既然有了NFC和蓝牙，我们为何还要UWB？
发布时间：2024-3-29 15:02
发布者：eechina
|
来源：贸泽电子 UWB UWB（超宽带，Ultra-Wideband）是一种短距离无线通信技术，它提供比当前使用的其他定位技术更精确的读数，使用飞行时间（ToF）和到达角（AoA）计算，UWB可以实时地确定+/-10厘米范围内的位置。其主要优点包括：低延迟、高可靠性、高刷新率下具有高精度和可扩展性，即使在严苛环境下也是如此。 建立在IEEE 802.15.4a/z标准之上的UWB技术，在宽频谱上工作，允许在低功率下快速传输数据。因此，UWB可提供高度准确和精确的位置和精细测距测量，同时还支持高级别的安全性，以保护访问证书和数据通信。 在商业上，UWB有着广阔的应用前景。2019年，苹果宣布在iPhone 11中采用了其新出的U1芯片，从这款芯片开始，UWB全面开启了在消费电子产品的应用之旅。随后，UWB进入了其他一些关键技术领域。在工业4.0时代，UWB是实时定位系统（RTLS）领域中发展超级快的技术之一，其可靠性和抗干扰能力使其成为工业环境下无线通信的不二选择。在汽车应用领域，UWB确保了对汽车的安全访问权限。 UWB技术概况 诞生于20世纪60年代的UWB，初始时仅用于军事用途，它可以精确跟踪10厘米以内的物体，覆盖范围在10-200米，抗干扰能力强。与其他无线数据传输方式截然不同，UWB是一种基于脉冲图形无线电的技术，在时域中发送数据，频率范围从3.1到10.6 GHz。 
图1：超宽带UWB与其他无线数据传输技术工作频率分布图（图源：eliko.tech） 当然，脉冲方法传输数据就需要占用更多的频谱才能可靠地工作，这也是将其命名为超宽带的原因。因频谱较宽，脉冲数据可以非常快速地发送，而不会失去准确性。UWB单个频带通常为500MHz，而4G LTE频带仅为5至20MHz，Wi-Fi频带为20MHz至80MHz。通常，UWB可以达到4Mbps到675Mbps或更高的数据速率，这远比NFC的424Kbps和蓝牙的标准2.1Mbps速度快得多，但低于Wi-Fi 6的2Gbps。 不会干扰同时工作的其他无线设备（如Wi-Fi或蓝牙设备）是UWB的另一特点。为了避免相互干扰，大多数无线技术通常都会被限制在非常窄的频带内。UWB的工作电平非常低，基本上落在其他无线技术的基底噪声内，有效规避了相互干扰问题。 归纳起来，UWB代表的“超宽带”，是一个频谱很宽，很容易检测，但功率足够低，不会干扰其他信号，能够实现极其精确位置跟踪的短程无线通信技术。支持UWB的设备可以以惊人的速度在短距离内发送和接收数据。大多数情况下，这些“基于脉冲的”无线电波用于通过精确计时无线脉冲在两个不同设备之间传播所需的时间来测量位置。 进军安全测距和定位领域 如前所述，UWB并不是一项新技术，它开始时被定位为一种与Wi-Fi类似的数据传输技术，但由于各种原因，包括功率限制，在商业用途上一直没有取得成功。当该技术重新定位，主要朝着基于脉冲无线电、基于IEEE 802.15.4a标准的安全测距和定位技术发展之后，为UWB赋予了安全、可靠、厘米级精确距离和位置测量的能力。UWB的主要吸引力在于其极高的位置和方向精度，可以精确定位物体的位置，误差仅有几个厘米，大大高于蓝牙、GPS和其他跟踪方法。这一应用已经在Apple AirTag和Samsung Galaxy SmartTag Plus等联网跟踪设备中有了具体展现。 在汽车行业，宝马、奥迪、福特和现代等制造商均表示，配备UWB的设备有朝一日可能会成为一把安全的汽车数字钥匙。虽然目前已经存在各种形式的无钥匙进入技术，但UWB的采用将使车辆能够在几厘米内实时测量遥控钥匙的确切位置，与其他无线标准相比，UWB极大地提高了车辆的安全性。未来，你可以用支持UWB的设备（比如智能手机）或使用其数字钥匙平台的可穿戴设备解锁车辆，不必随身携带单独的遥控钥匙。 随着UWB技术向大规模商用过渡，企业深知UWB技术的成功必须基于可互操作、通用和互联的生态系统。成立于2019年8月的FiRa（Fine Ranging）联盟是一个非营利协会，支持在接入控制、基于位置的服务和设备到设备服务等用例中使用UWB技术，旨在全面发展UWB生态系统，以便精细测距功能的新用例能够成功。该联盟目前拥有100多名成员，其中包括半导体、手机、工业、物联网和汽车等行业的领导者，如NXP、Samsung 、小米、Oppo、Bosch、思科、Sony、HID、现代汽车等。 有了NFC和蓝牙，为何还要UWB？ 如果说我们讨论的超宽带应用听起来很熟悉，那是因为其中许多已经使用了NFC和蓝牙技术。这就引出了一个问题，既然已经有了NFC和蓝牙，为什么我们还要考虑另一种无线技术呢？什么时候UWB才是优选？ 在设计室内定位系统时，工程师们先想到或者常使用的技术往往都会是Wi-Fi和蓝牙低能耗（BLE）。这些技术对数据通信非常有用，但它们都不是为实时定位服务（RTLS）而发明的。另外，Wi-Fi、蓝牙和其他窄带无线电系统可以达到数米的精度，加之室内大量电子设备之间相互的电磁干扰，很难实时准确地检测到它们的位置。因此，这些技术并不能满足所有室内实时定位需求。 那么，什么时候UWB才是首推选择呢？ 当高速数据传输、高精度的快速位置检测和/或低干扰风险是关键要求时，就是UWB的主场了。与窄带无线技术相比，宽带意味着UWB即使在拥挤的多径信号环境中也能提供稳定的连接，几乎没有干扰还能精确定位。因此，UWB提供了比蓝牙和NFC更高的定位精度。NFC工作频率为13.56MHz，大多数情况下要求数据传输的物理距离必须非常近。UWB的传输距离介于蓝牙和NFC之间，应用更加灵活。还有，UWB在需要额外安全性的场景中也能很好地工作，例如无线车辆接入。当然，并不是说UWB可以直接取代市场上已经存在的其他无线技术。相反，UWB与BLE技术的结合更能惠及智能家居、汽车、消费类和工业等应用。对于不同的用例来说，UWB给了我们一个更好、更通用的选择。 要说UWB有什么缺点，从技术角度看，该技术的特殊之处就在于它并没有太多缺点，它节能、通用、经济高效，几乎不受外来攻击和干扰。但从应用角度看，性价比不高确实是UWB目前主要的短板。NFC和蓝牙解决方案都很便宜，尤其是对于低功率信标或无源NFC标签。两相比较，UWB不仅价格高，并且还需要工作在有源条件下。 UWB的应用前景 尽管UWB每年都被集成到更多的智能手机中，但人们手中的大多数设备仍然没有配备传输或接收UWB信号的设备，这严重阻碍了这项技术在消费者世界的潜力。虽有Apple AirTag和三星Galaxy SmartTag Plus 等设备的加持，目前UWB的采用率仍然不高。在商业应用领域，UWB的普及率远远不及蓝牙、NFC和Wi-Fi，但UWB拥有的独特技术优势仍让人们看到它在未来的应用潜力。 · 汽车安全无钥匙进入（汽车数字钥匙） 虽然这项技术尚未被整个汽车行业采用，但它的使用量每年都在增加。宝马在其一些较新的车型如iX中已经使用UWB进行无钥匙进入。将超宽带用于数字钥匙的核心优势之一是UWB可以有效防止外部攻击。 · 自动驾驶中的实时信息传递 UWB每秒可以发射10亿个脉冲，测距精度能精确到几厘米以内。自动驾驶汽车恰恰需要这种可靠且响应速度超快的传感器，以确保车辆的驾驶安全。还有什么比UWB更合适的技术能够帮助无人驾驶汽车“看到”周围的物体呢？不过，目前UWB尚未在自动驾驶汽车中得到充分利用。未来，预计UWB有望在联网车辆中被用作提供准确、实时信息的无线通信技术。 · 资产跟踪 在智能手机中，苹果和三星已经利用UWB技术分别让他们的智能手机通过AirTag和Galaxy Smart Tag+设备实现室内跟踪。其中，AirTag无线追踪器是BLE与UWB两项技术的结合，借助UWB技术，用户可以在手机上看到 AirTag 离得有多远，该往哪个方向寻找。在工业领域，我们可以用UWB技术来跟踪工厂中数量庞大的、昂贵的工具、零件和设备，确保不会丢失任何有价值的物品。 · 智能家居设备的定位及自动控 在智能家居行业UWB的应用潜力巨大。极其简单的应用可以是，通过向智能家居系统中的智能音箱发送指令寻找不知忘在家中某个角落的智能手机。又或者借助UWB使得智能家居变得更智能，例如用带有UWB的智能手机控制家居设备、当主人离家门较近时通过对UWB数字门锁进行编程使其自动解锁等。 · 体育运动中的实时跟踪 在运动项目中，UWB可以被用来跟踪场上球员的位置，以利于技术统计和裁判。甚至，UWB天线被放置在足球内部，并以每秒大约2000次的速度更新足球的位置，这些应用不仅帮助裁判做出准确判罚，还能让现场解说人员提出更具前瞻性的见解。当然，这些应用可能属于锦上添花，并不如消费和工业应用那样看起来更具商业价值。 UWB发展现状及行业展望 2019年9月，苹果宣布将在iPhone 11中引入专门设计的U1 UWB收发器。很快，这样的创新激励了三星和小米等其他智能手机制造商对UWB的研发及应用。Qorvo和STMicroelectronics等半导体厂商迅速捕捉到这一商机，他们通过收购DecaWave和BeSpoon快速进入UWB市场。 在消费电子市场，苹果公司带有UWB收发器的U1芯片已经嵌入到iPhone、AppleWatch、iPad和AirTag等设备中。利用UWB的高速传输能力，大幅提高了“隔空投送”功能的传输速度。此外，苹果还向应用程序开发人员开放了U1接口，并将其同步到IEEE802.15.4z标准。通过访问Apple’s Nearby Interaction 协议和API，开发者将能够利用UWB的空间感知来构建应用程序，这些应用程序只需靠近配备U1的iPhone或Apple Watch即可与配件通信。目前，U1芯片可与Qorvo和NXP的UWB收发器兼容。 NXP是第一家提供系统级UWB解决方案的公司，NXP Trimension产品组合中的公测版UWB开发工具，与Apple产品中的U1芯片兼容，支持开发用于iPhone和Apple Watch的新超宽带应用。这个开发工具基于Trimention SR150和SR040，这是一个专门的UWB物联网解决方案组合，依据FiRa Consortium规范，所有PHY/MAC操作都在UWB IC内处理，开发人员可快速将解决方案推向市场。 Qorvo是射频解决方案的优秀提供商，该公司于2021年6月宣布其DW3000系列产品与苹果公司的iPhone和Apple Watch中使用的U1芯片达成互操作性。这种兼容性将使开发人员能够根据与配备U1的iPhone或Apple Watch的位置、距离和方向轻松评估新的应用体验。DW3000是Qorvo的下一代超宽带（UWB）芯片组系列，有四个UWB芯片组系列DW3110、DW3120、DW3210、DW3220，针对低功耗电池操作应用进行了优化。通过UWB信道5（6.5 GHz）和信道9（8 GHz），支持数据速率高达6.8 Mbps，同时提供精确定位，测距精度在10厘米以内，角度测量精度在+/-5度以内。 
图2：Qorvo下一代超宽带芯片组DW3000（图源：Mouser） 在汽车行业，传统的遥控钥匙允许用户锁定和解锁汽车、打开车窗或启动发动机。现在，这些功能可全部由数字钥匙（Digital Key）提供。除此之外，符合汽车互联互通联盟（CCC）规范的数字钥匙还可以扩展额外的舒适功能，实现对汽车访问权限的完全控制。例如，无论物理距离如何，CCC数字钥匙允许用户在家人和朋友之间共享访问权限，这个访问权限可以在瞬间和任何时间内传输。随着CCC数字钥匙3.0版规范的面世，智能手机变成全数字汽车钥匙的标准已经确定。Digital Key 3.0版本基于UWB独特的定位功能，提供真正的无钥匙汽车接入，它不仅提供了与传统的基于遥控钥匙的解决方案相同的舒适性和安全性，而且在操作上无需与智能手机进行交互，这意味着用户不必从口袋里掏出手机就可以打开应用，从而实现真正的免提访问。 2023年3月，三星推出的配备UWB功能的Exynos Connect U100芯片，经过优化，可在汽车、移动和物联网设备之间实现安全测距和精确感测。三星U100芯片将闪存、射频、基带和电源管理技术集成在一个芯片上，非常适用于紧凑型设备，如Galaxy SmartTag+。该芯片还具有板载加扰时间戳序列（STS）功能，这是一种物理加密技术，允许对数据包的时间戳进行设备级加密。三星Exynos Connect U100已获得FiRa联盟的认证，同时符合CCC数字钥匙3.0规范。 
图3：配备UWB功能的Exynos Connect U100芯片（图源：Samsung） NXP NCJ29D5是NXP新一代UWB IC系列的第一款产品，专用于满足汽车的连接和功能安全需求。它实现了多个引人注目的新用例，包括：UWB IC使汽车能够知道用户的确切位置；当你靠近时，汽车上的超宽带门锁会自动解锁，提供安全的免提开启功能；当用户将手机放在口袋或包中，同样能够打开和启动汽车，并通过智能手机享受安全的远程泊车服务。此外，ToF计算使得UWB不易受到基于信号放大的中继攻击，因此这款UWB IC可以很大限度地避免了盗车风险。 
图4：NXP NCJ29D5评估板（图源：NXP） 在面向物联网标签的安全超宽带解决方案中，NXP Trimension SR150和SR040是首个取得FiRa认证的UWB芯片集。2021年10月，FiRa联盟宣布了新的认证计划，Trimension SR150和SR040是第一个获得PHY/MAC一致性和互操作性基础（Base）认证的芯片组。FiRa认证意味着NXP超宽带芯片组已经过独立授权测试实验室的验证，符合新版本的IEEE UWB标准802.15.4z。其中，Trimension SR040支持低功耗操作，减少了对外部组件的需求，专为纽扣电池供电的物联网设备而设计，如UWB跟踪器和标签。内置的NXP FiRa MAC支持互操作性，加快了产品上市速度。Trimension SR040还可以与BLE或其他连接控制器集成在一个设备中，以利于开发出更多的物联网应用。Trimension SR150主要增加了到达角（AoA）技术，提高了精确度，非常适合各种大型基础设施的UWB应用，如门禁装置、室内本地化设置和支付方案，以及消费品如电视和游戏机等。另外，多个采用SR150的设备可放置在同一个房间作为超宽带锚，以帮助定位在房间内移动的人和物体。 
图5：第一个获得FiRa联盟PHY/MAC一致性和互操作性基础认证的SR040芯片（图源：NXP） UWB技术出现在商业市场上已经有几年的时间，不过，它的应用远未达到Wi-Fi或蓝牙那么普遍，目前只在市场上一些较昂贵的设备上能够见到它的身影。究其原因，我们发现，尽管UWB每年都被集成到更多的智能手机中，但人们手中的大多数设备仍然没有配备传输或接收UWB信号的设备，严重阻碍了这项技术在消费行业的发展速度。随着UWB技术逐步进入车辆和跟踪市场，预计这种情况很快就会发生变化。市场咨询公司Statista的数据表明，2022年，基于UWB技术的全球乘用车接入控制市场规模约为5,650万美元，成为整个市场中主要的细分市场。预计该市场将在未来几年增长，到2031年将达到2.304亿美元。 当前，UWB市场正面临来自蓝牙、GPS和Wi-Fi等替代产品的激烈竞争。虽然UWB在许多方面优于蓝牙和Wi-Fi，如高安全性、低功耗、高带宽、双向通信等，使其在许多应用中都能获得好评，然而，UWB因行业使用量不高导致它的产品价格较高，市场推广仍然艰难。 结语 超宽带是一种无线技术，能够提供比其他无线技术更准确的实时跟踪和定位能力。内置超宽带芯片的智能手机可以找到带有UWB标签的钱包、钥匙和其他个人物品。 著名的分析机构Mordor Intelligence的预测显示，UWB市场规模预计将从2023年的15.5亿美元增长到2028年的34.5亿美元，复合年增长率为17.37%。智能手机等消费电子设备的日益普及和渗透推动了该市场的增长。此外，由于UWB技术比Wi-Fi和RFID的测距和定位精度更高，工业物联网（IIoT）中对RTLS有需求的应用已经开始从Wi-Fi和RFID转向UWB技术，以提高效率、缩短交付周期并降低成本，这也是UWB市场增长的一个重要原因。 智能手机被认为是出货量极大的消费类产品，尽管并非所有智能手机都具有UWB技术，但自2019年9月iPhone 11问世以来，包括谷歌、三星和小米在内的许多公司都发布了采用UWB技术的产品。在物联网中，AirTag、AirPod和智能家居市场中的设备都被考虑在内。 这些只是已经出现的用例，考虑到无线智能设备的普遍性，UWB的优势又如此明显，预计在未来几年我们将听到更多关于UWB技术广泛应用的消息。 |
网友评论