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超寬帶 (UWB) 技術憑借其卓越的定位和傳感能力，正在成為改變生活各方面連接體驗的主要元素?？傮w而言，UWB 市場動態(tài)表明許多老牌公司利用 UWB 技術設計和構(gòu)建產(chǎn)品和服務。最明顯的例子是蘋果、谷歌、三星和小米等主要手機制造商將 UWB 納入手機中，以及使用 UWB 接入汽車。
UWB 是一種商用無線技術，可提供高度精 確的定位和精細測距測量，同時還支持高級別安全性以保護訪問憑證和數(shù)據(jù)通信。
本研究文章概述了 UWB 技術，強調(diào)基于位置的服務，并提供有關基于 IEEE 技術部署標準構(gòu)建的 UWB 生態(tài)系統(tǒng)的簡要信息。討論了 UWB 用例的三個主要類別：免提訪問控制、基于位置的服務和設備到設備（點對點）應用。UWB 技術的基礎建立在 IEEE 標準的基礎上，以有效利用通信通道，并使 UWB 技術從安全角度來看更加穩(wěn)健，并且不易受到攻擊。
? 室內(nèi)定位要求
開發(fā)高效室內(nèi)定位技術需要滿足幾個條件。首先，位置讀數(shù)需要非常精 確和正確。由于該位置通常需要保密，因此必須保護該技術。即使在惡劣的環(huán)境中，它也必須可靠且易于擴展，以專注于大型場館中的數(shù)千人和資產(chǎn)。其他要求包括低功耗和經(jīng)濟性。這種技術可以嵌入到從高端（例如智能手機等復雜設備）到低端（例如資產(chǎn)標簽等簡單設備）的所有設備中。此外，該技術必須具有低延遲才能實時跟蹤對象的移動。
圖1顯示了室內(nèi)定位和定位的總體要求。
? UWB 與現(xiàn)有 WiFi 和 BLE 相比如何
在設計第 一個室內(nèi)定位系統(tǒng)時，工程師使用了可用的創(chuàng)新技術：WiFi 和低功耗藍牙 (BLE)。此類技術非常適合數(shù)據(jù)通信，但它們都不是為實時定位服務 (RTLS) 發(fā)明的。這樣的發(fā)明并不能滿足所有基于微的室內(nèi)定位需求。
WiFi、藍牙和其他窄帶無線電系統(tǒng)的精度可以達到幾米。然而，其可靠性并未達到構(gòu)建安全可信系統(tǒng)的 99.9% 標準。
由于大量電子設備的碰撞和干擾，實時報告他們的位置相當困難。因此，他們很難提供實時定位服務。例如 – BLE 在低功耗數(shù)據(jù)通信方面處于領先地位；獲得一個位置點的確認所需的測量和后處理數(shù)量可能會消耗巨大的功耗和長達數(shù)秒的延遲。
為什么 UWB 需要一個聯(lián)盟？
市場見證了 UWB 開發(fā)的重大轉(zhuǎn)變，許多老牌公司利用 UWB 技術設計和構(gòu)建產(chǎn)品和服務。然而，隨著 UWB 技術過渡到大規(guī)模使用，消費電子公司知道其成功基于可互操作、通用和互連的生態(tài)系統(tǒng)。
FiRa 聯(lián)盟為消費電子公司提供了一種解決生態(tài)系統(tǒng)和互操作性挑戰(zhàn)的方法，以實現(xiàn)未來的共同成功。
? FiRa 聯(lián)盟
FiRa 聯(lián)盟( FiRa )是一個非營利協(xié)會，支持 將超寬帶 技術用于訪問控制、基于位置的服務和設備到設備服務等用例。UWB 提供精細測距和安全功能，并在可用的 6-9 GHz 頻譜中運行。ASSA ABLOY 集團（包括安全連接和移動/CE 設備解決方案領域的領先公司 HID Global、NXP Semiconductors、三星電子和博世）宣布成立 FiRa 聯(lián)盟。 新協(xié)會旨在發(fā)展超寬帶 (UWB) 生態(tài)系統(tǒng)，以便精細測距功能的新用例能夠取得成功，最終為無縫用戶體驗樹立新標準。
FiRa 名稱“精細測距”強調(diào)了 UWB 技術提供與目標相對位置有關的精 確位置和距離的獨特能力。此外，UWB 技術在精度、功耗、射頻連接的魯棒性和安全性方面都遠遠優(yōu)于其他技術。
? 以 IEEE 基金會為基礎
IEEE 802.15 工作組 于 2020 年 6 月對 UWB 進行標準化，如下：
IEEE 802.15.4z-2020 – IEEE 低速率無線網(wǎng)絡標準 – 修正案 1：增強型超寬帶 (UWB) 物理層 (PHY) 和相關測距技術。
低速率無線網(wǎng)絡 IEEE 標準的修正案涵蓋了增強型超寬帶 (UWB) 物理層 (PHY) 和相關測距技術。各種測距功能，例如高速 PHY (HRP) 和低速 PHY (LRP)，均適用于 IEEE 802.15.4 標準。IEEE 802.15.4 標準指定了 PHY、MAC 和子層，重點關注低數(shù)據(jù)速率無線連接和精 確測距。此外，針對不同地理區(qū)域的設備，在不同的 PHY 下定義了各種免許可品牌。
FiRa 開發(fā)支持 UWB 的生態(tài)系統(tǒng)的旅程始于利用 IEEE 標準 802.15.4 和IEEE 802.15.4z 修正案。通過使用可互操作的 HRP 標準支持 IEEE 的工作，FiRa 將能夠為各種垂直行業(yè)開發(fā)特定于服務的協(xié)議，并為各種應用定義必要的參數(shù)。
為了滿足增強功能的需求，成立了 802.15.4z 任務組來定義 HRP 和 LRP 的 PHY 和 MAC 層。IEEE 802.15.4z 標準側(cè)重于額外的編碼和前導碼選項以及對現(xiàn)有調(diào)制的增強，以提高測距測量的可靠性和準確性，無線電的典型范圍可達 200 米。
FiRa 聯(lián)盟旨在以 IEEE 之前為 HRP 建立的基礎為基礎。這意味著通過可互操作的 HRP 標準支持 IEEE 的工作，該標準包含性能需求、測試方法和技術以及基于 IEEE 所描述功能的認證計劃。它還意味著定義超出 IEEE 標準范圍的機制，包括發(fā)現(xiàn) UWB 設備和服務并以可互操作的方式配置它們的應用層 。圖 2 顯示了相關 IEEE 標準的功能層。
UWB 應用程序包括 iPhone 用戶查找其AirTags，以及三星手機查找其Galaxy SmartTag+。
? 超寬帶用例
憑借精 確的測距能力，UWB在準確性和安全性方面比藍牙和WiFi具有優(yōu)勢。FiRa 聯(lián)盟為多個垂直領域開發(fā)了特定協(xié)議，并為各種應用定義了必要的參數(shù)。FiRa 聯(lián)盟最初的重點是三個主要類別的用例：免提訪問控制、基于位置的服務和設備到設備（點對點）應用程序，如圖 3 所示。
目前，IEEE 802.15.4z（PHY/MAC 級別）中規(guī)定了安全擴展，使其成為一種獨特且安全的精細測距技術。
超寬帶（或 UWB） 是一種快速、安全、低功耗的無線電技術，用于以任何其他無線技術無法比擬的精 確度確定位置。雖然與藍牙類似，但它更準確、可靠、有效 [8]。
· UWB從基于OFDM的數(shù)據(jù)通信演進為IEEE 802.15.4a（2ns脈沖寬度）規(guī)定的脈沖無線電技術；
UWB 能夠以非常高的精度安全地確定對等設備的相對位置，并且可以在長達 200 米的視線范圍內(nèi)進行操作。此外，與窄帶無線技術相比，寬帶寬意味著即使在擁塞的多路徑信號環(huán)境中，UWB 也能提供穩(wěn)定的連接，幾乎沒有干擾，并且定位準確。圖 4 描述了 NB 和 UWB 信號的差異。
如下圖所示，圖 5 比較了窄帶和超寬帶。UWB 脈沖（中圖和右圖）寬度為 2 納秒 (ns)。它使其免受反射信號（多路徑）干擾。中圖和右圖顯示反射信號（橙色）不會影響直接信號（藍色）。UWB 信號的上升沿和下降沿比窄帶信號快得多（左）。即使在噪聲和多徑效應中，UWB 信號也能保持其完整性和結(jié)構(gòu)。此外，UWB 干凈的信號邊緣可以精 確確定到達時間和距離。
超寬帶如何工作？
操作理念很簡單。一旦設備（例如智能手機、腕帶或智能鑰匙）配備了 UWB 無線電，當設備進入另一個 UWB 設備的范圍時，設備就會開始測距。該范圍是通過在設備之間執(zhí)行飛行時間 (ToF) 測量來計算的。首先，ToF 應通過計算質(zhì)詢/響應數(shù)據(jù)包的往返時間來確定。然后，根據(jù)功能的類型（例如，資產(chǎn)跟蹤、設備定位），移動或固定 UWB 設備計算設備的精 確位置。例如，假設設備運行室內(nèi)導航服務。在這種情況下，它必須知道其與固定UWB設備的相對位置并計算其在區(qū)域地圖上的位置。圖6展示了UWB的一般工作原理。
UWB 使用相當大的信道帶寬 (500 MHz)，每個脈沖約為兩 (2) ns；這有助于實現(xiàn)厘米級精度。此外，UWB 定位過程是實時發(fā)生的，可以非常準確地跟蹤設備移動。
FiRa 聯(lián)盟支持通道 5 至通道 14 范圍內(nèi)的 500 MHz 頻段。由于 Channel 9 獲得了全球最重要的監(jiān)管認可，因此它是 FiRa Certified? 設備使用的唯 一通道。
UWB 如何感知物體運動及其相對位置？
支持 UWB 的系統(tǒng)根據(jù)其準確的 UWB 測量提供設備的精 確位置，無論設備是靜止的還是靠近或遠離給定物體。UWB 測距的精 確度允許用例定義精 確的意圖范圍，以防止錯誤觸發(fā)。UWB 測距的精 確度允許用例定義精 確的意圖范圍，以防止錯誤觸發(fā)。
例如，支持 UWB 的系統(tǒng)可以感知物體是否靠近或遠離上鎖的門。UWB系統(tǒng)還可以感知用戶是在門口的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，以在用戶到達某個點時保持鎖關閉或打開
增強安全性
當今的測距技術依靠信號強度來計算距離并確定準確位置。如果 UWB 測量設備的信號強度并假定信號很強，則意味著該設備就在附近。不幸的是，攻擊者已經(jīng)找到了一種利用中繼站攻擊來欺騙這些系統(tǒng)的技術。在這種類型的攻擊中，無線信號被攔截并放大，導致鎖著的門解鎖。
這些方法所缺乏的是對實際物理距離的精 確計算，而 UWB 為應用帶來了這一點。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設備確認信號的到達，從而使基于 UWB 的鎖清楚地知道響應設備距離更遠，而不是更近。攻擊者成功攔截和增強的任何 UWB 信號都不會誘騙配備 UWB 的鎖進入開口。此外，IEEE 802.15.4z 的擴展為針對傳統(tǒng) UWB 無線電的所有已知攻擊添加了 PHY 級保護[9]。
IEEE 標準 802.15.4z HRP UWB PHY 將加擾時間戳 (STS) 字段插入數(shù)據(jù)包中。目的是通過將加密密鑰和整數(shù)隨機性添加到 PHY 數(shù)據(jù)包中，防止 ToF 相關數(shù)據(jù)被訪問或預測。它可以防止利用原始 UWB PHY 的確定性和可預測性來操縱距離讀數(shù)的各種外部攻擊。
STS 字段包含一組偽隨機二進制相移鍵控 (BPSK) 調(diào)制脈沖。加密安全的偽隨機整數(shù)生成器確保 BPSK 調(diào)制序列的偽隨機性。由于安排的偽隨機性，不存在重復模式，從而提供由接收器生成的可靠、高度準確且無對象的信道延遲估計[10]。IEEE 802.15.4z 修正案為針對傳統(tǒng) UWB 無線電的所有已知攻擊提供 PHY 級保護。從安全角度來看，它使 UWB 更加穩(wěn)健，并且更不易受到攻擊。
盡管取得了進展，但公眾的興趣還是隨著 2019 年 9 月的聲明而喚起，蘋果將在 iPhone 11 中采用專門設計的 U1 UWB 收發(fā)器來整合 UWB。很快，這樣的創(chuàng)新鼓勵了三星和小米等其他智能手機制造商紛紛效仿。此外，Qorvo或ST微電子等芯片供應商立即發(fā)現(xiàn)了通過收購DecaWave和BeSpoon進入UWB市場的市場機會。
為了避免孤立的不兼容的 UWB 實施，UWB 聯(lián)盟的成立最初的重點是幫助定義和推廣 IEEE 802.15.4z UWB 規(guī)范。這些努力為先前存在的 IEEE 標準 802.15.4a 規(guī)范（2007 年為消費電子設備的數(shù)據(jù)通信定義）增加了安全級別。此外，還創(chuàng)建了旨在增強UWB定位功能的新標準。因此，UWB聯(lián)盟廣泛推廣了IEEE 802.15.4z。
在消費者方面，Apple 的 U1 芯片現(xiàn)已嵌入 iPhone、Apple Watch、iPad 和 AirTags 等設備中。此外，蘋果還向應用程序開發(fā)者開放了U1接口，并將其同步到IEEE標準802.15.4z，使U1芯片與Qorvo和NXP收發(fā)器兼容。這種對齊使用戶位置感知應用程序能夠根據(jù)精 確確定的用戶相對位置來智能地運行。
? 三星 UWB
三星是 FiRa 聯(lián)盟的創(chuàng)始合作伙伴，FiRa 聯(lián)盟是一個會員驅(qū)動的組織，致力于利用超寬帶 (UWB) 技術的安全精細測距和定位功能來開發(fā)和提供無縫用戶體驗。FiRa 聯(lián)盟目前擁有約 70 個成員，確?？缧酒M、設備和服務基礎設施建立可互操作的 UWB 生態(tài)系統(tǒng) [12]。
UWB是消費電子公司正在致力于增強其能力以提供更廣泛應用的一項新技術。三星 是FiRa 聯(lián)盟的成員，該聯(lián)盟致力于促進 UWB 技術的采用，并提供 UWB 標準和認證計劃的更新，以保障互操作性。
三星 Galaxy 中已經(jīng)有一些令人興奮的應用程序利用了 UWB。例如，用于設備到設備文件傳輸?shù)男?/span>“附近共享”應用程序通過使用 UWB 得到了改進。通過將手機指向另一個配備 UWB 的設備，附近共享會自動在共享面板的頂部列出該設備。
三星還將 UWB 集成到其 SmartThings Find 應用程序中。使用增強現(xiàn)實 (AR) 和直觀方向，您可以精 確定位其他配備 UWB 的設備。正如三星在 2021 年 1 月的 Unpacked上宣布的那樣，新款 Galaxy SmartTag+ 將采用 UWB 功能并可附加到幾乎任何物品，因此您甚至可以跟蹤 沒有內(nèi)置連接的物品。
? 蘋果 UWB
概述
Apple 附近交互應用程序可幫助定位 iPhone 11 或更新機型、Apple Watch 和第三方配件等設備中嵌入了 U1 或超寬帶 (UWB) 芯片的設備的位置。為了進行交互，物理上接近的設備運行應用程序并共享其位置和唯 一標識它們的設備令牌。當應用程序在前臺運行時，附近交互通過報告對等方的方向和距離（以米為單位）來通知交互會話對等方的位置。
蘋果將推出一些新的 API，使附近交互與兼容的第三方硬件成為可能。Apple 附近交互的第三方硬件標準支持與 FiRa 等行業(yè)組織合作，使該 API 可與各種配件配合使用。在原型設計、實驗和構(gòu)建配件方面，Apple 一直與 NXP 和 Qorvo 等芯片組制造商合作，提供包含可與 iPhone 中的 U1 互操作的硬件和固件的開發(fā)套件 。
與 Apple U1 互操作的安全 UWB 開發(fā)套件
NXP 現(xiàn)在提供 beta UWB 開發(fā)套件，可與受支持的 Apple? 產(chǎn)品中的 U1 芯片進行互操作。使用這些開發(fā)套件來評估新的支持 UWB 的物聯(lián)網(wǎng)應用的設計。
Apple U1 超寬帶 (UWB) 分析
Apple 是第 一家在智能手機設備中提供 UWB 芯片的消費電子公司。蘋果表示，U1 芯片使 iPhone 11 能夠使用空間感知技術檢測其他 U1 設備。Apple iPhone 中的 UWB 以兩種不同的頻率進行通信 - 6.24 GHz 和 8.2368 GHz。蘋果公司于 2006 年（第 一代 iPhone 發(fā)布之前）申請了“用于飛行時間測距和網(wǎng)絡位置估計的超寬帶無線電”專利。從那時起，它在其未來的產(chǎn)品中至少申請了三項以 UWB 為中心的專利。
Apple U1 芯片嵌入在 iPhone 11 及后續(xù)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 追蹤器中。AirTag 是一款小巧而優(yōu)雅的設計配件，可讓 iPhone 用戶使用“查找我的”應用程序安全地定位和跟蹤他們的貴重物品。
AirTag 嵌入了 Apple 設計的 U1 芯片，采用超寬帶技術，方便 iPhone 11 和 iPhone 12 用戶準確定位。當丟失的 AirTag 在范圍內(nèi)時，這項創(chuàng)新技術可以更準確地確定其距離和方向。當用戶移動時，精 確定位會融合來自攝像頭、ARKit、加速計和陀螺儀的輸入。然后，它將結(jié)合聲音、觸覺和視覺反饋引導他們使用 AirTag。
本研究文章討論了超寬帶 (UWB) 技術，并對 UWB 定位技術及其應用進行了詳細和最 新的概述。此外，我們還討論了影響該技術的一些外部因素（威脅），并提供了頂 級消費電子公司采用 UWB 技術的市場前景。
室內(nèi)定位是導航系統(tǒng)中最關鍵和最苛刻的階段之一，已經(jīng)開發(fā)了不同的創(chuàng)新來提高性能。如今，UWB 通過提高工廠運營效率、改善工人保護、駕駛機器人和無人機自導航，為涵蓋消費、汽車、工業(yè)和商業(yè)市場領域的產(chǎn)品和服務帶來價值。其安全距離限制功能還可以安全、免提地進入汽車、前門、家庭和辦公室。
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