干货!UWB新国标深度解读 | 大带宽模式是国产化突围的关键

2024-05-13 11:29 来源:

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翘首已久的UWB新国标终于落地了,这一举措将大大加速UWB生态的繁荣发展。相较此前的蓝牙、WiFi等无线通信技术,在新国标的指引下,一个由中国培育的UWB生态链将逐渐壮大,并引领全球产业的发展,真正实现“立足中国,引领世界”的目标。

2024年4月29日,国家工业与信息化部发布了《超宽带(UWB)设备无线电管理暂行规定》(以下简称新版《规定》),正式确定了超宽带UWB无线电发射设备的射频技术要求。随着新规的发布,涉及UWB新技术与新设备的中国标准讨论终于有了明确方向!新版《规定》正式开放了7163MHz至8812MHz的频率范围用于UWB技术与设备的开发,且信号带宽不少于500MHz,主要应用于短距离高速无线数据通信、定位、测距和感知等领域。

那么,相较以往的UWB国家标准,新版《规定》进行了哪些修改和调整呢?在标准形成过程中经历了哪些探索?与国外UWB标准相比又有何创新与前瞻之处?本文将对此进行详细解读,为您展示新《规定》中所蕴含的深刻信息(文本约5千字,阅读时间约18分钟)。

解读提纲:

oUWB国家标准经历了怎样的前世今生?

o新版《规定》到底支持哪些UWB信道?

o新版《规定》对UWB技术是限制?还是鼓励?

o新版《规定》为何旗帜鲜明地支持UWB大带宽模式?

o为什么说新版《规定》“立足中国,引领世界”?

解读一:UWB国家标准经历了怎样的前世今生?

众所周知,无线通信的频谱资源是一个国家和地区最重要的战略资源之一。而一项国家标准的确定,既要基于现有技术情况,也要考虑未来的发展;既要符合国际通行规则,让产品或服务便于参与全球市场的角逐,也要考虑国内的特殊情况和需求。

历经多年发展,UWB超宽带通信定位技术已经从小众的工业应用逐渐发展成为大众消费领域的标准化平台技术,涵盖手机、汽车、物联网等领域。UWB无线通信的允许使用频段必须同时满足两方面的要求,即UWB技术行业发展需求和国家政府的频率技术规范。

国际学术委员会(例如IEEE 802.15.4标准化工作组)以及各个行业标准化协会(例如FiRa联盟,CCC车联网联盟,ICCE智慧车联产业生态联盟,ICCOA智能车联开放联盟等)对UWB技术,特别是物理层(PHY)中UWB信号的频率范围都有相应的技术标准和使用规范。但最终的发射频率范围需要符合国家标准规定。

为了更好地适应技术发展趋势和产业需求的变化,UWB国家标准先后历经数次调整。

早在2008年12月,工信部颁布了《超宽带(UWB)技术频率使用规定》【1】。然而,当时UWB技术主要局限于工业级应用,其定位测距和感知功能尚未标准化。

近年来,随着UWB等无线电技术的发展,上述规定已经不能完全适应技术与产业的发展和管理需求。因此,2023年1月,工信部发布了《超宽带(UWB)设备无线电管理规定(征求意见稿)》【2】,对UWB、发射功率以及限值等多个参数进行了调整。其中最为显著的变化是将UWB允许工作频率限制在7235MHz至8750MHz之间。

图1   UWB无线电发射设备射频技术国家标准演进历程与参数对比

2023年8月,工信部向世界贸易组织(WTO)发布了《超宽带(UWB)设备无线电管理规定》的技术性贸易壁垒通报【3】,更广泛地调研与征集国内外有关UWB技术管理的意见与反馈。这一版本在2023年1月版的征求意见稿的基础上,适当放宽了对UWB工作频率的限制,修改后的允许工作频率为7163MHz至8812MHz之间。然而,该版本引入了一个新的限制条件,即UWB信号带宽(-10dB带宽)不应超过650MHz。

经过长达一年多的意见征集与斟酌,2024年4月,工信部发布了最终版本的《超宽带(UWB)设备无线电管理暂行规定》【4】,明确删除了早前版本中关于信号带宽650MHz上限的描述。同时,UWB允许使用频率范围维持在7163MHz至8812MHz之间。新版《规定》还明确了生效时限,即从2025年8月1日起,UWB设备需遵守新版《规定》。图1展示了UWB无线电发射设备国家标准的演进历程,并对一些关键参数进行了对比,其中红色背景数据为较前一版本修改过的内容。


解读二:新版《规定》到底支持哪些UWB信道?

UWB作为一种无线通信技术,其信道定义通常采用IEEE 802.15.4协议对UWB技术物理层的定义。根据这一定义,UWB信道通常包括信道1到信道15,覆盖的中心频率范围大致从约3.5GHz到约9.5GHz。每个UWB信道的信号带宽不尽相同,大多数信道的信号带宽约为500MHz,而信道4、信道7、信道11和信道15则属于大带宽模式,分别支持1331MHz、1082MHz、1331MHz和1355MHz的带宽。新版《规定》明确支持使用信道8、9、10和11,其中信道11是带宽为1331MHz的大带宽模式。

图2展示了UWB国家标准在各个阶段对UWB信道的支持情况。2008年版的规定原则上可以支持从信道5到信道11的7个信道,但由于当时UWB技术与设备尚未普及,实际上没有太多产品使用这些频段。在某些工业应用中,例如煤矿巷道内的人员设备监测等,通信定位往往在相对封闭的特殊区域进行,这些场景多使用信道2,且发射功率限值并未完全符合当时的管理规定。

图2   UWB国家标准支持信道情况及演进历程

新版《规定》对UWB信道的支持进行了筛选,在满足发射功率谱密度限制的情况下,支持8、9、10和11这4个UWB信道。值得注意的是,在新版《规定》的制定过程中,对是否支持大带宽模式(信道11)进行了多次探讨,也是标准迭代过程中的关键焦点。从表中可以看出,2023年8月WTO征求意见稿中增加了650MHz的UWB带宽上限这一限制,禁止了信道11在中国的使用。然而,2024年新版《规定》一锤定音,最终明确支持信道11的大带宽模式。

图3则描述了新版《规定》的UWB发射功率谱密度限值与IEEE 802.15.4协议族定义的UWB信道功率谱掩膜的对比。从图中可以看出,新版《规定》完全支持了信道8、9、10和11在UWB带内(-10dB带宽)的频谱使用,但在发射带外对发射功率谱密度进行了相对更严格的限制。这也提出了更高的射频技术要求,适用于即将进入中国市场的UWB设备。

图3    新版《规定》UWB发射功率谱密度限值与IEEE 802.15.4协议族定义的UWB信道功率谱掩膜对比


解读三:新版《规定》对UWB技术是限制?还是鼓励?

目前,业内对工信部发布的新版《规定》存在一些误解的声音,认为新的国家标准限制了UWB技术的使用范围,从而阻碍了其发展。产生这种误解的部分原因在于,目前市场上一些UWB设备或产品仅支持信道5(中心频率约6.5GHz),因此在2025年8月之后可能无法在中国市场上合规销售,从而引发了对新版《规定》的质疑。

事实上,明确划分并高效利用珍贵的频谱资源,是对技术和市场负责的举措。随着5G/6G技术的不断发展,中频段的频谱资源已成为5G/6G系统中稀缺的“黄金资源”。我国在《中华人民共和国无线电频率划分规定》(2023年版)中首次将6425~7125MHz频段划分用于5G/6G系统。由于新引入的5G/6G系统与现有UWB设备之间难以实现同频兼容,因此需要对UWB设备的使用频率进行相应调整,以便更好地协调5G/6G和UWB等相关无线电应用的发展。

另一方面,尽管新版《规定》相较2008年的版本,在表面上看似减少了对UWB信道的支持,但目前市场上绝大多数UWB产品和设备只支持信道5或信道9,并没有充分利用其他UWB可用信道频率。对于新版《规定》明确支持的信道8、10和11,目前市场上尚缺乏相关的产品和应用来充分利用这些频段。因此,新版《规定》着眼于后续发展的需求,为UWB技术的升级和应用推广提供了广阔的市场空间,同时也为相关政策提供了有力的依据。对于中国广大应用方案商和芯片厂商而言是重大利好,意味着新的机会和蓝海市场。


解读四:新版《规定》为何旗帜鲜明地支持UWB大带宽模式?

在新版《规定》出台过程中,UWB频率使用范围的更新始终是业界关注的焦点问题。最终版的《规定》相比于2023年1月征求意见稿,适当放宽了频率使用范围,并且去掉了2023年8月WTO征求意见稿中对650MHz带宽的上限限制。在最终发布的新版管理规定中,保留了信道11这个大带宽模式选项,从多个方面考虑,这样的选择具有积极意义。

1. 1.大带宽模式可以带来显著的性能提升

理论研究表明,增加UWB信号带宽能够显著提高测距精度。UWB技术的测距原理基于测量脉冲信号的飞行时间。较窄的脉冲信号有利于精确测量信号之间的时间信息,而这意味着更大的信号带宽(图4)。
实际测试显示,使用大带宽模式(如信道11)可以将定位精度从大于3厘米提升到1厘米以内。这种显著提升完全符合国家信息产业发展需求,并得到了多家知名头部客户的认可,在多个新产品和新场景中得到广泛应用。除了测距定位,UWB技术的另一个主要应用是雷达感知功能。目前,这项功能已经在以汽车电子为代表的应用场景中呈现爆发式增长。增大UWB信号带宽可以显著提升其雷达感知功能。当UWB脉冲具有更大的带宽时,其脉冲宽度会更窄。雷达工作时,发射波泄漏与物体反射回波在时间上的重叠变少,因此可以提高脉冲的时间分辨能力,从而减小了雷达盲区。另一方面,使用大带宽模式可以提高雷达的抗干扰能力, 因为UWB雷达发射脉冲宽度变小,则发射持续时间变短,可以有效降低碰撞的概率。无论是测距定位还是雷达功能,大带宽模式都能够提高系统的信噪比。根据新版《规定》,UWB发射时的等效全向辐射功率谱密度为-41dBm/MHz。随着带宽增大,单位时间内允许的发射信号总能量也相应提高。例如,1331MHz大带宽UWB信号,其最大合规发射功率是500MHz带宽UWB信号的2.6倍(提高4.3dB),这将大大提高通信或雷达的覆盖距离。

图4   大带宽UWB信号具有更窄的脉冲可以提高测距精度

     值得一提的是,大带宽信道11的中心频率与信道9完全重合(约8GHz),调制与编码方式也完全一致。因此在应用端,使用信道11的UWB设备可以和使用信道9的UWB设备互联互通互操作。这非常有助于应用方案升级,用户可根据产品需求灵活选取UWB硬件设备。尽管大带宽模式对芯片设计带来了挑战,但通过可重构化的架构与核心模块复用的设计方法,实践证明,支持信道11并未明显增加芯片面积和功耗,设计的收益远远大于设计成本。下图总结了使用大带宽信道11和使用500MHz带宽的系统性能对比。

图5   大带宽模式相比500MHz带宽模式带来的性能提升

1. 2.大带宽模式为发挥国产芯片性能优势提供了空间

目前,虽然国际UWB标准协议及主要国家和地区的管制规范中没有规定UWB带宽上限,但国际竞品中少有产品支持大带宽模式。这是因为支持大带宽模式的情况下,在芯片设计和方案开发上存在较大技术挑战。即便是国外主流的UWB芯片厂商,其产品基本只支持500MHz的UWB信道(如信道9),并不支持信道11的大带宽模式。另一方面,随着UWB技术标准的不断完善,国内外芯片技术之间的代际差异并不明显,这为国产芯片在本土市场立足提供了机遇,有机会实现弯道超车。令人振奋的是,以纽瑞芯科技为代表的国产芯片团队在这一领域取得了重大突破,成功研发出支持大带宽模式的UWB定位通信芯片,其测距精度和测角精度(AoA)已经达到远远小于1厘米和远远小于1度的高精度性能。图6展示了国内外具有代表意义的UWB芯片对于支持信道情况的对比,其中国产纽瑞芯科技的UWB系列芯片全线支持新版《规定》中的大带宽信道11。这足以说明,立足于中国市场,尊重中国客户,走自主创新之路,以纽瑞芯科技为代表的国产芯片团队具备了与欧美芯片直接竞争的实力,并且能够在一些关键性能参数上超越国际竞品,做出中国特色。

图6   国内外代表性UWB芯片支持信道参数对比

1. 3.大带宽模式为发挥国产UWB方案优势提供了空间

随着我国无线通信事业的高速发展,UWB技术在国内市场前景广阔。国内主要头部方案商和设备商,包括手机终端、汽车电子、物联网等多个领域,开始充分利用大带宽模式带来的性能优势和应用潜力,不断提高产品的国际竞争力。这些企业立足中国市场,利用UWB超高精度定位测距和雷达感知带来的新场景和新应用,为消费者提供更为丰富的用户体验。


解读五:为什么说新版《规定》“立足中国,引领世界”?UWB技术作为当下备受瞩目的无线通信技术之一,各国纷纷出台相应的发射管制标准。图7对主要国家和地区标准支持的UWB信道进行了对比,显示美国FCC标准限制最少,而欧洲和日本标准则对UWB频率使用有不同程度的限制。可以看到,信道9、10和11作为所有标准均支持的信道,将成为国际上UWB产品的主流。

图7   主要国家和地区对UWB信道的支持对比

     同时,回顾我国工业和信息化部新版《规定》的演进历程,可以看出中国的标准充分考虑了中国市场和用户的实际需求。一方面,考虑到与5G/6G通信的未来共存发展,新版《规定》避开了7GHz以内较为拥挤的频段。另一方面,为了保障UWB技术的充分发展,特别开放了从7163到8812MHz近1.6GHz的一整段连续频段。这种合理的频率资源配置能够为UWB应用提供充足的发展空间。尤其是对大带宽的支持,突显了中国应用方案商和芯片供应商在UWB技术上开始具备与国外优势方案与芯片直接竞争的实力。如今,中国已经是全球规模最大的移动通信市场,国内的需求也在很大程度上代表着全球的需求。回顾以往的短距离无线通信技术,如蓝牙、WiFi等,其应用设备与芯片的规格往往先满足欧美等发达国家的需求,之后再普及到全球市场。而UWB技术有望扭转这一发展路径,很可能会在中国催生新的生态链,进而引领全球市场。因此,在这样的发展趋势下,应用设备与芯片的规格需要优先考虑中国客户的需求。同时,一流的企业引领标准,中国的芯片公司和方案公司也能在这个新兴赛道上,一改以往跟随国外公司脚步的局面,肩负起引领技术发展的责任。尽管在新版《规定》的要求下,一些现有的UWB设备不得不进行更新换代和技术升级,但优秀的标准总是具有前瞻性的。新版《规定》的出台推动了UWB技术产业的升级,淘汰了落后的、不具备竞争力的设备,引领了具有中国特色的新应用和新生态。从长远来看,这将是中国制造业升级的必经之路。

参考文献:

http://www.srrc.org.cn/srrc/Upload/工信部无[2008]354关于发布超宽带(UWB)技术频率使用规定的通知%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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