【導(dǎo)讀】意法半導(dǎo)體推出首款單片集成窄帶輔助(NBA)探測技術(shù)的IEEE 802.15.4ab汽車鑰匙芯片ST64UWB，賦能車企大幅提升無線智能車門鎖的可靠性。目前，意法半導(dǎo)體已經(jīng)在給多家一級配套供應(yīng)商和主流整車廠商提供樣片，即便目前還是樣片測試階段，ST64UWB已獲得極高的市場關(guān)注度。通過使用 NBA，意法半導(dǎo)體可以實現(xiàn) IEEE 802.15.4ab 首創(chuàng)的多毫秒（MMS）模式，從而大幅提升鏈路預(yù)算。具體而言，NBA+MMS意味著更遠的工作范圍和更精準(zhǔn)的檢測，進而帶來更準(zhǔn)確、更可靠的無線鑰匙。此外，改進后的雷達能力還可實現(xiàn)車艙內(nèi)的存在性檢測。
為什么是IEEE 802.15.4ab?
IEEE 802.15.4ab標(biāo)準(zhǔn)的所有優(yōu)勢
802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)的不足
超寬帶協(xié)議 802.15.4z 并非新標(biāo)準(zhǔn)，但它一直在推動行業(yè)朝著無線車鑰匙等方向發(fā)展。然而，該標(biāo)準(zhǔn)在實際應(yīng)用中暴露出諸多始料未及的局限性。例如，當(dāng)手機放在后兜或是車鑰匙置于背包內(nèi)時，測距信號會被遮擋，影響用戶的使用體驗。另一個典型問題是，藍牙與超寬帶測距之間的切換順暢度不如預(yù)期，因為這兩種射頻技術(shù)并沒有緊密耦合，且覆蓋范圍不同。
這導(dǎo)致功耗增加，因為在錨點仍遠離發(fā)射器時，802.15.4z 測距操作就已被激活。此外，盡管 802.15.4z 在理論上可實現(xiàn)數(shù)十米的測距范圍，但當(dāng)收發(fā)兩端不在彼此視距內(nèi)時，測距性能表現(xiàn)就不盡如人意。例如，當(dāng)手機放在后兜或是車鑰匙置于背包內(nèi)時，測距信號會被遮擋，導(dǎo)致糟糕的用戶體驗。
雖然本篇博文是從無線車鑰匙應(yīng)用的視角來解讀超寬帶技術(shù)，但這項技術(shù)的實際適用場景要廣泛得多。盡管研究人員曾探索在面對干擾時如何提升 802.15.4z 的性能，但這始終是以犧牲測距距離為代價的。
802.15.4ab解決方案
ST64UWB產(chǎn)品家族
為了推動超寬帶技術(shù)向前發(fā)展，業(yè)界制定了一項更新的標(biāo)準(zhǔn)——802.15.4ab，旨在解決802.15.4z版本的一些不足。新版最重要的改進之處是大幅提升了測距距離，其中，窄帶輔助等技術(shù)優(yōu)化和更高的鏈路預(yù)算（后續(xù)詳述）發(fā)揮了重要作用。事實上，802.15.4ab已能媲美低功耗藍牙（BLE）的測距距離，這意味著很多產(chǎn)品設(shè)計或?qū)⒉辉僖蕾囁{牙。即便如此，憑借極低的功耗，BLE在設(shè)備發(fā)現(xiàn)場景中仍具備實用價值。但對部分應(yīng)用而言，僅使用 UWB 的配置就已足夠。既能降低系統(tǒng)復(fù)雜度，也可省去集成藍牙帶來的額外硬件成本。
除了提高能源效率之外，802.15.4ab標(biāo)準(zhǔn)還使無線車鑰匙等用例更加可靠，并為新的應(yīng)用打開了大門。例如，工程師可借助 802.15.4ab標(biāo)準(zhǔn)的測距功能在自動駕駛車內(nèi)探測乘客位置，在大型場所內(nèi)探測人員存在。此前，受舊版標(biāo)準(zhǔn)性能限制，這類應(yīng)用是無法實現(xiàn)的。
事實上，為助力研發(fā)團隊更好地了解新標(biāo)準(zhǔn)有哪些用途，意法半導(dǎo)體發(fā)布了一份白皮書，幫助開發(fā)者充分挖掘超寬帶技術(shù)的真實潛力。該白皮書用一整章專門探討數(shù)字車鑰匙之外的各類應(yīng)用場景，涵蓋智慧城市、工業(yè)環(huán)境、零售行業(yè)、智能家居等諸多領(lǐng)域。當(dāng)下，越來越多企業(yè)爭先搶占新市場，推出新產(chǎn)品，理解如何在原有應(yīng)用場景中采用超寬帶技術(shù)，已然是實現(xiàn)產(chǎn)品差異化的核心要素之一。
802.15.4ab借助多毫秒測距提升測距距離
正如 LitePoint 這家頭部無線測試解決方案提供商的總裁 John Lukez 所提及，“超寬帶（UWB）技術(shù)已成為現(xiàn)代數(shù)字體驗的支柱——從數(shù)字車鑰匙和物品查找服務(wù)，到安全的家庭訪問和室內(nèi)導(dǎo)航。隨著 IEEE 802.15.4ab 修訂版的引入，這些應(yīng)用將迎來更進一步的升級迭代。新標(biāo)準(zhǔn)通過窄帶輔助多毫秒測距（NBA MMS）技術(shù)顯著提升了遠距離高精度測距能力，為數(shù)字車鑰匙和資產(chǎn)追蹤等使用場景帶來了顛覆性改進。作為全球頭部的無線模塊和消費電子制造商測試解決方案供應(yīng)商之一，我們堅信，意法半導(dǎo)體的 ST64UWB 芯片完美提供了這些下一代的技術(shù)功能，充分釋放了 UWB 技術(shù)的潛力。”
為什么是ST64UWB?
多毫秒（MMS）分片
ST64UWB 是意法半導(dǎo)體首款支持802.15.4ab標(biāo)準(zhǔn)的芯片，同時也是市場中支持窄帶輔助的首款量產(chǎn)802.15.4ab單片集成 芯片。要理解這為何重要，我們需要看看新標(biāo)準(zhǔn)帶來的主要改進之一：多毫秒（MMS）分片。簡單來說，這項新的超寬帶標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)通信從UWB頻段分流到窄帶，UWB頻段專注于精準(zhǔn)測距。采用以一毫秒間隔發(fā)送重復(fù)分片的方式，NBA 1MMS幀模式即可將鏈路預(yù)算提高至少 18 dB。
該技術(shù)在遵守監(jiān)管功率限制的同時，增加了測距幀能量，將有效測距距離相較于 802.15.4z 提高約 8 倍。不同于一次性的握手，接收端和發(fā)射端之間每毫秒都會持續(xù)傳輸幀，這會在 MMS 幀分片數(shù)量翻倍時額外增加 3 dB鏈路預(yù)算。因此，使用 16MMS幀模式時，相較于802.15.4z協(xié)議，有效測距距離最高可提升至 30 倍。
根據(jù) MMS 幀分片數(shù)量量化測距范圍增量
NBA窄帶輔助
實現(xiàn) MMS 的方式可能有很多種，每種方式都使用不同的信道。例如，帶外 MMS 可能使用低功耗藍牙進行無線通信，并使用 UWB 信道傳輸 MMS；而 UWB 驅(qū)動的 MMS 則將 UWB 信道用于所有通信。然而，UWB 驅(qū)動的 MMS 幾乎沒有增加傳輸距離，因為通信數(shù)據(jù)包仍然會消耗 UWB 信道上允許傳輸?shù)目偣β省Ａ硪环矫妫珺LE 實現(xiàn)能夠獲得更大的通信范圍，但容易出現(xiàn)擁塞，在這種情況下會顯著降低測距性能。
ST64UWB 選擇了窄帶輔助（NBA）方案，該方案使用窄帶信道進行 MMS 控制，并使用 UWB信道 進行 MMS 測距。該芯片是目前鏈路預(yù)算和運行穩(wěn)定性俱佳的MMS解決方案。它同時也是能夠立即啟用、且現(xiàn)有生態(tài)規(guī)模最大的解決方案。正因如此，盡管已經(jīng)存在其他競爭性的 802.15.4ab 方案，意法半導(dǎo)體仍是首個支持 NBA 的廠商。
窄帶信道進行MMS控制，超寬帶信道執(zhí)行MMS測距
雷達模式
802.15.4ab 協(xié)議還引入了雷達模式。該模式下會發(fā)送 UWB 脈沖，然后分析反射信號，以確定人員或物體的存在性、位置或運動狀態(tài)。因此，無需第二個 UWB 設(shè)備，進一步提升了其實用性。具體來說，ST64UWB 的高分辨率雷達引擎能夠?qū)崿F(xiàn)小于 7.5 厘米的絕對距離測量，以及毫米級的相對運動檢測。在僅使用單芯片的情況下，可檢測車輛內(nèi)無人照看的嬰兒，確認乘客是否系好了安全帶，或者通過識別手勢、免觸開啟后備箱。
行業(yè)標(biāo)桿
具體而言，如果使用 16MMS幀模式，ST64UWB 相比于802.15.4z方案，可將鏈路預(yù)算提高最多 30 dB。該芯片不僅符合 802.15.4ab 標(biāo)準(zhǔn)，而且還能與現(xiàn)有已部署的同類設(shè)備協(xié)同工作，這意味著車企能夠直接依托現(xiàn)有成熟生態(tài)進行應(yīng)用開發(fā)。此外，通過采用 FD-SOI 技術(shù)，ST64UWB 整體接收靈敏度又可提升 3 dB，測距距離相較 802.15.4z 應(yīng)用再增大 50%。由此設(shè)計人員可以使用單天線實現(xiàn)與競爭對手雙天線方案相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>
此外，還有一些額外的安全特性，使超寬帶應(yīng)用更具韌性。例如，802.15.4ab 內(nèi)在增強的測距能力意味著，系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確地判斷車鑰匙是否真的靠近車輛，或者中繼攻擊設(shè)備正在試圖嗅探特定信號。此外，ST64UWB 可以使用寬帶脈沖、亞納秒級時間戳和受保護幀，來防止黑客重放攻擊，并防止家鑰匙信號被竊取盜用。802.15.4ab 更強的鏈路預(yù)算也能更好地抵御干擾器的惡意干擾，避免出現(xiàn)鑰匙實際正常可用卻被用戶誤判失靈的安全事件。
