發布時間：2024-01-15 已被瀏覽 613 次
UWB是Ultra-Wide Band的縮寫，意思是超寬帶。UWB無線通信是使用超寬帶的頻率帶寬的無線通信，其主要特征是能夠實現高精度定位。近年來，已普及至智能手機防丟失、高階汽車智能鑰匙等民用設備。預計未來將在多個領域普及。
UWB無線通信技術有哪些獨特優勢？技術發展歷史如何？有什么主要用途呢？
UWB無線通信的特征
IEEE802.15.4z是UWB無線通信的代表性標準，其中有使用Impulse Radio的方式，Impulse Radio使用持續時間短的脈沖信號。該標準的主要特征如下：
高精度測距和定位
安全性高
對其他通信干擾弱
低功耗
UWB無線通信如何展現這些特征?
UWB無線脈沖方式的波形
在UWB無線通信中，如圖1所示，將寬度為2ns（納秒，10-9秒）左右的脈沖作為數據進行傳輸。這種短持續時間脈沖具有能進行高分辨率的測距和定位的特性。
另一方面，時域中的脈沖寬度小意味著頻域中的功率譜占據很寬的頻帶（通信中的時域和頻域將在后文解說）。
圖2定性地顯示了該頻域中UWB無線通信的傳輸功率（功率譜密度）。例如，如果同第2代手機和Wi-Fi以及第3代手機等傳統通信所使用的頻率帶寬相比較，可以看到UWB無線通信的頻率帶要寬得多。
UWB無線通信方式與其他通信方式的功率譜密度帶寬定性比較
此外，UWB無線通信的傳輸功率峰值不僅低于其他通信方式，而且其設定值低于FCC（Federal Communication Commission：美國聯邦通信委員會）*1規定的無線電波輻射數字設備的噪聲水平規定值-輻射電磁噪聲規定值?41.3dBm/MHz*2(75nW/MHz)。
由于UWB無線通信具有以上所述的使用頻率帶寬、傳輸功率等級低于噪聲等級的通信特性，因此對其他通信的干擾較弱，且通信本身不為第三方所知，所以其安全性高，而且，還具有能進行低功耗通信的特點。
*1 FCC（Federal Communication Commission：美國聯邦通信委員會）：在美國參與管理和監管美國全部通信（無論是無線還是有線）的政府機構。
*2 dBm/MHz：每1MHz頻率寬度的功率等級（功率譜密度）。dBm是將功率轉換為常用對數時的單位。在通信領域中，需要處理的數值范圍很廣，直接處理很不方便。所以通常使用對數表示來縮小其范圍。
UWB技術的歷史和法規
自1960年代以來，UWB技術在美國主要作為軍用雷達進行研究。直到1994年左右，它還是一種被視為軍事機密的通信技術。從1998年左右開始，美國FCC開始考慮將UWB用于民用，并于2002年獲得批準，此后，UWB芯片套件等的研究不斷向前推進。
到2019年之后，UWB才廣為公眾所知。引發這一現象的是配備UWB模塊的智能手機的問世。由此，在過去未將UWB用于民用目的的國家，使用許可也取得了進展。
UWB技術就是這樣發展起來的，如果特別關注頻率帶寬規定的話，會發現FCC分配的UWB無線電頻率帶寬是3.1GHz-10.6GHz之間的7.5GHz。另一方面，歐盟、歐亞大陸、東亞、大洋洲等國家和地區分配的帶寬與此略有不同，其規定是在室內和室外主要能使用6.0GHz-9.0GHz左右的帶寬。
然而，目前大多數UWB模塊遵守的是IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers：電氣與電子工程師協會）*3在 2007年采用的短距離無線標準IEEE802.15.4a中指定UWB優先使用通道號9（中心頻率：7987.2MHz，頻率帶寬：499.2MHz）的規格。
*3 IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers：電氣與電子工程師協會）：世界上最大的電氣領域學術研究組織。也是該領域的技術標準化組織。
UWB無線通信的用途
民用UWB無線通信設備和服務
- 防范丟失
通過在物品上貼上UWB標簽，可以防范其丟失。例如，將UWB標簽貼在包、錢包、鑰匙等上面，使用配備有UWB模塊的智能手機，可以以cm級精度定位UWB標簽的位置，并找到這些物品。此外，雖然UWB標簽的電池是紐扣電池，但由于功耗低，所以被認為可以使用1年左右。
自2019年以來，UWB模塊不僅越來越多地配備在智能手機中，而且還配備在平板電腦、智能手表和智能音箱等民用設備中。今后，隨著使用UWB無線通信的各式產品和服務的出現，預計將成長為一個大規模的市場。
- 安全地入退館和入退室
通過使用配備UWB模塊的智能手機，可以構建不用手且安全地入退館和入退室的系統。
利用UWB的高精度測距和高安全性的特征，可以在迄今為止使用密碼、物理鑰匙、IC卡等的公寓等住宅以及處理機密信息的辦公室和工廠等處不需要取出鑰匙以及IC卡，將智能手機等放在口袋或包里即可安全地解鎖入口。能夠順利入退館和入退室的應用程序有望得到普及。
- 免提支付和計費
通過使用配備UWB模塊的智能手機，可以在超市、便利店、餐館等商業設施構建不用手且安全的支付系統，此外，還能在車站檢票口、娛樂設施、住宿設施、停車場等處構建計費系統。
利用UWB的高精度測距和高安全性的特征，不需要拿出錢包、IC卡、智能手機等即可不用手、順利地進行支付和計費的應用程序有望得到實用化和普及。
汽車用UWB無線通信設備及應用
智能鑰匙
作為利用UWB無線的高精度測距和定位的用途之一的是汽車智能鑰匙。例如，可以配備以下操作功能：通過在汽車附近使用UWB進行無線通信在約1m以內判斷車主并解鎖，或者在車主位于數十厘米以內時啟動發動機。
此外，由于UWB無線的傳輸功率很低，是一種具有高度保密性的通信，因此可以防范中繼攻擊（第三方中繼傳統無線鑰匙持續輸出的電波并解鎖的盜竊手段）等，強化安全性。
- 車載網絡的無線化
如今，配備各式各樣的傳感器、雷達、AI系統等并讓它們相互合作的汽車IoT化不斷發展，作為CAN（Controller Area Network）等車載網絡使用的線束（由電線和連接端子組成的車載部件）據說在某些車型上的總長度已達到10km，總重量已達到50kg。作為聯網汽車也在并行發展，在這種情況下，與其他通信之間的干擾較弱的UWB無線技術被認為在實現車載網絡無線化中非常有效。
工業用UWB無線通信設備和系統
工廠、倉庫等的實時定位系統
使用多個UWB錨點和UWB標簽*4，可以構建高精度、實時掌握放置在工廠和物流現場等處的部件和包裹等的位置的系統-實時定位系統（RTLS：Real Time Location System）。
*4 在使用UWB無線通信進行定位時，標簽發出的信號被多個錨點接收，并能通過對信息進行處理來準確確定標簽的位置（參見專欄）。工業UWB錨點通常與定位引擎、應用服務器等結合使用。
UWB中的定位方法
作為使用UWB無線通信的定位方法，代表性的方法是將配備UWB功能的智能手機等終端或工業用UWB 錨點、通過UWB標簽之間的ToF（Time of Flight）進行的測距以及通過AoA（Angle of Arrival）進行的測量角度進行組合。
以下，我們對每種方法分別進行解說。
通過ToF進行的測距
通過使用UWB無線通信的ToF（Time of Flight）技術進行測距的原理是：通過測量從消息（信號）發送到接收的時間來計算到物體的距離。具體而言就是UWB發射器發送短脈沖信號，接收器接收該信號。從發送到接收所需的時間稱為ToF。
使用ToF技術的UWB測距可以根據電磁波的速度（光速）和所需的時間來計算距離。具體而言就是用所需時間和光速的乘積求出距離。可以通過UWB的超寬帶特性利用短脈沖信號，因此，可以獲得很高的時間分辨率和測量精度。由此，在傳感和定位應用中可有望得高精度的測量結果，因此已被應用于各式各樣的領域。
UWB測距技術主要有2種手法：SS-TWR（Single-Sided Two-Way Ranging）和DS-TWR（Double-Sided Two-Way Ranging）。這些手法采用不同的方法通過信號往返進行距離測量。
- SS-TWR：
SS-TWR（Single-Sided Two-Way Ranging）是一種僅由一方的設備測量往返時間的方法。在這種手法中，設備A向設備B發送信號，設備B收到該信號后，向設備A發送回復信號。設備A測量從發送到接收所花費的時間并計算往返時間。此方法僅使用設備A就能進行測量，但需要兩個設備的時鐘同步。
- DS-TWR：
DS-TWR（Double-Sided Two-Way Ranging）是一種用兩臺設備測量往返時間并共享結果的方法。在這種手法中，設備A向設備B發送信號，設備B收到該信號后，向設備A發送回復信號。設備 A和設備B分別測量各自從發送到接收所需要的時間，并使用這些結果計算往返時間。這種方法不需要時鐘同步，因此測量更容易，精度更高。
通過AoA進行的角度測量
AoA(Angle of Arrival)是一種計算從設備A看到的設備B放置方向的角度的方法。如圖4所示，UWB無線中通過AoA進行的角度測量的原理是：設備B發射的電波被設備A的多根天線接收，并且根據接收的電波的相位差計算角度。使用這種方法，能通過用2根天線進行的角度測量（2D AoA）進行平面定位，以及通過用3根天線進行的角度測量（3D AoA）進行三維定位。
UWB無線中的AoA（2D AoA）
