超寬頻(UWB)技術以其精準測距、高度安全性和無縫用戶體驗，重新定義了存取控制技術。產業間的協作和標準化對UWB技術的發展至關重要，推動了其在各領域的部署。
超寬頻(UWB)技術憑藉其超越現有解決方案的精準測距能力、高度安全性和無縫用戶體驗，重新定義了存取控制這一技術領域。本文將探討UWB的技術優勢、實施挑戰，及其在諸如Aliro等新興標準中所扮演的角色——這些標準使設備與環境之間實現安全和意圖感知型訪問體驗。隨著UWB的日益普及和持續創新，它正在塑造智慧、可靠且節能的未來存取控制系統。
UWB技術正迅速重塑安全、可靠且便捷的存取控制應用。最初，UWB技術因蘋果AirTags和汽車數位鑰匙系統等應用而廣為人知，如今，它在住宅、商業和企業環境中也正蓬勃發展。本文將深入探討UWB如何憑藉高精度測距、抗中繼攻擊安全性，以及無需手動干預的無縫用戶體驗，成為傳統藍牙和近場通訊(NFC)系統更適合的替代方案。
本文將深入了解UWB技術的基本原理、相較于現有存取控制解決方案的優勢，以及它在諸如Aliro等新興標準中的作用。此外，還將分析在實際門鎖應用中實施UWB時的關鍵技術考量。最後，會展望UWB如何向邏輯存取控制和物聯網(IoT)整合領域拓展，為構建下一代智慧、安全的環境奠定基礎。
傳統存取控制系統的挑戰
傳統存取控制系統大多採用低功耗藍牙(BLE)技術，極易受到訊號欺騙和中繼攻擊等威脅。儘管近場通信NFC技術安全性較高，但它無法提供與指紋識別或影像識別類似的免手動或無縫體驗。除此之外，基於低功耗藍牙的解決方案常常存在連接可靠性不穩定、解鎖延遲，以及頻繁依賴鑰匙卡或密碼等手動干預的問題。例如，亞洲的某公寓社區就曾出現重大安全隱患；只要註冊手機靠近，門就會自動打開，無意間向未經授權的人員暴露安全性漏洞。
為應對這些技術挑戰，存取控制解決方案製造商開始轉向UWB技術。
超寬頻技術
目前，許多人對UWB的認識來自於用AirTag定位物品，以及車用數位鑰匙存取控制。UWB技術最初主要用於軍事領域，在21世紀初首次實現商業化；並隨著內建U1晶片的蘋果iPhone 11手機發表而獲得大規模市場應用。如今它已嵌入智慧手機、汽車和眾多物聯網設備中。
UWB專門設計用於實現精準、安全、即時的位置、距離與方向測量。它透過極短的脈衝訊號(約2奈秒)傳輸資料；訊號橫跨3.1~10.6GHz頻率範圍內寬達500MHz的通道頻寬。UWB技術透過飛時測距技術(ToF，即設備間脈衝的往返時間)在較遠距離內實現釐米級精度的物體追蹤，如圖1所示。
圖1 UWB飛行時間技術用於測量兩台設備之間的距離
與傳統的調幅(AM)或調頻(FM)訊號不同，UWB採用基於脈衝的訊號傳輸方式，啟動更快，上升和下降時間顯著更短。得益於其寬頻帶特性，UWB天然具備抗多路徑效應的能力，同時其脈衝特性使它能夠在極低的功率水準下運行； 透過將發射功率控制在底噪以下，可大幅減少干擾。使得訊號到達時間的測量更為精準，增強了系統對多路徑效應和干擾的抵抗能力。UWB訊號以極低的功率水準(-41.3dBm/MHz)運行，對於像低功耗藍牙和Wi-Fi這樣的窄頻技術而言，UWB訊號如同雜訊一般。
UWB支援多種部署拓撲結構，例如雙向測距(TWR)、到達時間差(TDoA)和到達相位差(PDoA)；而在功耗、可擴展性和成本方面帶來靈活性。此外，UWB 測距既可以在成對設備之間實現，也能在數千台設備之間進行，甚至無需固定的錨點基礎設施。
UWB安全性
安全性是UWB的一大顯著優勢，在基於UWB的門鎖存取控制應用中，它能夠提供強大的保護，抵禦攔截或中繼攻擊，並具備抗干擾能力。如圖2所示，IEEE 802.15.4z HRP UWB PHY在資料包中添加了一個加擾時間戳記序列(STS)欄位。該STS欄位由一組偽隨機二進位相移鍵控(BPSK)調製的脈衝組成。
圖2 UWB脈衝無線電系統回應及閘鎖控制時序
由於加密金鑰和亂數隨PHY資料包一同發送，因此資料無法被訪問或預測， 有效防範了篡改距離測量結果和資料內容的攻擊行為。BPSK調製序列的偽隨機性由加密安全的偽亂數產生器來保證。由於序列具有偽隨機性，不存在週期性，因此接收器能夠生成可靠、準確且無偽影訊號的通道延遲估計值。一旦完成身份驗證，系統會啟動UWB收發器，並為每個設備分配一個特定的STS 訊號傳輸時間，決定測距和定位的準確性。
整個過程以低功耗藍牙作為起點；當用戶靠近門時，低功耗藍牙負責喚醒和初始化流程。一旦用戶進入預設的距離範圍內，UWB技術便接管後續操作，執行安全身份認證序列，最終實現門鎖的開啟。
不僅如此，除精準測距功能外，UWB 是一種高效的雷達系統。透過分析反射雷達幀的CIR，UWB雷達能夠檢測人員存在、手勢動作或生命體徵。UWB感測的工作原理是發射雷達脈衝並捕獲反射訊號。這些以CIR形式呈現的反射訊號會運用先進的雷達演算法進行分析，以檢測運動狀態並估算距離和位置。
存取控制的新紀元
憑藉在安全性、互通性和便捷性方面的特點，UWB技術自然成為各市場領域(包括存取控制應用)的理想選擇。尤其在住宅門禁市場，UWB應用正在迅速普及。蘋果(Apple)和三星(Samsung)等大廠已在其智慧手機錢包應用中整合對UWB 門鎖的支援，提升UWB技術的採用。
目前，家庭門禁系統採用多種標準， 如Wi-Fi、Thread、藍牙，如今又新增了Aliro。Aliro由連接標準聯盟(CSA)推出，得到了蘋果Apple、谷歌(Google)、三星Samsung、Assa Abloy/HID、Legrand 和Allegion等廠商的支持。Qorvo、恩智浦(NXP)、北歐半導體(Nordic)和意法半導體(ST Microelectronics)等半導體公司也支持這一新標準。值得注意的是， CSA還定義Matter為統一智慧家庭設備多樣化世界的可靠、安全解決方案。因此，Aliro與Matter被設計為天然相容， 為家庭自動化搭建即時且完整的框架。
Aliro 1.0版本計畫於2025年發布；它提供標準化的憑證和通訊協議，確保智慧手機、可穿戴設備及其它相容設備間實現安全、便捷且一致的應用。該協議旨在透過提供安全性、隱私保護和互通性，簡化並提升用戶體驗，無論使用何種硬體或作業系統。最終，Aliro將使使用者能夠用行動裝置或可穿戴設備替代實體鑰匙，簡化住宅及商業樓宇的門禁控制。
Aliro透過其安全的UWB測距功能，為用戶帶來更好的體驗和諸多益處。支援Aliro的智慧門鎖還相容NFC和藍牙，便於與尚未配備UWB的現有門鎖系統相容。儘管在認證程式等高層協定方面，車聯網聯盟(CCC)的數位鑰匙(Digital Key)和Aliro存在細微差異，但它們的UWB(PHY/ MAC)作動方式仍保持高度一致。二者的細微差別在於，Aliro可在單個測距塊中執行多個測距輪次，這有助於判斷用戶位置(門內或閘外)，並支援高級意圖檢測演算法。這些智慧演算法還能利用UWB晶片的特性，如到達角(AoA)檢測——該技術使用多個天線確定UWB訊號的方向， 以實現精準定位與追蹤。
門鎖系統工程考量
儘管UWB技術在智慧門鎖等存取控制應用中具有明顯優勢，但要實現其高效部署，仍需克服若干技術挑戰。工程人員必須仔細考慮天線設計、干擾管理和訊號優化等因素，尤其是這些系統通常運行於緊湊且金屬密集的環境中。以下章節概述了在實際門鎖應用中實現可靠UWB性能所需的關鍵設計考量因素與工程策略。儘管UWB技術非常適合門鎖等存取控制系統，但工程人員在應用和系統設計中仍需注意相關挑戰。
天線整合
在門鎖內部設計並整合一款能有效工作的天線是一項重大挑戰。門鎖通常由金屬製成，這可能會干擾RF訊號的傳輸，因此天線的精確放置與設計十分重要。在如此緊湊且金屬含量高的環境中實現可靠性能，需要精心的工程設計與優化。此外，天線必須能夠在各種門體材料(包括木材、金屬和塑膠)上保持一致的性能，因為每種材料對RF訊號的影響各不相同；材料的差異會顯著影響訊號強度和使用者體驗，所以天線的調校與適應性是成功設計的關鍵所在。
干擾抑制
室內環境布滿障礙物，RF訊號的傳輸頗具挑戰；當然，這對於UWB技術並無大礙。得益於其強大的抗干擾能力， UWB雷達即使在多路徑效應嚴重且存在多種無線電訊號的複雜環境中也能可靠運行——這些情況常對其它傳感技術構成挑戰。
在門鎖應用場景中，分集天線設計在應對多路徑效應方面發揮著核心作用。它透過利用空間、時間或頻率分集來增強訊號的可靠性；其核心概念是從不同位置、時間或頻率通道接收同一訊號的多個副本。由於這些訊號從不同天線出發，經過不同路徑傳播，可能會經歷不同程度的衰減和干擾。由於這些變化通常是獨立或弱相關的，智慧地組合這些訊號可以減少衰減造成的整體影響。因此，分集天線接收設計技術有助於在動態或移動環境中穩定訊號品質；使得接收器能夠提取最強的訊號，顯著提高抗干擾能力和整體通訊性能。
多天線技術是提升系統性能的一種成熟方法。在接收端，多個天線透過從傳播環境中捕獲更多能量來提供額外的增益。在發射端，空間複用允許傳輸獨立的資料流程，以提高輸送量和頻譜效率。
誤觸發與室內/室外檢測
UWB工程師可以利用Qorvo的專利智慧演算法，搭配Qorvo感測硬體來加速產品上市時間並提升使用者體驗。這些演算法能夠準確判斷使用者是在室內還是室外，並評估其真實的開門或鎖門意圖。例如，系統能夠區分某人是靠近門準備進門，還是只是路過門口。此類高階演算法在家居安全領域發揮著關鍵作用，為安全、可靠和信任奠定了基礎。Qorvo的創新解決方案整合了硬體與軟體元件，以確保室內/室外檢測，有效消除誤觸發情況。憑藉用戶意圖識別精度，讓屋主在任何條件下都能完全信任其門禁控制系統的可靠性。
功耗
UWB技術相較其它門禁控制系統解決方案具有低功耗優勢。沒有人希望每個月或每隔幾個月就要更換一次門鎖電池；這顯然非常不方便。使用UWB 技術，用戶可以減少更換門鎖電池的頻率，將維護週期延長至數年而非數月。
解決這些挑戰對於發揮UWB在安全、回應迅速門禁系統中的潛力舉足輕重。透過天線整合、多天線配置、面向意圖識別的智慧演算法以及低功耗設計，工程人員可以設計出高精度、高可靠性的智慧門鎖。隨著UWB在智慧家庭和物聯網領域的普及，RF設計的持續創新和系統優化將是確保無縫用戶體驗與可擴展部署的關鍵。
UWB存取控制應用展望
隨著UWB技術的日益成熟，其在各產業中的作用正迅速演變。UWB最初作為一項用於精準測距和定位的技術問世；如今，憑藉其準確性、安全性和穩定性，UWB已成為下一代無線應用的前瞻技術。接下來的內容將探討塑造UWB未來的關鍵趨勢、整合機會和技術進步；包括在消費電子、工業環境和汽車領域的持續拓展，以及與物聯網和邏輯拜訪系統的深度整合。
圖3 UWB雷達發射並同時接收多路徑訊號反射
普及趨勢
UWB技術的普及正在加速，尤其是在智慧手機和汽車系統中。這一趨勢推動著UWB應用在住宅和商業環境中實現同步成長。在智慧手機領域，UWB實現了設備間的精準定位、室內導航、無鑰匙門禁，以及強化的防盜系統。隨著消費者對這些功能日漸熟悉，對智慧家庭(如安全門鎖和資產追蹤)和商業建築(如門禁控制和室內導航)中配套UWB應用系統的需求也在不斷增加——這正是UWB相較于傳統無線技術所具備的核心優勢。
與其它技術整合
由於具備高空間解析度和低功耗特性，UWB非常適合與物聯網設備整合，為聯網環境帶來更高的自動化水準與安全保障。例如，在智慧家庭中， UWB可實現基於情境感知的自動化控制，如根據使用者位置自動開啟燈光或即時調節空調(HVAC)系統。在工業物聯網(IIoT)領域，UWB已被用於工廠及倉庫中的人員和資產精準追蹤。未來的UWB應用場景還包括：自主機器人透過UWB測距解鎖授權門禁、避障與導航系統，以及醫療健康領域中對醫療器械和患者移動的高精度即時追蹤。
邏輯存取控制拓展
UWB的應用範圍正從物理訪問如開門拓展至邏輯存取控制領域，透過存在驗證技術，授權訪問數位設備和系統。這種存在證明功能允許使用者無需密碼或物理接觸即可獲得無縫且安全的身分驗證。新興應用包括當授權使用者攜帶UWB設備(如智慧手機或可穿戴設備)靠近時，自動解鎖個人電腦、平板電腦或電視。在企業環境中，可以透過在使用者離開時鎖定螢幕或登出使用者來強化資料安全，協助執行零信任策略。
產業協同
UWB的進步和廣泛普及在很大程度上依賴於產業間的緊密協作。連接標準聯盟CSA、FiRa聯盟和車聯網聯盟(CCC)等標準組織在塑造UWB生態系統方面發揮著關鍵作用。這些組織共同致力於確保不同廠商設備之間的互通性、定義統一的安全規範，並將UWB納入更廣泛的連接框架中，如Matter和藍牙。此類合作夥伴關係推動了創新，也有助於加速在消費、工業和汽車領域的部署。此外，Omlox是另一個專注於推動UWB在工業場景中應用的產業組織，正助力說明該技術在相關領域的發展。
射頻設計領域的進展
為滿足緊湊型和可攜式設備的需求， 當前的研究重點聚焦於UWB天線的小型化以及多天線配置的優化。更小、更高效的天線對於將UWB技術整合到可穿戴設備、智慧手機和緊湊型感測器中至關重要。同時，研究人員也在探索多天線系統，以改進到達角估算和方向感知能力，以更精準地識別用戶意圖；例如區分用戶是走向門並準備進入，還是僅從門前路過。這些RF設計方面的改進對於提升性能與可靠性，同時兼顧低功耗、小型化需求具有關鍵意義。
超寬頻UWB技術憑藉其高精準度、安全性和可靠性，正在徹底改變存取控制系統。從汽車數位鑰匙解決方案的成功應用，到住宅和商業門禁系統的快速普及，UWB正逐步成為新一代存取控制的核心技術。UWB技術解決了傳統無線技術難以克服的關鍵挑戰，如安全性漏洞、可靠性不一致，以及用戶體驗不佳等問題。得益於其低功耗、抗干擾能力，和實現智慧意圖檢測的能力，UWB 為未來的存取控制系統提供了更佳的替代方案。
隨著Aliro等新標準的出現以及產業協作的不斷深化，UWB正迅速成為物理存取控制和邏輯存取控制領域的基礎技術。RF設計、天線整合和演算法開發方面的持續進步將進一步釋放UWB 的潛力，推動其在智慧家庭、辦公室、醫療保健等領域以及更廣泛的場景中得到應用。UWB不僅正在提升當下對空間訪問的安全性與互動體驗，還在為更加無縫、安全，且智慧的未來設定標準。
(本文作者任職於Qorvo，Han Wesseling為需求創造高級經理、Arnaud Jachiet 為高級技術市場經理、David Schnaufer為技術市場經理、Marcel Virjkorte為高級應用工程經理、Guillaume Vivier為標準戰略與領導力高級經理)