如果說RFID PEPS是燃油車時代的霸主，BLE PEPS是車聯網時代的翹楚，那么UWB PEPS必將是自動駕駛時代的新貴。UWB憑借精準的測距與定位的優勢，不僅將在車身域PEPS系統智能化升級上率先落地，還將逐漸成為自動駕駛在特定場景特定功能下的關鍵技術支撐。 車身域黑話第二期，作者首先介紹UWB技術特點、發展歷程、測距定位原理，接著呈現主流玩家的UWB PEPS系統方案，最后淺談一下UWB在自動駕駛上的應用前景。

一、技術特點

UWB（Ultra Wide Band，超帶寬）技術是一種利用納秒級的脈沖進行數據傳輸的無線通訊技術。UWB因發射的脈沖信號占用一個很寬的頻譜范圍（>1GHz）而得名超帶寬。

UWB的測距方法和當前絕大多數激光雷達的測距方法一樣，均為ToF（Time of Flight，飛行時間）方法。發送端發射一個脈沖信號，打到物體后返回，接收端接收到發射信號后計算兩者之間接收時間差，并通過乘以光速來實現物體之間距離的測量。

下面這張圖匯總了UWB與前文介紹的RFID/BLE/Wi-Fi無線通訊技術的主要不同點。RFID/BLE/Wi-Fi技術通過在一個標準窄帶上用載波（調制正弦波）傳輸信息并依據信號強度判斷設備之間距離，UWB與之相比具有如下幾個典型優勢。

（1）安全性高。基于ToF原理的測距，測量的是真實物體的反射信號，這樣一來黑客就沒辦法使用一個不在場設備偽造一個信號來與UWB設備通信（BLE基于信號強度值測量的原理，很容易被黑客偽造的一個強度信號欺騙）。屬于含著避免中繼攻擊的魔法誕生。IEEE 802.15.4z標準更是在信號的PHY包中添加了加密和隨機數等保護機制，進一步增強了UWB通信的安全性；

（2）定位精度高。和標準窄帶信號相比，UWB脈沖信號的上升和下降時間更短，測量脈沖反射回來的到達時間會更加精確，目前可實現厘米級定位精度，比BLE高約100倍；

（3）帶寬大。理論傳輸速率可以做到很高，但受功率密度限制，傳輸速率通常在幾十Mbps到幾百Mbps之間，目前可達27Mbps，隨著標準的完善，有望進一步提高。同時由于秒脈沖信號功率密度小，因此傳輸距離通常被限制在10m范圍內；

（4）抗干擾能力強。UWB在時域上的脈沖很窄，所以在時間和空間上有較大分辨力，基本不受噪聲影響；且超帶寬又決定多徑分辨能力強，能夠分辨并剔除大部分多徑干擾信號的影響。

二、發展歷程

20世紀60年代，UWB技術首次出現在軍事、雷達領域的時域電磁學的研究之中，并一直在軍事領域發光發熱。 2002年的時候，FCC（Federal Communications Commission，美國聯邦通訊委員會）宣布在嚴格限制下，將公眾通信頻段3.1GHz~10.6GHz，共7.5GHz的頻帶開放給UWB。同時限定了遠低于BLE/Wi-Fi的輻射功率，-43.1dBm。至此，UWB正式向民用領域開放，也迎來第一次發展高峰。 基于大帶寬、低功耗的特點，大家最初設想的是如何利用UWB打造一個10m內的短距高速無線局域網，但由于技術路徑始終沒有達成一致，而作為競爭者的WI-Fi技術發展迅猛，UWB最終退出了高速無線局域網傳輸這個舞臺。 就這樣臥薪嘗膽多年之后，UWB終于在定位領域迎來了翻身。高帶寬的特點決定了定位精度較高。

2019年，蘋果發布的iPhone11系統上已預置搭載了UWB技術的芯片Apple U1，UWB借此進入到主流消費電子領域。2020年8月25日，IEEE 802.15.4z定稿，標準對定位安全性做了改進，理論上進一步降低被黑客入侵和篡改的概率，進一步為UWB PEPS的應用鋪平道路。 2021年7月CCC（The Car Connectivity Consortium，國際車聯網聯盟）發布了3.0規范，定義了第三代數字鑰匙的互聯方案。UWB、BLE、NFC將在不同場景下分工合作，實現更加智能安全的身份識別、進出控制和點火控制。其中BLE用于遠距車輛喚醒和傳輸授權，UWB用于在喚醒后精確定位用戶位置，NFC用于手機沒電情況下的備用方案。 2022 Q1交付的蔚來ET7,將是全球首款配備UWB PEPS的新車，拉開了UWB PEPS系統裝車的序幕。

三、測距方法

根據應用場景對測距精度要求的不同，UWB定義有兩種測距的實現方式，SS-TWR（Single Sided - Two-Way Ranging，單邊雙向測距）和DS-TWR（Double Sided - Two-Way Ranging，雙邊雙向測距）。

在SS-TWR方法中，如上圖所示，設備A在t1時刻發送請求性質脈沖信號，同時記錄發送時間戳。經過傳輸延時后，設備B在t2時刻接收到該脈沖信號，內部處理后在t3時刻發送一個響應性質的脈沖信號，響應脈沖中包含收到請求脈沖和發送響應脈沖時刻記錄的時間戳t2和t3。設備A收到設備B響應性質的脈沖信號后，記錄此時的時間戳t4。在設備A和設備B本地時鐘完成精確時間同步后，設備A和設備B之間的距離D可由如下公式獲得。

從SS-TWR實現原理中可以看出，兩設備之間時間同步的精度，直接影響測距的精度。據測算，1ns的同步精度誤差將帶來0.3m左右的測距誤差，而納秒級的時間同步精度在當前很多UWB設備之間根本無法達到。為了降低對時間同步精度的依賴，DS-TWR方法應運而生。

在DS-TWR方法中，如上圖所示，第一步請求脈沖和SS-TWR方法一樣，不同的是，設備B返回的是響應+請求脈沖信號。設備A在收到這個信號之后并沒有停止，而是內部處理之后馬上再次發送一個請求脈沖信號。設備B在接收到這個請求脈沖信號之后記錄接收時間戳，并通過響應脈沖告訴設備A這個時間戳。至此一個完整的DS-TWR過程才算結束，并可通過如下公式計算設備A和設備B之間的距離D。

四、定位方法

UWB目前有三種比較成熟的定位算法，TOA（Time of Arrival，到達時間）、TDOA （Time Difference of Arrival，到達時間差）和 AOA（Angel of Arrival，到達角度）。具體實現過程中，一般會采用融合三種定位方法的混合定位方案，實現最優定位性能。 TOA采用圓周定位法，通過測量移動終端與三個或更多UWB基站之間的距離來實現定位。通過三圓相交于一點可確定移動終端的位置。然而由于多徑、噪聲等現象存在，會造成多圓無法相交或相交不是一個點而是一個區域，因此實際上很少單獨使用TOA定位。

TDOA基于TOA進行了改進，對基站進行精確時間同步，這是容易實現的，而不關心移動終端與基站之間的時間同步。首先計算出移動終端與基站A和基站B之間的距離差，則移動終端必定在以基站A和基站B為焦點，與焦點距離差恒定的雙曲線上。再通過移動終端與基站A和基站C之間的距離差，可得另一組雙曲線，而雙曲線的交點就是移動終端的位置。在車輛空間范圍內，通過距離差的方式還可以減少多徑、噪聲等的影響。

AOA定位基于相位差的原理計算到達角度，只需要兩個基站即可實現定位。由于涉及到角度分辨率問題，因此定位精度隨基站距離的增加而降低，多用于中短距離的定位。

五、系統方案

（1）互聯PEPS方案

以CCC3.0規范為理論指導，通過UWB、BLE、NFC的優勢互補，實現互聯的第三代數字鑰匙方案。典型系統方案為大陸在2020年8月發布，并已于2021年寶馬5系車型上量產的互聯PEPS方案。如下圖所示，整套方案布置7個UWB節點和3個BLE節點，其中4個UWB節點位于前大燈和后尾燈處，3個UWB節點依次布置在前艙到尾門的車頂中間位置，3個BLE節點的位置與車頂3個UWB位置相近。

當車主攜帶智能鑰匙靠近車輛，在最遠80米的位置，車輛BLE節點就可以探測到智能鑰匙BLE信號。車輛BLE節點喚醒車身域控制器，車身域控制器控制迎賓燈緩緩亮起，從而進入迎賓狀態。于此同時，車輛UWB節點被喚醒，在車主攜帶的智能鑰匙與車輛的距離小于10m時，車輛UWB節點通過定位手段可以實時精準感知到車主的位置，此時車主只要拉動車門就能自動解鎖。此外，車輛也會配備NFC近場通訊的功能，在智能鑰匙沒電等特殊情況下，可以采用NFC近場通信解鎖、啟動車輛。

（2）PEPS+AVP方案

UWB的精準定位優勢在自動駕駛泊車領域迎來越來越多的關注，如果通過復用PEPS功能的UWB節點，實現AVP功能，可謂是一石二鳥，項目總工聽了半夜都能笑醒。 中電星辰就提供了這樣一種能讓項目總工半夜笑醒的UWB PEPS+AVP方案。一種可行的車端UWB節點布局方案如下圖所示。前大燈和尾燈處共放置四個UWB PEPS節點，車頂放置第五個UWB PEPS+AVP節點。第五個節點既可以接收車內的UWB信號，也能接收車外的UWB信號，而且也是實現AVP功能的關鍵節點。

工作在PEPS模式時，第五個UWB節點和其它四個UWB節點一起，協同合作，完成智能鑰匙位置的測量，并將測距信息發送給車身域控制器，完成智能鑰匙位置的計算，從而決定后續的解鎖和啟動操作。 工作在AVP模式時，第五個節點就開始不斷地接收停車場里鋪設的UWB節點播發的UWB定位報文，報文中包含有停車場停車位的信息，類似GNSS定位信號里的經緯度信息。車端UWB節點將收到的定位報文送入智駕域控制器中，從而實現車輛在車庫內的坐標計算，并進一步輸入給規劃控制模塊，用于AVP功能的實現。 第五個節點在設計的時候，考慮到AVP功能要面對的復雜場景，故射頻性能會比其它四個UWB節點更好一點。目前中電星辰可實現不低于50米的車庫UWB節點發射的信號。

（3）PEPS+腳踢雷達+活體檢測方案

如果說復用PEPS UWB節點實現AVP功能，考慮到停車場端基建的支持，還不是一時半會可以大規模應用的功能。那么復用PEPS UWB節點實現腳踢門動作檢測及車內生命體征檢測，則是務實更迫切的需求。 清研訊科提供了這樣一套解決方案，通過搭配BLE節點實現在20m范圍車輛與車主智能鑰匙的身份校驗與認證工作，并激活UWB節點啟動精準定位功能。在智能鑰匙距離車輛3~10m范圍時，可觸發車輛迎賓功能而自動開啟車燈。當車輛UWB節點檢測到智能鑰匙在車輛1~3m范圍內時，可自動解鎖車門，同時伴隨轉向燈閃爍、喇叭短響的提示。當用戶進入車內，只需一鍵啟動按鈕便可以啟動車輛。 更為重要的是這套方案通過復用車內UWB天線可實時檢測車內生命體征狀態，包括動態人體動作和靜態人體呼吸，從而實現人員、寵物逗留提醒，實現智能化的活體檢測。通過復用車左后或右后UWB節點，可實現精確檢測腳踢門動作，從而實現后備箱自動打開功能。

六、小結

我們正處在汽車百年未有之大變局，汽車在大踏步的向智能化邁進。然而所有的技術并不是一蹴而就，事物的發展需要結合天時地利人和，是一個循序漸進的過程。正如在很多年前就已經出現的BLE和UWB技術，也成功應用到了工業、軍事等各個細分領域，但是并沒有應用到汽車的PEPS系統。 不知道是哪位前輩，第一個想到把BLE和UWB技術應用到汽車的PEPS系統。作為一名工程師，擁有這樣的能力那是可遇而不可求。這不僅需要有深厚的基礎技術功底，還需要有一顆奇思妙想的頭腦。這怕也是只有深耕細作，精益求精才能獲得的頓悟。

編輯：黃飛

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