UWB如何促使與汽車(chē)的交互更加方便、安全

科技不斷地用于改善我們的日常生活。一項(xiàng)技術(shù)要想真正發(fā)揮作用，就必須簡(jiǎn)單、安全、可靠和值得信賴(lài)。在 RF 技術(shù)領(lǐng)域，所有這些都做到了。

例如，Wi-Fi 在家庭和企業(yè)中已經(jīng)無(wú)處不在。隨著蜂窩技術(shù)帶來(lái)眾多新功能，智能手機(jī)成為全球必不可少的常用設(shè)備。借助 Bluetooth ，在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 生態(tài)系統(tǒng)中可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)字揚(yáng)聲器和耳機(jī)等設(shè)備的無(wú)線(xiàn)連接。

UWB 是另一種可以為日常生活帶來(lái)便利的新 RF 技術(shù)。它能夠精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離，這是其他 RF 技術(shù)不具備的特性。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距技術(shù)用途廣泛，可改善我們的日常生活。本指南探討了 UWB 如何促使與汽車(chē)的交互更加方便、安全和值得信賴(lài)。

CCC和數(shù)字鑰匙

你知道汽車(chē)的遙控鑰匙可能被冒充嗎？幸運(yùn)的是，目前技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者正在努力防止發(fā)生這種情況。數(shù)字鑰匙是車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(CCC)制定的一項(xiàng)新規(guī)范，旨在規(guī)范在駕駛員靠近車(chē)輛時(shí)如何自動(dòng)解鎖。為了防止有人非法進(jìn)入車(chē)輛，必須核實(shí)用戶(hù)的身份以及與汽車(chē)之間的距離。數(shù)字鑰匙標(biāo)準(zhǔn)使用 UWB 計(jì)算車(chē)輛與駕駛員之間的距離，確保用戶(hù)距離汽車(chē)在幾米以?xún)?nèi)。有了安全距離測(cè)量，解鎖程序更加安全，用戶(hù)無(wú)需拿出智能手機(jī)即可解鎖。反之亦然，當(dāng)用戶(hù)離開(kāi)車(chē)輛時(shí)，車(chē)輛會(huì)自動(dòng)鎖定。同樣的程序也用于確保發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

在數(shù)字鑰匙中，采用藍(lán)牙低能耗技術(shù)支持車(chē)輛與駕駛員智能手機(jī)之間的高級(jí)通信協(xié)議。此過(guò)程在藍(lán)牙低能耗連接到車(chē)輛后立即開(kāi)始。隨后，藍(lán)牙低能耗將開(kāi)始執(zhí)行數(shù)字鑰匙消息傳遞。這些堆棧將使用公鑰交換數(shù)字鑰匙 ID，并驗(yàn)證用戶(hù)是否具有有效 ID。接下來(lái)，系統(tǒng)將初始化 UWB 收發(fā)器，告知每個(gè)收發(fā)器傳輸其加擾時(shí)間戳序列 (STS) 信號(hào)所分配的時(shí)間。所有傳輸完成后，將計(jì)算距離。此過(guò)程將重復(fù)進(jìn)行，直到用戶(hù)進(jìn)入或離開(kāi)車(chē)輛。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(CCC)

CCC (https://carconnectivity.org/) 是一個(gè)跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織，其使命是創(chuàng)建可持續(xù)和靈活的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)接口技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，為所有車(chē)輛和移動(dòng)設(shè)備提供始終如一的卓越用戶(hù)體驗(yàn)。

CCC 成員公司包括智能手機(jī)和汽車(chē)制造商、汽車(chē)一級(jí)供應(yīng)商、集成電路供應(yīng)商、安全產(chǎn)品供應(yīng)商等。

UWB技術(shù)概述

UWB 是一種基于脈沖的系統(tǒng)，使用一系列非常窄的 2 納秒脈沖。這些窄脈沖經(jīng)過(guò)編碼和傳播，將會(huì)占用 500 MHz 的帶寬。脈沖序列使用 IPATOV 和偽隨機(jī)安全 STS 編碼進(jìn)行編碼，分別重復(fù)多次。標(biāo)頭和 STS 后面是 MAC 標(biāo)頭和數(shù)據(jù)。此標(biāo)頭、STS、MAC 標(biāo)頭和數(shù)據(jù)序列構(gòu)成一幀。

通過(guò)這些重復(fù)的已知序列，接收器可使用自相關(guān)來(lái)形成直方圖并確定準(zhǔn)確的接收時(shí)間。直方圖本質(zhì)上是接收信號(hào)的信道脈沖響應(yīng) (CIR)，如上圖所示。第一個(gè)峰值表示視線(xiàn)路徑，可用于提取發(fā)射器與接收器之間的最短距離。每個(gè)后續(xù)峰值表示環(huán)境中某個(gè)表面的單獨(dú)反射。

圖 1. UWB 脈沖無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)響應(yīng)。

UWB 雙向測(cè)距

雙向測(cè)距 (TWR) 是確定兩個(gè) UWB 收發(fā)器之間距離的方法。通過(guò) TWR，每個(gè)收發(fā)器輪流傳輸 STS。除了 STS 信息之外，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路傳達(dá)準(zhǔn)確的傳輸時(shí)間和準(zhǔn)確的接收時(shí)間，并使用從初始會(huì)話(huà)密鑰派生的動(dòng)態(tài)安全密鑰進(jìn)行加密。在兩次收到該信息后，可以計(jì)算飛行時(shí)間并將其轉(zhuǎn)換為距離。此外，在收到兩次測(cè)量的信息后，可以消除由時(shí)鐘不同步和變化導(dǎo)致的任何誤差。

在數(shù)字鑰匙中，雙向測(cè)距是一對(duì)多協(xié)議，這意味著支持 UWB 的智能手機(jī)或遙控鑰匙中的收發(fā)器會(huì)傳送一個(gè)信號(hào)，由多個(gè)接收器（稱(chēng)為 UWB 錨點(diǎn)）接收。在該協(xié)議的回復(fù)部分，車(chē)上的每個(gè) UWB 錨點(diǎn)將輪流回復(fù)。最后一步，智能手機(jī)或遙控鑰匙從車(chē)上的每個(gè)傳感器傳回 STS 到達(dá)的時(shí)間。然后，車(chē)內(nèi)的 UWB 傳感器可以計(jì)算與智能手機(jī)或遙控鑰匙之間的精確距離。最終，車(chē)輛內(nèi)部和周?chē)膫鞲衅髟蕉?，位置測(cè)量就越準(zhǔn)確。

圖 2. 超寬帶標(biāo)簽和錨點(diǎn)之間的安全雙向測(cè)距。

安全距離測(cè)量

UWB 測(cè)距包括一項(xiàng)安全功能，旨在確保任何第三方都無(wú)法冒名傳輸和進(jìn)行不正確的距離測(cè)量。消息格式中包含一個(gè) STS，它使用偽隨機(jī)序列和加密技術(shù)來(lái)保護(hù)每幀中生成的時(shí)間戳數(shù)據(jù)的完整性。此生成過(guò)程依賴(lài)于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 安全協(xié)議。AES 是一種用于保護(hù)信息的對(duì)稱(chēng)分組密碼或確定性算法。STS 的初始時(shí)間戳數(shù)據(jù)包使用安全元素生成，并來(lái)自安全來(lái)源。在初始化過(guò)程中，鏈路兩端安全地交換這些代碼。這可以利用鏈接兩端的私鑰和公鑰來(lái)加密和交換初始 STS 密鑰。初始化完成后，在每次傳輸后都會(huì)使用一種復(fù)雜的算法來(lái)更改此 STS 代碼。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn) IEEE 802.15.4z-2020 規(guī)范。

此外，該會(huì)話(huà)密鑰可以與多個(gè) UWB 收發(fā)器共享（當(dāng)然是加密的），并僅允許這些設(shè)備正確接收傳輸內(nèi)容。

圖 3. STS 確定性隨機(jī)位生成器 (DRBG)。

數(shù)字鑰匙安全和交換

數(shù)字鑰匙規(guī)范提供了私鑰和公鑰管理方法。原始設(shè)備制造商管理數(shù)字鑰匙根認(rèn)證，而本地經(jīng)銷(xiāo)商提供數(shù)字鑰匙中級(jí)認(rèn)證并頒發(fā)數(shù)字鑰匙產(chǎn)品認(rèn)證。數(shù)字鑰匙還支持在鑰匙丟失、車(chē)輛出售、代客泊車(chē)、鑰匙共享等情況下使用其他幾種機(jī)制。通過(guò)鑰匙共享，您可以發(fā)放二級(jí)鑰匙，允許在有所限制的情況下進(jìn)入車(chē)輛。這些限制可能包括車(chē)輛可操作的時(shí)間限制。

數(shù)字鑰匙使用藍(lán)牙作為主要的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，在車(chē)輛和智能手機(jī)或遙控鑰匙之間交換信息。在此過(guò)程中，藍(lán)牙交換必須傳輸初始 UWB STS 種子。這是使用私鑰和公鑰網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議完成的。公鑰在鏈路兩端之間共享，用于對(duì)信息進(jìn)行編碼。這也可用于對(duì) UWB 有效載荷中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。交換信息后，系統(tǒng)可使用私鑰對(duì)數(shù)字鑰匙進(jìn)行解碼。此外，可使用私鑰對(duì)消息進(jìn)行數(shù)字簽名，確保沒(méi)有人試圖修改數(shù)據(jù)。

圖 4. 數(shù)字鑰匙安全和交換過(guò)程。

數(shù)字鑰匙物理布局 – 簡(jiǎn)單場(chǎng)景

最初，數(shù)字鑰匙是一種使用智能手機(jī)在手機(jī)與車(chē)上或車(chē)內(nèi)的藍(lán)牙之間創(chuàng)建藍(lán)牙鏈路的簡(jiǎn)單方法。這種方法提供了所需的功能和便利，可在用戶(hù)靠近時(shí)解鎖車(chē)輛。但很快就發(fā)現(xiàn)這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)，例如中繼攻擊，在這種情況下，個(gè)人信息可能被窺探并通過(guò)遠(yuǎn)程 RF 鏈路中繼到車(chē)輛。

通過(guò)添加一個(gè) UWB 元素同時(shí)進(jìn)行安全距離測(cè)量，解決了這個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)在，除了藍(lán)牙交換數(shù)字鑰匙信息外，還提供了一個(gè)安全的 UWB 距離測(cè)量，確保人員與車(chē)輛的距離達(dá)到預(yù)期值后再解鎖。UWB 安全測(cè)距提供了額外的保護(hù)，確保竊賊不會(huì)冒用、中繼攻擊或以其他方式竊取數(shù)字鑰匙信號(hào)。

UWB 距離測(cè)量在車(chē)輛周?chē)纬闪艘粋€(gè)“安全氣泡”，只有在智能手機(jī)位于該氣泡內(nèi)時(shí)，車(chē)輛才能解鎖。所使用的安全等級(jí)就像是安全金融交易中使用的信用卡，這意味著它必須實(shí)際存在才能進(jìn)行交易。

最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式是使用車(chē)上的一臺(tái) UWB 設(shè)備來(lái)測(cè)量與手機(jī)之間的距離。雖然在這種情況下距離測(cè)量非常精確，但方向未知。因此，車(chē)輛不知道智能手機(jī)是從駕駛員側(cè)、乘客側(cè)、車(chē)輛前方還是后方靠近。車(chē)上只有一個(gè)收發(fā)器傳感器，因此無(wú)法準(zhǔn)確顯示駕駛員的智能手機(jī)在車(chē)輛哪個(gè)方向。我們將在下一章節(jié)討論如何解決這個(gè)問(wèn)題。

圖 5. 僅通過(guò)鯊魚(yú)鰭中的單個(gè) UWB 傳感器計(jì)算距離的數(shù)字鑰匙。

數(shù)字鑰匙物理布局 – 穩(wěn)健場(chǎng)景

前一個(gè)示例使用單個(gè) UWB 傳感器來(lái)感知與車(chē)主/操作者之間的距離。這提供了一個(gè)低成本的解決方案。更穩(wěn)健的實(shí)現(xiàn)方式是使用車(chē)外的幾個(gè) UWB 傳感器來(lái)精確測(cè)量與駕駛員智能手機(jī)之間的距離。由于傳感器分布在外部車(chē)身的多個(gè)位置，因此路徑損耗較低，使 UWB 能夠測(cè)量更長(zhǎng)的距離。此外，使用多個(gè)外部傳感器可以準(zhǔn)確確定駕駛員相對(duì)于車(chē)輛的位置。

在此應(yīng)用中，車(chē)輛負(fù)責(zé)鎖定/解鎖車(chē)輛，因此會(huì)計(jì)算距離。當(dāng)駕駛員靠近時(shí)，車(chē)輛將根據(jù)駕駛員的距離和方向解鎖乘客車(chē)門(mén)、駕駛員車(chē)門(mén)或行李箱。

車(chē)內(nèi)需要另一個(gè) UWB 傳感器來(lái)確定數(shù)字鑰匙（智能手機(jī)）是否在車(chē)內(nèi)。如果在車(chē)內(nèi)未檢測(cè)到鑰匙，車(chē)輛將不會(huì)啟動(dòng)。車(chē)內(nèi)的 UWB 傳感器也支持其他可能的用例，如占用檢測(cè)。

圖6. 多個(gè) UWB 傳感器及數(shù)字鑰匙 – 距離和方向。

未來(lái) – UWB、位置和距離測(cè)量

起初，準(zhǔn)確測(cè)量距離的能力似乎并不十分重要。但是，經(jīng)過(guò)更深入的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這是實(shí)現(xiàn)許多新的汽車(chē)安全、安防和便利應(yīng)用的基本需求。低成本 RF 距離測(cè)量的一個(gè)用途是確保實(shí)物資產(chǎn)的安全。對(duì)于這些應(yīng)用，可以在每個(gè)設(shè)備中安裝一個(gè) UWB 收發(fā)器：鑰匙和資產(chǎn)。

對(duì)于實(shí)物資產(chǎn)，鑰匙必須在附近才能解鎖該資產(chǎn)，如車(chē)輛。UWB 測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的實(shí)際距離，因此可確保鑰匙（用戶(hù)）與相關(guān)資產(chǎn)（車(chē)輛）的距離在特定范圍內(nèi)，然后再解鎖。

這也有其他好處。當(dāng)用戶(hù)靠近車(chē)輛時(shí)，與用戶(hù)的距離可以劃分為多個(gè)區(qū)域。當(dāng)用戶(hù)超出區(qū)域時(shí)，什么也不會(huì)發(fā)生。當(dāng)他們靠近區(qū)域 3 時(shí)（見(jiàn)下圖），車(chē)輛閃光燈可能會(huì)閃爍。當(dāng)他們靠近區(qū)域 2 時(shí)，迎賓燈可能會(huì)打開(kāi)。最后，當(dāng)他們靠近區(qū)域 1 時(shí)，車(chē)輛將解鎖并可以配置高級(jí)功能，如啟動(dòng)車(chē)輛、將溫濕度控制設(shè)置為駕駛員所需的設(shè)置、設(shè)置信息娛樂(lè)偏好，如音樂(lè)/播客，以及其他類(lèi)型的舒適度控制功能。

圖 7. UWB 支持單個(gè)距離測(cè)量區(qū)域。

未來(lái) – 乘客接送識(shí)別

利用車(chē)輛中的 UWB 傳感器和乘客的智能手機(jī)，車(chē)輛可以正確識(shí)別和定位要接送的乘客。藍(lán)牙低能耗可用于啟動(dòng) UWB 會(huì)話(huà)，而另一種機(jī)制是使用車(chē)對(duì)行人 (V2P) 協(xié)議來(lái)建立 UWB 鏈路并啟動(dòng)距離測(cè)量過(guò)程。然后，車(chē)輛可以確定與乘客之間的距離，反之亦然。憑借多個(gè)傳感器，車(chē)輛可以精確定位乘客的位置和距離。對(duì)于共乘服務(wù)，這有助于駕駛員在人群中找到目標(biāo)乘客。

在這種情況下，手機(jī)和傳感器都需要知道距離，因?yàn)槌丝托枰R(shí)別接送車(chē)輛，車(chē)輛也需要識(shí)別乘客。

圖 8. 使用 UWB 識(shí)別要接送的乘客。

結(jié)論

UWB 正成為家庭自動(dòng)化、工業(yè) 4.0 以及現(xiàn)在的汽車(chē)領(lǐng)域等諸多應(yīng)用必備的突破性新技術(shù)。以汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入和數(shù)字鑰匙作為跳板，UWB 將適用于更多場(chǎng)景，并有望提高整體車(chē)輛安全性。

在本電子指南中，我們只介紹了 UWB 在汽車(chē)領(lǐng)域的新興應(yīng)用。在未來(lái)的文章中，我們將探討 UWB 的新汽車(chē)應(yīng)用，并展示該技術(shù)如何將 UWB 推向眾多車(chē)輛安全和安保領(lǐng)域，并成為幾個(gè)自動(dòng)駕駛用例的重要推動(dòng)力。UWB 的一大優(yōu)點(diǎn)是在不易獲取重要外部位置信息的汽車(chē)領(lǐng)域提供了低成本、高精度的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)距傳感器解決方案。此外，UWB 與其他車(chē)輛技術(shù)（如車(chē)對(duì)萬(wàn)物 (V2X)）結(jié)合使用可以帶來(lái)許多好處，例如防止碰撞。

據(jù)預(yù)測(cè)，在未來(lái)幾年內(nèi)，50% 的新車(chē)都將配備 UWB 數(shù)字鑰匙，以提高便利性和防盜性。這就需要在車(chē)輛中安裝大量的 UWB 傳感器。需要了解各種各樣的潛在 UWB 應(yīng)用，以便對(duì)當(dāng)今車(chē)輛中部署的 UWB 系統(tǒng)類(lèi)型做出明智的選擇。如果安裝的 UWB 傳感器的功能可以從基本的防盜擴(kuò)展到救生應(yīng)用，那就更棒了！