解鎖未來：UWB如何重塑互聯世界的安全訪問方式

超寬帶（UWB）技術憑借其遠超現有解決方案的精準測距能力、卓越安全性和無縫用戶體驗，重新定義了訪問控制這一技術領域。本文將探討UWB的技術優(yōu)勢、實施挑戰(zhàn)，及其在諸如Aliro等新興標準中所扮演的角色——這些標準使設備與環(huán)境之間實現安全和意圖感知型訪問體驗。隨著UWB的日益普及和持續(xù)創(chuàng)新，它正在塑造智能、可靠且節(jié)能的未來訪問控制系統。

超寬帶（UWB）技術正迅速重塑安全、可靠且便捷的訪問控制格局。最初，UWB技術因蘋果AirTags和汽車數字鑰匙系統等應用而廣為人知，如今，它在住宅、商業(yè)和企業(yè)環(huán)境中也正蓬勃發(fā)展。本文將深入探討UWB如何憑借高精度測距、強大的抗中繼攻擊安全性，以及無需手動干預的無縫用戶體驗，成為傳統藍牙?和近場通信（NFC）系統更卓越的替代方案。

在本文中，我們將探究UWB技術的基本原理、相較于現有訪問控制解決方案的優(yōu)勢，以及它在諸如Aliro等新興標準中的作用。此外，我們還將分析在實際門鎖應用中實施UWB時需考慮的關鍵技術考量。最后，我們會展望UWB如何向邏輯訪問控制和物聯網（IoT）集成領域拓展，為構建下一代智能、安全的環(huán)境奠定基礎。

傳統訪問控制系統的挑戰(zhàn)

傳統訪問控制系統大多采用低功耗藍牙（BLE）技術，極易受到信號欺騙和中繼攻擊等威脅。盡管近場通信（NFC）技術安全性較高，但它無法提供與指紋識別或攝像頭識別類似的免手動或無縫體驗。除此之外，基于低功耗藍牙的解決方案常常存在連接可靠性不穩(wěn)定、解鎖延遲，以及頻繁依賴鑰匙卡或門禁碼等手動干預的問題。例如，亞洲的某公寓小區(qū)就曾出現重大安全隱患；只要注冊手機靠近，門就會自動打開，無意間向未經授權的人員暴露安全漏洞。

為應對這些技術挑戰(zhàn)，訪問控制解決方案制造商開始轉向UWB技術。

超寬帶技術

今天，許多人對UWB的認識來自于用AirTag定位物品，以及車用數字鑰匙訪問控制。UWB技術最初主要用于軍事領域，在21世紀初首次實現商業(yè)化；并隨著內置U1芯片的蘋果iPhone 11手機發(fā)布而獲得大規(guī)模市場應用。如今它已嵌入智能手機、汽車和眾多物聯網設備中。

UWB專門設計用于實現精準、安全、實時的位置、距離與方向測量。它通過極短的脈沖信號（約2納秒）傳輸數據；信號覆蓋3.1GHz至10.6GHz頻率范圍內寬達500MHz的信道帶寬。UWB技術通過測量飛行時間（ToF，即設備間脈沖的往返時間）在較遠距離內實現厘米級精度的物體追蹤（如圖1所示）。

圖1 UWB飛行時間技術用于測量兩臺設備之間的距離

與傳統的調幅（AM）或調頻（FM）信號不同，UWB采用基于脈沖的信號傳輸方式，啟動更快，上升和下降時間顯著更短。得益于其寬頻帶特性，UWB天然具備抗多徑效應的能力，同時其脈沖特性使它能夠在極低的功率水平下運行；通過將發(fā)射功率控制在底噪以下，最大程度地減少干擾。這使得信號到達時間的測量更為精準，增強了系統對多徑效應和干擾的抵抗能力。UWB信號以極低的功率水平（-41.3dBm/MHz）運行，對于像低功耗藍牙和Wi-Fi這樣的窄帶技術而言，UWB信號如同噪聲一般。

UWB支持多種部署拓撲結構，例如雙向測距（TWR）、到達時間差（TDoA）和到達相位差（PDoA）；從而在功耗、可擴展性和成本方面帶來靈活性。此外，UWB 測距既可以在成對設備之間實現，也能在數千臺設備之間進行，甚至無需固定的錨點基礎設施。

超寬帶安全性

安全性是UWB的一大顯著優(yōu)勢，在基于UWB的門鎖訪問控制應用中，它能夠提供強大的保護，抵御攔截或中繼攻擊，并具備抗干擾能力。例如圖2所示，IEEE 802.15.4z HRP UWB PHY在數據包中添加了一個加擾時間戳序列（STS）字段。該STS字段由一組偽隨機二進制相移鍵控（BPSK）調制的脈沖組成。由于加密密鑰和隨機數隨PHY數據包一同發(fā)送，因此數據無法被訪問或預測，有效防范了篡改距離測量結果和數據內容的攻擊行為。BPSK調制序列的偽隨機性由加密安全的偽隨機數生成器來保證。由于序列具有偽隨機性，不存在周期性，因此接收器能夠生成可靠、準確且無偽影信號的信道延遲估計值。一旦完成身份驗證，系統會激活UWB收發(fā)器，并為每個設備分配一個特定的STS信號傳輸時間，從而決定測距和定位的準確性。

圖2 UWB脈沖無線電系統響應與門鎖控制時序

整個過程以低功耗藍牙作為起點；當用戶靠近門時，低功耗藍牙負責喚醒和初始化流程。一旦用戶進入預設的距離范圍內，UWB技術便接管后續(xù)操作，執(zhí)行安全身份認證序列，最終實現門鎖的開啟。

不僅如此，除精準測距功能外，UWB還能作為一種高效的雷達系統。通過分析反射雷達幀的CIR，UWB雷達能夠檢測人員存在、手勢動作或生命體征。關于UWB雷達這一主題，可參考Qorvo發(fā)布的相關文章《超寬帶（UWB）雷達：從測距到高階感測》。

圖3 UWB雷達發(fā)射并同時接收多徑信號反射

UWB感測的工作原理是發(fā)射雷達脈沖并捕獲反射信號。這些以CIR形式呈現的反射信號會運用先進的雷達算法進行分析，以檢測運動狀態(tài)并估算距離和位置。

訪問控制的新紀元

憑借在安全性、互操作性和便捷性方面的強大優(yōu)勢，UWB技術自然成為各市場領域（包括訪問控制應用）的理想選擇。尤其在住宅門禁市場，UWB應用正在迅速普及。蘋果（Apple）和三星（Samsung）等巨頭已在其智能手機錢包應用中集成對UWB門鎖的支持，顯著加速了UWB技術的采用。

目前，家庭門禁系統采用多種標準，如Wi-Fi、Thread、藍牙，如今又新增了Aliro。Aliro由連接標準聯盟（CSA）推出，得到了蘋果（Apple）、谷歌（Google）、三星（Samsung）、Assa Abloy/HID、Legrand和Allegion等關鍵行業(yè)領導者的支持。Qorvo、恩智浦（NXP）、北歐半導體（Nordic）和意法半導體（ST Microelectronics）等半導體公司也支持這一新標準。值得注意的是，CSA還定義Matter為統一智能家居設備多樣化世界的可靠、安全解決方案。因此，Aliro與Matter被設計為天然兼容，為家庭自動化搭建即時且完整的框架。

Aliro 1.0版本計劃于2025年發(fā)布；它將提供標準化的憑證和通信協議，確保智能手機、可穿戴設備及其它兼容設備間實現安全、便捷且一致的交互。該協議旨在通過提供一流的安全性、隱私保護和互操作性，簡化并提升用戶體驗，無論使用何種硬件或操作系統。最終，Aliro將使用戶能夠用移動設備或可穿戴設備替代實體鑰匙，簡化住宅及商業(yè)樓宇的門禁控制。

Aliro通過其安全的UWB測距功能，為用戶帶來更優(yōu)的體驗和諸多益處。支持Aliro的智能門鎖還兼容NFC和藍牙，便于與尚未配備UWB的現有門鎖系統兼容。盡管在認證程序等高層協議方面，車聯網聯盟（CCC）的數字鑰匙（Digital Key）和Aliro存在細微差異，但它們的UWB（PHY/MAC）實施方式仍保持高度一致。二者的細微差別在于，Aliro可在單個測距塊中執(zhí)行多個測距輪次，這有助于判斷用戶位置（門內或門外），并支持高級意圖檢測算法。這些智能算法還能利用UWB芯片的特性，如到達角（AoA）檢測——該技術使用多個天線確定UWB信號的方向，從而實現精準定位與跟蹤。

門鎖系統的工程考量

盡管UWB技術在智能門鎖等訪問控制應用中具有明顯優(yōu)勢，但要實現其高效部署，仍需克服若干技術挑戰(zhàn)。工程人員必須仔細考慮天線設計、干擾管理和信號優(yōu)化等因素，尤其是這些系統通常運行于緊湊且金屬密集的環(huán)境中。以下章節(jié)概述了在實際門鎖應用中實現可靠UWB性能所需的關鍵設計考量因素與工程策略。盡管UWB技術非常適合門鎖等訪問控制系統，但工程人員在應用和系統設計中仍需關注一些相關挑戰(zhàn)。

例如：

●   天線集成：在門鎖內部設計并集成一款能有效工作的天線是一項重大挑戰(zhàn)。門鎖通常由金屬制成，這可能會干擾RF信號的傳輸，因此天線的精確放置與設計十分重要。在如此緊湊且金屬含量高的環(huán)境中實現可靠性能，需要精心的工程設計與優(yōu)化。此外，天線必須能夠在各種門體材料（包括木材、金屬和塑料）上保持一致的性能，因為每種材料對RF信號的影響各不相同；材料的差異會顯著影響信號強度和用戶體驗，所以天線的調校與適應性是成功設計的關鍵所在。

●   干擾抑制：室內環(huán)境布滿障礙物，RF信號的傳輸頗具挑戰(zhàn)；當然，這對于UWB技術并無大礙。

得益于其強大的抗干擾能力，UWB雷達即使在多徑效應嚴重且存在多種無線電信號的復雜環(huán)境中也能可靠運行——這些情況常對其它傳感技術構成挑戰(zhàn)。

在門鎖應用場景中，分集天線設計在應對多徑效應方面發(fā)揮著核心作用。它通過利用空間、時間或頻率分集來增強信號的可靠性；其核心思想是從不同位置、時間或頻率信道接收同一信號的多個副本。由于這些信號從不同天線出發(fā)，經過不同路徑傳播，可能會經歷不同程度的衰減和干擾。由于這些變化通常是獨立或弱相關的，智能地組合這些信號可以減少衰減造成的整體影響。因此，分集天線接收設計技術有助于在動態(tài)或移動環(huán)境中穩(wěn)定信號質量；使得接收器能夠提取最強的信號，顯著提高抗干擾能力和整體通信性能。

-多天線技術是提升系統性能的一種成熟方法。在接收端，多個天線通過從傳播環(huán)境中捕獲更多能量來提供額外的增益。在發(fā)射端，空間復用允許傳輸獨立的數據流，從而提高吞吐量和頻譜效率。

●   誤觸發(fā)與室內/室外檢測：UWB解決方案工程師可以利用Qorvo的專利智能算法（搭配Qorvo先進的傳感硬件）來加速產品上市時間并提升用戶體驗。這些算法能夠準確判斷用戶是在室內還是室外，并評估其真實的開門或鎖門意圖。例如，系統能夠區(qū)分某人是靠近門準備進門，還是只是路過門口。此類高階算法在家居安全領域發(fā)揮著關鍵作用，為安全、可靠和信任奠定了基礎。Qorvo的創(chuàng)新解決方案獨特地整合了硬件與軟件組件，以確保100%可靠的室內/室外檢測，有效消除誤觸發(fā)情況。憑借無與倫比的用戶意圖識別精度，Qorvo的技術提供了更高的安全裕度，讓房主在任何條件下都能完全信任其門禁控制系統的可靠性。

●   功耗：UWB技術相比其它門禁控制系統解決方案具有更卓越的低功耗優(yōu)勢。沒有人希望每個月或每隔幾個月就要更換一次門鎖電池；這顯然非常不方便。使用UWB技術，用戶可以減少更換門鎖電池的頻率，將維護周期延長至數年而非數月。

解決這些挑戰(zhàn)對于充分發(fā)揮UWB在安全、響應迅速門禁系統中的潛力舉足輕重。通過精心的天線集成、先進的多天線配置、面向意圖識別的智能算法以及低功耗設計，工程人員可以設計出高精度、高可靠性的智能門鎖。隨著UWB在智能家居和物聯網領域的普及，RF設計的持續(xù)創(chuàng)新和系統優(yōu)化將是確保無縫用戶體驗與可擴展部署的關鍵。

UWB技術在訪問控制領域的未來展望

隨著UWB技術的日益成熟，其在各行業(yè)中的作用正迅速演變。UWB最初作為一項用于精準測距和定位的技術問世；如今，憑借其卓越的準確性、安全性和穩(wěn)健性，UWB已成為下一代無線應用的前沿技術。接下來的內容將探討塑造UWB未來的關鍵趨勢、集成機遇和技術進步；包括在消費電子、工業(yè)環(huán)境和汽車領域的持續(xù)拓展，以及與物聯網和邏輯訪問系統的深度集成。

●   普及趨勢

UWB技術的普及正在加速，尤其是在智能手機和汽車系統中。這一勢頭推動著UWB應用在住宅和商業(yè)環(huán)境中實現同步增長。在智能手機領域，UWB實現了設備間的精準定位、室內導航、無鑰匙門禁，以及增強的防盜系統。隨著消費者對這些功能日漸熟悉，對智能家居（如安全門鎖和資產追蹤）和商業(yè)建筑（如門禁控制和室內導航）中配套UWB應用系統的需求也在不斷增加——這正是UWB相較于傳統無線技術所具備的核心優(yōu)勢。

●   與其它技術的集成

由于具備高空間分辨率和低功耗特性，UWB非常適合與物聯網設備整合，為互聯環(huán)境帶來更高的自動化水平與安全保障。例如，在智能家居中，UWB可實現基于情境感知的自動化控制，如根據用戶位置自動開啟燈光或實時調節(jié)暖通空調（HVAC）系統。在工業(yè)物聯網（IIoT）領域，UWB已被用于工廠及倉庫中的人員和資產精準追蹤。未來的UWB應用場景還包括：自主機器人通過UWB測距解鎖授權門禁、避障與導航系統，以及醫(yī)療健康領域中對醫(yī)療器械和患者移動的高精度實時追蹤。

●   向邏輯訪問控制的拓展

UWB的應用范圍正從物理訪問（如開門）拓展至邏輯訪問控制領域，通過存在驗證技術，授權訪問數字設備和系統。這種“存在證明”功能允許用戶無需密碼或物理接觸即可獲得無縫且安全的身份驗證。新興應用包括當授權用戶攜帶UWB設備（如智能手機或可穿戴設備）靠近時，自動解鎖個人電腦、平板電腦或電視。在企業(yè)環(huán)境中，可以通過在用戶離開時鎖定屏幕或注銷用戶來增強數據安全，從而助力執(zhí)行零信任策略。

●   產業(yè)協同

UWB 的進步和廣泛普及在很大程度上依賴于行業(yè)間的緊密協作。連接標準聯盟（CSA）、FiRa聯盟和車聯網聯盟（CCC）等標準組織在塑造UWB生態(tài)系統方面發(fā)揮著關鍵作用。這些組織共同致力于確保不同廠商設備之間的互操作性、定義統一的安全規(guī)范，并將UWB納入更廣泛的連接框架中，如Matter和藍牙。此類合作伙伴關系推動了創(chuàng)新，也有助于加速在消費、工業(yè)和汽車領域的部署。此外，Omlox是另一個專注于推動UWB在工業(yè)場景中應用的行業(yè)組織，正助力幫助該技術在相關領域的發(fā)展。

●   射頻設計領域的進展

為滿足緊湊型和便攜式設備的需求，當前的研究重點聚焦于UWB天線的小型化以及多天線配置的優(yōu)化。更小、更高效的天線對于將UWB技術集成到可穿戴設備、智能手機和緊湊型傳感器中至關重要。同時，研究人員也在探索多天線系統，以改進到達角估算和方向感知能力，以更精準地識別用戶意圖；例如區(qū)分用戶是走向門并準備進入，還是僅從門前路過。這些RF設計方面的改進對于提升性能與可靠性，同時兼顧低功耗、小型化需求具有關鍵意義。

結語

超寬帶（UWB）技術憑借其無與倫比的精準度、安全性和可靠性，正在徹底改變訪問控制系統。從汽車數字鑰匙解決方案的成功應用，到住宅和商業(yè)門禁系統的快速普及，UWB正逐步成為新一代訪問控制的核心技術。UWB技術解決了傳統無線技術難以克服的關鍵挑戰(zhàn)，如安全漏洞、可靠性不一致，以及用戶體驗不佳等問題。得益于其低功耗、抗干擾能力，和實現智能意圖檢測的能力，UWB為未來的訪問控制系統提供了更優(yōu)的替代方案。

隨著Aliro等新標準的出現以及行業(yè)協作的不斷深化，UWB正迅速成為物理訪問控制和邏輯訪問控制領域的基礎技術。RF設計、天線集成和算法開發(fā)方面的持續(xù)進步將進一步釋放UWB的潛力，推動其在智能家居、辦公室、醫(yī)療保健等領域以及更廣泛的場景中得到廣泛應用。UWB不僅正在提升我們當下對空間訪問的安全性與交互體驗，還在為更加無縫、安全，且智能的未來設定標準。

關于作者

我們的作者在面向前沿技術開發(fā)及優(yōu)化無線解決方案方面擁有豐富的專業(yè)技術知識。立足對客戶需求和行業(yè)趨勢的深刻理解，他們與Qorvo的設計團隊緊密合作，推動創(chuàng)新，并提供支持行業(yè)領先產品的尖端解決方案。

感謝參與本文撰寫的主要貢獻者：Han Wesseling（需求創(chuàng)造高級經理）、Arnaud Jachiet （高級技術市場經理）、David Schnaufer（技術市場經理）、Marcel Virjkorte（高級應用工程經理）和Guillaume Vivier（標準戰(zhàn)略與領導力高級經理）。

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