使用 UWB 技术的卓越汽车

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本文作者 Mouser Electronics 的 Jean-Jacques DeLisle
 
Qorvo UWB
 
想象一种用于距离和定位的无线通信技术,该技术尺寸小巧且经济高效,同时还可以实时提供厘米级精度。这就是超宽带技术 (UWB)。
 
引言
 
对于消费者和车队来说,无线定位/距离感测和安全通信是确保新兴汽车系统具有出色便利性、性能、安保和安全功能的支柱。人们对自动驾驶和增强驾驶员辅助功能的需求不断增加。然而,人们熟悉的短距离相对位置感测技术在汽车应用中存在局限性,其中最明显的有:
 
延迟/位置更新速率
定位精度,以及
随附通信功能的安全性
 
最近的一项重新使用的技术,即超宽带技术 (UWB),有望显著增强短距离相对位置感测功能,确保车辆之间的通信安全,并开发许多先前不可行的高级汽车功能。
 
什么是 UWB?
 
超宽带技术 (UWB) 是一种基于 IEEE 802.15.4z 的无线标准,旨在提供精确定位和安全通信。UWB 在可靠性、定位精度、定位延迟/更新速率和安全性方面优于许多现有的无线标准,不仅经济实惠,而且小巧紧凑。此外,由于 UWB 物理层协议的性质,UWB 通信和位置感测不受多路径和干扰的影响,同时可实现低能耗(图 1)。
 
Qorvo UWB
图 1:UWB 概览
 
UWB 的工作原理是什么?
 
UWB 采用超宽带宽和具有极陡上升/下降时间的短脉冲(约 2 纳秒),利用二进制相移键控 (BPSK) 和/或脉位调制 (BPM) 对数据进行编码。UWB 采用两个连续的脉冲无线电 (IR) 信号来代表一个符号,且 IR 信号可以占据一个时间帧 (Tf) 内的一个码片间隔 (Tc)。跳时码用于确定信号在某个特定时间帧内的准确位置,从而尽可能减少 UWB 系统之间发生干扰的机会(图 2)。
 
Qorvo UWB
图 2:超宽带使用极窄的短脉冲序列传输信息。
 
每次 UWB 通信都带时间戳。时间戳允许使用两个无线电装置之间的信号飞行时间 (ToF),来计算这两个无线电装置之间的距离,即点对点 (P2P) 双向测距 (TWR)。
 
这种测量两个 UWB 通信无线电间距离的方法不仅安全独特,而且不受多路径的影响,因为最短路径往往就是两个无线电之间的最短距离。
 
通过进一步扩展此概念,以包含分布在整个环境中的额外锚点,就可以实现实时导航。利用空间内的多个同步锚点,同时使用到达时间差 (TDoA) 或反向 TDoA (RTDoA),即可确定标签在 3D 空间内的准确位置。
 
假设 UWB 标签装有多根天线。在这种情况下,通过确定通信无线电的距离和方位,使用到达相位差 (PDoA),即可计算两个设备的相对位置。
 
Qorvo UWB
 
当前定位技术概述
 
目前,使用现代无线通信技术进行距离/位置测量的方法有 5 种:RFID、Wi-Fi、蓝牙、GPS 和 UWB。RFID、Wi-Fi 和蓝牙使用 RSSI 计算距离。RSSI 用于衡量发射和接收无线电之间的相对信号强度,在了解特定信道信息的情况下,可用于粗略估计距离。另一种方法就是 GPS,它测量用户设备 (UE) 与多个时间同步卫星之间的 ToF,可用于计算相对于卫星星座的 3D 位置。最后是 Qorvo 的 IR UWB ToF 技术(图 3)。
 
这些方法与 Qorvo IR UWB ToF 之间的主要区别在于,UWB 方法采用时间非常短的极高带宽带频率信号。窄带 ToF 系统采用只在一个窄频段上传输的短脉冲。Wi-Fi、蓝牙和 RFID 也使用 ToF,但带宽受限,与 UWB 相比,它们无法生成具有快速上升/下降时间的极短脉冲(边缘清晰)(图 4)。UWB 的超宽带带宽表示信号能量分布在整个超宽频段范围内,这意味着在任何给定频率下,协议相对而言不受干扰影响。这种非常快速的上升/下降时间以及短暂的 UWB 脉冲时间尽可能减少了多经干扰的影响,并可实现非常精确的时间测量,从而提高了精确度。
 
Qorvo UWB
图 3:各种无线定位和通信标准对比。
Qorvo UWB
图 4:RSSI、Wi-Fi、蓝牙、窄带 ToF 和 Qorvo IR UWB ToF 之间的距离/定位测量比较。
 
以上就是与蓝牙、Wi-Fi 和 RFID 相比,UWB 可在距离相对较远的两个设备之间实现厘米级精度测量的原因。此外,UWB 通信协议的最高吞吐量为 27Mbps,高于除 Wi-Fi 之外的所有其他协议。极短脉冲和快速的距离/位置计算表明,UWB 可使用适合 3D 跟踪的亚毫秒速度进行实时距离/定位跟踪,比 GPS 快约 100 倍。此外,UWB 标签和锚点成本低,功效高,可实现协议和硬件支持的大规模扩展。
 
面向汽车应用的UWB
 
传统远程无钥门禁(433MHz 汽车加密狗/遥控钥匙)并非是防止不速之客进入汽车的最安全解决方案,这不足为奇。这些设备的一些已知的漏洞攻击有时可以允许访问,甚至控制汽车。因此,车联网联盟 (CCC) 制定了一个全新标准,利用 UWB 技术创建一种更为安全的远程无钥门禁解决方案。
 
事实上,CCC 的 UWB 标准采用与信用卡一样的安全保护类型。美国、日本和欧盟的汽车制造商已经开始采用这一 UWB 标准,同时一直鼓励中国汽车制造商也采用此标准。2018 年第 3 季度,CCC 开始采用高速率脉冲 UWB (HRP-UWB),该技术可提高汽车和移动制造商之间的互操作性,使移动设备可用作遥控钥匙。
 
汽车 UWB 的首个用例就是无钥门禁/无钥启动 (PEPS),该用例采用了 CCC 符合门禁系统 PEP 计划第 2 阶段的 NFC 技术,以及第 3 阶段的 UWB 和蓝牙低功耗 (BLE) 技术。
 
  UWB 雷达技术非常敏感,可用于检测人类呼吸……
 
另一个用例采用 UWB 的短距离雷达,通过检测车辆内外的人员和物体来满足全新的安全要求,如入侵汽车和乘客检测或轻松进入后备箱。UWB 雷达技术非常敏感,可用于检测人类呼吸,甚至可以区分成年人和婴幼儿。这不仅有助于防止小孩和婴幼儿遗留在车内,还可以在驾驶员睡着或失去行动能力时,向驾驶员保护系统发出警报。
 
Qorvo UWB
图 5:新兴及未来可能出现的汽车 UWB 用例。
 
UWB 的另一个用例就是确保电动汽车自动无线充电的安全,该功能可将 UWB 电动汽车开到无线充电区域,然后自动共享凭证并完成充电交易(图 5)。
 
汽车 UWB 硬件和软件
 
数字钥匙 (DK) 汽车门禁系统是第一个新兴的汽车 UWB 应用,它不仅可以将支持 UWB 技术的手机连接至配备 UWB 的汽车,实现远程无钥门禁功能,还可以提供更高的安全性。通过授权服务器,DK 技术为手机提供使用私钥实现的汽车门禁功能。通过手机和汽车安全元素 (SE) 完成初始密钥交换,无需进行云连接也能实现自动汽车门禁(图 6)。
 
我们以高端汽车为例介绍PEP 系统,可使用配备所需 UWB、BLE、NFC 和电子 SE (eSE) 设备(预先配置)的手机或遥控钥匙,访问同样配备了兼容硬件和 SE 的汽车。在该示例中,汽车中的每个 UWB 收发器 (TRx)(亦称为 UWB 锚点)都有一个覆盖范围圈,只要执行 BLE 信号交换即可实现安全访问(图 7)。
 
Qorvo UWB
图 6:PEPS 高端汽车硬件示例
Qorvo UWB
图 7:PEPS 汽车硬件实现示例。
 
只要 BLE 系统执行网络发现和 UWB 唤醒功能,UWB 测距和安全验证就会触发车内 CAN 总线系统,以便启动自动远程无钥门禁机制。车内多个 UWB 锚点可实现手机或遥控钥匙的精确定位检测,并且可增加一些安全功能。配备 eSE 和 NFC 的遥控钥匙或手机作为备用系统,当靠近汽车的 NFC 标签时,也可以进入此类车辆。
 
UWB 和 V2V
 
通过添加其他 UWB 传感器,同时将 UWB 测距与车对车 (V2V) 通信链路相结合,我们可以利用 V2V 传递 UWB 信息,以创建 UWB 区域网络。这样就可以行驶的车辆之间共享安全信息,并协助全自动或半自动驾驶或导航系统进行安全协调和避障,或以其他方式向手动驾驶汽车发出警报(图 8)。
 
 
Qorvo UWB
图 8:使用 UWB 和 V2V 通信的传感器融合功能。
Qorvo UWB
图 9:常用汽车传感器比较。
 
UWB 的精确度、可靠性和快速更新速率使车辆之间能够非常迅速地做出反应。在有些情况下,UWB 甚至可以取代成本更高、计算更为复杂的摄像头系统,以实现车辆协调和障碍物检测(图 9)。
 
结论
 
当前部署的汽车传感器技术功能存在一定的差距。幸运的是,最近更新的无线传感器技术可实现成本低、更新速率高且非常精确的紧凑型距离/定位感测解决方案,以及相对较高的数据速率通信,从而可以弥补这一差距。UWB 有望实现从 V2V 通信到乘客安全感测等大量潜在应用。最优技术尚未出现,因为随着 UWB 技术得以广泛应用,并与汽车和智能手机融为一体,该技术在未来将进一步发展。
 
本文转载自Qorvo半导体微信公众号
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