使用 UWB 技術(shù)的卓越汽車(chē)

對于消費者和車(chē)隊來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)定位/距離感測和安全通信是確保新興汽車(chē)系統具有出色便利性、性能、安保和安全功能的支柱。人們對自動(dòng)駕駛和增強駕駛員輔助功能的需求不斷增加。然而，人們熟悉的短距離相對位置感測技術(shù)在汽車(chē)應用中存在局限性，其中最明顯的有：

●  延遲/位置更新速率

●  定位精度，以及

●  隨附通信功能的安全性

最近的一項重新使用的技術(shù)，即超寬帶技術(shù) (UWB)，有望顯著(zhù)增強短距離相對位置感測功能，確保車(chē)輛之間的通信安全，并開(kāi)發(fā)許多先前不可行的高級汽車(chē)功能。

什么是 UWB？

超寬帶技術(shù) (UWB) 是一種基于 IEEE 802.15.4z 的無(wú)線(xiàn)標準，旨在提供精確定位和安全通信。UWB 在可靠性、定位精度、定位延遲/更新速率和安全性方面優(yōu)于許多現有的無(wú)線(xiàn)標準，不僅經(jīng)濟實(shí)惠，而且小巧緊湊。此外，由于 UWB 物理層協(xié)議的性質(zhì)，UWB 通信和位置感測不受多路徑和干擾的影響，同時(shí)可實(shí)現低能耗（圖 1）。

圖1：UWB概覽

UWB 的工作原理是什么？

UWB 采用超寬帶寬和具有極陡上升/下降時(shí)間的短脈沖（約 2 納秒），利用二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK) 和/或脈位調制 (BPM) 對數據進(jìn)行編碼。UWB 采用兩個(gè)連續的脈沖無(wú)線(xiàn)電 (IR) 信號來(lái)代表一個(gè)符號，且 IR 信號可以占據一個(gè)時(shí)間幀 (Tf) 內的一個(gè)碼片間隔 (Tc)。跳時(shí)碼用于確定信號在某個(gè)特定時(shí)間幀內的準確位置，從而盡可能減少 UWB 系統之間發(fā)生干擾的機會(huì )（圖 2）。

圖 2：超寬帶使用極窄的短脈沖序列傳輸信息。

每次 UWB 通信都帶時(shí)間戳。時(shí)間戳允許使用兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電裝置之間的信號飛行時(shí)間 (ToF)，來(lái)計算這兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電裝置之間的距離，即點(diǎn)對點(diǎn) (P2P) 雙向測距 (TWR)。

這種測量?jì)蓚€(gè) UWB 通信無(wú)線(xiàn)電間距離的方法不僅安全獨特，而且不受多路徑的影響，因為最短路徑往往就是兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電之間的最短距離。

通過(guò)進(jìn)一步擴展此概念，以包含分布在整個(gè)環(huán)境中的額外錨點(diǎn)，就可以實(shí)現實(shí)時(shí)導航。利用空間內的多個(gè)同步錨點(diǎn)，同時(shí)使用到達時(shí)間差 (TDoA) 或反向 TDoA (RTDoA)，即可確定標簽在 3D 空間內的準確位置。

假設 UWB 標簽裝有多根天線(xiàn)。在這種情況下，通過(guò)確定通信無(wú)線(xiàn)電的距離和方位，使用到達相位差 (PDoA)，即可計算兩個(gè)設備的相對位置。

當前定位技術(shù)概述

目前，使用現代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行距離/位置測量的方法有 5 種：RFID、Wi-Fi、藍牙、GPS 和 UWB。RFID、Wi-Fi 和藍牙使用 RSSI 計算距離。RSSI 用于衡量發(fā)射和接收無(wú)線(xiàn)電之間的相對信號強度，在了解特定信道信息的情況下，可用于粗略估計距離。另一種方法就是 GPS，它測量用戶(hù)設備 (UE) 與多個(gè)時(shí)間同步衛星之間的 ToF，可用于計算相對于衛星星座的 3D 位置。最后是 Qorvo 的 IR UWB ToF 技術(shù)（圖 3）。

這些方法與 Qorvo IR UWB ToF 之間的主要區別在于，UWB 方法采用時(shí)間非常短的極高帶寬帶頻率信號。窄帶 ToF 系統采用只在一個(gè)窄頻段上傳輸的短脈沖。Wi-Fi、藍牙和 RFID 也使用 ToF，但帶寬受限，與 UWB 相比，它們無(wú)法生成具有快速上升/下降時(shí)間的極短脈沖（邊緣清晰）（圖 4）。UWB 的超寬帶帶寬表示信號能量分布在整個(gè)超寬頻段范圍內，這意味著(zhù)在任何給定頻率下，協(xié)議相對而言不受干擾影響。這種非?？焖俚纳仙?下降時(shí)間以及短暫的 UWB 脈沖時(shí)間盡可能減少了多經(jīng)干擾的影響，并可實(shí)現非常精確的時(shí)間測量，從而提高了精確度。

圖 3：各種無(wú)線(xiàn)定位和通信標準對比。

圖 4：RSSI、Wi-Fi、藍牙、窄帶 ToF 和 Qorvo IR UWB ToF 之間的距離/定位測量比較。

以上就是與藍牙、Wi-Fi 和 RFID 相比，UWB 可在距離相對較遠的兩個(gè)設備之間實(shí)現厘米級精度測量的原因。此外，UWB 通信協(xié)議的最高吞吐量為 27Mbps，高于除 Wi-Fi 之外的所有其他協(xié)議。極短脈沖和快速的距離/位置計算表明，UWB 可使用適合 3D 跟蹤的亞毫秒速度進(jìn)行實(shí)時(shí)距離/定位跟蹤，比 GPS 快約 100 倍。此外，UWB 標簽和錨點(diǎn)成本低，功效高，可實(shí)現協(xié)議和硬件支持的大規模擴展。

面向汽車(chē)應用的UWB

傳統遠程無(wú)鑰門(mén)禁（433MHz 汽車(chē)加密狗/遙控鑰匙）并非是防止不速之客進(jìn)入汽車(chē)的最安全解決方案，這不足為奇。這些設備的一些已知的漏洞攻擊有時(shí)可以允許訪(fǎng)問(wèn)，甚至控制汽車(chē)。因此，車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 (CCC) 制定了一個(gè)全新標準，利用 UWB 技術(shù)創(chuàng )建一種更為安全的遠程無(wú)鑰門(mén)禁解決方案。

事實(shí)上，CCC 的 UWB 標準采用與信用卡一樣的安全保護類(lèi)型。美國、日本和歐盟的汽車(chē)制造商已經(jīng)開(kāi)始采用這一 UWB 標準，同時(shí)一直鼓勵中國汽車(chē)制造商也采用此標準。2018 年第 3 季度，CCC 開(kāi)始采用高速率脈沖 UWB (HRP-UWB)，該技術(shù)可提高汽車(chē)和移動(dòng)制造商之間的互操作性，使移動(dòng)設備可用作遙控鑰匙。

汽車(chē) UWB 的首個(gè)用例就是無(wú)鑰門(mén)禁/無(wú)鑰啟動(dòng) (PEPS)，該用例采用了 CCC 符合門(mén)禁系統 PEP 計劃第 2 階段的 NFC 技術(shù)，以及第 3 階段的 UWB 和藍牙低功耗 (BLE) 技術(shù)。

UWB 雷達技術(shù)非常敏感，可用于檢測人類(lèi)呼吸……

另一個(gè)用例采用 UWB 的短距離雷達，通過(guò)檢測車(chē)輛內外的人員和物體來(lái)滿(mǎn)足全新的安全要求，如入侵汽車(chē)和乘客檢測或輕松進(jìn)入后備箱。UWB 雷達技術(shù)非常敏感，可用于檢測人類(lèi)呼吸，甚至可以區分成年人和嬰幼兒。這不僅有助于防止小孩和嬰幼兒遺留在車(chē)內，還可以在駕駛員睡著(zhù)或失去行動(dòng)能力時(shí)，向駕駛員保護系統發(fā)出警報。

圖 5：新興及未來(lái)可能出現的汽車(chē) UWB 用例。

UWB 的另一個(gè)用例就是確保電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電的安全，該功能可將 UWB 電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)到無(wú)線(xiàn)充電區域，然后自動(dòng)共享憑證并完成充電交易（圖 5）。

汽車(chē) UWB 硬件和軟件

數字鑰匙 (DK) 汽車(chē)門(mén)禁系統是第一個(gè)新興的汽車(chē) UWB 應用，它不僅可以將支持 UWB 技術(shù)的手機連接至配備 UWB 的汽車(chē)，實(shí)現遠程無(wú)鑰門(mén)禁功能，還可以提供更高的安全性。通過(guò)授權服務(wù)器，DK 技術(shù)為手機提供使用私鑰實(shí)現的汽車(chē)門(mén)禁功能。通過(guò)手機和汽車(chē)安全元素 (SE) 完成初始密鑰交換，無(wú)需進(jìn)行云連接也能實(shí)現自動(dòng)汽車(chē)門(mén)禁（圖 6）。

我們以高端汽車(chē)為例介紹PEP 系統，可使用配備所需 UWB、BLE、NFC 和電子 SE (eSE) 設備（預先配置）的手機或遙控鑰匙，訪(fǎng)問(wèn)同樣配備了兼容硬件和 SE 的汽車(chē)。在該示例中，汽車(chē)中的每個(gè) UWB 收發(fā)器 (TRx)（亦稱(chēng)為 UWB 錨點(diǎn)）都有一個(gè)覆蓋范圍圈，只要執行 BLE 信號交換即可實(shí)現安全訪(fǎng)問(wèn)（圖 7）。

圖 6：PEPS 高端汽車(chē)硬件示例

圖 7：PEPS 汽車(chē)硬件實(shí)現示例。

只要 BLE 系統執行網(wǎng)絡(luò )發(fā)現和 UWB 喚醒功能，UWB 測距和安全驗證就會(huì )觸發(fā)車(chē)內 CAN 總線(xiàn)系統，以便啟動(dòng)自動(dòng)遠程無(wú)鑰門(mén)禁機制。車(chē)內多個(gè) UWB 錨點(diǎn)可實(shí)現手機或遙控鑰匙的精確定位檢測，并且可增加一些安全功能。配備 eSE 和 NFC 的遙控鑰匙或手機作為備用系統，當靠近汽車(chē)的 NFC 標簽時(shí)，也可以進(jìn)入此類(lèi)車(chē)輛。

UWB 和 V2V

通過(guò)添加其他 UWB 傳感器，同時(shí)將 UWB 測距與車(chē)對車(chē) (V2V) 通信鏈路相結合，我們可以利用 V2V 傳遞 UWB 信息，以創(chuàng )建 UWB 區域網(wǎng)絡(luò )。這樣就可以行駛的車(chē)輛之間共享安全信息，并協(xié)助全自動(dòng)或半自動(dòng)駕駛或導航系統進(jìn)行安全協(xié)調和避障，或以其他方式向手動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)出警報（圖 8）。

圖 8：使用 UWB 和 V2V 通信的傳感器融合功能。

圖 9：常用汽車(chē)傳感器比較。

UWB 的精確度、可靠性和快速更新速率使車(chē)輛之間能夠非常迅速地做出反應。在有些情況下，UWB 甚至可以取代成本更高、計算更為復雜的攝像頭系統，以實(shí)現車(chē)輛協(xié)調和障礙物檢測（圖 9）。

結論

當前部署的汽車(chē)傳感器技術(shù)功能存在一定的差距。幸運的是，最近更新的無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)可實(shí)現成本低、更新速率高且非常精確的緊湊型距離/定位感測解決方案，以及相對較高的數據速率通信，從而可以彌補這一差距。UWB 有望實(shí)現從 V2V 通信到乘客安全感測等大量潛在應用。最優(yōu)技術(shù)尚未出現，因為隨著(zhù) UWB 技術(shù)得以廣泛應用，并與汽車(chē)和智能手機融為一體，該技術(shù)在未來(lái)將進(jìn)一步發(fā)展。