)該保持關(guān)閉還是打開某一點(diǎn)。

UWB 測距的精確精度允許用例定義準(zhǔn)確的意圖范圍以避免誤觸發(fā)，例如，如果我們住在帶車庫的房子里，則支持 UWB 的系統(tǒng)可以配置為知道汽車何時接近該打開車庫門的時間，這樣就可以在購物回家時停放汽車，或者是時候打開從車庫到廚房的入口通道了，這樣你就可以把你的雜貨帶進(jìn)來了。

還有一個就是我們搬東西打開后備箱是不是很麻煩，其實(shí)只要腳在車廂后晃一下，UWB就可以識別到了，這個在一些汽車上也應(yīng)用起來了。

UWB 提供更高的安全性

今天的測距技術(shù)主要依靠信號強(qiáng)度來確定距離和位置，他們測量設(shè)備的信號強(qiáng)度并假設(shè)信號強(qiáng)意味著設(shè)備就在附近，但是一些攻擊者已經(jīng)找到了一種方法來欺騙這些系統(tǒng)，使用所謂的中繼站攻擊。

在這種類型的攻擊中，用于解鎖門的合法無線信號被攔截和放大，即使鑰匙不在附近，也會導(dǎo)致門打開，這些方法中缺少的是對實(shí)際物理距離的精確計(jì)算，而這正是 UWB 為應(yīng)用程序帶來的。

使用 UWB，在中繼攻擊期間任何攔截和放大信號的嘗試都只會延遲響應(yīng)設(shè)備的確認(rèn)信號的到達(dá)，從而使基于 UWB 的鎖定清楚地表明響應(yīng)設(shè)備實(shí)際上更遠(yuǎn)，而不是更近。

攻擊者成功攔截和增強(qiáng)的任何 UWB 信號都不會誘使配備 UWB 的鎖打開，此外，IEEE 802.15.4z 的擴(kuò)展為傳統(tǒng) UWB 無線電的所有已知攻擊增加了 PHY 級保護(hù)。

UWB技術(shù)比較

無線連接技術(shù)行業(yè)發(fā)展如此龐大，以至于很難將新進(jìn)入者納入視野，雖然藍(lán)牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 已經(jīng)受益于當(dāng)今非常廣泛的市場采用，但它們在定位能力方面缺乏準(zhǔn)確性，并且與 UWB 相比，提供的射頻級安全性相對較少甚至沒有，以保護(hù)測距數(shù)據(jù)交換。

以下是 UWB 相對于其他定位技術(shù)的主要優(yōu)勢：

使用任何無線連接技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)測距，但是，我們需要評估環(huán)境并確定用例所需的準(zhǔn)確度和響應(yīng)時間，這將決定技術(shù)的選擇。

有多種技術(shù)在使用，每種技術(shù)在一組選定的用例中都有自己的優(yōu)勢，在準(zhǔn)確定位方面，UWB 因其能夠在視線或非視線內(nèi)精確定位小于 10 厘米的設(shè)備和物體而脫穎而出，以每秒 200~1000 次的刷新率，實(shí)時精確定位。

此外，UWB 脈沖抵抗了一種常見的困難，即多徑效應(yīng)，當(dāng)無線電信號通過多條路徑到達(dá)接收器時，由于靠近主要信號路徑的自然或人造物體引起的反射或折射，就會發(fā)生這種情況，它對窄帶衰落和干擾的免疫力也使其成為一種非常強(qiáng)大的技術(shù)選擇。

UWB 在無線電頻譜的不同部分運(yùn)行，遠(yuǎn)離聚集在 2.4 GHz 附近的繁忙 ISM 頻段，用于定位和測距的 UWB 脈沖在 6.5 至 9 GHz 的頻率范圍內(nèi)工作，不會干擾頻譜中其他地方發(fā)生的無線傳輸，這意味著 UWB 與當(dāng)今最流行的無線格式共存，包括衛(wèi)星導(dǎo)航、Wi-Fi、藍(lán)牙，甚至近場通信 (NFC)。

UWB 最重要的新增功能之一被定義為新的 802.15.4z 規(guī)范的一部分，是用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的物理層 (PHY) 的額外部分，新功能增加了密碼學(xué)、隨機(jī)數(shù)生成和其他技術(shù)，使外部攻擊者更難訪問或操縱 UWB 通信。

UWB 獨(dú)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用例的絕佳選擇。

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