UWB超宽带技术在无感支付领域的应用探析

李振翔，晋沅蓉，谢崇波

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628040)

0 引言

随着苹果AirTag 的火热，更多的人开始了解到UWB超宽带技术，使得市场上引发了一阵火热，受到了市场和消费者的青睐。不仅苹果、小米、OPPO、VIVO 等手机大厂纷纷入局，就连诸如宝马、蔚来、大众等大牌车企也纷纷加入，推出了基于UWB 的智能车钥匙。一些大型仓储物流公司也开始引入UWB技术对货物进行定位，降低物流成本，减少物流风险。以上应用都是UWB 技术在无线定位领域的现实落地，而随着人们对UWB技术的关注，其在无感支付领域的应用价值也逐渐被挖掘出来。

1 UWB超宽带技术

1.1 UWB超宽带技术发展历程

UWB 超宽带技术是一种无载波通信技术，采用纳米级非正弦波的极窄脉冲来传输和接收信息和数据，可进行基站与标签之间的交互，基站作为信号发射器，标签作为接收器接收信息并进行反馈，发射端和接收端的交互由UWB芯片支持。

1880年，被称为“无线电之父”的意大利无线电工程师Guglielmo Marconi 成功地在大西洋上利用火花隙发射器进行了人类第一次无线电传递。火花隙其实就是一种宽带很宽的极窄脉冲，这也是人类真正现代意义上最早出现的超宽带技术。20 世纪60年代，超宽带技术主要应用于军事用途，包括应用在军用雷达、军事定位、军事通讯、军用成像等很多技术上。例如，在军用保密通信上，采用多采跳频技术，实现了保密通信；在穿墙雷达上，使用超宽带的窄脉冲特性，实现了对恐怖分子的穿墙监控。1989年，美国军方在一份名为DARPA的技术报告中，首次提出了UWB这个名词，开始了超宽带技术商业化的历程[1]。超宽带技术不同于传统的通信技术，采用的是纳米级非正弦波的极窄脉冲来传输和接收信息和数据。从频域和时域的角度，传统的超宽带可以理解为是单纯的时域信号处理，不需要射频电路中的本振、差分等射频模块。

2002年2月，民用的UWB 设备使用频谱和功率的初步规定由美国联邦通信委员会发布[2]。2008年12月，中国的UWB 频谱规划正式发布，包括UWB 信号的射频指标、应用场所限制、设备核准等方面的内容。由于UWB 超宽带技术的在定位领域的先天优势，大量的企业涌入该领域进行二次开发，至2020年，国内已有1000多家UWB定位技术企业，使得UWB技术在无感门禁、物品定位、设备间联通这三个应用场景中应用较为广泛。2014—2020年国内UWB定位技术企业数量走势图如图1所示。

图1 2014—2020年国内UWB定位技术企业数量走势图

1.2 UWB超宽带技术优缺点

UWB 超宽带技术是一项优缺点都十分明显的技术，优点主要有以下五点。

1) 精度高。极窄脉冲天然具有高时间分辨率、多径分辨率的特点，相对于蓝牙5.1AOA 定位、Wi-Fi 定位，在定位精度上具有很大的优势，可实现厘米级的精确定位，尤其是有效解决室内定位信号弱、不稳定等问题时，表现尤为突出。

2) 低功耗。UWB 系统由于通过间歇的脉冲信号发送数据，并且脉冲的持续时间极短，所以使用UWB技术的设备可以在非常低的功率水平下工作。

3) 安全性好。与非UWB 无线电通信信号相比，UWB 信号潜在地更隐蔽并且潜在地更难检测。这是因为UWB 信号占用很大的带宽，可以制成类似噪声的信号，并且可以以百万比特/秒的速度与唯一的随机化定时码进行通信。每个比特通常由大量的非常低幅度的脉冲表示，通常低于噪声水平。这些特征导致低检测概率和低拦截概率的安全传输。同时由于需要物理标签、信号宽，所以超宽带技术安全性很强。

4) 抗干扰强。使用超宽带技术的设备通常被设计为具有比较大的处理增益，采用时间间隔极短通常小于1纳秒的脉冲进行通信，所以抗干扰能力也比较强。

5) 高数据速率。使用UWB技术的设备可以支持涉及高数据速率的多个用户的应用，通常每秒可达几十甚至数百兆。按照通信距离，UWB 超宽带技术有两种通信方式，为小于10米时采用高速通信方式和大于10米时采用低速通信方式。

缺点主要也有以下四点。

1) 搭建成本高。即使使用TDOA 方法来测量，还是需要搭配基站、标签，包括应用系统来实现，总体上搭建成本比较高。

2) 绕射性差。为了避免通讯干扰，目前我国UWB工作于6~9GHz的超高频段，同时设备功率通常需要低于一定的门限，所以信号绕射性和穿透性都非常不好，理论上仅适合于简单的室内场景。

3) 应用场景较为单一。在过去，超宽带技术一直是无线USB、高速无线局域网可行的替代方案，但是如今在Wi-Fi 6E如此成熟的背景下，超宽带技术在高速数据传输上的商用价值受到了限制。所以，在实际场景应用中，往往UWB 超宽带技术比较适合应用于在低速传输、近距离、安全及精准定位场景中。

4) 缺乏统一的行业标准。UWB 发展至今没有形成一个有力的组织来制定统一的技术规范，现行的技术手段都是在各个企业各自定义的私有协议和方案下发展。

2 UWB超宽带技术在无感支付领域的应用现状

2020年，恩智浦和DOCOMO、索尼等公司运用UWB 技术的特性将应用视角从室内定位领域到了无感支付领域，发布了在商超新零售的应用演示方案，其中包含商超无感支付、无障碍停车支付。2021年10月，在北京国际城市轨道交通展会上，深圳通和VIVO公司提出了基于UWB 技术的“地铁闸机无感数字人民币支付”应用方案，通过VIVO 样机搭载的UWB+NFC芯片实现了无感支付。其原理为将带有UWB功能手机或者公交卡视为UWB 移动标签，当用户携带这些手机或者公交卡出现在监测范围内时，基站监测到这些标签的空间定位，即刻锁定跟随，当用户到达地铁预设闸机位置后开始进行信息交互，传送至服务器端进行处理清算完成扣款支付动作，再将扣费信息从服务器端推送至手机端，完成一整套支付通行流程。

2022年，深圳通公司与汇顶科技公司合作创新，完成业界首次“基于UWB 的无感支付及无障碍换乘关键技术”的研究展示，此次的展示相比于2021年深圳通与VIVO公司合作的项目在落地应用层面更进一步，增加了“无障碍换乘”，系统可以智能识别出行路径，通过UWB 换乘通道实现“无障碍换乘”。该研究基于多芯片复杂射频系统，采用汇顶科技“eSE+ COS+NFC+BLE”全栈安全解决方案，搭载UWB芯片用于测距定位、安全交易，将UWB 基站放置至闸机处，有效扣费范围为1.3 米内。此次研究展示通过UWB 技术实现全部交易环节，且兼容现有NFC 闸机，给出了现有场景下较低成本的地铁闸机无感支付升级改造方案。

2022年6月初，中国人民银行数字货币研究所的狄刚、穆长春、赵新宇等人发现了UWB技术在数字货币点对点支付系统的应用价值，提出了一种基于UWB 的支付方法和装置[3]。该方法通过付款方终端的UWB模块和收款终端的UWB模块建立通讯连接，传输收款终端UWB模块发送的订单信息和收款方数字货币钱包地址，其中，订单信息包括付款金额和收款方信息。付款终端的SE数字货币钱包根据付款金额和收款方数字货币钱包地址生成数字货币串并将其返回至收款终端的UWB模块。付款终端可免密支付也可以提示付款方确认支付。如果该订单符合免密支付设置，则直接根据付款金额和收款方数字货币钱包地址生成数字货币串，并采用语音方式或者文字方式通知付款方。如果支付操作需要确认，则付款方通过输入框输入密码或指纹或声纹等方式授权支付，然后付款终端的SE数字货币钱包再根据付款金额和收款方数字货币钱包地址生成数字货币串传输给收款终端的UWB模块。收款终端接收到数字货币串之后，对其进行验证，验证通过后保存数字货币串，双方完成交易确认。通过上述步骤，完成近距离的点对点支付。该方法规避了传统付款终端支付方式——扫码支付的对光线要求高、操作烦琐、频繁打开终端界面等弊端，有效地提高了支付便捷性。该方法主要流程如图2所示。

图2 一种基于UWB的支付方法和装置

2022年7月，荷兰恩智浦半导体公司宣布与ING和三星合作开展业界首个点对点支付应用试点[4]。该试点将于2022年下半年的荷兰进行实地测试。项目计划实现当两部支持UWB技术的三星Galaxy 智能手机靠近时，用户通过ING 银行应用程序直接进行交易，完成点对点支付。在传统点对点支付中，用户可能需要通过用户名、电子邮件地址、电话号码等个人信息来进行辅助支付。在该项目计划中只要交易双方的手机互相靠近，消费者不需要再透露任何私人信息，只需要保持在有效范围内，就能够更轻松快速且更安全地转账，流程方便简洁，并且由于UWB技术的天然高精度定位特性，转账总是可以确保转给正确的人。这种技术有望在销售点进行使用，消费者可以拥有免操作的安全结账体验。

综上所述，UWB 超宽带技术在无感支付领域的应用已较为多元，从地铁闸机无感支付、商超无感支付、无障碍停车支付到可以进行数字货币、法定货币的点对点支付系统，都极大地提升了支付的便捷性，最大限度地去实现无感支付，同时也彰显了UWB 超宽带技术如今在无感支付领域的发展潜力。

3 UWB超宽带技术在无感支付领域的机遇与挑战

在信息化高速发展的今天，UWB超宽带技术在无感支付领域的发展在未来将会有更多可能与机遇。例如，在高铁和地铁的转乘路段可以建设类似于高速上的ETC通道，通过即可自动验证识别，乘客无须出站即可快速换乘，大力推进城市智能轨道交通票务一体化建设；UWB无感支付还可以应用在任何的实体销售点中，结账时只需携带手机靠近并及时确认支付即可，提升支付效率与安全性，避免个人隐私泄露。

不难发现，以上所有的应用场景都几乎依赖于搭载UWB 芯片的智能手机普及率。ABI Research 曾预测，2025年搭载UWB技术芯片的智能手机将有5.2亿部，届时将有32.5%的手机具备UWB功能，这为UWB技术在无感支付领域的蓬勃发展提供了充分的想象空间[5]。全球植入UWB 芯片的智能手机出货量及预测如图3所示。

图3 全球植入UWB芯片的智能手机出货量及预测

手机市场占比以及芯片出货量的预测显示UWB技术在无感支付领域固然富有潜力，但也不可盲目乐观，UWB 技术在无感支付领域普及同样面临着诸多挑战。一是UWB技术在无感支付领域并没有先天的适用标准规范，应用落地需要针对于收付终端进行升级改造，可能导致构建成本较高；二是新技术层出不穷，例如AI、NB-IOT、V2X以及下一代蓝牙协议、下一代Wi-Fi技术的进展等，都有可能与UWB技术形成竞争，而UWB 技术在无感支付领域的应用发展尚需时日，在此过程中必须保持相当的竞争力才能够有可能真正实现全面普及；三是相关算法缺乏优化改进，由于UWB 技术在无感支付领域发展还处于初期阶段，大多算法还有较大适配和改进空间。

4 总结

总而言之，UWB 超宽带技术由于在精准性（厘米级定位）、低功耗和安全性方面优于其他技术(Wi-Fi和蓝牙），在全民注重效率、隐私和安全的今天，UWB技术应用不仅能在室内定位领域大展拳脚，在无感支付领域的应用同样也可以大放异彩。至少，从目前来看，UWB 超宽带技术在无感支付领域应用之后确实可以提高支付的效率、降低支付的门槛、加强支付的安全性和隐秘性。