【導(dǎo)讀】意法半導(dǎo)體推出首款單片集成窄帶輔助(NBA)探測(cè)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(jí)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(cè)試階段，ST64UWB已獲得極高的市場(chǎng)關(guān)注度。通過使用 NBA，意法半導(dǎo)體可以實(shí)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(yuǎn)的工作范圍和更精準(zhǔn)的檢測(cè)，進(jìn)而帶來更準(zhǔn)確、更可靠的無線鑰匙。此外，改進(jìn)后的雷達(dá)能力還可實(shí)現(xiàn)車艙內(nèi)的存在性檢測(cè)。
為什么是IEEE 802.15.4ab?
IEEE 802.15.4ab標(biāo)準(zhǔn)的所有優(yōu)勢(shì)
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(dòng)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(shí)際應(yīng)用中暴露出諸多始料未及的局限性。例如，當(dāng)手機(jī)放在后兜或是車鑰匙置于背包內(nèi)時(shí)，測(cè)距信號(hào)會(huì)被遮擋，影響用戶的使用體驗(yàn)。另一個(gè)典型問題是，藍(lán)牙與超寬帶測(cè)距之間的切換順暢度不如預(yù)期，因?yàn)檫@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?yàn)樵阱^點(diǎn)仍遠(yuǎn)離發(fā)射器時(shí)，802.15.4z 測(cè)距操作就已被激活。此外，盡管 802.15.4z 在理論上可實(shí)現(xiàn)數(shù)十米的測(cè)距范圍，但當(dāng)收發(fā)兩端不在彼此視距內(nèi)時(shí)，測(cè)距性能表現(xiàn)就不盡如人意。例如，當(dāng)手機(jī)放在后兜或是車鑰匙置于背包內(nèi)時(shí)，測(cè)距信號(hào)會(huì)被遮擋，導(dǎo)致糟糕的用戶體驗(yàn)。
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(xiàng)技術(shù)的實(shí)際適用場(chǎng)景要廣泛得多。盡管研究人員曾探索在面對(duì)干擾時(shí)如何提升 802.15.4z 的性能，但這始終是以犧牲測(cè)距距離為代價(jià)的。
802.15.4ab解決方案
ST64UWB產(chǎn)品家族
為了推動(dòng)超寬帶技術(shù)向前發(fā)展，業(yè)界制定了一項(xiàng)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(jìn)之處是大幅提升了測(cè)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(shí)上，802.15.4ab已能媲美低功耗藍(lán)牙（BLE）的測(cè)距距離，這意味著很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)或?qū)⒉辉僖蕾囁{(lán)牙。即便如此，憑借極低的功耗，BLE在設(shè)備發(fā)現(xiàn)場(chǎng)景中仍具備實(shí)用價(jià)值。但對(duì)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(lán)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(cè)距功能在自動(dòng)駕駛車內(nèi)探測(cè)乘客位置，在大型場(chǎng)所內(nèi)探測(cè)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(shí)現(xiàn)的。
事實(shí)上，為助力研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)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(chǎng)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(zhēng)先搶占新市場(chǎng)，推出新產(chǎn)品，理解如何在原有應(yīng)用場(chǎng)景中采用超寬帶技術(shù)，已然是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的核心要素之一。
802.15.4ab借助多毫秒測(cè)距提升測(cè)距距離
正如 LitePoint 這家頭部無線測(cè)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(yàn)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(jìn)一步的升級(jí)迭代。新標(biāo)準(zhǔn)通過窄帶輔助多毫秒測(cè)距（NBA MMS）技術(shù)顯著提升了遠(yuǎn)距離高精度測(cè)距能力，為數(shù)字車鑰匙和資產(chǎn)追蹤等使用場(chǎng)景帶來了顛覆性改進(jìn)。作為全球頭部的無線模塊和消費(fèi)電子制造商測(cè)試解決方案供應(yīng)商之一，我們堅(jiān)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?！?/p>
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(shí)也是市場(chǎng)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(jìn)之一：多毫秒（MMS）分片。簡(jiǎn)單來說，這項(xiàng)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(cè)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(shí)，增加了測(cè)距幀能量，將有效測(cè)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(huì)持續(xù)傳輸幀，這會(huì)在 MMS 幀分片數(shù)量翻倍時(shí)額外增加 3 dB鏈路預(yù)算。因此，使用 16MMS幀模式時(shí)，相較于802.15.4z協(xié)議，有效測(cè)距距離最高可提升至 30 倍。
根據(jù) MMS 幀分片數(shù)量量化測(cè)距范圍增量
NBA窄帶輔助
實(shí)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(lán)牙進(jìn)行無線通信，并使用 UWB 信道傳輸 MMS；而 UWB 驅(qū)動(dòng)的 MMS 則將 UWB 信道用于所有通信。然而，UWB 驅(qū)動(dòng)的 MMS 幾乎沒有增加傳輸距離，因?yàn)橥ㄐ艛?shù)據(jù)包仍然會(huì)消耗 UWB 信道上允許傳輸?shù)目偣β?。另一方面，BLE 實(shí)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(huì)顯著降低測(cè)距性能。
ST64UWB 選擇了窄帶輔助（NBA）方案，該方案使用窄帶信道進(jìn)行 MMS 控制，并使用 UWB信道 進(jìn)行 MMS 測(cè)距。該芯片是目前鏈路預(yù)算和運(yùn)行穩(wěn)定性俱佳的MMS解決方案。它同時(shí)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(jìng)爭(zhēng)性的 802.15.4ab 方案，意法半導(dǎo)體仍是首個(gè)支持 NBA 的廠商。
窄帶信道進(jìn)行MMS控制，超寬帶信道執(zhí)行MMS測(cè)距
雷達(dá)模式
802.15.4ab 協(xié)議還引入了雷達(dá)模式。該模式下會(huì)發(fā)送 UWB 脈沖，然后分析反射信號(hào)，以確定人員或物體的存在性、位置或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，無需第二個(gè) UWB 設(shè)備，進(jìn)一步提升了其實(shí)用性。具體來說，ST64UWB 的高分辨率雷達(dá)引擎能夠?qū)崿F(xiàn)小于 7.5 厘米的絕對(duì)距離測(cè)量，以及毫米級(jí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。在僅使用單芯片的情況下，可檢測(cè)車輛內(nèi)無人照看的嬰兒，確認(rèn)乘客是否系好了安全帶，或者通過識(shí)別手勢(shì)、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(jìn)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(cè)距距離相較 802.15.4z 應(yīng)用再增大 50%。由此設(shè)計(jì)人員可以使用單天線實(shí)現(xiàn)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(qiáng)的測(cè)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(hào)。此外，ST64UWB 可以使用寬帶脈沖、亞納秒級(jí)時(shí)間戳和受保護(hù)幀，來防止黑客重放攻擊，并防止家鑰匙信號(hào)被竊取盜用。802.15.4ab 更強(qiáng)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(shí)際正常可用卻被用戶誤判失靈的安全事件。
