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新技术拓展智能生活体验
来源:Arrow 发布:2023/05/11 浏览量:330

目前市面上已经出现众多物联网设备,广泛地应用在智能家居、商业与工业环境之中。为了改善现有的各种连接技术的不足之处,目前又有像是UWB(Ultra-Wide Band>)与Matter等新技术推出,将进一步拓展人类的智能生活体验。本文将为您介绍UWB与Matter的技术发展,让您一窥最新技术的发展趋势。

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目前市面上已经出现众多物联网设备,广泛地应用在智能家居、商业与工业环境之中。为了改善现有的各种连接技术的不足之处,目前又有像是UWB(Ultra-Wide Band>)与Matter等新技术推出,将进一步拓展人类的智能生活体验。本文将为您介绍UWB与Matter的技术发展,让您一窥最新技术的发展趋势。

新型超低功耗短距离无线技术

UWB技术是一种超低功耗、短距离无线技术,可用于传输数据,并捕获准确的位置和方向信息。UWB技术是在3.1至10.6GHz的宽频率范围内运行,通道带宽超过500MHz,高通道带宽可以为通信设备提供非常高的数据吞吐量,并提供高精度的位置信息。UWB使用基于脉冲模式的无线电技术,发送宽度为几纳秒到皮秒的短脉冲,且脉冲和扩频传输并不会干扰到其他的窄带系统。

 

UWB是使用飞行时间(ToF)技术来准确确定发射器和接收器之间的距离,而ToF则是一种基于信号传输时间与接收同一信号时间之间的时间差,来测量Tx和Rx之间距离的方法,其中的到达角(AoA)是同时用于确定支持双天线的设备的接收器角度,双向测距(TWR)则是在Tx和Rx时序上将2个UWB设备作为发起者和响应者进行通信,然后计算ToF时间,从而计算出2个UWB设备之间的距离。到达时间差(TDoA)则是UWB中使用的另一种方法,使用固定位置的多个锚点(Anchor)接收来自标签(Tag)的UWB信号,然后使用每个锚点中的ToF时间来计算标签的位置。

 

脉冲无线电(IR)的UWB频域已经在IEEE802.15.4z PHY规范中进行标准化,频谱范围从3 – 10.6GHz扩展到500MHz,主要使用的重点通道包括Ch5的6489.6MHz、Ch6的6988.8MHz、Ch8的7488.0MHz与Ch9的7987.2MHz。

 

UWB使用的功率谱可以低功耗实现高带宽连接,在非常低的功率谱密度下发送和接收频带超过500MHz的窄信号脉冲,信号只能传播到有限的距离,因此不会干扰到其他电波。

 

UWB的主要优势包括高精度,在采用到达角进行定位时精度在±10cm距离之内,并具有稳固性,在多径环境中的500MHz带宽上的2ns无线电脉冲,具有有很强的稳定性,传输距离在视线范围内可达100米,使用受密码保护的ToF测量,具有绝佳的安全性,且具有实时性,测量出来的延迟在10ms之内。

 

UWB的应用相当广泛,主要可用在门禁管理,像是企业、住宅、酒店的门禁管理,具有灵活的密钥共享、可靠的内部/外部检测、多段式支持可预防尾随进入。

 

此外,UWB还可应用于车辆的接入管理,支持精准的免提接入控制,具备高度的安全性,可结合BLE用于唤醒车辆,UWB用于测距、SE用于安全性、NFC用于接入,可使用基于IR-UWB的智能手机安全地进出汽车,NFC作为基于接近度的智能访问车辆的后备,可以使得车辆的安全性与便利性大为提高。

 

另一方面,UWB还可应用于作为物品追踪器,可寻找丢失的物品,像是耳塞耳机、钥匙链、遥控器等,以往采用BLE技术虽然已经可以提供距离信息,但UWB还可以提供额外的方向信息,以便更好地查找物品。

 

UWB还可应用于室内导航,UWB支持室内基于位置的服务,因此更容易在大型建筑物中导航,UWB在非视距场景中提供强大的定位,例如在拥挤、多径信号环境和其他障碍物下,仍具有很好的定位能力,可应用在购物中心、火车站、机场、医院、图书馆等典型场景。UWB还可用在智能交通、楼宇、办公室的实时定位系统和门禁管理。

 

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用途广泛的标准化识别与测距技术

UWB是由FiRa联盟进行标准化的工作,其使命在于通过识别和开发基于IEEE802.15.4z增强型测距技术的用例来创造机会,通过定义互操作性标准和认证计划,以确保无缝的最终用户体验,并通过培育UWB生态系统支持快速部署,目前FiRa有超过100多个联盟成员,遍及所有行业。

 

FiRa联盟致力于推动UWB的互操作性,在现有的IEEE 802.15.4/4z标准下,制定增强型UWB PHY和MAC的编码和序言,强化完整性和准确性、信息元素与多种测距方法。FiRa联盟为多个垂直行业制定特定服务的协议,像是免提访问控制、基于位置的服务和设备到设备(点对点)应用,以及定义不在IEEE范围内的机制,像是如何发现UWB设备和服务,以可互操作的方式配置设备,并指定可互操作的安全要求,在互操作性标准上进行802.15.4/4z PHY/MAC的特征分析、性能要求、测试方法和程序与认证计划。

 

另一方面,汽车联机联盟(CCC)也针对汽车接入进行标准化,定义CCC数字钥匙,包括允许使用智能手机安全进入汽车的标准化机制,以及使用UWB作为安全测距技术,使智能手机能够提供免提智能访问。

 

根据ABI Research的数据,预计在2022年的UWB的年出货量将达到5亿个,到2026年则将增长到15亿个,具估计UWB在2024年全球非智能手机(工业/消费/汽车)应用将超过1亿个。目前市场上,包括苹果(Apple)、谷歌(Google)、三星(Samsung)、小米都已经有支持UWB技术的产品推出。

 

UWB相较于目前的BLE与Wi-Fi技术,在精度上小于1m,比BLE与Wi-Fi更佳,抗多径和干扰能力强,可靠性更好,数据速率达到27Mbps是较弱的部分,但其可防中继攻击(通过距离-时间有界协议),具有更高的安全性,且延迟小于10毫秒,并可在10m范围进行汽车接入,以及在30m~70m内进行室内定位,都比BLE与Wi-Fi技术表现更佳。

 

目前Murata已经推出UWB套件与软件开发工具包(SDK),包括2BP评估板(Type 2BP模块与NXP QN9090)用于担任锚点功能,以及用于负责标签功能的2DK评估板(Type 2DK模块),将可加快支持UWB产品的开发速度。

 

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解决物联网安全问题的通信规范

接下来要探讨的另一个新技术是Matter,它是由连接标准联盟(Connectivity Standards Alliance, CSA)所开发和运营的规范,已经得到了业界众多公司的支持,包括从苹果、谷歌和亚马逊等平台所有者,到三星和LG等主要制造商,以及众多专注于配件的小型厂商。Matter是各种互联事物的基础,是提供可靠、无缝和安全连接的行业统一标准。Matter并不是新协议,它是关于设备应该如何相互通信的规范,Matter可通过Wi-Fi、以太网和Thread协议一起运作。

 

Matter相当着重于安全性,了解到网络攻击的担忧会在消费者心中造成犹豫,从而限制采用,考虑到这一点,Matter的创建便是以安全和隐私为主要设计原则,并为构建安全的物联网设备提供了基准。

 

Matter是一种免版税的家庭自动化专有标准,制造商仅需支付认证费用即可使用Matter技术,通过认证的厂商可允许在CSA网站上使用独家CSA认证产品徽标和产品列表,表示符合规范并显示相应方案的互操作性。通过存取庞大的技术生态系统,以及借助经验丰富的专业人员的测试,来确认产品符合CSA的规范,将可降低厂商进入市场的壁垒。

 

Matter结合了用于调试的身份验证和证明的分层方法,使每条消息都受到保护,并支持安全的无线固件更新,采用基于公认标准的单一强加密套件,以及用于设置安全会话的密码和证书,提供设备证明以确保真实性,拥有强大的安全性能,且提升智能设备更易于实施和使用,并提供保护、检测和恢复能力,具有分布式合规分类账以增强弹性和规模,并拥有可应对新发展和威胁的加密灵活性。Matter并可为设备制造商提供指导,以选择与其设备相关的风险和威胁分析的相关用例与相应的平台安全性。

 

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保障消费者的数据隐私与安全性

Matter旨在为智能家居设备构建一个通用的基于IPv6的通信协议,该协议定义了将部署在设备上的应用层以及不同的链路层,以帮助维护互操作性与安全性。Matter相当重视数据隐私,以保护消费者在消费和交易时的个人信息,Matter为处理个人信息的设备和软件代理之间的所有交互,都嵌入了数据隐私原则,为获得全面保护,需要来自Matter设备运行环境和基础设施的额外支持。

 

Matter使用最高级别的民用加密标准进行网络通信,以确保未经授权的实体无法轻易访问或篡改Matter设备之间通信的数据,以维持机密性和完整性。Matter设备的身份证明需要采用加密证书,因此数据将仅可在已知的Matter实体之间共享。Matter采用开放标准,使任何人都可以检查合法Matter节点之间Matter交互的模板,Matter交互中共享的数据被最小化,从而减少了无意中泄露信息的可能性,Matter节点之间共享的数据严格用于定义的目的,即仅可用于Matter协议要求设备的特定操作,加密以确保通信各方的消息或身份在网络上都不是明文形式,具有完善的隐私保护机制。

 

Matter是可互联事物所需的基础,像是支持易于购买和使用的简单性,支持来自多个品牌的设备可以本地协同工作的互操作性,以及一致且响应迅速的本地连接的可靠性,与为开发人员和用户提供强大和简化的功能的安全性,将是新的智能家居标准。

结语

本文介绍的UWB与Matter技术,都是为了改善当前物联网的安全性与便利性所推出的新技术标准,将可大幅提升消费者对于采用物联网技术与设备时的安全疑虑,并可加快物联网、智能家居应用的普及速度,若您想对这两项新技术有更深入的了解,请与艾睿电子联络,以取得更多的技术与产品信息。

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