幹貨!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新國標終於落地了,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,並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新國標終於落地了,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,並引領全球產業的發展,真正實現“立足中國,引領世界”的目標。

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於有了明確方向!新版《規定》正式開放了7163MHz至8812MHz的頻率範圍用於UWB技術與設備的開發,且信號帶寬不少於500MHz,主要應用於短距離高速無線數據通信、定位、測距和感知等領域。
那麼,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曆了哪些探索?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分鍾)。
解讀提綱:
oUWB國家標準經曆了怎樣的前世今生?
o新版《規定》到底支持哪些UWB信道?
o新版《規定》對UWB技術是限製?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為什麼說新版《規定》“立足中國,引領世界”?
解讀一:UWB國家標準經曆了怎樣的前世今生?
眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi),無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)的(de)頻(pin)譜(pu)資(zi)源(yuan)是(shi)一(yi)個(ge)國(guo)家(jia)和(he)地(di)區(qu)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)戰(zhan)略(lve)資(zi)源(yuan)之(zhi)一(yi)。而(er)一(yi)項(xiang)國(guo)家(jia)標(biao)準(zhun)的(de)確(que)定(ding),既(ji)要(yao)基(ji)於(yu)現(xian)有(you)技(ji)術(shu)情(qing)況(kuang),也(ye)要(yao)考(kao)慮(lv)未(wei)來(lai)的(de)發(fa)展(zhan);既要符合國際通行規則,讓產品或服務便於參與全球市場的角逐,也要考慮國內的特殊情況和需求。
曆經多年發展,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台技術,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麵的要求,即UWB技術行業發展需求和國家政府的頻率技術規範。
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信號的頻率範圍都有相應的技術標準和使用規範。但最終的發射頻率範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國家標準先後曆經數次調整。
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技術主要局限於工業級應用,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允許工作頻率限製在7235MHz至8750MHz之間。

圖1 UWB無線電發射設備射頻技術國家標準演進曆程與參數對比
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工作頻率的限製,修改後的允許工作頻率為7163MHz至8812MHz之間。然而,該版本引入了一個新的限製條件,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於信號帶寬650MHz上限的描述。同時,UWB允許使用頻率範圍維持在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曆程,並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,覆蓋的中心頻率範圍大致從約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則屬於大帶寬模式,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,但由於當時UWBjishuyushebeishangweipuji,shijishangmeiyoutaiduochanpinshiyongzhexiepinduan。zaimouxiegongyeyingyongzhong,lirumeikuangxiangdaoneiderenyuanshebeijiancedeng,tongxindingweiwangwangzaixiangduifengbideteshuquyujinxing,zhexiechangjingduoshiyongxindao2,且發射功率限值並未完全符合當時的管理規定。

圖2 UWB國家標準支持信道情況及演進曆程
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製的情況下,支持8、9、10和11這4個UWB信道。值得注意的是,在新版《規定》的製定過程中,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帶寬上限這一限製,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製。這也提出了更高的射頻技術要求,適用於即將進入中國市場的UWB設備。

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技術是限製?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製了UWB技術的使用範圍,從而阻礙了其發展。產生這種誤解的部分原因在於,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月之後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,明確劃分並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係統中稀缺的“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頻段劃分用於5G/6G係統。由於新引入的5G/6G係統與現有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。
另一方麵,盡管新版《規定》相較2008年的版本,在表麵上看似減少了對UWB信道的支持,但目前市場上絕大多數UWB產品和設備隻支持信道5或信道9,並沒有充分利用其他UWB可用信道頻率。對於新版《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》著眼於後續發展的需求,為UWB技(ji)術(shu)的(de)升(sheng)級(ji)和(he)應(ying)用(yong)推(tui)廣(guang)提(ti)供(gong)了(le)廣(guang)闊(kuo)的(de)市(shi)場(chang)空(kong)間(jian),同(tong)時(shi)也(ye)為(wei)相(xiang)關(guan)政(zheng)策(ce)提(ti)供(gong)了(le)有(you)力(li)的(de)依(yi)據(ju)。對(dui)於(yu)中(zhong)國(guo)廣(guang)大(da)應(ying)用(yong)方(fang)案(an)商(shang)和(he)芯(xin)片(pian)廠(chang)商(shang)而(er)言(yan)是(shi)重(zhong)大(da)利(li)好(hao),意(yi)味(wei)著(zhe)新(xin)的(de)機(ji)會(hui)和(he)藍(lan)海(hai)市(shi)場(chang)。
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》出台過程中,UWB頻率使用範圍的更新始終是業界關注的焦點問題。最終版的《規定》相比於2023年1月征求意見稿,適當放寬了頻率使用範圍,並且去掉了2023年8月WTO征求意見稿中對650MHz帶寬的上限限製。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,從多個方麵考慮,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技術的測距原理基於測量脈衝信號的飛行時間。較窄的脈衝信號有利於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於3厘米提升到1厘(li)米(mi)以(yi)內(nei)。這(zhe)種(zhong)顯(xian)著(zhu)提(ti)升(sheng)完(wan)全(quan)符(fu)合(he)國(guo)家(jia)信(xin)息(xi)產(chan)業(ye)發(fa)展(zhan)需(xu)求(qiu),並(bing)得(de)到(dao)了(le)多(duo)家(jia)知(zhi)名(ming)頭(tou)部(bu)客(ke)戶(hu)的(de)認(ren)可(ke),在(zai)多(duo)個(ge)新(xin)產(chan)品(pin)和(he)新(xin)場(chang)景(jing)中(zhong)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。除(chu)了(le)測(ce)距(ju)定(ding)位(wei),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UWBmaichongjuyougengdadedaikuanshi,qimaichongkuanduhuigengzhai。leidagongzuoshi,fasheboxielouyuwutifanshehuibozaishijianshangdezhongdiebianshao,yincikeyitigaomaichongdeshijianfenbiannengli,congerjianxiaoleleidamangqu。lingyifangmian,shiyongdadaikuanmoshikeyitigaoleidadekangganraonengli, 因為UWB雷(lei)達(da)發(fa)射(she)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)變(bian)小(xiao),則(ze)發(fa)射(she)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)變(bian)短(duan),可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)碰(peng)撞(zhuang)的(de)概(gai)率(lv)。無(wu)論(lun)是(shi)測(ce)距(ju)定(ding)位(wei)還(hai)是(shi)雷(lei)達(da)功(gong)能(neng),大(da)帶(dai)寬(kuan)模(mo)式(shi)都(dou)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)信(xin)噪(zao)比(bi)。根(gen)據(ju)新(xin)版(ban)《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。

圖4 大帶寬UWB信號具有更窄的脈衝可以提高測距精度
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),調製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。這非常有助於應用方案升級,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複用的設計方法,實踐證明,支持信道11並未明顯增加芯片麵積和功耗,設計的收益遠遠大於設計成本。下圖總結了使用大帶寬信道11和使用500MHz帶寬的係統性能對比。

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製規範中沒有規定UWB帶(dai)寬(kuan)上(shang)限(xian),但(dan)國(guo)際(ji)競(jing)品(pin)中(zhong)少(shao)有(you)產(chan)品(pin)支(zhi)持(chi)大(da)帶(dai)寬(kuan)模(mo)式(shi)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)支(zhi)持(chi)大(da)帶(dai)寬(kuan)模(mo)式(shi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),在(zai)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)和(he)方(fang)案(an)開(kai)發(fa)上(shang)存(cun)在(zai)較(jiao)大(da)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)。即(ji)便(bian)是(shi)國(guo)外(wai)主(zhu)流(liu)的(de)UWB芯片廠商,其產品基本隻支持500MHz的UWB信道(如信道9),並不支持信道11的大帶寬模式。另一方麵,隨著UWB技ji術shu標biao準zhun的de不bu斷duan完wan善shan,國guo內nei外wai芯xin片pian技ji術shu之zhi間jian的de代dai際ji差cha異yi並bing不bu明ming顯xian,這zhe為wei國guo產chan芯xin片pian在zai本ben土tu市shi場chang立li足zu提ti供gong了le機ji遇yu,有you機ji會hui實shi現xian彎wan道dao超chao車che。令ling人ren振zhen奮fen的de是shi,以yi紐niu瑞rui芯xin科ke技ji為wei代dai表biao的de國guo產chan芯xin片pian團tuan隊dui在zai這zhe一yi領ling域yu取qu得de了le重zhong大da突tu破po,成cheng功gong研yan發fa出chu支zhi持chi大da帶dai寬kuan模mo式shi的deUWB定位通信芯片,其測距精度和測角精度(AoA)已經達到遠遠小於1厘米和遠遠小於1度的高精度性能。圖6展示了國內外具有代表意義的UWB芯片對於支持信道情況的對比,其中國產紐瑞芯科技的UWB係列芯片全線支持新版《規定》中的大帶寬信道11。這zhe足zu以yi說shuo明ming,立li足zu於yu中zhong國guo市shi場chang,尊zun重zhong中zhong國guo客ke戶hu,走zou自zi主zhu創chuang新xin之zhi路lu,以yi紐niu瑞rui芯xin科ke技ji為wei代dai表biao的de國guo產chan芯xin片pian團tuan隊dui具ju備bei了le與yu歐ou美mei芯xin片pian直zhi接jie競jing爭zheng的de實shi力li,並bing且qie能neng夠gou在zai一yi些xie關guan鍵jian性xing能neng參can數shu上shang超chao越yue國guo際ji競jing品pin,做zuo出chu中zhong國guo特te色se。

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:為什麼說新版《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,各國紛紛出台相應的發射管製標準。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標準限製最少,而歐洲和日本標準則對UWB頻率使用有不同程度的限製。可以看到,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。

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》的演進曆程,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。一方麵,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。另一方麵,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ji術shu上shang開kai始shi具ju備bei與yu國guo外wai優you勢shi方fang案an與yu芯xin片pian直zhi接jie競jing爭zheng的de實shi力li。如ru今jin,中zhong國guo已yi經jing是shi全quan球qiu規gui模mo最zui大da的de移yi動dong通tong信xin市shi場chang,國guo內nei的de需xu求qiu也ye在zai很hen大da程cheng度du上shang代dai表biao著zhe全quan球qiu的de需xu求qiu。回hui顧gu以yi往wang的de短duan距ju離li無wu線xian通tong信xin技ji術shu,如ru藍lan牙ya、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,之後再普及到全球市場。而UWB技(ji)術(shu)有(you)望(wang)扭(niu)轉(zhuan)這(zhe)一(yi)發(fa)展(zhan)路(lu)徑(jing),很(hen)可(ke)能(neng)會(hui)在(zai)中(zhong)國(guo)催(cui)生(sheng)新(xin)的(de)生(sheng)態(tai)鏈(lian),進(jin)而(er)引(yin)領(ling)全(quan)球(qiu)市(shi)場(chang)。因(yin)此(ci),在(zai)這(zhe)樣(yang)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)下(xia),應(ying)用(yong)設(she)備(bei)與(yu)芯(xin)片(pian)的(de)規(gui)格(ge)需(xu)要(yao)優(you)先(xian)考(kao)慮(lv)中(zhong)國(guo)客(ke)戶(hu)的(de)需(xu)求(qiu)。同(tong)時(shi),一(yi)流(liu)的(de)企(qi)業(ye)引(yin)領(ling)標(biao)準(zhun),中(zhong)國(guo)的(de)芯(xin)片(pian)公(gong)司(si)和(he)方(fang)案(an)公(gong)司(si)也(ye)能(neng)在(zai)這(zhe)個(ge)新(xin)興(xing)賽(sai)道(dao)上(shang),一(yi)改(gai)以(yi)往(wang)跟(gen)隨(sui)國(guo)外(wai)公(gong)司(si)腳(jiao)步(bu)的(de)局(ju)麵(mian),肩(jian)負(fu)起(qi)引(yin)領(ling)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)責(ze)任(ren)。盡(jin)管(guan)在(zai)新(xin)版(ban)《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》的出台推動了UWB技術產業的升級,淘汰了落後的、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,這將是中國製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關於發布超寬帶(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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