更安全且互補各無線技術　UWB問鼎定位測距應用(上)

由於超寬頻(Ultra-Wideband, UWB)獨特的精準度、強韌性和可靠度，它被視為一種安全精準的測距技術，支援多種創新定位使用體驗和服務，先前的無線技術皆無法完全滿足這些應用，其包括各種裝置對裝置和裝置對基礎設施應用，如免持鑰匙汽車和建築物門禁、室內定位、資產追蹤、免持支付、無縫智慧家庭互動和自動化、擴增實境(Augmented Reality)、遊戲，以及多種新興智慧建築、智慧城市、工業和其他IoT應用。雖然這種技術要克服的障礙還很多—包括標準化和互通性(Interoperability)、晶片和裝置大量出貨、更多教育訓練，以及被大眾認知的知名度等，但市場調研機構ABI Research相信UWB技術有潛力成為智慧型手機和車輛不可或缺的內建技術，並認為這將成為UWB在一系列全新物聯網應用中，大規模採用的催化劑。ABI Research預測到了2025年，每年內建UWB技術的裝置出貨量將超過10億台。然而，UWB技術的真正潛力將隨著生態系統的發展、裝置安裝量的增加，以及各種IoT終端市場上，真正創新和引人注目的安全測距使用案例的預想和實現而到來。

無線聯網應用/技術蓬勃發展

根據ABI Research，2025年聯網裝置的安裝基數有望超過660億，橫跨各種垂直領域，從行動裝置、個人電腦、穿戴式裝置、家庭娛樂、智慧家庭、消費電子、汽車、智慧建築、智慧城市、工業和其他IoT應用。能實現如此大幅成長，歸功於多種不同優勢的無線連接技術，它們持續演進，為全新應用場景提供更好的服務，在既有領域提升效能，也有助創造獨特的使用體驗和服務，帶動市場向前邁進。

例如Wi-Fi持續演進至Wi-Fi 6和6E，實現更快、更高效率、更可靠、延遲更低的連接，以因應效能和流量需求的不斷成長。藍牙開始支援網狀網路，以滿足商業照明和感測器網路需求成長，同時導入方位尋向(Direction Finding)功能，提升定位效能並透過LE Audio強化個人和公眾音訊經驗。近距離無線通訊(Near-field Communication, NFC)最近導入無線充電功能，讓智慧型手機等NFC裝置替穿戴式裝置、耳機和配件等電池容量有限的裝置充電。NFC標籤也在不斷發展，以支援防竄改(Anti-tamper)和額外安全功能，並支援各種防偽(Anti-counterfeiting)、品牌保護(Brand Protection)和供應鏈追蹤使用案例。簡單來說，無線連接市場不斷演進，為IoT的廣泛應用類型和市場商機提供更佳的服務。

但並沒有所謂一體適用的技術，每種技術都有其特色，使它們特別適合某些應用場景，不論是距離、耗電量、流量、安全或其他標準。相較於目前市面上的技術，UWB也有其獨特功能和特性，使它最近再度上陣並持續發展演進。這些獨特功能使它得以運用汽車、工業，以及IoT應用對於安全測距和定位的成長需求，實現現有技術尚未有效企及的全新使用經驗。

超寬頻上陣

超寬頻並不是什麼新技術。UWB最早應用在軍事通訊上，美國聯邦通訊委員會(FCC)到2002年才核准商用，容許它利用從3.1GHz到10.6GHz的未授權頻譜。UWB的原先定位是類似Wi-Fi的數據傳輸技術，但因為耗電等原因未能成功。該技術後來重新定位，從數據傳輸應用轉為以脈衝無線電為基礎的安全測距和定位技術(以IEEE 802.15.4a和IEEE 802.15.4z標準為基礎)。在過去10年間，以802.15.4a為基礎的解決方案在精確室內即時定位系統(Real-time Locating System, RTLS)應用市場大受歡迎，加上過去幾年802.15.4z標準的發展更實現了額外安全延伸功能，讓UWB提供安全、貨真價實的毫米級精確測距和定位，支援汽車、移動、智慧家庭、智慧建築和其他IoT解決方案供應商所需要的各種安全精準測距與定位應用(圖1)。

UWB運作原理

超寬頻是一種短距脈衝無線電技術，可安全精確地計算其它支援UWB裝置的相對位置，距離可達100公尺，精確度達10毫米。UWB使用3.1GHz到10.6GHz頻譜，頻道頻寬高(500MHz)，脈衝短至2奈秒(2ns)，可精確測量兩個裝置間的飛時測距(ToF)，這些裝置包括智慧型手機、穿戴式裝置、鑰匙、標籤、門鎖和定錨點(Anchor Point)。當這些裝置接近彼此時，它們會用ToF測量計算通訊來回時間。因此一個裝置可立刻並持續計算另一個裝置的相對位置(更新率為每秒100次)，便能即時監控運動。到達角(Angle of Arrival, AoA)技術則確保系統知道裝置的精確位置和方向，確保門鎖等裝置可判斷用戶站在門內還是門外，並了解用戶意圖。

UWB獨特之處

相較於其他技術，UWB有一些優點，特別在定位精確度、延遲、強韌性和安全方面。雖然其他技術經常能透過RSSI接收訊號強度指示(Received Signal Strength Indication)知曉訊號強度，進而計算距離和位置，但這些系統可能遭到未授權遠端用戶的中繼攻擊，也就是攔截並欺騙(Spoofing)無線訊號，導致錯誤讀數。因為UWB能更精確地判定兩個裝置之間的ToF，對這種攻擊有更強大的抵抗能力。這意謂著它能偵測ToF是否長得不像鄰近的裝置，防止中繼攻擊並隨時確定裝置之間的精確距離。 

高頻寬和短脈衝可在多路徑(Multipath)干擾嚴重的環境下，確保低延遲(<10ms)和高效能，這是UWB測距技術除了強韌和完整性外的優點，因此UWB可即時並高度可靠地估計位置。雖然運用RSSI測量距離是很成熟的技術，但在真實環境下，牆面、人體、和物體等障礙物都會導致訊號強度衰減，有時候使預測距離長於實際距離。RSSI也對多路徑更敏感，因而降低定位精確度，同時較容易受附近射頻(RF)裝置干擾。相較之下，UWB的ToF方式遠不容易受障礙物和干擾影響，LOS(Line-of-sight)和非LOS部署效能也更強。因為UWB使用3.1GHz到10.6GHz的頻譜，離其他技術使用的壅塞2.4GHz頻段很遠，這讓它可和Wi-Fi、藍牙、NFC與衛星導航一起使用，不易相互干擾。

802.15.4z和安全測距

UWB已經發展成以安全為中心的技術，而不是將安全作為某些使用案例的附加功能。目前UWB的動能和全新安全強化功能多來自汽車和門禁產業，重要的不只是精確度，預防先進欺騙或中繼攻擊更為重要，而其他技術在這方面較弱。在這些市場，認證安全和訊號完整性是UWB最大市場區隔因素之一，也有潛力支援未來從門禁到免持行動支付的新安全應用場景。

UWB除了原生具備的安全技術功能外，2020年8月發表的802.15.4z修正案也導入額外安全延伸功能。這些安全延伸功能有助避免UWB部署受到更先進的攻擊。它用額外的實體層(PHY)部分收發數據，導入密碼學和亂數產生，避免UWB遭受中繼攻擊。混碼時間戳記序列(STS)運用亂數產生和密碼學保護傳送的時間戳記，用來測量兩個裝置之間距離，避免更先進的中繼攻擊。這些因素加起來使得第三方極難攔截或竄改UWB時間戳記，使中繼攻擊幾乎成為不可能，以保護所有資訊的安全。

與其他技術互通性

先前提到UWB不僅是另一種連接技術。相反地，它被演進成針對安全精準測距應用。因此UWB和Wi-Fi、低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)，以及NFC等多種現有技術互補，並運用各自優點達成有效部署。市場廣泛採用並與多種現有裝置整合也是這些技術的優勢，使得導入UWB時容易與它們整合。

低功耗藍牙將成為最常和UWB整合的通用技術之一，支援UWB的改善能見度和定位精確度，但又可避免大幅減少裝置電池壽命。智慧型手機等許多可望導入UWB的裝置已內建低功耗藍牙，但目前較不耗電。就汽車和門禁應用而言，低功耗藍牙提供了低功耗的發現(Discovery)和喚醒的無線電機制，幫助認證用戶和交換身分憑證，再交給UWB展開安全定位程序。因為低功耗藍牙是一種低用電的技術，可延長電池壽命，只有需要時才喚醒UWB，其可確保高度精確的定位資訊，又不致因耗電而影響使用體驗。圖2顯示FiRa聯盟描繪的門禁應用情境。

NFC是另一種成熟技術，需要距離更近才能發揮作用。但它耗電較低，即使裝置剩下的電力不足以支援其他功能，還是可以使用NFC。這意謂著NFC可作為UWB裝置電池耗盡時的備用系統，確保使用者能替汽車解鎖或進入建築物。人們也可運用為數眾多、支援NFC的手機，尋找遺失的UWB標籤。例如可用支援NFC的手機來顯示遺失蘋果(Apple)AirTag的用戶聯絡資訊，以歸還失物。因此業者如恩智浦半導體(NXP)的晶片模組整合了UWB和NFC以及安全元件與嵌入式SIM(eSIM)，當今最新的Galaxy S21+等旗艦手機已部署該解決方案。

UWB也能整合Wi-Fi基礎設施，在商務空間部署正確的室內導航和資產追蹤應用。例如思科(Cisco)日前與UWB解決方案供應商Sewio合作，將其UWB定錨點與思科Wi-Fi基地台(AP)整合，提供它們更精確的定位能力，同時減少投資獨立UWB基礎設施的需要，降低部署成本和複雜度。

因此UWB不僅和其他成熟無線技術互補，也將廣泛透過密切合作，將其效用最大化並推出UWB的精密測距功能。這將支援多種不同的安全測距使用案例，並將用戶便利性最大化、簡化部署、並提供更佳的使用體驗。如果解決方案供應商的解決方案能整合參考設計和整合晶片模組內所有科技的最佳功能，就能善用預期的UWB成長商機。

UWB支援生態系統成長 

由於過去幾年奠定的基礎，UWB可望成為今後十年各種消費和IoT應用的主流精準測距技術。ABI Research預測，2021年將成為UWB推出和更廣泛採用的關鍵時刻，這要歸功於晶片模組更廣泛的供貨、多個產業採用，以及成立橫跨整個供應鏈的強大UWB生態系統。2019、2020和2021年初的重要產品和產業組織的推出，體現了UWB的光明未來。

市場採用現況 

汽車產業希望提供安全、具互通性、免持的數位鑰匙使用者體驗，促使UWB技術再起，也鼓勵更多汽車和裝置原始設備供應商(Original Equipment Manufacturer, OEM)研究並提供支援UWB的裝置。由於IEEE 802.15.4z標準帶動安全精準定位技術，安全汽車解鎖將成為汽車和行動裝置產業率先導入UWB的催化劑。汽車連線聯盟(Car Connectivity Consortium, CCC)的支援是UWB在汽車市場成功的要素之一。該組織以提供一致的使用體驗和互通性為目的，聚焦於包括UWB在內的多元技術，以支援智慧型手機到汽車連線解決方案。CCC的相關業者包括汽車OEM廠商、汽車一級供應商、手機製造商、晶片模組供應商、安全產品供應商，以及應用開發商，其董事來自蘋果、寶馬(BMW)、樂金電子(LG)、松下(Panasonic)、三星(Samsung)、福斯(VW)等公司。CCC透過訂於2021年中發表的Digital Key 3.0規格，試圖建立開放式標準，使智慧型手機等智慧裝置成為鑰匙，可從口袋中無縫上鎖、解鎖並啟動汽車。它將讓這些裝置儲存、認證、並與朋友、同事、家人或代客停車業者共享數位鑰匙，整合橫跨所有車輛的體驗。Digital Key 3.0規格以支援NFC的2.0規格為基礎，再加上低功耗藍牙與UWB支援。因此它能透過藍牙進行初始喚醒和認證，以UWB進行安全測距，NFC則扮演備份的角色。BMW於2021年1月宣布BMW iX電動車系列將裝備含UWB的BMW Digital Key Plus技術，宣傳UWB的高精準和防止中繼攻擊功能。該解決方案以汽車連線聯盟的Digital Key 3.0規格為基礎，可搭配支援iOS 14 UWB的iPhone手機。ABI Research預測，2025年出貨的汽車中約有25%將具備UWB解鎖技術，而UWB有望成為未來行動汽車解鎖技術之主流。 

蘋果決定2019年底和整個2020的iPhone 11和iPhone 12將使用自行開發的UWB晶片，引起各界對UWB技術的興趣。三星於2020年8月宣布Galaxy Note 20 Ultra和Z Fold 2內建UWB，2021年1月發表的最新一代 Galaxy S21 Ultra和Galaxy S21+裝置也內建該技術。ABI Research預測2025年出貨的智慧型手機有三分之一將內建UWB技術，全年出貨量相當於5億支。最新的Apple Watch Series 6也導入UWB，展現蘋果將其裝置構成強大UWB生態系統的承諾。UWB在行動和穿戴式裝置市場攻城掠地，將有助奠定未來橫跨廣泛IoT應用的成功基礎。現在恩智浦Trimension UWB系列也推出全新開發工具，讓開發者製作與Apple U1裝置相容的創新UWB產品和應用。對創造更廣泛的UWB生態系統而言，其為關鍵性的一步。

但如同汽車界透過CCC所完成的一樣，UWB在智慧手機和其他新興IoT使用案例若要獲得成功，就必須經過標準化。恩智浦、三星、博世(Bosch)、和HID Global於2019年8月創立FiRa聯盟。該聯盟的宗旨為推動UWB精準測距和定位的推廣、開發和採用，確保業界得以提供互通、整體化的互連系統。其活動有助確認和開發全新UWB使用案例與商機，透過創造對終端用戶有意義的裝置和解決方案，鼓勵市場上的業者擁抱UWB。它也制定晶片模組、裝置和解決方案間的互通標準與認證，提供無限制的無縫安全經驗。因此該組織開發UWB PHY和MAC層級的測試規範和認證計畫，以及以802.15.4/15.4z標準為基礎的相關服務，並舉辦互通測試活動，確保整個生態系統的互通性，其對於UWB從聯網汽車案例擴展至更廣泛的IoT領域，扮演舉足輕重的角色。圖3顯示到2021年5月為止，該組織已有80餘家會員，橫跨汽車、行動和IoT市場。

除此之外，UWB聯盟(UWB Alliance)的宗旨亦為創造有利於UWB的技術監管和頻譜環境。該組織致力於推動有助拓展新使用案例的法規、實現低干擾的頻譜分享、釋出額外頻譜和影響地區立法團體，以拓展全球的UWB頻譜。UWB聯盟和FiRa聯盟於2020年6月宣布正式合作，加速UWB技術的開發和採用，而前者聚焦在法規上，後者把重點放在使用案例規格、互通性和認證計畫上。

有一些晶片供應商也支援UWB生態系統。除了蘋果自己的U1晶片外，其他主要業者包括Qorvo(於2020年2月購併UWB業者Decawave)、意法半導體(於2020年7月購併UWB業者BeSpoon)和恩智浦半導體(於2019年9月發表其第一波行動和車載裝置用UWB晶片模組)。恩智浦最近推出專屬IoT解決方案，延伸其UWB產品系列。這些專屬IoT解決方案以該公司既有的智慧型手機和汽車UWB解決方案為基礎，針對智慧門鎖和即時定位系統定錨點和標籤等使用案例。市場上還有一些提供解決方案，如高度客製化的產業微定位解決方案、低延遲音訊和附件晶片模組，以及無電池資產追蹤技術標籤等的UWB晶片模組供應商，許多皆已加入FiRa聯盟。

UWB IoT使用案例

這些貢獻促使UWB在眾多市場中獲得越來越多商機。但要在IoT領域成功部署UWB，即需要高度互通性的解決方案，讓多家公司的不同UWB裝置都能彼此配合，支援各種使用案例。智慧型手機日益廣泛內建UWB，將有助UWB進軍各種IoT市場，目前這還在非常早期的階段。因此本文剛好在這個時機介紹UWB如何進軍IoT市場，強調UWB邁入IoT的部分新興使用案例，包括門禁控制、RTLS和資產追蹤、智慧家庭控制和自動化以及室內導航，還有UWB將支援哪些新IoT使用案例。除此之外，它將提供UWB如何能在這些市場創造成功的策略建議，以及該技術最大的短、中、長期商機。

門禁控制

UWB從汽車安全解鎖(Secure Access)領域為起點，商業建築物和住宅門禁是最理所當然的延伸市場。內建UWB的門鎖和門禁讀卡機有潛力改善安全性、提供更優質的使用體驗，並帶來創新先進功能，如可適應用戶或企業特殊需求的彈性數位鑰匙方案。和汽車產業應用類似，IoT門禁讓支援UWB的用戶裝置，如智慧型手機、穿戴式裝置、鑰匙圈或徽章等作為數位鑰匙。如圖2所示，典型部署情境將涉及支援低功耗藍牙、UWB和NFC的讀卡機和智慧型手機，它們最初透過低功耗藍牙聯絡，進行喚醒、初始化和認證，再交給UWB進行安全測距與測量到達角度，然後根據預設距離觸發解鎖序列。NFC則作為電力耗盡裝置的備份技術，確保用戶隨時都能開門。

運用UWB做門禁有多項優點。首先，UWB可防止中繼攻擊，使它比其他無線技術更適合安全門禁應用。UWB也能偵測用戶在建物裡面還是外面，以及他們要出去還是進來，隨時確保只在需要的時候開門，並預防未授權進出。UWB也支援多重連線階段(Multisession)，有助預防尾隨進出，並確保用戶進出後自動鎖門，防止他人尾隨。UWB也可與如臉部識別或生物辨識等其他技術並用，實施多重因素認證(Multifactor Authentication)，提供額外的安全措施。

因為UWB能追蹤用戶相對於出入口的精確位置，用戶就不需要輸入密碼、使用指紋或臉部辨識系統，或將鑰匙圈貼近讀卡機，節省了執行這些步驟的時間，改善用戶體驗，並避免替代認證方式的潛在隱私權問題。

UWB也能支援更先進的數位鑰匙功能。家用住宅用戶可與親友共享身分認證，可視需要容許他們短時間進出。同樣地，租房平台(Room Hosting Platform)也能運用數位鑰匙，不須轉交實體鑰匙就能讓客人進出，減少從遺失鑰匙到防盜等問題。搬家或換新房客時，數位鑰匙可減少替換實體鑰匙的需求，當用戶不得再進出時，即可取消其門禁許可。企業也可輕易讓訪客或送貨員臨時進出，會議室或限制區域的房間層級門禁不須使用實體門禁卡或鑰匙，改善建物安全與用戶滿意度。在緊急狀況下，限制也可以強化或取消，而在新冠肺炎(COVID-19)後的世界，數位門禁也有助輪值或限制建築內的人數。旅館房客可運用數位鑰匙自動報到與行動解鎖(Mobile Entry)，避開群聚和在旅館大廳拿取實體鑰匙的時間。除此之外，終端用戶可運用同樣的UWB裝置，安全進出住家、車輛、工作場合與其他企業，毋須隨身攜帶多個鑰匙。

UWB門禁解決方案的動能顯而易見。FiRa聯盟主要成員包括門禁產業的多家業者，如Allegion、Bosch、HID Global、Thales、Dormakaba和Elatec。HID Global、恩智浦和三星都在2020年CES展出免持門禁，小米也於2020年10月示範從口袋中執行門禁的概念，顯示該公司未來將在行動、智慧家庭和門禁領域支援UWB。FiRa聯盟也有一個致力於門禁使用案例標準化的專屬工作小組，可確保各OEM廠商的行動裝置都能開啟不同廠牌的門鎖和讀卡機，不同裝置間也能無縫交換門禁鑰匙。UWB在汽車免鑰匙系統領域越來越盛行，將成為更廣泛住家和商業部署數位鑰匙的催化劑和概念驗證。行動裝置廣泛採用各種IoT使用案例，也將導致潛在數位鑰匙現有安裝基數成長。

挑戰與建議

但UWB門禁還面臨數項挑戰，最主要是不論從行動裝置還是基礎設施的角度來看，現有安裝基數和支援UWB的裝置都太少。就像任何科技一樣，這是個雞生蛋還是蛋生雞的生態系統挑戰，門禁OEM廠商可能想等行動裝置大量採用這種技術後再投資，而行動裝置OEM廠商則希望等到用戶能使用廣大的生態系統後，再導入UWB。幸運的是UWB不是單一功能的技術，它能因應其他技術尚未有效處理的多種使用案例。門禁是帶動採用UWB的許多使用案例之一。單一裝置在不久的將來還能集汽車門鎖、個人追蹤標籤、以及各種IoT使用案例於一身，進而帶動各界採用。

從歷史上來看，門禁市場因為要滿足嚴格的效能和安全需求，採用新技術的速度較慢。除此之外，支援舊式科技常常也是一種挑戰。市場上還有NFC和低功耗藍牙等替代性科技可支援行動解鎖，目前內建這些技術的裝置更普遍。雖然它們在技術層面不能完全匹敵UWB，目前卻具備現有安裝基數更多的優勢。但門禁市場近年已顯示，它確實需要移動導向的門禁技術，而UWB很可能在安全、精準與使用體驗方面能達到最佳平衡。

智慧型手機和其他裝置製造商、晶片模組和模組製造商、門禁OEM，以及其他業者需要透過合作，確保他們的解決方案可互通。要支援更先進的使用案例，就需要無縫轉移數位鑰匙，而這方面的標準化將有助推動產業新服務模式。

門禁市場也需要開發量身訂做的硬體解決方案和晶片模組，有效因應市場商機。這將包括在基礎設施方面更複雜的到達角晶片模組、行動晶片模組，和能嵌入員工識別證或其他門禁識別證等更基本的標籤。

門禁等許多IoT市場通常比行動裝置市場更分散，因此業者必須降低開發難度，並提供更完整的解決方案、參考設計以及開發套件，針對新業者提供幫助並加速產品上市。這可能包括能支援所有如UWB、NFC和低功耗藍牙等相關技術在內的整合式解決方案。

業界應鼓勵供應商支援UWB，使其門禁產品不會過時(Futureproof)，並善加運用現有行動解鎖技術。雖然現在UWB行動裝置的安裝基數還相對有限，引領智慧型手機OEM的支援顯示該技術將越來越無所不在。由於UWB門禁讀卡機需要整合喚醒用的低功耗藍牙和備援用的NFC，供應商如果現在導入UWB，就能透過低功耗藍牙和NFC支援行動解鎖，將來隨著UWB用戶增加，再支援更安全和無縫的使用經驗，將有助加速採用UWB，並將短期使用率最大化。 

到目前為止的討論大多集中在建立門禁上，更多教育訓練和其他門禁應用對UWB的了解也有助推動市場前進，這可能包括可自動開門的UWB票務應用。除此之外，UWB還有一些潛在的未來車輛應用，包括自動支付代客停車費用，以及支援UWB的車庫門鎖，其偵測到汽車靠近就會自動開門。

(本文由恩智浦提供，作者Andrew Zignan為ABI Research研究總監；Stephanie Tomsett為ABI Research研究分析師)