1. 什么是UWB超宽带)?

UWB是Ultra-Wide Band的缩写,意思是超宽带。UWB无线通信是使用超宽带的频率带宽的无线通信,其主要特征是能够实现高精度定位。近年来,已普及至智能手机防丢失、高阶汽车智能钥匙等民用设备。预计未来将在多个领域普及。

在此对UWB无线通信的特征、历史和用途等进行解说。

2. UWB无线通信的特征

IEEE802.15.4z是UWB无线通信的代表性标准,其中有使用Impulse Radio的方式,Impulse Radio使用持续时间短的脉冲信号。该标准的主要特征如下:

  • 高精度测距和定位
  • 安全性高
  • 对其他通信干扰弱
  • 低功耗

对UWB无线通信如何展现这些特征进行解说。

UWB无线脉冲方式的波形图形
图1 UWB无线脉冲方式的波形

在UWB无线通信中,如图1所示,将宽度为2ns(纳秒,10-9秒)左右的脉冲作为数据进行传输。这种短持续时间脉冲具有能进行高分辨率的测距和定位的特性

另一方面,时域中的脉冲宽度小意味着频域中的功率谱占据很宽的频带(通信中的时域和频域将在其他页面解说)。

图2定性地显示了该频域中UWB无线通信的传输功率(功率谱密度)。例如,如果同第2代手机和Wi-Fi以及第3代手机等传统通信所使用的频率带宽相比较,可以看到UWB无线通信的频率带要宽得多。

此外,UWB无线通信的传输功率峰值不仅低于其他通信方式,而且其设定值低于FCC(Federal Communication Commission:美国联邦通信委员会)*1规定的无线电波辐射数字设备的噪声水平规定值-辐射电磁噪声规定值−41.3dBm/MHz*2(75nW/MHz)。

由于UWB无线通信具有以上所述的使用频率带宽、传输功率等级低于噪声等级的通信特性,因此对其他通信的干扰较弱,且通信本身不为第三方所知,所以其安全性高,而且,还具有能进行低功耗通信的特点。

UWB无线通信方式与其他通信方式的功率谱密度带宽定性比较示意图
图2 UWB无线通信方式与其他通信方式的功率谱密度带宽定性比较示意图

*1 FCC(Federal Communication Commission:美国联邦通信委员会):在美国参与管理和监管美国全部通信(无论是无线还是有线)的政府机构。

*2 dBm/MHz:每1MHz频率宽度的功率等级(功率谱密度)。dBm是将功率转换为常用对数时的单位。在通信领域中,需要处理的数值范围很广,直接处理很不方便。所以通常使用对数表示来缩小其范围。

3. UWB技术的历史和法规

自1960年代以来,UWB技术在美国主要作为军用雷达进行研究。直到1994年左右,它还是一种被视为军事机密的通信技术。从1998年左右开始,美国FCC开始考虑将UWB用于民用,并于2002年获得批准,此后,UWB芯片套件等的研究不断向前推进。

到2019年之后,UWB才广为公众所知。引发这一现象的是配备UWB模块的智能手机的问世。由此,在过去未将UWB用于民用目的的国家,使用许可也取得了进展。

UWB技术就是这样发展起来的,如果特别关注频率带宽规定的话,会发现FCC分配的UWB无线电频率带宽是3.1GHz-10.6GHz之间的7.5GHz。另一方面,欧盟、欧亚大陆、东亚、大洋洲等国家和地区分配的带宽与此略有不同,其规定是在室内和室外主要能使用6.0GHz-9.0GHz左右的带宽。

然而,目前大多数UWB模块遵守的是IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers:电气与电子工程师协会)*3在 2007年采用的短距离无线标准IEEE802.15.4a中指定UWB优先使用通道号9(中心频率:7987.2MHz,频率带宽:499.2MHz)的规格。

*3 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers:电气与电子工程师协会):世界上最大的电气领域学术研究组织。也是该领域的技术标准化组织。

4. UWB无线通信的用途

对UWB无线通信在民用和工业中的主要用途以及今后可期待的用途进行介绍。

4.1 民用UWB无线通信设备和服务

防范丢失

通过在物品上贴上UWB标签,可以防范其丢失。例如,将UWB标签贴在包、钱包、钥匙等上面,使用配备有UWB模块的智能手机,可以以cm级精度定位UWB标签的位置,并找到这些物品。此外,虽然UWB标签的电池是纽扣电池,但由于功耗低,所以被认为可以使用1年左右。

自2019年以来,UWB模块不仅越来越多地配备在智能手机中,而且还配备在平板电脑、智能手表和智能音箱等民用设备中。今后,随着使用UWB无线通信的各式产品和服务的出现,预计将成长为一个大规模的市场。

安全地入退馆和入退室

通过使用配备UWB模块的智能手机,可以构建不用手且安全地入退馆和入退室的系统。

利用UWB的高精度测距和高安全性的特征,可以在迄今为止使用密码、物理钥匙、IC卡等的公寓等住宅以及处理机密信息的办公室和工厂等处不需要取出钥匙以及IC卡,将智能手机等放在口袋或包里即可安全地解锁入口。能够顺利入退馆和入退室的应用程序有望得到普及。

免提支付和计费

通过使用配备UWB模块的智能手机,可以在超市、便利店、餐馆等商业设施构建不用手且安全的支付系统,此外,还能在车站检票口、娱乐设施、住宿设施、停车场等处构建计费系统。

利用UWB的高精度测距和高安全性的特征,不需要拿出钱包、IC卡、智能手机等即可不用手、顺利地进行支付和计费的应用程序有望得到实用化和普及。

4.2 汽车用UWB无线通信设备及应用

智能钥匙

作为利用UWB无线的高精度测距和定位的用途之一的是汽车智能钥匙。例如,可以配备以下操作功能:通过在汽车附近使用UWB进行无线通信在约1m以内判断车主并解锁,或者在车主位于数十厘米以内时启动发动机。

此外,由于UWB无线的传输功率很低,是一种具有高度保密性的通信,因此可以防范中继攻击(第三方中继传统无线钥匙持续输出的电波并解锁的盗窃手段)等,强化安全性。

车载网络的无线化

如今,配备各式各样的传感器、雷达、AI系统等并让它们相互合作的汽车IoT化不断发展,作为CAN(Controller Area Network)等车载网络使用的线束(由电线和连接端子组成的车载部件)据说在某些车型上的总长度已达到10km,总重量已达到50kg。作为联网汽车也在并行发展,在这种情况下,与其他通信之间的干扰较弱的UWB无线技术被认为在实现车载网络无线化中非常有效。

4.3 工业用UWB无线通信设备和系统

工厂、仓库等的实时定位系统

使用多个UWB锚点和UWB标签*4,可以构建高精度、实时掌握放置在工厂和物流现场等处的部件和包裹等的位置的系统-实时定位系统(RTLS:Real Time Location System)。

*4 在使用UWB无线通信进行定位时,标签发出的信号被多个锚点接收,并能通过对信息进行处理来准确确定标签的位置。工业UWB锚点通常与定位引擎、应用服务器等结合使用。

5. 村田制作所的UWB模块

村田制作所(以下简称村田)采用NXP或Qorvo的UWB芯片套件,提供使用一系列村田高可靠性滤波器、时钟和天线等外围组件组成的小型、低功耗UWB模块。

5.1 基于NXP的UWB模块

Type 2BP

[主要用途]包括电池驱动设备在内的一般IoT设备。  
采用NXP Trimension™ SR150 UWB芯片套件。是由树脂模具加保形屏蔽组成的小型模块,通过3天线规格支持2D AoA和3D AoA。

Type 2DK

[主要用途]使用纽扣电池低功耗工作的UWB标签/跟踪器以及一般IoT设备。  
采用NXP Trimension™ SR040 UWB芯片套件和NXP QN9090 Bluetooth® LE + MCU芯片套件的组合模块,以与板载天线及外围组件一体化的方式配备。

5.2 基于Qorvo的UWB模块

Type 2AB

[主要用途]使用小型电池工作的IoT设备及应用。 
采用Qorvo QM33120芯片套件的超小型、高质量、低功耗UWB模块。配备了用于UWB唤醒(解除睡眠状态)及固件更新的Bluetooth® LE芯片套件、本公司的加速度传感器、UWB及MCU的基准时钟等。

专栏-UWB中的定位方法

作为使用UWB无线通信的定位方法,代表性的方法是将配备UWB功能的智能手机等终端或工业用UWB 锚点、通过UWB标签之间的ToF(Time of Flight)进行的测距以及通过AoA(Angle of Arrival)进行的测量角度进行组合。以下对每种方法分别进行解说。

通过ToF(Time of Flight)进行的测距

通过使用UWB无线通信的ToF(Time of Flight)技术进行测距的原理是:通过测量从消息(信号)发送到接收的时间来计算到物体的距离。具体而言就是UWB发射器发送短脉冲信号,接收器接收该信号。从发送到接收所需的时间称为ToF。

使用ToF技术的UWB测距可以根据电磁波的速度(光速)和所需的时间来计算距离。具体而言就是用所需时间和光速的乘积求出距离。可以通过UWB的超宽带特性利用短脉冲信号,因此,可以获得很高的时间分辨率和测量精度。由此,在传感和定位应用中可有望得高精度的测量结果,因此已被应用于各式各样的领域。

UWB测距技术主要有2种手法:SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)和DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging)。这些手法采用不同的方法通过信号往返进行距离测量。

SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging):

SS-TWR是一种仅由一方的设备测量往返时间的方法。在这种手法中,设备A向设备B发送信号,设备B收到该信号后,向设备A发送回复信号。设备A测量从发送到接收所花费的时间并计算往返时间。此方法仅使用设备A就能进行测量,但需要两个设备的时钟同步。

DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging):

DS-TWR是一种用两台设备测量往返时间并共享结果的方法。在这种手法中,设备A向设备B发送信号,设备B收到该信号后,向设备A发送回复信号。设备 A和设备B分别测量各自从发送到接收所需要的时间,并使用这些结果计算往返时间。这种方法不需要时钟同步,因此测量更容易,精度更高。

UWB中通过ToF(DS-TWR)进行测距的示意图
图3 UWB中通过ToF(DS-TWR)进行测距的示意图

通过AoA(Angle of Arrival)进行的角度测量

AoA是一种计算从设备A看到的设备B放置方向的角度的方法。如图4所示,UWB无线中通过AoA进行的角度测量的原理是:设备B发射的电波被设备A的多根天线接收,并且根据接收的电波的相位差计算角度。使用这种方法,能通过用2根天线进行的角度测量(2D AoA)进行平面定位,以及通过用3根天线进行的角度测量(3D AoA)进行三维定位。

UWB无线中的AoA(2D AoA)示意图
图4 UWB无线中的AoA(2D AoA)示意图

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