UWB定位: 第四篇 . Apple Iphone11 U1芯片 & Apple UWB专利

本文介绍了苹果iPhone11中的U1超宽带芯片,阐述了其带来的高精度定位和测距能力,以及在门禁、防丢失、智能家居和隔空投送等场景的应用。此外,还探讨了Apple的AirTag追踪器和涉及UWB的专利技术,包括安全的认证授权访问控制系统、无钥匙汽车进入系统等。

UWB定位系列专题:




Iphone11 & U1芯片

2019年9月在美国旧金山举行的Apple秋季新品发布会上,Apple推出了Iphone11系列手机,在发布会上提及的Iphone11系列手机的最大亮点是采用了最新的高性能低能耗A13处理器芯片,升级了屏幕和相机配置,以及从软硬件上联合优化了多镜头拍摄时的图片和视频成像质量。

Iphone11x Features
Apple Iphone11 Wireless

在发布会上没有直接提及到的是Apple在Iphone11系列手机新增加了一个代号为U1的UWB(Ultra Wideband,超宽带)硬件芯片,配置的U1芯片使得Iphone11系列手机具有更快的数据通信速度和更强的’空间感知’能力,简单的说,利用UWB技术带来的高精度测距定位特性,使得配有U1芯片的Iphone11手机可以和附近其他同样具有U1芯片的设备互相准确地判断出彼此间的相对位置关系。精确的位置感知能力可以带来很多便捷和智能的应用,例如:

  • 房间/汽车门禁:通过高精度的测距测向能力,当识别到用户靠近门禁时自动打开,相比Bluetooth等其他使用RSSI(接收信号强度)技术,UWB使用的TOF测距方法可提供更高的精度以及有效地防止中间人攻击;
  • 物品防丢失:给手机、钱包等易丢失的物品配备UWB定位芯片后,用户可进行高精度(<10cm)的实时监控和追踪;
  • 智能家居系统:通过感知用户在家里的位置信息,可有效地对环境的温度、湿度、光强等进行控制调整,从而带来更智能化的体验和更绿色的能效;
  • 智能设备控制器:通过确定Iphone11和被控制设备(如电视、空调等)的相对位置和姿态信息,可无需手动切换而智能化地实现利用手机对周围的电器设备进行控制;

隔空投送(AirDrop)

Apple在Iphone11系列手机宣传页面上提到的UWB技术在Iphone11上的使用场景之一是增强’隔空投送(AirDrop)'功能,利用U1芯片输出的测向测距结果,Iphone11系列手机可以根据用户的手机指向准确地从附近的人中判断出的用户想要进行文件分享或信息传输的目标,并将其优先置顶以方便用户快速地进行选择。

&lt;think&gt;嗯,用户想了解UWB协议与IEEE 802.15.4标准的关系和技术细节。这个问题很有深度,需要拆解清楚几个关键点。 首先回忆基础框架:IEEE 802.15.4是低速无线个域网(LR-WPAN)的基础标准,而UWB是其中一种物理层技术。用户提到的802.15.4z-2020这个修正案特别重要,它专门增强了UWB的测距能力。 注意到用户引用了三个资源,其中第三个引用明确指出802.15.4z定义了HRP UWB PHY层的技术细节,包括BPM-BPSK混合调制、前导码结构这些核心内容。这应该作为技术细节的重点展开。 用户可能混淆了&quot;UWB协议&quot;这个概念。实际上UWB不是独立协议,而是物理层实现方式。需要解释清楚:MAC层由802.15.4主标准定义,UWB PHY层通过15.4a/15.4z等修正案补充。这种分层结构对理解整个体系很关键。 技术细节部分要突出测距安全增强,因为15.4z的核心贡献就是解决此前UWB测距易受攻击的缺陷。STS机制和新的编码选项都是为此设计,这些在引用[2][3]的文件描述里都有印证。 用户身份推测是通信领域的研究者或工程师,所以回复要确保技术准确性。比如HRP UWB的具体频段划分(sub-1GHz/3-10GHz)、帧结构中的SFD字段作用这些硬核内容都不能含糊。 最后考虑设计延伸问题:既然用户关注协议关系,补充标准演进路线的问题能帮助建立历史视角;物理层实现和测距原理的问题则聚焦当前技术;应用场景问题则衔接理论与实践。这样的问题链应该能覆盖用户潜在的研究需求。&lt;/think&gt;理解UWB协议与IEEE 802.15.4标准的关系及技术细节是深入研究UWB定位技术的关键。以下是清晰的结构化分析: --- ### **一、核心关系:UWB是IEEE 802.15.4的物理层实现** 1. **IEEE 802.15.4标准** 定义低速无线个域网(LR-WPAN)的 **MAC层(数据链路层)** 和 **PHY层(物理层)** 规范,是ZigBee、Thread等协议的基础[^1][^2]。 2. **UWB协议的角色** UWB超宽带)是IEEE 802.15.4标准中 **可选的物理层技术之一**,其他物理层包括2.4GHz DSSS、O-QPSK等。 - **关键修正案**: - `IEEE 802.15.4a-2007`:首次引入UWB PHY层,支持高精度测距。 - `IEEE 802.15.4z-2020`:**增强UWB PHY层**,重点提升测距安全性与精度(如防御中继攻击)[^2][^3]。 --- ### **二、技术细节:IEEE 802.15.4z对UWB的增强** #### **1. 物理层调制与编码** - **调制方式**: 采用 **混合脉冲调制(BPM-BPSK)**: - `BPM(Burst Position Modulation)`:通过脉冲位置传递信息。 - `BPSK(Binary Phase Shift Keying)`:通过相位翻转传递信息[^3]。 - **编码改进**: 新增 **前导码(Preamble)编码选项**(如STS-LCE、STS-LTF),提高抗干扰能力[^3]。 #### **2. 测距安全性增强** - **加扰时间戳序列(STS)**: 在数据包中嵌入动态加密的伪随机序列,防止攻击者篡改或重放测距信号[^2][^3]。 - **完整性保护机制**: 通过密码学方法(如AES-128)验证测距数据的真实性。 #### **3. 帧结构关键字段** ```plaintext | 前导码 (Preamble) | SFD (帧起始符) | PHY Header | 数据载荷 (Payload) | |-------------------|---------------|------------|---------------------| | SYNC字段 (同步) | 增强型SFD | 帧控制信息 | STS加密数据 | ``` - **SFD(Start-of-Frame Delimiter)**: 使用特殊序列标识帧开始,802.15.4z扩展了SFD选项以支持更高精度的时间戳捕获[^3]。 #### **4. 工作频段** - **Sub-1 GHz频段**:500 MHz - 1 GHz(穿透性强,适合工业场景)。 - **高频段**:3.1 - 10.6 GHz(带宽大,适合高精度定位)[^3]。 --- ### **三、总结:协议栈定位** ```mermaid graph LR A[应用层] --&gt; B[网络层 e.g., FiRa/CCC] B --&gt; C[MAC层 IEEE 802.15.4] C --&gt; D[PHY层 UWB 802.15.4a/z] ``` - **UWB协议** 本质是 **IEEE 802.15.4的物理层实现**,依赖其MAC层完成设备寻址、帧校验等功能。 - **IEEE 802.15.4z-2020** 是当前UWB定位技术的核心标准,解决了测距安全与精度问题[^1][^2]。 --- ### 相关问题 1. **IEEE 802.15.4z如何防御中继攻击(Relay Attack)?** 2. **UWB的BPM-BPSK调制与其他无线技术(如LoRa)有何本质区别?** 3. **在实时定位系统(RTLS)中,UWB PHY层如何与上层协议(如FiRa)协作?** 4. **IEEE 802.15.4z的STS机制如何平衡安全性与通信效率?** &gt; 提示:深入技术细节可参考IEEE 802.15.4z-2020标准文档([^1][^2])及UWB PHY层规范([^3])。
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