使用 UWB 技術(shù)的卓越汽車

本文作者 Mouser Electronics 的 Jean-Jacques DeLisle

想象一種用于距離和定位的無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)尺寸小巧且經(jīng)濟(jì)高效，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)精度。這就是超寬帶技術(shù) (UWB)。

引言

對(duì)于消費(fèi)者和車隊(duì)來(lái)說(shuō)，無(wú)線定位/距離感測(cè)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(duì)自動(dòng)駕駛和增強(qiáng)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(duì)位置感測(cè)技術(shù)在汽車應(yīng)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(xiàng)重新使用的技術(shù)，即超寬帶技術(shù) (UWB)，有望顯著增強(qiáng)短距離相對(duì)位置感測(cè)功能，確保車輛之間的通信安全，并開(kāi)發(fā)許多先前不可行的高級(jí)汽車功能。

什么是 UWB？

超寬帶技術(shù) (UWB) 是一種基于 IEEE 802.15.4z 的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，不僅經(jīng)濟(jì)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(cè)不受多路徑和干擾的影響，同時(shí)可實(shí)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(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(diào)制 (BPM) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。UWB 采用兩個(gè)連續(xù)的脈沖無(wú)線電 (IR) 信號(hào)來(lái)代表一個(gè)符號(hào)，且 IR 信號(hào)可以占據(jù)一個(gè)時(shí)間幀 (Tf) 內(nèi)的一個(gè)碼片間隔 (Tc)。跳時(shí)碼用于確定信號(hào)在某個(gè)特定時(shí)間幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置，從而盡可能減少 UWB 系統(tǒng)之間發(fā)生干擾的機(jī)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)線電裝置之間的信號(hào)飛行時(shí)間 (ToF)，來(lái)計(jì)算這兩個(gè)無(wú)線電裝置之間的距離，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn) (P2P) 雙向測(cè)距 (TWR)。

這種測(cè)量?jī)蓚€(gè) UWB 通信無(wú)線電間距離的方法不僅安全獨(dú)特，而且不受多路徑的影響，因?yàn)樽疃搪窂酵褪莾蓚€(gè)無(wú)線電之間的最短距離。

通過(guò)進(jìn)一步擴(kuò)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(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航。利用空間內(nèi)的多個(gè)同步錨點(diǎn)，同時(shí)使用到達(dá)時(shí)間差 (TDoA) 或反向 TDoA (RTDoA)，即可確定標(biāo)簽在 3D 空間內(nèi)的準(zhǔn)確位置。

假設(shè) UWB 標(biāo)簽裝有多根天線。在這種情況下，通過(guò)確定通信無(wú)線電的距離和方位，使用到達(dá)相位差 (PDoA)，即可計(jì)算兩個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置。

當(dāng)前定位技術(shù)概述

目前，使用現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行距離/位置測(cè)量的方法有 5 種：RFID、Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS 和 UWB。RFID、Wi-Fi 和藍(lán)牙使用 RSSI 計(jì)算距離。RSSI 用于衡量發(fā)射和接收無(wú)線電之間的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，在了解特定信道信息的情況下，可用于粗略估計(jì)距離。另一種方法就是 GPS，它測(cè)量用戶設(shè)備 (UE) 與多個(gè)時(shí)間同步衛(wèi)星之間的 ToF，可用于計(jì)算相對(duì)于衛(wèi)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(qū)別在于，UWB 方法采用時(shí)間非常短的極高帶寬帶頻率信號(hào)。窄帶 ToF 系統(tǒng)采用只在一個(gè)窄頻段上傳輸?shù)亩堂}沖。Wi-Fi、藍(lán)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(hào)能量分布在整個(gè)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(duì)而言不受干擾影響。這種非常快速的上升/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(xiàn)非常精確的時(shí)間測(cè)量，從而提高了精確度。

圖 3：各種無(wú)線定位和通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。

圖 4：RSSI、Wi-Fi、藍(lán)牙、窄帶 ToF 和 Qorvo IR UWB ToF 之間的距離/定位測(cè)量比較。

以上就是與藍(lán)牙、Wi-Fi 和 RFID 相比，UWB 可在距離相對(duì)較遠(yuǎn)的兩個(gè)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度測(cè)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(jì)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(biāo)簽和錨點(diǎn)成本低，功效高，可實(shí)現(xiàn)協(xié)議和硬件支持的大規(guī)模擴(kuò)展。

面向汽車應(yīng)用的UWB

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

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

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

?UWB 雷達(dá)技術(shù)非常敏感，可用于檢測(cè)人類呼吸……

另一個(gè)用例采用 UWB 的短距離雷達(dá)，通過(guò)檢測(cè)車輛內(nèi)外的人員和物體來(lái)滿足全新的安全要求，如入侵汽車和乘客檢測(cè)或輕松進(jìn)入后備箱。UWB 雷達(dá)技術(shù)非常敏感，可用于檢測(cè)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(dòng)能力時(shí)，向駕駛員保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

圖 5：新興及未來(lái)可能出現(xiàn)的汽車 UWB 用例。

UWB 的另一個(gè)用例就是確保電動(dòng)汽車自動(dòng)無(wú)線充電的安全，該功能可將 UWB 電動(dòng)汽車開(kāi)到無(wú)線充電區(qū)域，然后自動(dòng)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(gè)新興的汽車 UWB 應(yīng)用，它不僅可以將支持 UWB 技術(shù)的手機(jī)連接至配備 UWB 的汽車，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)鑰門禁功能，還可以提供更高的安全性。通過(guò)授權(quán)服務(wù)器，DK 技術(shù)為手機(jī)提供使用私鑰實(shí)現(xiàn)的汽車門禁功能。通過(guò)手機(jī)和汽車安全元素 (SE) 完成初始密鑰交換，無(wú)需進(jìn)行云連接也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shè)備（預(yù)先配置）的手機(jī)或遙控鑰匙，訪問(wèn)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(gè) UWB 收發(fā)器 (TRx)（亦稱為 UWB 錨點(diǎn)）都有一個(gè)覆蓋范圍圈，只要執(zhí)行 BLE 信號(hào)交換即可實(shí)現(xiàn)安全訪問(wèn)（圖 7）。

圖 6：PEPS 高端汽車硬件示例

圖 7：PEPS 汽車硬件實(shí)現(xiàn)示例。

只要 BLE 系統(tǒng)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和 UWB 喚醒功能，UWB 測(cè)距和安全驗(yàn)證就會(huì)觸發(fā)車內(nèi) CAN 總線系統(tǒng)，以便啟動(dòng)自動(dòng)遠(yuǎn)程無(wú)鑰門禁機(jī)制。車內(nèi)多個(gè) UWB 錨點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)手機(jī)或遙控鑰匙的精確定位檢測(cè)，并且可增加一些安全功能。配備 eSE 和 NFC 的遙控鑰匙或手機(jī)作為備用系統(tǒng)，當(dāng)靠近汽車的 NFC 標(biāo)簽時(shí)，也可以進(jìn)入此類車輛。

UWB 和 V2V

通過(guò)添加其他 UWB 傳感器，同時(shí)將 UWB 測(cè)距與車對(duì)車 (V2V) 通信鏈路相結(jié)合，我們可以利用 V2V 傳遞 UWB 信息，以創(chuàng)建 UWB 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。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(dòng)或半自動(dòng)駕駛或?qū)Ш较到y(tǒng)進(jìn)行安全協(xié)調(diào)和避障，或以其他方式向手動(dòng)駕駛汽車發(fā)出警報(bào)（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(yīng)。在有些情況下，UWB 甚至可以取代成本更高、計(jì)算更為復(fù)雜的攝像頭系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)車輛協(xié)調(diào)和障礙物檢測(cè)（圖 9）。

結(jié)論

當(dāng)前部署的汽車傳感器技術(shù)功能存在一定的差距。幸運(yùn)的是，最近更新的無(wú)線傳感器技術(shù)可實(shí)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(cè)解決方案，以及相對(duì)較高的數(shù)據(jù)速率通信，從而可以彌補(bǔ)這一差距。UWB 有望實(shí)現(xiàn)從 V2V 通信到乘客安全感測(cè)等大量潛在應(yīng)用。最優(yōu)技術(shù)尚未出現(xiàn)，因?yàn)殡S著 UWB 技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，并與汽車和智能手機(jī)融為一體，該技術(shù)在未來(lái)將進(jìn)一步發(fā)展。

END