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使用 UWB 技術(shù)的卓越汽車(chē)

Qorvo半導(dǎo)體 ? 來(lái)源:未知 ? 2023-03-21 13:45 ? 次閱讀

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(xiàn)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(chē)隊(duì)來(lái)說(shuō),無(wú)線(xiàn)定位/距離感測(cè)和安全通信是確保新興汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)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)。

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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(xiàn)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)。

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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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。在這種情況下,通過(guò)確定通信無(wú)線(xiàn)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(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行距離/位置測(cè)量的方法有 5 種:RFIDWi-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(xiàn)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(hù)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。

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

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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(chē)應(yīng)用的UWB

傳統(tǒng)遠(yuǎn)程無(wú)鑰門(mén)禁(433MHz 汽車(chē)加密狗/遙控鑰匙)并非是防止不速之客進(jìn)入汽車(chē)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(fǎng)問(wèn),甚至控制汽車(chē)。因此,車(chē)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(mén)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(lèi)型。美國(guó)、日本和歐盟的汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē) UWB 的首個(gè)用例就是無(wú)鑰門(mén)禁/無(wú)鑰啟動(dòng) (PEPS),該用例采用了 CCC 符合門(mén)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)。

47af33be-c7ab-11ed-bfe3-dac502259ad0.png?UWB 雷達(dá)技術(shù)非常敏感,可用于檢測(cè)人類(lèi)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(chē)輛內(nèi)外的人員和物體來(lái)滿(mǎn)足全新的安全要求,如入侵汽車(chē)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(lèi)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(chē)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)。

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圖 5:新興及未來(lái)可能出現(xiàn)的汽車(chē) UWB 用例。

UWB 的另一個(gè)用例就是確保電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電的安全,該功能可將 UWB 電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)到無(wú)線(xiàn)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(chē) UWB 硬件和軟件

數(shù)字鑰匙 (DK) 汽車(chē)門(mén)禁系統(tǒng)是第一個(gè)新興的汽車(chē) 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(chē),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)鑰門(mén)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(chē)門(mén)禁功能。通過(guò)手機(jī)和汽車(chē)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(chē)門(mén)禁(圖 6)。

我們以高端汽車(chē)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(fǎng)問(wèn)同樣配備了兼容硬件和 SE 的汽車(chē)。在該示例中,汽車(chē)中的每個(gè) UWB 收發(fā)器 (TRx)(亦稱(chēng)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(fǎng)問(wèn)(圖 7)。

圖 6:PEPS 高端汽車(chē)硬件示例

圖 7:PEPS 汽車(chē)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(chē)內(nèi) CAN 總線(xiàn)系統(tǒng),以便啟動(dòng)自動(dòng)遠(yuǎn)程無(wú)鑰門(mén)禁機(jī)制。車(chē)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(chē)的 NFC 標(biāo)簽時(shí),也可以進(jìn)入此類(lèi)車(chē)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(chē)對(duì)車(chē) (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(chē)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(chē)發(fā)出警報(bào)(圖 8)。

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圖 8:使用 UWB 和 V2V 通信的傳感器融合功能。

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圖 9:常用汽車(chē)傳感器比較。

UWB 的精確度、可靠性和快速更新速率使車(chē)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(chē)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(chē)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(xiàn)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(chē)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


原文標(biāo)題:使用 UWB 技術(shù)的卓越汽車(chē)

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