【導讀】對於消費者和車隊來說，無線定位/距離感測和安全通信是確保新興汽車係統具有出色便利性、性能、anbaoheanquangongnengdezhizhu。renmenduizidongjiashihezengqiangjiashiyuanfuzhugongnengdexuqiubuduanzengjia。raner，renmenshuxideduanjulixiangduiweizhigancejishuzaiqicheyingyongzhongcunzaijuxianxing，qizhongzuimingxiandeyou：

●  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
，並開發許多先前不可行的高級汽車功能。

什麼是 UWB？

超寬帶技術 (UWB) 是一種基於 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麵優於許多現有的無線標準，不僅經濟實惠，而且小巧緊湊。此外，由於 UWB 物理層協議的性質，UWB 通信和位置感測不受多路徑和幹擾的影響，同時可實現低能耗（圖 1）。

圖1：UWB概覽

UWB 的工作原理是什麼
？

UWB 采用超寬帶寬和具有極陡上升/下降時間的短脈衝（約 2 納秒）
，利用二進製相移鍵控 (BPSK) 和/或脈位調製 (BPM) 對數據進行編碼。UWB 采用兩個連續的脈衝無線電 (IR) 信號來代表一個符號
，且 IR 信號可以占據一個時間幀 (Tf) 內的一個碼片間隔 (Tc)。跳時碼用於確定信號在某個特定時間幀內的準確位置，從而盡可能減少 UWB 係統之間發生幹擾的機會（圖 2）。

圖 2：超寬帶使用極窄的短脈衝序列傳輸信息。

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tong過guo進jin一yi步bu擴kuo展zhan此ci概gai念nian
，以yi包bao含han分fen布bu在zai整zheng個ge環huan境jing中zhong的de額e外wai錨mao點dian，就jiu可ke以yi實shi現xian實shi時shi導dao航hang。利li用yong空kong間jian內nei的de多duo個ge同tong步bu錨mao點dian，同tong時shi使shi用yong到dao達da時shi間jian差cha (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。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 用於衡量發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，可用於粗略估計距離。另一種方法就是 GPS
，它測量用戶設備 (UE) 與多個時間同步衛星之間的 ToF，可用於計算相對於衛星星座的 3D 位置。最後是 Qorvo 的 IR UWB ToF 技術（圖 3）。

這些方法與 Qorvo IR UWB ToF 之間的主要區別在於，UWB 方法采用時間非常短的極高帶寬帶頻率信號。窄帶 ToF 係統采用隻在一個窄頻段上傳輸的短脈衝。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/下降時間的極短脈衝（邊緣清晰）（圖 4）。UWB 的de超chao寬kuan帶dai帶dai寬kuan表biao示shi信xin號hao能neng量liang分fen布bu在zai整zheng個ge超chao寬kuan頻pin段duan範fan圍wei內nei，這zhe意yi味wei著zhe在zai任ren何he給gei定ding頻pin率lv下xia

，協xie議yi相xiang對dui而er言yan不bu受shou幹gan擾rao影ying響xiang。這zhe種zhong非fei常chang快kuai速su的de上shang升sheng/下降時間以及短暫的 UWB 脈衝時間盡可能減少了多經幹擾的影響，並可實現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厘米級精度測量的原因。此外，UWB 通信協議的最高吞吐量為 27Mbps，高於除 Wi-Fi 之外的所有其他協議。極短脈衝和快速的距離/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，可實現協議和硬件支持的大規模擴展。

麵向汽車應用的UWB

傳統遠程無鑰門禁（433MHz 汽車加密狗/遙控鑰匙）bingfeishifangzhibusuzhikejinruqichedezuianquanjiejuefangan
，zhebuzuweiqi。zhexieshebeideyixieyizhideloudonggongjiyoushikeyiyunxufangwen

，shenzhikongzhiqiche。yinci，chelianwanglianmeng (CCC) 製定了一個全新標準，利用 UWB 技術創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、日本和歐盟的汽車製造商已經開始采用這一 UWB 標準，同時一直鼓勵中國汽車製造商也采用此標準。2018 年第 3 季度，CCC 開始采用高速率脈衝 UWB (HRP-UWB)，該技術可提高汽車和移動製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 符合門禁係統 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，可用於檢測人類呼吸……

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鬆進入後備箱。UWB 雷lei達da技ji術shu非fei常chang敏min感gan，可ke用yong於yu檢jian測ce人ren類lei呼hu吸xi
，甚shen至zhi可ke以yi區qu分fen成cheng年nian人ren和he嬰ying幼you兒er。這zhe不bu僅jin有you助zhu於yu防fang止zhi小xiao孩hai和he嬰ying幼you兒er遺yi留liu在zai車che內nei，還hai可ke以yi在zai駕jia駛shi員yuan睡shui著zhe或huo失shi去qu行xing動dong能neng力li時shi，向xiang駕jia駛shi員yuan保bao護hu係xi統tong發fa出chu警jing報bao。

圖 5：新興及未來可能出現的汽車 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域，然後自動共享憑證並完成充電交易（圖 5）。

汽車 UWB 硬件和軟件

數字鑰匙 (DK) 汽車門禁係統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，無需進行雲連接也能實現自動汽車門禁（圖 6）。

我們以高端汽車為例介紹PEP 係統，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 收發器 (TRx)（亦稱為 UWB 錨點）都有一個覆蓋範圍圈
，隻要執行 BLE 信號交換即可實現安全訪問（圖 7）。

圖 6：PEPS 高端汽車硬件示例

圖 7：PEPS 汽車硬件實現示例。

隻要 BLE 係統執行網絡發現和 UWB 喚醒功能，UWB 測距和安全驗證就會觸發車內 CAN 總線係統，以便啟動自動遠程無鑰門禁機製。車內多個 UWB 錨點可實現手機或遙控鑰匙的精確定位檢測，並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係統，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，以創建 UWB 區(qu)域(yu)網(wang)絡(luo)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)行(xing)駛(shi)的(de)車(che)輛(liang)之(zhi)間(jian)共(gong)享(xiang)安(an)全(quan)信(xin)息(xi)
，並(bing)協(xie)助(zhu)全(quan)自(zi)動(dong)或(huo)半(ban)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)或(huo)導(dao)航(hang)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)安(an)全(quan)協(xie)調(tiao)和(he)避(bi)障(zhang)，或(huo)以(yi)其(qi)他(ta)方(fang)式(shi)向(xiang)手(shou)動(dong)駕(jia)駛(shi)汽(qi)車(che)發(fa)出(chu)警(jing)報(bao)（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、計算更為複雜的攝像頭係統，以實現車輛協調和障礙物檢測（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 有望實現從 V2V 通信到乘客安全感測等大量潛在應用。最優技術尚未出現，因為隨著 UWB 技術得以廣泛應用
，並與汽車和智能手機融為一體
，該技術在未來將進一步發展。

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