解锁未来：UWB如何重塑互联世界的安全访问方式

超宽带（UWB）技术凭借其远超现有解决方案的精准测距能力、卓越安全性和无缝用户体验，重新定义了访问控制这一技术领域。本文将探讨UWB的技术优势、实施挑战，及其在诸如Aliro等新兴标准中所扮演的角色——这些标准使设备与环境之间实现安全和意图感知型访问体验。随着UWB的日益普及和持续创新，它正在塑造智能、可靠且节能的未来访问控制系统。

超宽带（UWB）技术正迅速重塑安全、可靠且便捷的访问控制格局。最初，UWB技术因苹果AirTags和汽车数字钥匙系统等应用而广为人知，如今，它在住宅、商业和企业环境中也正蓬勃发展。本文将深入探讨UWB如何凭借高精度测距、强大的抗中继攻击安全性，以及无需手动干预的无缝用户体验，成为传统蓝牙©和近场通信（NFC）系统更卓越的替代方案。

在本文中，我们将探究UWB技术的基本原理、相较于现有访问控制解决方案的优势，以及它在诸如Aliro等新兴标准中的作用。此外，我们还将分析在实际门锁应用中实施UWB时需考虑的关键技术考量。最后，我们会展望UWB如何向逻辑访问控制和物联网（IoT）集成领域拓展，为构建下一代智能、安全的环境奠定基础。

传统访问控制系统的挑战

传统访问控制系统大多采用低功耗蓝牙（BLE）技术，极易受到信号欺骗和中继攻击等威胁。尽管近场通信（NFC）技术安全性较高，但它无法提供与指纹识别或摄像头识别类似的免手动或无缝体验。除此之外，基于低功耗蓝牙的解决方案常常存在连接可靠性不稳定、解锁延迟，以及频繁依赖钥匙卡或门禁码等手动干预的问题。例如，亚洲的某公寓小区就曾出现重大安全隐患；只要注册手机靠近，门就会自动打开，无意间向未经授权的人员暴露安全漏洞。

为应对这些技术挑战，访问控制解决方案制造商开始转向UWB技术。

超宽带技术

今天，许多人对UWB的认识来自于用AirTag定位物品，以及车用数字钥匙访问控制。UWB技术最初主要用于军事领域，在21世纪初首次实现商业化；并随着内置U1芯片的苹果iPhone 11手机发布而获得大规模市场应用。如今它已嵌入智能手机、汽车和众多物联网设备中。

UWB专门设计用于实现精准、安全、实时的位置、距离与方向测量。它通过极短的脉冲信号（约2纳秒）传输数据；信号覆盖3.1GHz至10.6GHz频率范围内宽达500MHz的信道带宽。UWB技术通过测量飞行时间（ToF，即设备间脉冲的往返时间）在较远距离内实现厘米级精度的物体追踪（如图1所示）。

图1 UWB飞行时间技术用于测量两台设备之间的距离

与传统的调幅（AM）或调频（FM）信号不同，UWB采用基于脉冲的信号传输方式，启动更快，上升和下降时间显著更短。得益于其宽频带特性，UWB天然具备抗多径效应的能力，同时其脉冲特性使它能够在极低的功率水平下运行；通过将发射功率控制在底噪以下，最大程度地减少干扰。这使得信号到达时间的测量更为精准，增强了系统对多径效应和干扰的抵抗能力。UWB信号以极低的功率水平（-41.3dBm/MHz）运行，对于像低功耗蓝牙和Wi-Fi这样的窄带技术而言，UWB信号如同噪声一般。

UWB支持多种部署拓扑结构，例如双向测距（TWR）、到达时间差（TDoA）和到达相位差（PDoA）；从而在功耗、可扩展性和成本方面带来灵活性。此外，UWB 测距既可以在成对设备之间实现，也能在数千台设备之间进行，甚至无需固定的锚点基础设施。

超宽带安全性

安全性是UWB的一大显著优势，在基于UWB的门锁访问控制应用中，它能够提供强大的保护，抵御拦截或中继攻击，并具备抗干扰能力。例如图2所示，IEEE 802.15.4z HRP UWB PHY在数据包中添加了一个加扰时间戳序列（STS）字段。该STS字段由一组伪随机二进制相移键控（BPSK）调制的脉冲组成。由于加密密钥和随机数随PHY数据包一同发送，因此数据无法被访问或预测，有效防范了篡改距离测量结果和数据内容的攻击行为。BPSK调制序列的伪随机性由加密安全的伪随机数生成器来保证。由于序列具有伪随机性，不存在周期性，因此接收器能够生成可靠、准确且无伪影信号的信道延迟估计值。一旦完成身份验证，系统会激活UWB收发器，并为每个设备分配一个特定的STS信号传输时间，从而决定测距和定位的准确性。

图2 UWB脉冲无线电系统响应与门锁控制时序

整个过程以低功耗蓝牙作为起点；当用户靠近门时，低功耗蓝牙负责唤醒和初始化流程。一旦用户进入预设的距离范围内，UWB技术便接管后续操作，执行安全身份认证序列，最终实现门锁的开启。

不仅如此，除精准测距功能外，UWB还能作为一种高效的雷达系统。通过分析反射雷达帧的CIR，UWB雷达能够检测人员存在、手势动作或生命体征。关于UWB雷达这一主题，可参考Qorvo发布的相关文章《超宽带（UWB）雷达：从测距到高阶感测》。

图3 UWB雷达发射并同时接收多径信号反射

UWB感测的工作原理是发射雷达脉冲并捕获反射信号。这些以CIR形式呈现的反射信号会运用先进的雷达算法进行分析，以检测运动状态并估算距离和位置。

访问控制的新纪元

凭借在安全性、互操作性和便捷性方面的强大优势，UWB技术自然成为各市场领域（包括访问控制应用）的理想选择。尤其在住宅门禁市场，UWB应用正在迅速普及。苹果（Apple）和三星（Samsung）等巨头已在其智能手机钱包应用中集成对UWB门锁的支持，显著加速了UWB技术的采用。

目前，家庭门禁系统采用多种标准，如Wi-Fi、Thread、蓝牙，如今又新增了Aliro。Aliro由连接标准联盟（CSA）推出，得到了苹果（Apple）、谷歌（Google）、三星（Samsung）、Assa Abloy/HID、Legrand和Allegion等关键行业领导者的支持。Qorvo、恩智浦（NXP）、北欧半导体（Nordic）和意法半导体（ST Microelectronics）等半导体公司也支持这一新标准。值得注意的是，CSA还定义Matter为统一智能家居设备多样化世界的可靠、安全解决方案。因此，Aliro与Matter被设计为天然兼容，为家庭自动化搭建即时且完整的框架。

Aliro 1.0版本计划于2025年发布；它将提供标准化的凭证和通信协议，确保智能手机、可穿戴设备及其它兼容设备间实现安全、便捷且一致的交互。该协议旨在通过提供一流的安全性、隐私保护和互操作性，简化并提升用户体验，无论使用何种硬件或操作系统。最终，Aliro将使用户能够用移动设备或可穿戴设备替代实体钥匙，简化住宅及商业楼宇的门禁控制。

Aliro通过其安全的UWB测距功能，为用户带来更优的体验和诸多益处。支持Aliro的智能门锁还兼容NFC和蓝牙，便于与尚未配备UWB的现有门锁系统兼容。尽管在认证程序等高层协议方面，车联网联盟（CCC）的数字钥匙（Digital Key）和Aliro存在细微差异，但它们的UWB（PHY/MAC）实施方式仍保持高度一致。二者的细微差别在于，Aliro可在单个测距块中执行多个测距轮次，这有助于判断用户位置（门内或门外），并支持高级意图检测算法。这些智能算法还能利用UWB芯片的特性，如到达角（AoA）检测——该技术使用多个天线确定UWB信号的方向，从而实现精准定位与跟踪。

门锁系统的工程考量

尽管UWB技术在智能门锁等访问控制应用中具有明显优势，但要实现其高效部署，仍需克服若干技术挑战。工程人员必须仔细考虑天线设计、干扰管理和信号优化等因素，尤其是这些系统通常运行于紧凑且金属密集的环境中。以下章节概述了在实际门锁应用中实现可靠UWB性能所需的关键设计考量因素与工程策略。尽管UWB技术非常适合门锁等访问控制系统，但工程人员在应用和系统设计中仍需关注一些相关挑战。

例如：

●   天线集成：在门锁内部设计并集成一款能有效工作的天线是一项重大挑战。门锁通常由金属制成，这可能会干扰RF信号的传输，因此天线的精确放置与设计十分重要。在如此紧凑且金属含量高的环境中实现可靠性能，需要精心的工程设计与优化。此外，天线必须能够在各种门体材料（包括木材、金属和塑料）上保持一致的性能，因为每种材料对RF信号的影响各不相同；材料的差异会显著影响信号强度和用户体验，所以天线的调校与适应性是成功设计的关键所在。

●   干扰抑制：室内环境布满障碍物，RF信号的传输颇具挑战；当然，这对于UWB技术并无大碍。

得益于其强大的抗干扰能力，UWB雷达即使在多径效应严重且存在多种无线电信号的复杂环境中也能可靠运行——这些情况常对其它传感技术构成挑战。

在门锁应用场景中，分集天线设计在应对多径效应方面发挥着核心作用。它通过利用空间、时间或频率分集来增强信号的可靠性；其核心思想是从不同位置、时间或频率信道接收同一信号的多个副本。由于这些信号从不同天线出发，经过不同路径传播，可能会经历不同程度的衰减和干扰。由于这些变化通常是独立或弱相关的，智能地组合这些信号可以减少衰减造成的整体影响。因此，分集天线接收设计技术有助于在动态或移动环境中稳定信号质量；使得接收器能够提取最强的信号，显著提高抗干扰能力和整体通信性能。

­多天线技术是提升系统性能的一种成熟方法。在接收端，多个天线通过从传播环境中捕获更多能量来提供额外的增益。在发射端，空间复用允许传输独立的数据流，从而提高吞吐量和频谱效率。

●   误触发与室内/室外检测：UWB解决方案工程师可以利用Qorvo的专利智能算法（搭配Qorvo先进的传感硬件）来加速产品上市时间并提升用户体验。这些算法能够准确判断用户是在室内还是室外，并评估其真实的开门或锁门意图。例如，系统能够区分某人是靠近门准备进门，还是只是路过门口。此类高阶算法在家居安全领域发挥着关键作用，为安全、可靠和信任奠定了基础。Qorvo的创新解决方案独特地整合了硬件与软件组件，以确保100%可靠的室内/室外检测，有效消除误触发情况。凭借无与伦比的用户意图识别精度，Qorvo的技术提供了更高的安全裕度，让房主在任何条件下都能完全信任其门禁控制系统的可靠性。

●   功耗：UWB技术相比其它门禁控制系统解决方案具有更卓越的低功耗优势。没有人希望每个月或每隔几个月就要更换一次门锁电池；这显然非常不方便。使用UWB技术，用户可以减少更换门锁电池的频率，将维护周期延长至数年而非数月。

解决这些挑战对于充分发挥UWB在安全、响应迅速门禁系统中的潜力举足轻重。通过精心的天线集成、先进的多天线配置、面向意图识别的智能算法以及低功耗设计，工程人员可以设计出高精度、高可靠性的智能门锁。随着UWB在智能家居和物联网领域的普及，RF设计的持续创新和系统优化将是确保无缝用户体验与可扩展部署的关键。

UWB技术在访问控制领域的未来展望

随着UWB技术的日益成熟，其在各行业中的作用正迅速演变。UWB最初作为一项用于精准测距和定位的技术问世；如今，凭借其卓越的准确性、安全性和稳健性，UWB已成为下一代无线应用的前沿技术。接下来的内容将探讨塑造UWB未来的关键趋势、集成机遇和技术进步；包括在消费电子、工业环境和汽车领域的持续拓展，以及与物联网和逻辑访问系统的深度集成。

●   普及趋势

UWB技术的普及正在加速，尤其是在智能手机和汽车系统中。这一势头推动着UWB应用在住宅和商业环境中实现同步增长。在智能手机领域，UWB实现了设备间的精准定位、室内导航、无钥匙门禁，以及增强的防盗系统。随着消费者对这些功能日渐熟悉，对智能家居（如安全门锁和资产追踪）和商业建筑（如门禁控制和室内导航）中配套UWB应用系统的需求也在不断增加——这正是UWB相较于传统无线技术所具备的核心优势。

●   与其它技术的集成

由于具备高空间分辨率和低功耗特性，UWB非常适合与物联网设备整合，为互联环境带来更高的自动化水平与安全保障。例如，在智能家居中，UWB可实现基于情境感知的自动化控制，如根据用户位置自动开启灯光或实时调节暖通空调（HVAC）系统。在工业物联网（IIoT）领域，UWB已被用于工厂及仓库中的人员和资产精准追踪。未来的UWB应用场景还包括：自主机器人通过UWB测距解锁授权门禁、避障与导航系统，以及医疗健康领域中对医疗器械和患者移动的高精度实时追踪。

●   向逻辑访问控制的拓展

UWB的应用范围正从物理访问（如开门）拓展至逻辑访问控制领域，通过存在验证技术，授权访问数字设备和系统。这种“存在证明”功能允许用户无需密码或物理接触即可获得无缝且安全的身份验证。新兴应用包括当授权用户携带UWB设备（如智能手机或可穿戴设备）靠近时，自动解锁个人电脑、平板电脑或电视。在企业环境中，可以通过在用户离开时锁定屏幕或注销用户来增强数据安全，从而助力执行零信任策略。

●   产业协同

UWB 的进步和广泛普及在很大程度上依赖于行业间的紧密协作。连接标准联盟（CSA）、FiRa联盟和车联网联盟（CCC）等标准组织在塑造UWB生态系统方面发挥着关键作用。这些组织共同致力于确保不同厂商设备之间的互操作性、定义统一的安全规范，并将UWB纳入更广泛的连接框架中，如Matter和蓝牙。此类合作伙伴关系推动了创新，也有助于加速在消费、工业和汽车领域的部署。此外，Omlox是另一个专注于推动UWB在工业场景中应用的行业组织，正助力帮助该技术在相关领域的发展。

●   射频设计领域的进展

为满足紧凑型和便携式设备的需求，当前的研究重点聚焦于UWB天线的小型化以及多天线配置的优化。更小、更高效的天线对于将UWB技术集成到可穿戴设备、智能手机和紧凑型传感器中至关重要。同时，研究人员也在探索多天线系统，以改进到达角估算和方向感知能力，以更精准地识别用户意图；例如区分用户是走向门并准备进入，还是仅从门前路过。这些RF设计方面的改进对于提升性能与可靠性，同时兼顾低功耗、小型化需求具有关键意义。

结语

超宽带（UWB）技术凭借其无与伦比的精准度、安全性和可靠性，正在彻底改变访问控制系统。从汽车数字钥匙解决方案的成功应用，到住宅和商业门禁系统的快速普及，UWB正逐步成为新一代访问控制的核心技术。UWB技术解决了传统无线技术难以克服的关键挑战，如安全漏洞、可靠性不一致，以及用户体验不佳等问题。得益于其低功耗、抗干扰能力，和实现智能意图检测的能力，UWB为未来的访问控制系统提供了更优的替代方案。

随着Aliro等新标准的出现以及行业协作的不断深化，UWB正迅速成为物理访问控制和逻辑访问控制领域的基础技术。RF设计、天线集成和算法开发方面的持续进步将进一步释放UWB的潜力，推动其在智能家居、办公室、医疗保健等领域以及更广泛的场景中得到广泛应用。UWB不仅正在提升我们当下对空间访问的安全性与交互体验，还在为更加无缝、安全，且智能的未来设定标准。

关于作者

我们的作者在面向前沿技术开发及优化无线解决方案方面拥有丰富的专业技术知识。立足对客户需求和行业趋势的深刻理解，他们与Qorvo的设计团队紧密合作，推动创新，并提供支持行业领先产品的尖端解决方案。

感谢参与本文撰写的主要贡献者：Han Wesseling（需求创造高级经理）、Arnaud Jachiet （高级技术市场经理）、David Schnaufer（技术市场经理）、Marcel Virjkorte（高级应用工程经理）和Guillaume Vivier（标准战略与领导力高级经理）。

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