UWB可以做什么，有什么优势？

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来源：技术让梦想更伟大

作者：李肖遥

UWB是什么？

在复杂多样的场景下，在停车场、医院、机场以及高密度区域中,UWB 技术在精确度上显著优于能耗,稳定性上显著优于安全性能。

UWB 拥有极高的定位精度，并通过安全可靠的手段确定对等设备间的相对位置关系；其宽频段的应用使得它能在 200 米以内的开放环境中正常工作。相较于窄带无线技术而言,UWB 技术通过宽频段的应用使得它具备了高度可靠的通信连接,基本不受干扰影响,并且无论是在简单的还是复杂的多径环境下都能维持良好的性能

FiRa 功率谱图如下

通过精确计算位置，在UWB技术基础上实现的详细测距方法是一种更为安全可靠的锁闭与解锁机制；该方法适用于 diverse 的应用场景包括但不仅限于车门 仓库入口 会议室 和家庭门禁系统等

IEEE 802 中 UWB 的历史

UWB过去是一种应用于高数据速率通信的技术，并从而成为与Wi-Fi直接竞争对手的设备类型，在随后的时间里，该技术经历了多方面的重大转变。

UWB 已经从基于 OFDM 的数据通信演进到 IEEE 802.15.4a（2ns 脉冲宽度）规范所定义的脉冲无线电技术，并且在 IEEE 802.15.4z（在 PHY/MAC 级别）中明确加入了安全扩展功能，使其成为一种精确测距的技术。

为了使应用能够充分利用其物理环境中的空间信息资源，在数据通信向安全测距技术转移的过程中为各种应用程序提供了空间上下文功能支持。这种技术转移不仅涵盖了免提式的访问权限管理，并且实现了基于地理位置的服务实现以及双向设备间的平等交互。

以 IEEE 基金会为基础

UWB 技术起源于 IEEE 标准 802.15.4 及其后续修订版本 IEEE 802.15.4z-2020；这一修订版本旨在覆盖具备增强型超宽带（UWB）物理层（PHY）功能的低速率无线网络规范及其相关的测距技术

802.15.4 标准广泛用于各种使用测距功能的应用，例如高速 PHY (HRP) 和低速 PHY (LRP)。

通常情况下，在IEEE 802.15.4标准中规范了PHY、MAC以及层次结构中的组成部分，并且主要关注点在于低数据速率无线连接与精确测距的技术实现；从而，在不同地理区域中根据不同设备实现了相应的PHY配置。

于二〇一八年一月

FiRa联盟旨在扩展IEEE在HRP领域已有的工作基础，在这一过程中采用可互操作性的HRP标准来支持IEEE的相关活动。具体来说，这包括满足性能要求、制定统一的测试方法和程序，并依据IEEE配置文件进行认证规划。

该技术预示着我们超越了IEEE标准所设定的技术框架。这预示着我们超越了IEEE标准所设定的技术框架。这一突破不仅涵盖了应用层的功能扩展,更为后续系统的集成提供了更加灵活的解决方案。在这一过程中,系统能够识别和集成UWB设备与相关服务,并通过兼容的方式进行配置,从而实现统一管理平台的有效运行。此外,在这一过程中还涉及多项其他活动,如针对不同行业的特殊需求而制定专用的服务协议;根据各个应用程序的需求设定必要的参数设置;同时,这些参数设置涵盖了多重关键要素,包括确保物理安全访问控制的能力、基于地理位置的服务实现方案以及支持设备间相互协作的通信机制等多个方面。

UWB如何工作？

操作理念较为基础，在具备配备UWB无线电设备的情况下（例如使用智能手机、腕带或智能钥匙），当它们进入另一台UWB设备的工作区域时

利用设备之间实施飞行时间（ToF）测量来实现测距。ToF是基于应答数据包往返时间来进行计算的一种方法。

基于不同应用类型的UWB设备（如移动型或固定型），在资产追踪或设备定位的情况下，能够计算出精确的位置。

在设备运行室内导航服务的场景下，必须了解设备与固定UWB锚点之间的相对位置，并根据此信息计算其在区域地图上的具体位置。

在设备运行室内导航服务的场景下, 必须了解设备与固定UWB锚点之间的相对位置, 并根据此信息计算其在区域地图上的具体位置.

UWB 采用了超宽频谱范围（500 MHz），每个微脉冲的时间长度约为2纳秒；这种设计有助于实现厘米级精度定位。其定位过程能够在极短时间内完成，并且能够精确且实时地追踪移动设备的动态位置。

FiRa 联盟涵盖 Channel 5 至 Channel 14 的频率段范围；这一特定频道（即 Channel 9）因其拥有全球最大监管接受度而被特别指定为强制支持的渠道，在所有 FiRa Certified 设备中，默认强制支持的是该唯一渠道。

UWB定位过程图解如下：

支持 UWB 的设备了解运动和相对位置

UWB 技术提供的实时定位精度使得配备 UWB 支持系统的设备能够高度可靠地确定其精确位置，并准确识别其相对于目标物体是静止、朝向还是远离的状态。

例如，在具备UWB技术的应用系统中能够识别并判断物体运动的方向与路径信息进而实现对特定场景状态的有效感知与控制其运动轨迹从而在到达目标位置时自动调节相关机制以确保系统的稳定运行

UWB测距系统的高精度使得应用能够精准设定活动区域从而有效防止误操作。比如假如我们的住宅有车库那么配备UWB功能的家庭设备可以根据车辆靠近车库门的时间来规划操作流程这样当人们完成购物后可将车辆停放在 garage入口处或者是在合适的时候开启 garage到 kitchen 的通道从而方便携带采购物资到达厨房

还有一个就是移动物品到储物空间开启是否繁琐的问题。实际上只需要轻轻触动地面就能触发该技术实现快速定位，在多种车型中这一技术已得到应用

UWB 提供更高的安全性

今天的测距技术主要基于信号强度来确定距离和位置。为了确定距离和位置……他们测量设备的信号强度，并假定较强的信号意味着设备位于附近。然而……一些攻击者已发现了一种方法来进行欺骗性攻击……

在这种类型的攻击模式下，在该类攻击框架内，
合法无线信号被捕获并增强，
即使钥匙未在附近位置出现，
也会导致门能够顺利打开，
这些方法缺乏准确计算实际物理距离的技术手段，
而这也正是UWB技术为这类应用场景所提供的关键优势。

基于 UWB 技术，在遭受中继攻击时任何试图拦截或放大的行为都会导致响应端检测到确认信号的时间延迟

任何被成功拦截并增强的UWB信号都不会促使配备有UWB锁的设备打开 latter门锁接口；此外，IEEE 802.15.4z标准的扩展提升了相应的PHY层防护能力以应对各类已知攻击。

UWB技术比较

无线连接技术行业的规模非常庞大，在现有条件下很难全面纳入新进入者的视野。尽管蓝牙低功耗 (BLE) 和 Wi-Fi 已经得益于目前非常广泛的市场应用，但它们在定位精度方面存在明显缺陷，并且相比于超宽带（UWB），在射频级的安全性上远逊一筹。然而由于其有限的安全保障特性，在保护用于交换测距数据的通信过程时显得力有未逮。

以下是 UWB 相对于其他定位技术的主要优势：

在选择合适的测距技术时, 我们需要评估可用的无线连接方式, 并明确具体场景下的精度要求及系统的响应速度. 这些参数将直接影响我们选择的技术方案.

多种技术被广泛采用，在其各自适用范围内展现出独特的优势。特别是在精确定位领域中 standout, UWB 技术凭借其能够在视线或非视线环境中精准定位尺寸小于十厘米的各种设备和物体的能力脱颖而出. 其以200至1,000次/秒的刷新率实现精准定位.

此外，在对抗一种常见的挑战——即多径效应问题时,UWB脉冲信号表现出了色。当无线电信号通过多条路径到达接收器时,由于靠近主要信号路径的自然或人造物体引起的反射或折射现象,就会出现上述情况；值得注意的是,在抗窄带衰落能力和抗干扰能力方面表现突出的技术选择就是UWB脉冲信号的技术优势所在。

部署于不同频谱区域的UWB技术避免了与周围高密度的工业、科学及医疗（ISM）频段的重叠。具有定位和测距功能的UWB脉冲被部署于6.5至9 GHz频段内，并未对其他无线设备或技术在相同频谱范围内的正常操作构成干扰。这表明UWB技术能够在当前最广泛使用的无线通信系统中实现兼容性

该标准中的一项重要创新是将新增功能纳入其中，并特别针对传输数据包进行了扩展。该标准引入了密码学算法、随机数生成器以及其他辅助技术以增强安全性。这些新特性不仅提升了系统的安全性还能进一步提升了系统的抗干扰能力

独特的UWB信号特性组合包括易于被识别、具有抗噪声能力和反射特性的特点，并且能够与其他信号有效区分。这种特性使其成为测量距离并解决多种实际问题的最佳方案。

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