本文作者 Mouser Electronics 的 Jean-Jacques DeLisle

想象一種用于距離和定位的無線通信技術，該技術尺寸小巧且經(jīng)濟高效，同時還可以實時提供厘米級精度。這就是超寬帶技術 (UWB)。

引言

對于消費者和車隊來說，無線定位/距離感測和安全通信是確保新興汽車系統(tǒng)具有出色便利性、性能、安保和安全功能的支柱。人們對自動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在汽車應用中存在局限性，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，即超寬帶技術 (UWB)，有望顯著增強短距離相對位置感測功能，確保車輛之間的通信安全，并開發(fā)許多先前不可行的高級汽車功能。

什么是 UWB？

超寬帶技術 (UWB) 是一種基于 IEEE 802.15.4z 的無線標準，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(xiàn)有的無線標準，不僅經(jīng)濟實惠，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，同時可實現(xiàn)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/下降時間的短脈沖（約 2 納秒），利用二進制相移鍵控 (BPSK) 和/或脈位調(diào)制 (BPM) 對數(shù)據(jù)進行編碼。UWB 采用兩個連續(xù)的脈沖無線電 (IR) 信號來代表一個符號，且 IR 信號可以占據(jù)一個時間幀 (Tf) 內(nèi)的一個碼片間隔 (Tc)。跳時碼用于確定信號在某個特定時間幀內(nèi)的準確位置，從而盡可能減少 UWB 系統(tǒng)之間發(fā)生干擾的機會（圖 2）。

圖 2：超寬帶使用極窄的短脈沖序列傳輸信息。

每次 UWB 通信都帶時間戳。時間戳允許使用兩個無線電裝置之間的信號飛行時間 (ToF)，來計算這兩個無線電裝置之間的距離，即點對點 (P2P) 雙向測距 (TWR)。

這種測量兩個 UWB 通信無線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無線電之間的最短距離。

通過進一步擴展此概念，以包含分布在整個環(huán)境中的額外錨點，就可以實現(xiàn)實時導航。利用空間內(nèi)的多個同步錨點，同時使用到達時間差 (TDoA) 或反向 TDoA (RTDoA)，即可確定標簽在 3D 空間內(nèi)的準確位置。

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

當前定位技術概述

目前，使用現(xiàn)代無線通信技術進行距離/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)射和接收無線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，它測量用戶設備 (UE) 與多個時間同步衛(wèi)星之間的 ToF，可用于計算相對于衛(wèi)星星座的 3D 位置。最后是 Qorvo 的 IR UWB ToF 技術（圖 3）。

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

圖 3：各種無線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設備之間實現(xiàn)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行實時距離/定位跟蹤，比 GPS 快約 100 倍。此外，UWB 標簽和錨點成本低，功效高，可實現(xiàn)協(xié)議和硬件支持的大規(guī)模擴展。

面向汽車應用的UWB

傳統(tǒng)遠程無鑰門禁（433MHz 汽車加密狗/遙控鑰匙）并非是防止不速之客進入汽車的最安全解決方案，這不足為奇。這些設備的一些已知的漏洞攻擊有時可以允許訪問，甚至控制汽車。因此，車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 (CCC) 制定了一個全新標準，利用 UWB 技術創(chuàng)建一種更為安全的遠程無鑰門禁解決方案。

事實上，CCC 的 UWB 標準采用與信用卡一樣的安全保護類型。美國、日本和歐盟的汽車制造商已經(jīng)開始采用這一 UWB 標準，同時一直鼓勵中國汽車制造商也采用此標準。2018 年第 3 季度，CCC 開始采用高速率脈沖 UWB (HRP-UWB)，該技術可提高汽車和移動制造商之間的互操作性，使移動設備可用作遙控鑰匙。

汽車 UWB 的首個用例就是無鑰門禁/無鑰啟動 (PEPS)，該用例采用了 CCC 符合門禁系統(tǒng) PEP 計劃第 2 階段的 NFC 技術，以及第 3 階段的 UWB 和藍牙低功耗 (BLE) 技術。

?UWB 雷達技術非常敏感，可用于檢測人類呼吸……

另一個用例采用 UWB 的短距離雷達，通過檢測車輛內(nèi)外的人員和物體來滿足全新的安全要求，如入侵汽車和乘客檢測或輕松進入后備箱。UWB 雷達技術非常敏感，可用于檢測人類呼吸，甚至可以區(qū)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內(nèi)，還可以在駕駛員睡著或失去行動能力時，向駕駛員保護系統(tǒng)發(fā)出警報。

圖 5：新興及未來可能出現(xiàn)的汽車 UWB 用例。

UWB 的另一個用例就是確保電動汽車自動無線充電的安全，該功能可將 UWB 電動汽車開到無線充電區(qū)域，然后自動共享憑證并完成充電交易（圖 5）。

汽車 UWB 硬件和軟件

數(shù)字鑰匙 (DK) 汽車門禁系統(tǒng)是第一個新興的汽車 UWB 應用，它不僅可以將支持 UWB 技術的手機連接至配備 UWB 的汽車，實現(xiàn)遠程無鑰門禁功能，還可以提供更高的安全性。通過授權服務器，DK 技術為手機提供使用私鑰實現(xiàn)的汽車門禁功能。通過手機和汽車安全元素 (SE) 完成初始密鑰交換，無需進行云連接也能實現(xiàn)自動汽車門禁（圖 6）。

我們以高端汽車為例介紹PEP 系統(tǒng)，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，訪問同樣配備了兼容硬件和 SE 的汽車。在該示例中，汽車中的每個 UWB 收發(fā)器 (TRx)（亦稱為 UWB 錨點）都有一個覆蓋范圍圈，只要執(zhí)行 BLE 信號交換即可實現(xiàn)安全訪問（圖 7）。

圖 6：PEPS 高端汽車硬件示例

圖 7：PEPS 汽車硬件實現(xiàn)示例。

只要 BLE 系統(tǒng)執(zhí)行網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和 UWB 喚醒功能，UWB 測距和安全驗證就會觸發(fā)車內(nèi) CAN 總線系統(tǒng)，以便啟動自動遠程無鑰門禁機制。車內(nèi)多個 UWB 錨點可實現(xiàn)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(tǒng)，當靠近汽車的 NFC 標簽時，也可以進入此類車輛。

UWB 和 V2V

通過添加其他 UWB 傳感器，同時將 UWB 測距與車對車 (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(qū)域網(wǎng)絡。這樣就可以行駛的車輛之間共享安全信息，并協(xié)助全自動或半自動駕駛或?qū)Ш较到y(tǒng)進行安全協(xié)調(diào)和避障，或以其他方式向手動駕駛汽車發(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：常用汽車傳感器比較。

UWB 的精確度、可靠性和快速更新速率使車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(tǒng)，以實現(xiàn)車輛協(xié)調(diào)和障礙物檢測（圖 9）。

結論

當前部署的汽車傳感器技術功能存在一定的差距。幸運的是，最近更新的無線傳感器技術可實現(xiàn)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(shù)據(jù)速率通信，從而可以彌補這一差距。UWB 有望實現(xiàn)從 V2V 通信到乘客安全感測等大量潛在應用。最優(yōu)技術尚未出現(xiàn)，因為隨著 UWB 技術得以廣泛應用，并與汽車和智能手機融為一體，該技術在未來將進一步發(fā)展。

END