关于UWB技术

1、UWB简介

超宽带（Ultra Wideband，简称UWB）技术，是一种无线通信技术，与传统的窄带通信技术相比，UWB技术的带宽非常宽，相应数据传输速率高，同时具有良好的抗干扰和穿透能力。

UWB技术最初是由美国国防部研究局（DARPA）于20世纪60年代开发，主要用于雷达系统和军事通信领域。UWB技术的特点是信号带宽极宽，信号的时域和频域特性非常复杂，可以通过这种信号实现高分辨率的目标探测和跟踪。

在1990年代，UWB技术开始进入商用领域，主要用于雷达成像、无线通信和测距等应用。

2002年，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission, FCC）发布了UWB技术的规定，允许在特定频段内使用UWB技术进行短距离通信和定位应用。根据FCC的定义，中心频率$f_c$大于2.5GHz的UWB系统必须具有大于500MHz的带宽。

超宽带凭借其传输速率高、成本低、低功耗、抗干扰能力强等优点，日益受到关注。现已在工业、医疗、汽车、物联网等多个领域得到了广泛的应用。在工业领域，在国内主要包括如四相科技等企业，基于UWB技术实现了厘米级的室内高精度定位服务，助力工业4.0的发展。

2019年，UWB技术开始被苹果公司应用于其新款iPhone手机中，实现AirDrop空间感知功能，这标志着UWB技术进入了智能手机等大众消费电子市场。随后陆续在Apple Watch，AirTag设备中都引入了UWB技术，将UWB技术带入了大众的视野。

随即，三星、小米等手机厂商都在其产品中引入了UWB技术，以实现设备之间更精准的定位以及共享，实现与其他智能设备之间的无缝连接。

未来，随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，UWB技术将在更多领域发挥重要作用。

2、UWB的相关国际规定

基于UWB信号具有独特的特性，对通信、测距和雷达应用都非常有用。然而，由于UWB信号在频谱中占据了很大一部分，因此在使用时，需要考虑如何与现有系统共存而不造成明显干扰。如果允许UWB信号在这些系统的频率范围内不受限制地传输，常见的一些系统都可能会被UWB信号的发射所干扰。因此，UWB发射机必须满足某些要求，以免对其他系统的功能造成任何不利影响。

基于此原因，在国际上对于UWB的应用也推出了相关的规定，进而能够保证UWB系统的日常生活中得到应用和普及。

2.1 FCC规定

FCC中规定，UWB系统必须在一定功率水平以下传输，以免对同一频谱中的其他系统造成严重干扰。具体而言，对于3.1 GHz至10.6 GHz的频率范围，功率谱密度不得超过-41.3 dBm/MHz，且在该判断以外必须更低。

此外，根据具体应用领域的不同，各种系统在某些频段中必须具有更低的限制。其中对于通信、车载雷达和成像系统这三个领域的限制如下：

通信系统

对于通信系统，室内和室外系统规定的 FCC 限值略有不同。

具体而言，室外系统在 1.61 至 3.1 GHz 频段的发射与室内系统相比应额外衰减 10 dB。室内系统的UWB设备不允许在室外使用，或将其辐射指向室外。只允许点对点通信；即每个发送器只能发送到相关联的接收器。室内UWB系统具有许多潜在的应用，例如高速无线个域网(WPAN)和无线 USB (wUSB)。

对于室外系统，FCC 要求 UWB 设备在没有固定基础设施的情况下运行，并且仅与其关联的接收器通信。室外UWB通信的应用包括物体定位和跟踪，利用了UWB信号的精确测距能力。

车载雷达系统

车载雷达系统在频域的要求，对于在 22 和 29 GHz 之间在-41.3 dBm/MHz限制下运行。

此外，此类系统的中心频率要求高于24.075 GHz，如果仰角大于地平线30°，则23.6-24 GHz频段需要额外衰减25 dB，这需要防止对在低地球轨道卫星上运行的无源传感系统的任何干扰。最后，车载雷达系统只能在车辆运行时运行；也就是说，只能在发动机运转时启动。

从当前实际的情况而言，对于车载雷达系统，更多已经切换到毫米波雷达系统，频率也更高，常见77 GHz/ 79 GHz，整体探测距离可以在几十米到几百米之间，能够在恶劣天气条件下进行精确探测，用于车辆自动驾驶系统中的障碍物检测、辅助驾驶等功能。

对于欧洲电信标准化协会（ETSI）和美国联邦通信委员会（FCC）对24GHz频率中UWB频段的限制，2022年1月1日以后，UWB频段将无法在欧洲和美国使用，只有窄带ISM频段可以长期使用。

在国内，目前工信部授权频段为76-77 GHz，在角雷达领域77-81 GHz也进行了授权。

成像系统

在成像系统应用中，可以分为探地雷达 (GPR)、墙壁成像、医学成像、穿墙成像和监视系统。表 2.1 总结了这些系统的 FCC 发射限制。

FCC 要求必须协调各种成像系统（GPR、成像和医疗）的操作，并且必须报告操作的日期和位置。此外，使用表 2.1 中所述的成像系统需要许可，每个系统的使用仅限于某些组织。例如，监视系统只能由公共安全、制造、石油和电力许可证持有者操作。尽管 FCC 的发射限制因各种类型的 UWB 系统而异，但还有许多其他 FCC 法规对所有 UWB 系统都是通用的。

• 发射最高功率的频率必须在−10 dB 绝对信号带宽内。

• 附近50 MHz 带宽内的峰值发射不得超过0 dBm EIRP。

• 0.96 GHz 以下的发射受FCC的−41.3 dBm/MHz 限制。

• 不允许在飞机、轮船或卫星上操作。

2.2 其他监管

UWB 于2002年在美国获得 FCC 授权后，欧洲和亚洲的监管工作一直在进行，以在某些限制下批准使用 UWB 设备。对于兼容性问题，在全球范围内制定相同的法规将是有益的。但是，发射功率限值在世界不同地区存在一些差异。因此，UWB 设备应具有足够的灵活性以在全球范围内运行，或者根据最坏情况进行设计。

以下为欧洲和日本的监管情况。日本和欧洲都允许使用 UWB 系统，尽管预计在不久的将来会对最初的规定进行修改。

欧洲

在欧洲，欧洲邮政和电信管理委员会（CEPT）的电子通信委员会（ECC）对UWB法规进行了技术研究。 ECC的研究和建议得到了欧盟委员会 (EC) 无线电频谱委员会 (RSC) 的考虑，该委员会最终决定（在 2007 年初）在成员国中有效的 UWB 法规。

UWB 系统可以在 6–8.5 GHz 频段上以 −41.3 dBm/MHz 的速度传输。该限制在 2010 年底前也适用于 4.2–4.8 GHz 频段。从 2011 年开始，该频段的 EIRP 将被限制在 −70 dBm/MHz。请注意，美国的 FCC 在 3.1–10.6 GHz 的更宽频带上允许 EIRP 为 −41.3 dBm/MHz，限制更加严格。

UWB系统在欧洲需要符合特定的通信标准，例如ETSI EN 302 065和ETSI EN 302 065-2等。

在欧洲销售和使用UWB设备需要进行认证，以确保设备符合欧洲规定的技术标准和要求，认证机构包括欧洲电信标准化协会（ETSI）等。

日本

在日本，总务省 (MIC) 于 2006 年 3 月批准了室内 UWB 设备的规定。然而，这些初始规定将来可能会被修改和扩展。具体而言，其正在研究在室外和汽车内部使用的UWB设备。

日本目前的法规规定了两个可用频段 3.4–4.8 GHz 和 7.25–10.25 GHz 用于 UWB 操作，其中可以发射 −41.3 dBm EIRP（在 1 MHz 上测量）。对于第一个频段，需要采用干扰抑制技术，否则平均功率必须降至 −70 dBm。此外，两个频段在50 MHz上测得的峰值功率不得超过 0 dBm EIRP。

对于在日本销售和使用UWB设备需要进行认证，以确保设备符合日本规定的基数标准和要求。认证机构包括日本电波协会（ARIB）和电波法认证机构（MIC）等。

3、现有UWB标准及国际联盟

3.1 IEEE 802.15.4

3.1.1 IEEE 802.15.4a

IEEE 802.15.4a标准于2007年发布，该标准中使用了UWB技术，主要为BPRF技术，有效平均PRF（Pulse Repeatition Frequency，脉冲重复频率）值有3.9 MHz、15.6 MHz或62.4 MHz，支持数据率110 kbps、850 kbps、6.8 Mbps。

IEEE 802.15.4a是第一个针对测距和定位的物理层国际标准，提供了高精度测距和定位的能力。

标准规定了两种信号格式：基于脉冲无线电UWB（IR-UWB）和chirp 扩频技术（CSS）。目前市面上使用较多的UWB集成芯片方案，如DW1000/3000，NXP SR040/SR150等均采用IR-UWB方案。

3.1.2 IEEE 802.15.4z

2018年1月，为了响应更高的应用需求，802.15.4z工作组成立，以定义HRP和LRP的PHY与MAC层。IEEE 802.15.4z专注于附加的编码和前导码选项，以及对现有调制的改进以提高测距的完整性和准确性。

IEEE 802.15.4z标准于2020年修订，对UWB技术进行了一定的修订，在PHY层做出了一些改动，支持两种PRF模式：BPRF、HPRF。

• BPRF（base pulse repetition frequency），平均PRF为62.4 MHz，支持数据率为6.81 Mbps。
• HPRF（Higher pulse repetition frequency）,平均PRF为124.8 MHz或249.6MHz。

另外，在IEEE 802.15.4z中另外引入的一个关键特性为加扰时间戳序列（Scrambled Timestamp Sequence, STS），增强了数据的完整性，进一步提高了UWB技术在应用的安全性。通过STS安全机制，可以防止恶意设备通过注入信号能量进行不同形式的攻击，进而使测距接收端避免误读相关测距节点之间的距离信息、导致距离信息错误的情况。

3.2 FiRa联盟

FiRa联盟成立于2019年，旨在推广UWB技术的标准化和商业化应用，为成员企业之间提供技术支持、市场推广和合作机会。同时，积极参与和推动UWB技术标准制定和相关政策的制定，推动UWB技术在全球范围内的发展。

Fira联盟的成员包括了来自各个领域的公司，如半导体制造商、无线通信技术公司、地理定位服务提供商、汽车制造商等。这些成员公司共同致力于推动UWB技术在不同领域的应用，包括室内定位、智能家居、智能建筑、智能制造、车联网等方面。

FiRa联盟旨在现有标准（IEEE 802.15.4a/z）的基础之上来进一步推广和支持IEEE的工作。

• MAC层与PHY层
  性能要求，测试方法和程序，以及基于IEEE特性的认证程序。
• 应用层
  定义超过IEEE标准范围的机制，如发现UWB设备和服务；以可互操作的方式对设备进行配置；指定可互操作的安全要求。
• 服务
  为多个垂直领域开发特定于服务的协议，并为一系列应用程序定义必要的参数，包括物理访问控制、基于位置的服务、设备到设备（Peer-to-Peer）的服务等等。

3.3 CCC联盟

车联网联盟，简称为CCC，是一个致力于智能手机到汽车连接行业标准及解决方案的全球跨行业组织。

该联盟成立于2011年，由全球汽车制造商、移动设备制造商、技术供应商以及汽车零部件供应商等企业组成。其目标是将汽车和消费技术聚集在一起，使智能设备实现未来车辆的接入。该联盟的核心基础为CCC数字钥匙（CCC Digital Key），其在2021年7月发布了支持UWB技术的第三代数字钥匙核心技术规范。

• 愿景：创建可持续和灵活的生态系统，使车辆和智能手机之间的接口标准化。CCC旨在通过提高互操作性以便能够在所有车辆和移动终端上提供一致的用户体验。
• 使命：代表全球大多数汽车和智能手机行业，将相关行业聚集在一起，为未来的汽车到智能手机连接制定行业标准和解决方案。CCC在汽车信息、通信和/或娱乐系统的集成操作中促进了移动设备、服务和应用程序的连接。移动设备OEMs和车辆OEMs的协调，以构建更易使用、便利、安全和隐私保护以及广泛功能的产品。
  联盟创始会员有：Apple、小米、宝马、DENSO、福特汽车、GM、Google、HONDA、现代汽车、奔驰汽车、NXP、Panasonic、三星、大众、THALES。

Digital Key是一种数字车钥匙技术，它允许车主使用智能手机等移动设备来远程控制车辆，包括开启车门、启动发动机等功能。CCC R3是基于NFC/BLE/UWB作为基础的无线电技术的使用，该系统采用非对称密码技术对车辆和设备进行相互签名认证，且只对已知车辆显示身份，只有使用和车辆存储的公钥相对应的私钥签名计算，车辆才能进行解闭锁、启动发动机等功能。R3可以兼容R2（第二代数字钥匙），R1（第一代数字钥匙）是独立于R2、R3进行部署。
关于CCC协议而言，主要针对第三代的数字车钥匙应用，其中包括了车钥匙服务器、跟踪服务器、车端、钥匙端等等，具体在钥匙端、车端的物理感知层又包括了NFC、BLE、UWB、Security Element单元等多项技术，在后续的相关文档中，将逐步介绍CCC在实现数字钥匙上与UWB相关的协议内容。