一文读懂UWB数字钥匙的应用与发展潜力

UWB技术就属于这类的代表。虽然UWB自60年代就已经运用在军事领域,但直到2003年美国联邦通信委员会(FCC)才发布商用化标准。曾经UWB被认定会成为“短距离无线传输”领域的主流技术,但最终没有“卷”过WiFi和BLE蓝牙技术。

一些技术的真正实用价值,有时需要多年以后才能得到体现。

UWB技术就属于这类的代表。虽然UWB自60年代就已经运用在军事领域,但直到2003年美国联邦通信委员会(FCC)才发布商用化标准。曾经UWB被认定会成为“短距离无线传输”领域的主流技术,但最终没有“卷”过WiFi和BLE蓝牙技术。

在消费级市场领域遇冷10多年后,随着技术标准的不断完善,还有苹果、小米等消费电子大厂加持,UWB重新回到了大家的视野中。凭借自身的技术特性,自2020年来UWB更是在汽车领域获得宝马、蔚来等主机厂的青睐。2021年7月CCC(车联网联盟,Car Connectivity Consortium),将UWB定义为第三代数字秘钥的核心技术。相信UWB技术可以为汽车智能化网联化带来更多想象空间。

什么是UWB?

UWB,ultra wideband超宽带,是一种使用1GHz以上频率宽带的无线载波通信技术。与其它通信技术体制不同,UWB通过利用纳秒(单位:ns)至皮秒(也称微微秒,单位:ps)的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占频谱的范围很大,数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。

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图片来源网络,可以看到UWB的超大频谱范围

以2002年FCC发布民用UWB设备使用频谱和功率为起点,UWB技术经历20年的发展,已经具备抗干扰能力强、定位精度高、共存性强的三大特征。

抗干扰能力强:

UWB采用短脉冲信号在2ns级别,信号的时间非常短,所以信号冲撞的概率很小。即便发生了冲撞,也可以轻易的识别出UWB信号。因此具有高信噪比的优点,可以有效对抗空间白噪声干扰和多径干扰。

定位精度高:

UWB具有高带宽的特点,普遍具有500MHz以上的射频带宽,使得UWB具有高分辨的ToF(Time of Flight)飞行时间,可以精准测量信号的到达时间,提供更准确的距离和位置信息。UWB技术的距离分辨能力强于其它传统技术路径,特别在复杂环境下其位置精度可比WiFi和蓝牙高两个数量级。

共存性强:

UWB的功率谱密度很低,其一般频谱功率密度小于-41.3dBm/MHz。UWB一般在车端的频段范围为6-8GHz,这使得UWB与现有车端的其它无线技术干扰冲突的概率大幅降低。

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图片来源:某知名厂商

为什么UWB将成为汽车数字钥匙的主要技术

IEEE在2020年8月发布了IEE 802.15.4z 2020 UWB行业标准,从底层的PHY和MAC层定义了UWB的服务和协议标准。该标准在UWB底层加入了一系列的安全机制,包括安全时间戳等。这让UWB可以解决汽车数字钥匙可能遇到的中继攻击问题,也打开了UWB在汽车、支付等高安全要求场景应用的大门。

随后在2021年7月,CCC联盟发布了汽车数字秘钥3.0版规范,明确了第三代数字钥匙是基于UWB/BLE(蓝牙)+NFC的互联方案。3.0规范的推出,相当于宣告了UWB技术车端运用时代的正式开启。

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图片来源:NXP

三代数字钥匙的简单对比

第一代数字钥匙

第一代数字钥匙基于NFC近场通讯技术,实现了车辆进入与启动功能,但基本没有位置感知的能力。同时,NFC的通信距离只有厘米级,车主需要将数字钥匙贴近车身才能开启车门。此代数字钥匙的使用体验较差,同时功能拓展潜力不高。

第二代数字钥匙

第二代数字钥匙是采用BLE蓝牙技术,是目前市占比最大的数字钥匙种类。蓝牙数字钥匙通信距离比第一代更远。第二代数字钥匙可以通过蓝牙信号的强弱粗略感知车与钥匙的位置关系,但其感知精度与准确性都有所欠缺。

第三代数字钥匙

第三代数字钥匙是UWB、BLE、NFC三种无线通信技术相结合的产品。UWB技术使得第三代数字钥匙位置感知精度得到了质的飞跃。值得一提的是,UWB测距序列可以支持8000个安全位,钥匙和车端需要滚码才能解锁,极大地提升了数字钥匙的安全性。

UWB数字钥匙的车载方案

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图片来源:某知名厂商

从系统的维度上,UWB数字钥匙融合了UWB、BLE、NFC三种无线通信技术。

BLE蓝牙作为低功耗的通信技术,在方案中是默认常开的,用于钥匙与车端的远距离感知、鉴权与交互等通信功能。在蓝牙完成通信鉴权后将开启UWB。

UWB在方案中的主要作用是完成车端和钥匙端的测距。

NFC主要负责出厂时的秘钥注入,以及在BLE、UWB同时失效时(例如,手机和钥匙同时没电)作为备用预案,确保可以用NFC刷开车门并启动车辆。

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图片来源:某知名厂商

车端架构中,与UWB相关的设备为UWB锚点与解算单元(中控)。其中UWB锚点包含了UWB射频和天线模组,实现钥匙与车身的测距功能。解算单元里内置了BLE蓝牙模组,实现与钥匙端的通信;解算单元同时负责接收UWB锚点信息,解算出钥匙与车身的相对位置关系,然后将位置信息再传输到车内其它的控制器(例如:BCM与DCU),从而进一步实现基于位置的应用层服务。

目前,关于UWB数字钥匙运用还有一个瓶颈,就是手机对UWB的支持能力。现在市面上,主要是苹果、小米、三星手机支持UWB功能,距离手机端全面普及可能还需要2-3年的时间。因此在UWB数字钥匙的车端架构,也需要考虑到不支持UWB功能手机的需求。

UWB数字钥匙的车端架构可以根据不同的需求侧重点进行调整。不同的UWB锚点数量与安装构型会使最终呈现效果有明显差异。目前主机厂主要采用的构型是“车外4+车内1”构型与“车外0+车内4“构型。

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图片来源:某知名厂商

“车外4+车内1”构型中,车外的UWB锚点一般布置在前后保险杠的两侧,车内锚点布置在中控位置。此种构型的UWB车外性能是最好的,覆盖范围也最佳,精度在各范围内的均衡性也较优。但由于车内只有一个UWB锚点,因此只能实现0维至1维的定位,也就是存在性感知(是否存在)和单一线性位置定位(前后座)。

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图片来源:某知名厂商

“车外0+车内4”构型,是在车内的座舱区安装4个UWB锚点,一般安装位置是在B柱两端和前后挡风玻璃的中上位置。相较于第一种构型,车内4个UWB锚点能够实现车内二维定位,可以准确判断乘员是坐在左右哪个位置上。但此构型在外部较远距离的性能不如前者构型。

UWB的车端运用拓展

UWB技术的引入为人车互动带来更多的想象空间。

基于UWB的数字钥匙可以让人在车外区域的人机交互更加精细,对车外场景进行细分化的应用。

例如,某知名厂商的UWB数字钥匙方案就对用户进入车辆启动场景进行了三层划分。当用户携带钥匙进入车辆20米范围内,车辆便通过蓝牙信号进行识别并开启UWB精准定位。

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图片来源:某知名厂商

当走进3-10米范围时,用户进入“迎宾区”,将触发车辆迎宾功能并自动开启车灯。在用户距1-3米区域时进入“识别区”,车辆将自动解锁同时伴随转向灯闪烁、短鸣笛等自定义提示。用户进入车辆后只需按一键启动按钮便可启动爱车。

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图片来源:某知名厂商

UWB除了在车辆进入这种常规场景应用外,还可以在AVP自主泊车、充换电站自动入库、脚踢雷达、车内活体感知等一系列领域大展拳脚。

UWB可以在停车场、换电站等场端进行布置,能够大幅提升在此类场景中的车辆定位精度。这一运用将可能大幅推进AVP的规模化运用。现在已经有多家主机厂在这个领域与某知名厂商展开合作。

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图片来源:某知名厂商

基于UWB优秀的测距、测向能力,在车辆采用车外UWB锚点构型时,无需额外增加成本即可进行功能拓展。UWB硬件可以轻易拓展出UWB雷达功能,精准识别脚踢动作,实现智能尾门功能。

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图片来源:某知名厂商

UWB技术优秀的动态感知能力,可以运用多普勒原理探测到细微的动作变化,从而感知生命体征。目前的车内生命感知更多是运用摄像头进行识别,在隐私越来越受重视的今天,运用UWB技术可以很好的规避这类风险。

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