科技不斷地用于改善我們的日常生活。一項技術(shù)要想真正發(fā)揮作用，就必須簡單、安全、可靠和值得信賴。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)無處不在。隨著蜂窩技術(shù)帶來眾多新功能，智能手機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)中可以輕松實現(xiàn)數(shù)字揚聲器和耳機等設(shè)備的無線連接。

UWB 是另一種可以為日常生活帶來便利的新 RF 技術(shù)。它能夠精確測量兩點之間的距離，這是其他 RF 技術(shù)不具備的特性。這種點對點測距技術(shù)用途廣泛，可改善我們的日常生活。本指南探討了 UWB 如何促使與汽車的交互更加方便、安全和值得信賴。

CCC和數(shù)字鑰匙

你知道汽車的遙控鑰匙可能被冒充嗎？幸運的是，目前技術(shù)領(lǐng)導者正在努力防止發(fā)生這種情況。數(shù)字鑰匙是車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(CCC)制定的一項新規(guī)范，旨在規(guī)范在駕駛員靠近車輛時如何自動解鎖。為了防止有人非法進入車輛，必須核實用戶的身份以及與汽車之間的距離。數(shù)字鑰匙標準使用 UWB 計算車輛與駕駛員之間的距離，確保用戶距離汽車在幾米以內(nèi)。有了安全距離測量，解鎖程序更加安全，用戶無需拿出智能手機即可解鎖。反之亦然，當用戶離開車輛時，車輛會自動鎖定。同樣的程序也用于確保發(fā)動機啟動。

在數(shù)字鑰匙中，采用藍牙低能耗技術(shù)支持車輛與駕駛員智能手機之間的高級通信協(xié)議。此過程在藍牙低能耗連接到車輛后立即開始。隨后，藍牙低能耗將開始執(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，并驗證用戶是否具有有效 ID。接下來，系統(tǒng)將初始化 UWB 收發(fā)器，告知每個收發(fā)器傳輸其加擾時間戳序列 (STS) 信號所分配的時間。所有傳輸完成后，將計算距離。此過程將重復進行，直到用戶進入或離開車輛。

車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(CCC)

CCC (https://carconnectivity.org/) 是一個跨行業(yè)標準組織，其使命是創(chuàng)建可持續(xù)和靈活的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)接口技術(shù)的標準化，為所有車輛和移動設(shè)備提供始終如一的卓越用戶體驗。

CCC 成員公司包括智能手機和汽車制造商、汽車一級供應(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)過編碼和傳播，將會占用 500 MHz 的帶寬。脈沖序列使用 IPATOV 和偽隨機安全 STS 編碼進行編碼，分別重復多次。標頭和 STS 后面是 MAC 標頭和數(shù)據(jù)。此標頭、STS、MAC 標頭和數(shù)據(jù)序列構(gòu)成一幀。

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

圖 1. UWB 脈沖無線電系統(tǒng)響應(yīng)。

UWB 雙向測距

雙向測距 (TWR) 是確定兩個 UWB 收發(fā)器之間距離的方法。通過 TWR，每個收發(fā)器輪流傳輸 STS。除了 STS 信息之外，還可以通過數(shù)據(jù)鏈路傳達準確的傳輸時間和準確的接收時間，并使用從初始會話密鑰派生的動態(tài)安全密鑰進行加密。在兩次收到該信息后，可以計算飛行時間并將其轉(zhuǎn)換為距離。此外，在收到兩次測量的信息后，可以消除由時鐘不同步和變化導致的任何誤差。

在數(shù)字鑰匙中，雙向測距是一對多協(xié)議，這意味著支持 UWB 的智能手機或遙控鑰匙中的收發(fā)器會傳送一個信號，由多個接收器（稱為 UWB 錨點）接收。在該協(xié)議的回復部分，車上的每個 UWB 錨點將輪流回復。最后一步，智能手機或遙控鑰匙從車上的每個傳感器傳回 STS 到達的時間。然后，車內(nèi)的 UWB 傳感器可以計算與智能手機或遙控鑰匙之間的精確距離。最終，車輛內(nèi)部和周圍的傳感器越多，位置測量就越準確。

圖 2. 超寬帶標簽和錨點之間的安全雙向測距。

安全距離測量

UWB 測距包括一項安全功能，旨在確保任何第三方都無法冒名傳輸和進行不正確的距離測量。消息格式中包含一個 STS，它使用偽隨機序列和加密技術(shù)來保護每幀中生成的時間戳數(shù)據(jù)的完整性。此生成過程依賴于高級加密標準 (AES) 安全協(xié)議。AES 是一種用于保護信息的對稱分組密碼或確定性算法。STS 的初始時間戳數(shù)據(jù)包使用安全元素生成，并來自安全來源。在初始化過程中，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加密和交換初始 STS 密鑰。初始化完成后，在每次傳輸后都會使用一種復雜的算法來更改此 STS 代碼。有關(guān)更多詳細信息，請參見 IEEE 802.15.4z-2020 規(guī)范。

此外，該會話密鑰可以與多個 UWB 收發(fā)器共享（當然是加密的），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)字鑰匙根認證，而本地經(jīng)銷商提供數(shù)字鑰匙中級認證并頒發(fā)數(shù)字鑰匙產(chǎn)品認證。數(shù)字鑰匙還支持在鑰匙丟失、車輛出售、代客泊車、鑰匙共享等情況下使用其他幾種機制。通過鑰匙共享，您可以發(fā)放二級鑰匙，允許在有所限制的情況下進入車輛。這些限制可能包括車輛可操作的時間限制。

數(shù)字鑰匙使用藍牙作為主要的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，在車輛和智能手機或遙控鑰匙之間交換信息。在此過程中，藍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，用于對信息進行編碼。這也可用于對 UWB 有效載荷中的數(shù)據(jù)進行編碼。交換信息后，系統(tǒng)可使用私鑰對數(shù)字鑰匙進行解碼。此外，可使用私鑰對消息進行數(shù)字簽名，確保沒有人試圖修改數(shù)據(jù)。

圖 4. 數(shù)字鑰匙安全和交換過程。

數(shù)字鑰匙物理布局 – 簡單場景

最初，數(shù)字鑰匙是一種使用智能手機在手機與車上或車內(nèi)的藍牙之間創(chuàng)建藍牙鏈路的簡單方法。這種方法提供了所需的功能和便利，可在用戶靠近時解鎖車輛。但很快就發(fā)現(xiàn)這種方法有幾個缺點，例如中繼攻擊，在這種情況下，個人信息可能被窺探并通過遠程 RF 鏈路中繼到車輛。

通過添加一個 UWB 元素同時進行安全距離測量，解決了這個問題。現(xiàn)在，除了藍牙交換數(shù)字鑰匙信息外，還提供了一個安全的 UWB 距離測量，確保人員與車輛的距離達到預期值后再解鎖。UWB 安全測距提供了額外的保護，確保竊賊不會冒用、中繼攻擊或以其他方式竊取數(shù)字鑰匙信號。

UWB 距離測量在車輛周圍形成了一個“安全氣泡”，只有在智能手機位于該氣泡內(nèi)時，車輛才能解鎖。所使用的安全等級就像是安全金融交易中使用的信用卡，這意味著它必須實際存在才能進行交易。

最簡單的實現(xiàn)方式是使用車上的一臺 UWB 設(shè)備來測量與手機之間的距離。雖然在這種情況下距離測量非常精確，但方向未知。因此，車輛不知道智能手機是從駕駛員側(cè)、乘客側(cè)、車輛前方還是后方靠近。車上只有一個收發(fā)器傳感器，因此無法準確顯示駕駛員的智能手機在車輛哪個方向。我們將在下一章節(jié)討論如何解決這個問題。

圖 5. 僅通過鯊魚鰭中的單個 UWB 傳感器計算距離的數(shù)字鑰匙。

數(shù)字鑰匙物理布局 – 穩(wěn)健場景

前一個示例使用單個 UWB 傳感器來感知與車主/操作者之間的距離。這提供了一個低成本的解決方案。更穩(wěn)健的實現(xiàn)方式是使用車外的幾個 UWB 傳感器來精確測量與駕駛員智能手機之間的距離。由于傳感器分布在外部車身的多個位置，因此路徑損耗較低，使 UWB 能夠測量更長的距離。此外，使用多個外部傳感器可以準確確定駕駛員相對于車輛的位置。

在此應(yīng)用中，車輛負責鎖定/解鎖車輛，因此會計算距離。當駕駛員靠近時，車輛將根據(jù)駕駛員的距離和方向解鎖乘客車門、駕駛員車門或行李箱。

車內(nèi)需要另一個 UWB 傳感器來確定數(shù)字鑰匙（智能手機）是否在車內(nèi)。如果在車內(nèi)未檢測到鑰匙，車輛將不會啟動。車內(nèi)的 UWB 傳感器也支持其他可能的用例，如占用檢測。

圖6. 多個 UWB 傳感器及數(shù)字鑰匙 – 距離和方向。

未來 – UWB、位置和距離測量

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

對于實物資產(chǎn)，鑰匙必須在附近才能解鎖該資產(chǎn)，如車輛。UWB 測量兩點之間的實際距離，因此可確保鑰匙（用戶）與相關(guān)資產(chǎn)（車輛）的距離在特定范圍內(nèi)，然后再解鎖。

這也有其他好處。當用戶靠近車輛時，與用戶的距離可以劃分為多個區(qū)域。當用戶超出區(qū)域時，什么也不會發(fā)生。當他們靠近區(qū)域 3 時（見下圖），車輛閃光燈可能會閃爍。當他們靠近區(qū)域 2 時，迎賓燈可能會打開。最后，當他們靠近區(qū)域 1 時，車輛將解鎖并可以配置高級功能，如啟動車輛、將溫濕度控制設(shè)置為駕駛員所需的設(shè)置、設(shè)置信息娛樂偏好，如音樂/播客，以及其他類型的舒適度控制功能。

圖 7. UWB 支持單個距離測量區(qū)域。

未來 – 乘客接送識別

利用車輛中的 UWB 傳感器和乘客的智能手機，車輛可以正確識別和定位要接送的乘客。藍牙低能耗可用于啟動 UWB 會話，而另一種機制是使用車對行人 (V2P) 協(xié)議來建立 UWB 鏈路并啟動距離測量過程。然后，車輛可以確定與乘客之間的距離，反之亦然。憑借多個傳感器，車輛可以精確定位乘客的位置和距離。對于共乘服務(wù)，這有助于駕駛員在人群中找到目標乘客。

在這種情況下，手機和傳感器都需要知道距離，因為乘客需要識別接送車輛，車輛也需要識別乘客。

圖 8. 使用 UWB 識別要接送的乘客。

結(jié)論

UWB 正成為家庭自動化、工業(yè) 4.0 以及現(xiàn)在的汽車領(lǐng)域等諸多應(yīng)用必備的突破性新技術(shù)。以汽車無鑰匙進入和數(shù)字鑰匙作為跳板，UWB 將適用于更多場景，并有望提高整體車輛安全性。

在本電子指南中，我們只介紹了 UWB 在汽車領(lǐng)域的新興應(yīng)用。在未來的文章中，我們將探討 UWB 的新汽車應(yīng)用，并展示該技術(shù)如何將 UWB 推向眾多車輛安全和安保領(lǐng)域，并成為幾個自動駕駛用例的重要推動力。UWB 的一大優(yōu)點是在不易獲取重要外部位置信息的汽車領(lǐng)域提供了低成本、高精度的點對點測距傳感器解決方案。此外，UWB 與其他車輛技術(shù)（如車對萬物 (V2X)）結(jié)合使用可以帶來許多好處，例如防止碰撞。

據(jù)預測，在未來幾年內(nèi)，50% 的新車都將配備 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，以便對當今車輛中部署的 UWB 系統(tǒng)類型做出明智的選擇。如果安裝的 UWB 傳感器的功能可以從基本的防盜擴展到救生應(yīng)用，那就更棒了！