1960年代，人們首次開發出UWB，將其用于雷達應用。后來，該技術經過調整，用作正交頻分復用（OFDM）技術，并在IEEE.15.3中標準化為速度高達480 Mbps的超高數據速率傳輸技術。在這個容量方面，該技術與WiFi直接競爭，但WiFi很快使其數據傳輸功能相形見絀，使得UWB在數據傳輸用例中退居二線。

基于脈沖無線電技術，UWB的下一個角色則成功得多。如IEEE 802.15.4a中指定的，它使用2ns脈沖來測量飛行時間和到達角的值。 不久后，其安全功能通過IEEE 802.15.4z中指定的擴展得到增強（在PHY/RF級別），這使其成為獨特的安全精密測距和感應技術。

使用智能手機作為智能鑰匙來進入和啟動汽車的想法極具吸引力，因此，汽車和智能手機行業的領先企業紛紛積極參與，在802.15.4z標準中定義安全機制。UWB為何能夠以如此高的精度處理這么重要的用例？讓我們來探索一下該技術的背景和環境。

什么使UWB成為與眾不同？

與大多數無線技術不同，超寬帶(UWB)通過脈沖無線電工作。它在寬頻帶上使用一系列脈沖，因此有時也被稱為IR-UWB或脈沖無線電UWB。相比之下：衛星、Wi-Fi和藍牙在窄頻帶上使用調制正弦波來傳輸信息。

UWB脈沖具有多個重要特點。首先，它們陡而窄，看起來像尖峰一樣，即使是在嘈雜的通道環境中，也很容易識別。此外，與WiFi或BLE等其他技術相比，對于ToF測距，UWB脈沖更適合密集多徑環境。由于主信號路徑旁的對象會引起反射或中斷，通過多個路徑到達接收器的無線電信號在IR-UWB系統里很容易與主信號區分開來。但這件事在窄帶系統里卻非常耗時和困難。

UWB在無線電頻譜的其他部分工作，遠離聚集在2.4 GHz周圍的繁忙ISM頻段。用于定位和測距的UWB脈沖在6.5和8 GHz之間的頻率范圍內工作，不會干擾頻譜其他頻段發生的無線傳輸。這意味著UWB能夠與現在最流行的無線形式共存，包括衛星導航、Wi-Fi和藍牙。

在典型功率級工作時，距離最長可達10米左右。但如果使用較高功率脈沖，UWB的距離甚至可達200米。UWB通信還可以傳輸數據，其中UWB數據包的有效載荷部分以大約7 Mbps的速率發送數據，并且可以繼續加速，最高可達32 Mbps。

現在，UWB使用調制脈沖序列，持續時間為2ns，非常短。脈沖間距可以相同，也可以不同。脈沖重復頻率(PRF)從每秒數十萬脈沖到每秒數十億脈沖不等。通常支持的PRF是62.4 MHz和/或124.8 MHz，分別稱為PRF64和PRF128。UWB的調制技術包括脈沖位置調制和二進制相移鍵控。

定義脈沖重復頻率

脈沖發射器在開與關之間切換，以特定速率（PRT或PRF）提供峰值功率(Ppeak)。

最大距離與發射器輸出功率直接相關。系統發射的能量越多，目標檢測距離將越大。

飛行時間（ToF）的計算

在科學和軍事應用中，確定兩點（或兩個設備）間水平距離的過程被稱為測距。飛行時間（ToF）是測距的一種形式，使用信號行程時間來計算距離。圖2提供了ToF計算在配備UWB的兩臺設備中如何工作的基本描述。

圖2：UWB的飛行時間計算，其中設備1是控制器，設備2是受控器（來源：恩智浦）

為了計算飛行時間(ToF)，我們測量信號從到達點傳輸到B點所花費的時間。我們選取消息往返時間的往返讀數，這包括設備2中的處理時間。然后減去處理時間，再除以2，便可得出ToF。為了確定在傳輸過程中覆蓋了多少地面，將ToF乘以光速即可。

由于UWB的高帶寬（500 MHz），脈沖寬度為納秒級，這提高了精度。與使用窄帶收發器的WiFi和BLE不同，ToF和測距的精度限于約+/-1m至+/-5m，而UWB可精確到+/-10cm以內。

由于UWB信號明顯不同且易于讀取，即便在多通道環境中也是如此，因此當脈沖離開和到達時，信號更容易識別，且高度確定。UWB能夠以超高的傳輸速率準確跟蹤脈沖——在短突發時間內發送大量脈沖——因此即使距離非常短，也可以進行細粒度ToF計算。

調制正弦波在使用Wi-Fi或藍牙確定位置時會出現，其多通道分量只能以復雜的方式分離。這也就是Wi-Fi和藍牙為何努力提供精度低于1米的準確測量值的部分原因。

圖3對UWB ToF計算與Wi-Fi和藍牙的ToF計算進行了比較。

圖3：通過Wi-Fi和BLE與通過UWB進行的ToF測距（來源：恩智浦）

可選的到達角（AoA）計算

請務必注意，ToF計算確定的是徑向距離，而不是方向。也就是說，ToF計算告訴設備1其與設備2之間的距離，但不告訴設備2的方向——前、后、左、右、東、南、西還是北。所以ToF圖是一個圓圈：如果ToF計算表明設備2與設備1之間的距離為15 cm，則以設備1為圓心，用卷尺在每個方向測量15 cm，以此方式形成一個圓圈，設備2可以在該圓圈中的任意位置。若要通過第二次測量的方式，使用兩個距離圓圈的交集來確定位置，則需要額外的設備。

因此，要完善UWB技術的討論，我們應該考慮另一個方面，也就是當前非汽車應用的一個重要因素：到達角(AoA)。到達角可幫助確定設備2在該圓圈中的哪個位置。為了計算AoA，設備1需要配備一組小心放置的專用天線，這組天線僅用于AoA測量。并非所有UWB解決方案都包含額外天線，但包含額外天線的UWB能夠精確到幾厘米以內（圖4）。

圖4：ToF測距與AoA生成高準確度（來源：恩智浦）

AoA計算是單獨進行的，與ToF計算不同，但二者具有相似性：它們都以脈沖定時開始。在AoA陣列中的每個天線，接收到的每個信號的到達時間與相位存在微小但可辨別的差異。記錄每個信號的到達時間與相位，然后用于類似三角測量的幾何計算中，從而確定信號來自哪里。

圖5中左圖以設備1上的兩個AoA天線Rx1和Rx2為例。與Rx2相比，從設備2發出的信號需要更長時間才能到達Rx1，這表示Rx1、Rx2和信號原點組成的三角形向右傾斜，指示信號來自設備1的東北方向。

與Rx2相比，從設備2傳輸到設備1的信號需要更長時間才能到達Rx1。圖5中右圖顯示的AoA計算使用到達時間和天線間距來確定每個傳入信號的角度，并繪制由Rx1、Rx2和設備2組成的三角形。在本例中，該三角形中Rx1的邊較長，并指向右邊，這表示設備2在設備1的右邊。

圖5

圖5（左）：設備1上兩個AoA天線Rx1和Rx2的示例；

圖5（右）：AoA計算使用到達時間和天線間距來確定每個傳入信號的角度（來源：恩智浦）

UWB如何管理安全性？

UWB中增添的其中一個重要特性是物理層（PHY）中用于收發數據包的額外部分，這作為即將推出的802.15.4z規范的一部分進行定義。該新特性以恩智浦開發和推薦的一項技術為基礎，稱為擾頻時間戳序列（STS）。新特性增添了加密、隨機數生成和其他技術，使得外部攻擊者更難訪問或操控UWB通信。

保護ToF計算

飛行時間計算很容易受到距離操控的影響。如果您可以干擾時間戳或計算的其他方面，就可以使您看起來比實際更近。在特定應用中，如安全訪問，這會欺騙系統認為授權用戶在旁邊（但實際上并沒有）并觸發開鎖（其實不應開鎖），這是個嚴重的問題。

針對測距的原始UWB標準802.15.4a已發布十多年，對安全性的重視已經跟不上現在的發展。在測試4a標準時，研究人員發現，外部攻擊者能夠以超過99%的概率將測量的距離減少多達140米。對這一特定漏洞的擔憂促使人們開始修訂4z標準。

具體想法是，通過為PHY數據包添加加密密鑰和數字隨機性，阻止ToF相關數據可訪問或可預測。這有助于抵御使用原始UWB PHY的確定性和可預測性質來操控距離讀數的各種外部攻擊，包括Cicada工具、Preamble注入和早檢測/晚連接(EDLC)攻擊。更新后的方法能夠提供盡可能最好的保護，避免遭到以操控距離測量值為目標的暴力攻擊。

作者：恩智浦UWB解決方案產品管理總監Rias Al-Kadi和恩智浦汽車UWB產品營銷經理Christoph Zorn博士