【导读】意法半导体推出首款单片集成窄带辅助(NBA)探测技术的IEEE 802.15.4ab汽车钥匙芯片ST64UWB，赋能车企大幅提升无线智能车门锁的可靠性。目前，意法半导体已经在给多家一级配套供应商和主流整车厂商提供样片，即便目前还是样片测试阶段，ST64UWB已获得极高的市场关注度。通过使用 NBA，意法半导体可以实现 IEEE 802.15.4ab 首创的多毫秒（MMS）模式，从而大幅提升链路预算。具体而言，NBA+MMS意味着更远的工作范围和更精准的检测，进而带来更准确、更可靠的无线钥匙。此外，改进后的雷达能力还可实现车舱内的存在性检测。
为什么是IEEE 802.15.4ab?
IEEE 802.15.4ab标准的所有优势
802.15.4z标准的不足
超宽带协议 802.15.4z 并非新标准，但它一直在推动行业朝着无线车钥匙等方向发展。然而，该标准在实际应用中暴露出诸多始料未及的局限性。例如，当手机放在后兜或是车钥匙置于背包内时，测距信号会被遮挡，影响用户的使用体验。另一个典型问题是，蓝牙与超宽带测距之间的切换顺畅度不如预期，因为这两种射频技术并没有紧密耦合，且覆盖范围不同。
这导致功耗增加，因为在锚点仍远离发射器时，802.15.4z 测距操作就已被激活。此外，尽管 802.15.4z 在理论上可实现数十米的测距范围，但当收发两端不在彼此视距内时，测距性能表现就不尽如人意。例如，当手机放在后兜或是车钥匙置于背包内时，测距信号会被遮挡，导致糟糕的用户体验。
虽然本篇博文是从无线车钥匙应用的视角来解读超宽带技术，但这项技术的实际适用场景要广泛得多。尽管研究人员曾探索在面对干扰时如何提升 802.15.4z 的性能，但这始终是以牺牲测距距离为代价的。
802.15.4ab解决方案
ST64UWB产品家族
为了推动超宽带技术向前发展，业界制定了一项更新的标准——802.15.4ab，旨在解决802.15.4z版本的一些不足。新版最重要的改进之处是大幅提升了测距距离，其中，窄带辅助等技术优化和更高的链路预算（后续详述）发挥了重要作用。事实上，802.15.4ab已能媲美低功耗蓝牙（BLE）的测距距离，这意味着很多产品设计或将不再依赖蓝牙。即便如此，凭借极低的功耗，BLE在设备发现场景中仍具备实用价值。但对部分应用而言，仅使用 UWB 的配置就已足够。既能降低系统复杂度，也可省去集成蓝牙带来的额外硬件成本。
除了提高能源效率之外，802.15.4ab标准还使无线车钥匙等用例更加可靠，并为新的应用打开了大门。例如，工程师可借助 802.15.4ab标准的测距功能在自动驾驶车内探测乘客位置，在大型场所内探测人员存在。此前，受旧版标准性能限制，这类应用是无法实现的。
事实上，为助力研发团队更好地了解新标准有哪些用途，意法半导体发布了一份白皮书，帮助开发者充分挖掘超宽带技术的真实潜力。该白皮书用一整章专门探讨数字车钥匙之外的各类应用场景，涵盖智慧城市、工业环境、零售行业、智能家居等诸多领域。当下，越来越多企业争先抢占新市场，推出新产品，理解如何在原有应用场景中采用超宽带技术，已然是实现产品差异化的核心要素之一。
802.15.4ab借助多毫秒测距提升测距距离
正如 LitePoint 这家头部无线测试解决方案提供商的总裁 John Lukez 所提及，“超宽带（UWB）技术已成为现代数字体验的支柱——从数字车钥匙和物品查找服务，到安全的家庭访问和室内导航。随着 IEEE 802.15.4ab 修订版的引入，这些应用将迎来更进一步的升级迭代。新标准通过窄带辅助多毫秒测距（NBA MMS）技术显著提升了远距离高精度测距能力，为数字车钥匙和资产追踪等使用场景带来了颠覆性改进。作为全球头部的无线模块和消费电子制造商测试解决方案供应商之一，我们坚信，意法半导体的 ST64UWB 芯片完美提供了这些下一代的技术功能，充分释放了 UWB 技术的潜力。”
为什么是ST64UWB?
多毫秒（MMS）分片
ST64UWB 是意法半导体首款支持802.15.4ab标准的芯片，同时也是市场中支持窄带辅助的首款量产802.15.4ab单片集成 芯片。要理解这为何重要，我们需要看看新标准带来的主要改进之一：多毫秒（MMS）分片。简单来说，这项新的超宽带标准将数据通信从UWB频段分流到窄带，UWB频段专注于精准测距。采用以一毫秒间隔发送重复分片的方式，NBA 1MMS帧模式即可将链路预算提高至少 18 dB。
该技术在遵守监管功率限制的同时，增加了测距帧能量，将有效测距距离相较于 802.15.4z 提高约 8 倍。不同于一次性的握手，接收端和发射端之间每毫秒都会持续传输帧，这会在 MMS 帧分片数量翻倍时额外增加 3 dB链路预算。因此，使用 16MMS帧模式时，相较于802.15.4z协议，有效测距距离最高可提升至 30 倍。
根据 MMS 帧分片数量量化测距范围增量
NBA窄带辅助
实现 MMS 的方式可能有很多种，每种方式都使用不同的信道。例如，带外 MMS 可能使用低功耗蓝牙进行无线通信，并使用 UWB 信道传输 MMS；而 UWB 驱动的 MMS 则将 UWB 信道用于所有通信。然而，UWB 驱动的 MMS 几乎没有增加传输距离，因为通信数据包仍然会消耗 UWB 信道上允许传输的总功率。另一方面，BLE 实现能够获得更大的通信范围，但容易出现拥塞，在这种情况下会显著降低测距性能。
ST64UWB 选择了窄带辅助（NBA）方案，该方案使用窄带信道进行 MMS 控制，并使用 UWB信道 进行 MMS 测距。该芯片是目前链路预算和运行稳定性俱佳的MMS解决方案。它同时也是能够立即启用、且现有生态规模最大的解决方案。正因如此，尽管已经存在其他竞争性的 802.15.4ab 方案，意法半导体仍是首个支持 NBA 的厂商。
窄带信道进行MMS控制，超宽带信道执行MMS测距
雷达模式
802.15.4ab 协议还引入了雷达模式。该模式下会发送 UWB 脉冲，然后分析反射信号，以确定人员或物体的存在性、位置或运动状态。因此，无需第二个 UWB 设备，进一步提升了其实用性。具体来说，ST64UWB 的高分辨率雷达引擎能够实现小于 7.5 厘米的绝对距离测量，以及毫米级的相对运动检测。在仅使用单芯片的情况下，可检测车辆内无人照看的婴儿，确认乘客是否系好了安全带，或者通过识别手势、免触开启后备箱。
行业标杆
具体而言，如果使用 16MMS帧模式，ST64UWB 相比于802.15.4z方案，可将链路预算提高最多 30 dB。该芯片不仅符合 802.15.4ab 标准，而且还能与现有已部署的同类设备协同工作，这意味着车企能够直接依托现有成熟生态进行应用开发。此外，通过采用 FD-SOI 技术，ST64UWB 整体接收灵敏度又可提升 3 dB，测距距离相较 802.15.4z 应用再增大 50%。由此设计人员可以使用单天线实现与竞争对手双天线方案相当的性能。
此外，还有一些额外的安全特性，使超宽带应用更具韧性。例如，802.15.4ab 内在增强的测距能力意味着，系统可以更准确地判断车钥匙是否真的靠近车辆，或者中继攻击设备正在试图嗅探特定信号。此外，ST64UWB 可以使用宽带脉冲、亚纳秒级时间戳和受保护帧，来防止黑客重放攻击，并防止家钥匙信号被窃取盗用。802.15.4ab 更强的链路预算也能更好地抵御干扰器的恶意干扰，避免出现钥匙实际正常可用却被用户误判失灵的安全事件。
