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          干貨!UWB新國標深度解讀 | 大帶寬模式是國產化突圍的關鍵

          發布時間:2024-05-13 責任編輯:lina

          【導讀】翹首已久的UWB新國標終于落地了,這一舉措將大大加速UWB生態的繁榮發展。相較此前的藍牙、WiFi等無線通信技術,在新國標的指引下,一個由中國培育的UWB生態鏈將逐漸壯大,并引領全球產業的發展,真正實現“立足中國,引領世界”的目標。


          翹首已久的UWB新國標終于落地了,這一舉措將大大加速UWB生態的繁榮發展。相較此前的藍牙、WiFi等無線通信技術,在新國標的指引下,一個由中國培育的UWB生態鏈將逐漸壯大,并引領全球產業的發展,真正實現“立足中國,引領世界”的目標。


          干貨!UWB新國標深度解讀 | 大帶寬模式是國產化突圍的關鍵


          2024年4月29日,國家工業與信息化部發布了《超寬帶(UWB)設備無線電管理暫行規定》(以下簡稱新版《規定》),正式確定了超寬帶UWB無線電發射設備的射頻技術要求。隨著新規的發布,涉及UWB新技術與新設備的中國標準討論終于有了明確方向!新版《規定》正式開放了7163MHz至8812MHz的頻率范圍用于UWB技術與設備的開發,且信號帶寬不少于500MHz,主要應用于短距離高速無線數據通信、定位、測距和感知等領域。


          那么,相較以往的UWB國家標準,新版《規定》進行了哪些修改和調整呢?在標準形成過程中經歷了哪些探索?與國外UWB標準相比又有何創新與前瞻之處?本文將對此進行詳細解讀,為您展示新《規定》中所蘊含的深刻信息(文本約5千字,閱讀時間約18分鐘)。


          解讀提綱:

          oUWB國家標準經歷了怎樣的前世今生?

          o新版《規定》到底支持哪些UWB信道?

          o新版《規定》對UWB技術是限制?還是鼓勵?

          o新版《規定》為何旗幟鮮明地支持UWB大帶寬模式?

          o為什么說新版《規定》“立足中國,引領世界”?

          解讀一:UWB國家標準經歷了怎樣的前世今生?


          眾所周知,無線通信的頻譜資源是一個國家和地區最重要的戰略資源之一。而一項國家標準的確定,既要基于現有技術情況,也要考慮未來的發展;既要符合國際通行規則,讓產品或服務便于參與全球市場的角逐,也要考慮國內的特殊情況和需求。


          歷經多年發展,UWB超寬帶通信定位技術已經從小眾的工業應用逐漸發展成為大眾消費領域的標準化平臺技術,涵蓋手機、汽車、物聯網等領域。UWB無線通信的允許使用頻段必須同時滿足兩方面的要求,即UWB技術行業發展需求和國家政府的頻率技術規范。


          國際學術委員會(例如IEEE 802.15.4標準化工作組)以及各個行業標準化協會(例如FiRa聯盟,CCC車聯網聯盟,ICCE智慧車聯產業生態聯盟,ICCOA智能車聯開放聯盟等)對UWB技術,特別是物理層(PHY)中UWB信號的頻率范圍都有相應的技術標準和使用規范。但最終的發射頻率范圍需要符合國家標準規定。


          為了更好地適應技術發展趨勢和產業需求的變化,UWB國家標準先后歷經數次調整。


          早在2008年12月,工信部頒布了《超寬帶(UWB)技術頻率使用規定》【1】。然而,當時UWB技術主要局限于工業級應用,其定位測距和感知功能尚未標準化。


          近年來,隨著UWB等無線電技術的發展,上述規定已經不能完全適應技術與產業的發展和管理需求。因此,2023年1月,工信部發布了《超寬帶(UWB)設備無線電管理規定(征求意見稿)》【2】,對UWB、發射功率以及限值等多個參數進行了調整。其中最為顯著的變化是將UWB允許工作頻率限制在7235MHz至8750MHz之間。


          干貨!UWB新國標深度解讀 | 大帶寬模式是國產化突圍的關鍵

          圖1   UWB無線電發射設備射頻技術國家標準演進歷程與參數對比


          2023年8月,工信部向世界貿易組織(WTO)發布了《超寬帶(UWB)設備無線電管理規定》的技術性貿易壁壘通報【3】,更廣泛地調研與征集國內外有關UWB技術管理的意見與反饋。這一版本在2023年1月版的征求意見稿的基礎上,適當放寬了對UWB工作頻率的限制,修改后的允許工作頻率為7163MHz至8812MHz之間。然而,該版本引入了一個新的限制條件,即UWB信號帶寬(-10dB帶寬)不應超過650MHz。


          經過長達一年多的意見征集與斟酌,2024年4月,工信部發布了最終版本的《超寬帶(UWB)設備無線電管理暫行規定》【4】,明確刪除了早前版本中關于信號帶寬650MHz上限的描述。同時,UWB允許使用頻率范圍維持在7163MHz至8812MHz之間。新版《規定》還明確了生效時限,即從2025年8月1日起,UWB設備需遵守新版《規定》。圖1展示了UWB無線電發射設備國家標準的演進歷程,并對一些關鍵參數進行了對比,其中紅色背景數據為較前一版本修改過的內容。



          解讀二:新版《規定》到底支持哪些UWB信道?


          UWB作為一種無線通信技術,其信道定義通常采用IEEE 802.15.4協議對UWB技術物理層的定義。根據這一定義,UWB信道通常包括信道1到信道15,覆蓋的中心頻率范圍大致從約3.5GHz到約9.5GHz。每個UWB信道的信號帶寬不盡相同,大多數信道的信號帶寬約為500MHz,而信道4、信道7、信道11和信道15則屬于大帶寬模式,分別支持1331MHz、1082MHz、1331MHz和1355MHz的帶寬。新版《規定》明確支持使用信道8、9、10和11,其中信道11是帶寬為1331MHz的大帶寬模式。


          圖2展示了UWB國家標準在各個階段對UWB信道的支持情況。2008年版的規定原則上可以支持從信道5到信道11的7個信道,但由于當時UWB技術與設備尚未普及,實際上沒有太多產品使用這些頻段。在某些工業應用中,例如煤礦巷道內的人員設備監測等,通信定位往往在相對封閉的特殊區域進行,這些場景多使用信道2,且發射功率限值并未完全符合當時的管理規定。


          干貨!UWB新國標深度解讀 | 大帶寬模式是國產化突圍的關鍵

          圖2   UWB國家標準支持信道情況及演進歷程


          新版《規定》對UWB信道的支持進行了篩選,在滿足發射功率譜密度限制的情況下,支持8、9、10和11這4個UWB信道。值得注意的是,在新版《規定》的制定過程中,對是否支持大帶寬模式(信道11)進行了多次探討,也是標準迭代過程中的關鍵焦點。從表中可以看出,2023年8月WTO征求意見稿中增加了650MHz的UWB帶寬上限這一限制,禁止了信道11在中國的使用。然而,2024年新版《規定》一錘定音,最終明確支持信道11的大帶寬模式。


          圖3則描述了新版《規定》的UWB發射功率譜密度限值與IEEE 802.15.4協議族定義的UWB信道功率譜掩膜的對比。從圖中可以看出,新版《規定》完全支持了信道8、9、10和11在UWB帶內(-10dB帶寬)的頻譜使用,但在發射帶外對發射功率譜密度進行了相對更嚴格的限制。這也提出了更高的射頻技術要求,適用于即將進入中國市場的UWB設備。


          干貨!UWB新國標深度解讀 | 大帶寬模式是國產化突圍的關鍵

          圖3    新版《規定》UWB發射功率譜密度限值與IEEE 802.15.4協議族定義的UWB信道功率譜掩膜對比



          解讀三:新版《規定》對UWB技術是限制?還是鼓勵?


          目前,業內對工信部發布的新版《規定》存在一些誤解的聲音,認為新的國家標準限制了UWB技術的使用范圍,從而阻礙了其發展。產生這種誤解的部分原因在于,目前市場上一些UWB設備或產品僅支持信道5(中心頻率約6.5GHz),因此在2025年8月之后可能無法在中國市場上合規銷售,從而引發了對新版《規定》的質疑。


          事實上,明確劃分并高效利用珍貴的頻譜資源,是對技術和市場負責的舉措。隨著5G/6G技術的不斷發展,中頻段的頻譜資源已成為5G/6G系統中稀缺的“黃金資源”。我國在《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》(2023年版)中首次將6425~7125MHz頻段劃分用于5G/6G系統。由于新引入的5G/6G系統與現有UWB設備之間難以實現同頻兼容,因此需要對UWB設備的使用頻率進行相應調整,以便更好地協調5G/6G和UWB等相關無線電應用的發展。


          另一方面,盡管新版《規定》相較2008年的版本,在表面上看似減少了對UWB信道的支持,但目前市場上絕大多數UWB產品和設備只支持信道5或信道9,并沒有充分利用其他UWB可用信道頻率。對于新版《規定》明確支持的信道8、10和11,目前市場上尚缺乏相關的產品和應用來充分利用這些頻段。因此,新版《規定》著眼于后續發展的需求,為UWB技術的升級和應用推廣提供了廣闊的市場空間,同時也為相關政策提供了有力的依據。對于中國廣大應用方案商和芯片廠商而言是重大利好,意味著新的機會和藍海市場。



          解讀四:新版《規定》為何旗幟鮮明地支持UWB大帶寬模式?


          在新版《規定》出臺過程中,UWB頻率使用范圍的更新始終是業界關注的焦點問題。最終版的《規定》相比于2023年1月征求意見稿,適當放寬了頻率使用范圍,并且去掉了2023年8月WTO征求意見稿中對650MHz帶寬的上限限制。在最終發布的新版管理規定中,保留了信道11這個大帶寬模式選項,從多個方面考慮,這樣的選擇具有積極意義。


          1. 1.大帶寬模式可以帶來顯著的性能提升


          理論研究表明,增加UWB信號帶寬能夠顯著提高測距精度。UWB技術的測距原理基于測量脈沖信號的飛行時間。較窄的脈沖信號有利于精確測量信號之間的時間信息,而這意味著更大的信號帶寬(圖4)。


          實際測試顯示,使用大帶寬模式(如信道11)可以將定位精度從大于3厘米提升到1厘米以內。這種顯著提升完全符合國家信息產業發展需求,并得到了多家知名頭部客戶的認可,在多個新產品和新場景中得到廣泛應用。除了測距定位,UWB技術的另一個主要應用是雷達感知功能。目前,這項功能已經在以汽車電子為代表的應用場景中呈現爆發式增長。增大UWB信號帶寬可以顯著提升其雷達感知功能。當UWB脈沖具有更大的帶寬時,其脈沖寬度會更窄。雷達工作時,發射波泄漏與物體反射回波在時間上的重疊變少,因此可以提高脈沖的時間分辨能力,從而減小了雷達盲區。另一方面,使用大帶寬模式可以提高雷達的抗干擾能力, 因為UWB雷達發射脈沖寬度變小,則發射持續時間變短,可以有效降低碰撞的概率。無論是測距定位還是雷達功能,大帶寬模式都能夠提高系統的信噪比。根據新版《規定》,UWB發射時的等效全向輻射功率譜密度為-41dBm/MHz。隨著帶寬增大,單位時間內允許的發射信號總能量也相應提高。例如,1331MHz大帶寬UWB信號,其最大合規發射功率是500MHz帶寬UWB信號的2.6倍(提高4.3dB),這將大大提高通信或雷達的覆蓋距離。


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          圖4   大帶寬UWB信號具有更窄的脈沖可以提高測距精度


          值得一提的是,大帶寬信道11的中心頻率與信道9完全重合(約8GHz),調制與編碼方式也完全一致。因此在應用端,使用信道11的UWB設備可以和使用信道9的UWB設備互聯互通互操作。這非常有助于應用方案升級,用戶可根據產品需求靈活選取UWB硬件設備。盡管大帶寬模式對芯片設計帶來了挑戰,但通過可重構化的架構與核心模塊復用的設計方法,實踐證明,支持信道11并未明顯增加芯片面積和功耗,設計的收益遠遠大于設計成本。下圖總結了使用大帶寬信道11和使用500MHz帶寬的系統性能對比。

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          圖5   大帶寬模式相比500MHz帶寬模式帶來的性能提升


          1. 2.大帶寬模式為發揮國產芯片性能優勢提供了空間


          目前,雖然國際UWB標準協議及主要國家和地區的管制規范中沒有規定UWB帶寬上限,但國際競品中少有產品支持大帶寬模式。這是因為支持大帶寬模式的情況下,在芯片設計和方案開發上存在較大技術挑戰。即便是國外主流的UWB芯片廠商,其產品基本只支持500MHz的UWB信道(如信道9),并不支持信道11的大帶寬模式。另一方面,隨著UWB技術標準的不斷完善,國內外芯片技術之間的代際差異并不明顯,這為國產芯片在本土市場立足提供了機遇,有機會實現彎道超車。令人振奮的是,以紐瑞芯科技為代表的國產芯片團隊在這一領域取得了重大突破,成功研發出支持大帶寬模式的UWB定位通信芯片,其測距精度和測角精度(AoA)已經達到遠遠小于1厘米和遠遠小于1度的高精度性能。圖6展示了國內外具有代表意義的UWB芯片對于支持信道情況的對比,其中國產紐瑞芯科技的UWB系列芯片全線支持新版《規定》中的大帶寬信道11。這足以說明,立足于中國市場,尊重中國客戶,走自主創新之路,以紐瑞芯科技為代表的國產芯片團隊具備了與歐美芯片直接競爭的實力,并且能夠在一些關鍵性能參數上超越國際競品,做出中國特色。


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          圖6   國內外代表性UWB芯片支持信道參數對比


          1. 3.大帶寬模式為發揮國產UWB方案優勢提供了空間


          隨著我國無線通信事業的高速發展,UWB技術在國內市場前景廣闊。國內主要頭部方案商和設備商,包括手機終端、汽車電子、物聯網等多個領域,開始充分利用大帶寬模式帶來的性能優勢和應用潛力,不斷提高產品的國際競爭力。這些企業立足中國市場,利用UWB超高精度定位測距和雷達感知帶來的新場景和新應用,為消費者提供更為豐富的用戶體驗。



          解讀五:為什么說新版《規定》“立足中國,引領世界”?UWB技術作為當下備受矚目的無線通信技術之一,各國紛紛出臺相應的發射管制標準。圖7對主要國家和地區標準支持的UWB信道進行了對比,顯示美國FCC標準限制最少,而歐洲和日本標準則對UWB頻率使用有不同程度的限制??梢钥吹?,信道9、10和11作為所有標準均支持的信道,將成為國際上UWB產品的主流。


          干貨!UWB新國標深度解讀 | 大帶寬模式是國產化突圍的關鍵

          圖7   主要國家和地區對UWB信道的支持對比


          同時,回顧我國工業和信息化部新版《規定》的演進歷程,可以看出中國的標準充分考慮了中國市場和用戶的實際需求。一方面,考慮到與5G/6G通信的未來共存發展,新版《規定》避開了7GHz以內較為擁擠的頻段。另一方面,為了保障UWB技術的充分發展,特別開放了從7163到8812MHz近1.6GHz的一整段連續頻段。這種合理的頻率資源配置能夠為UWB應用提供充足的發展空間。尤其是對大帶寬的支持,突顯了中國應用方案商和芯片供應商在UWB技術上開始具備與國外優勢方案與芯片直接競爭的實力。如今,中國已經是全球規模最大的移動通信市場,國內的需求也在很大程度上代表著全球的需求?;仡櫼酝亩叹嚯x無線通信技術,如藍牙、WiFi等,其應用設備與芯片的規格往往先滿足歐美等發達國家的需求,之后再普及到全球市場。而UWB技術有望扭轉這一發展路徑,很可能會在中國催生新的生態鏈,進而引領全球市場。因此,在這樣的發展趨勢下,應用設備與芯片的規格需要優先考慮中國客戶的需求。同時,一流的企業引領標準,中國的芯片公司和方案公司也能在這個新興賽道上,一改以往跟隨國外公司腳步的局面,肩負起引領技術發展的責任。盡管在新版《規定》的要求下,一些現有的UWB設備不得不進行更新換代和技術升級,但優秀的標準總是具有前瞻性的。新版《規定》的出臺推動了UWB技術產業的升級,淘汰了落后的、不具備競爭力的設備,引領了具有中國特色的新應用和新生態。從長遠來看,這將是中國制造業升級的必經之路。


          參考文獻:

          http://www.srrc.org.cn/srrc/Upload/工信部無[2008]354關于發布超寬帶(UWB)技術頻率使用規定的通知%20.pdf 【1】

          https://www.miit.gov.cn/jgsj/wgj/gggs/art/2023/art_df8ec283689d4facba0b65c41c371bb1.html 【2】

          http://www.tbt-sps.gov.cn/tbt/1/3235920BC0EF86C2 【3】https://wap.miit.gov.cn/jgsj/wgj/wjfb/art/2024/art_a8a34b2839ab4423972f44d1987bf8b5.html 【4】


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