浅谈UWB在自动驾驶上的应用

如果说RFID PEPS是燃油车时代的霸主，BLE PEPS是车联网时代的翘楚，那么UWB PEPS必将是自动驾驶时代的新贵。UWB凭借精准的测距与定位的优势，不仅将在车身域PEPS系统智能化升级上率先落地，还将逐渐成为自动驾驶在特定场景特定功能下的关键技术支撑。 车身域黑话第二期，作者首先介绍UWB技术特点、发展历程、测距定位原理，接着呈现主流玩家的UWB PEPS系统方案，最后浅谈一下UWB在自动驾驶上的应用前景。

一、技术特点

UWB（Ultra Wide Band，超带宽）技术是一种利用纳秒级的脉冲进行数据传输的无线通讯技术。UWB因发射的脉冲信号占用一个很宽的频谱范围（>1GHz）而得名超带宽。

UWB的测距方法和当前绝大多数激光雷达的测距方法一样，均为ToF（TIme of Flight，飞行时间）方法。发送端发射一个脉冲信号，打到物体后返回，接收端接收到发射信号后计算两者之间接收时间差，并通过乘以光速来实现物体之间距离的测量。

下面这张图汇总了UWB与前文介绍的RFID/BLE/Wi-Fi无线通讯技术的主要不同点。RFID/BLE/Wi-Fi技术通过在一个标准窄带上用载波（调制正弦波）传输信息并依据信号强度判断设备之间距离，UWB与之相比具有如下几个典型优势。

（1）安全性高。基于ToF原理的测距，测量的是真实物体的反射信号，这样一来黑客就没办法使用一个不在场设备伪造一个信号来与UWB设备通信（BLE基于信号强度值测量的原理，很容易被黑客伪造的一个强度信号欺骗）。属于含着避免中继攻击的魔法诞生。IEEE 802.15.4z标准更是在信号的PHY包中添加了加密和随机数等保护机制，进一步增强了UWB通信的安全性；

（2）定位精度高。和标准窄带信号相比，UWB脉冲信号的上升和下降时间更短，测量脉冲反射回来的到达时间会更加精确，目前可实现厘米级定位精度，比BLE高约100倍；

（3）带宽大。理论传输速率可以做到很高，但受功率密度限制，传输速率通常在几十Mbps到几百Mbps之间，目前可达27Mbps，随着标准的完善，有望进一步提高。同时由于秒脉冲信号功率密度小，因此传输距离通常被限制在10m范围内；

（4）抗干扰能力强。UWB在时域上的脉冲很窄，所以在时间和空间上有较大分辨力，基本不受噪声影响；且超带宽又决定多径分辨能力强，能够分辨并剔除大部分多径干扰信号的影响。

二、发展历程

20世纪60年代，UWB技术首次出现在军事、雷达领域的时域电磁学的研究之中，并一直在军事领域发光发热。 2002年的时候，FCC（Federal CommunicaTIons Commission，美国联邦通讯委员会）宣布在严格限制下，将公众通信频段3.1GHz~10.6GHz，共7.5GHz的频带开放给UWB。同时限定了远低于BLE/Wi-Fi的辐射功率，-43.1dBm。至此，UWB正式向民用领域开放，也迎来第一次发展高峰。 基于大带宽、低功耗的特点，大家最初设想的是如何利用UWB打造一个10m内的短距高速无线局域网，但由于技术路径始终没有达成一致，而作为竞争者的WI-Fi技术发展迅猛，UWB最终退出了高速无线局域网传输这个舞台。 就这样卧薪尝胆多年之后，UWB终于在定位领域迎来了翻身。高带宽的特点决定了定位精度较高。

2019年，苹果发布的iPhone11系统上已预置搭载了UWB技术的芯片Apple U1，UWB借此进入到主流消费电子领域。2020年8月25日，IEEE 802.15.4z定稿，标准对定位安全性做了改进，理论上进一步降低被黑客入侵和篡改的概率，进一步为UWB PEPS的应用铺平道路。 2021年7月CCC（The Car ConnecTIvity ConsorTIum，国际车联网联盟）发布了3.0规范，定义了第三代数字钥匙的互联方案。UWB、BLE、NFC将在不同场景下分工合作，实现更加智能安全的身份识别、进出控制和点火控制。其中BLE用于远距车辆唤醒和传输授权，UWB用于在唤醒后精确定位用户位置，NFC用于手机没电情况下的备用方案。 2022 Q1交付的蔚来ET7,将是全球首款配备UWB PEPS的新车，拉开了UWB PEPS系统装车的序幕。

三、测距方法

根据应用场景对测距精度要求的不同，UWB定义有两种测距的实现方式，SS-TWR（Single Sided - Two-Way Ranging，单边双向测距）和DS-TWR（Double Sided - Two-Way Ranging，双边双向测距）。

在SS-TWR方法中，如上图所示，设备A在t1时刻发送请求性质脉冲信号，同时记录发送时间戳。经过传输延时后，设备B在t2时刻接收到该脉冲信号，内部处理后在t3时刻发送一个响应性质的脉冲信号，响应脉冲中包含收到请求脉冲和发送响应脉冲时刻记录的时间戳t2和t3。设备A收到设备B响应性质的脉冲信号后，记录此时的时间戳t4。在设备A和设备B本地时钟完成精确时间同步后，设备A和设备B之间的距离D可由如下公式获得。

从SS-TWR实现原理中可以看出，两设备之间时间同步的精度，直接影响测距的精度。据测算，1ns的同步精度误差将带来0.3m左右的测距误差，而纳秒级的时间同步精度在当前很多UWB设备之间根本无法达到。为了降低对时间同步精度的依赖，DS-TWR方法应运而生。

在DS-TWR方法中，如上图所示，第一步请求脉冲和SS-TWR方法一样，不同的是，设备B返回的是响应+请求脉冲信号。设备A在收到这个信号之后并没有停止，而是内部处理之后马上再次发送一个请求脉冲信号。设备B在接收到这个请求脉冲信号之后记录接收时间戳，并通过响应脉冲告诉设备A这个时间戳。至此一个完整的DS-TWR过程才算结束，并可通过如下公式计算设备A和设备B之间的距离D。

四、定位方法

UWB目前有三种比较成熟的定位算法，TOA（Time of Arrival，到达时间）、TDOA （Time Difference of Arrival，到达时间差）和 AOA（Angel of Arrival，到达角度）。具体实现过程中，一般会采用融合三种定位方法的混合定位方案，实现最优定位性能。 TOA采用圆周定位法，通过测量移动终端与三个或更多UWB基站之间的距离来实现定位。通过三圆相交于一点可确定移动终端的位置。然而由于多径、噪声等现象存在，会造成多圆无法相交或相交不是一个点而是一个区域，因此实际上很少单独使用TOA定位。

TDOA基于TOA进行了改进，对基站进行精确时间同步，这是容易实现的，而不关心移动终端与基站之间的时间同步。首先计算出移动终端与基站A和基站B之间的距离差，则移动终端必定在以基站A和基站B为焦点，与焦点距离差恒定的双曲线上。再通过移动终端与基站A和基站C之间的距离差，可得另一组双曲线，而双曲线的交点就是移动终端的位置。在车辆空间范围内，通过距离差的方式还可以减少多径、噪声等的影响。

AOA定位基于相位差的原理计算到达角度，只需要两个基站即可实现定位。由于涉及到角度分辨率问题，因此定位精度随基站距离的增加而降低，多用于中短距离的定位。

五、系统方案

（1）互联PEPS方案

以CCC3.0规范为理论指导，通过UWB、BLE、NFC的优势互补，实现互联的第三代数字钥匙方案。典型系统方案为大陆在2020年8月发布，并已于2021年宝马5系车型上量产的互联PEPS方案。如下图所示，整套方案布置7个UWB节点和3个BLE节点，其中4个UWB节点位于前大灯和后尾灯处，3个UWB节点依次布置在前舱到尾门的车顶中间位置，3个BLE节点的位置与车顶3个UWB位置相近。

当车主携带智能钥匙靠近车辆，在最远80米的位置，车辆BLE节点就可以探测到智能钥匙BLE信号。车辆BLE节点唤醒车身域控制器，车身域控制器控制迎宾灯缓缓亮起，从而进入迎宾状态。于此同时，车辆UWB节点被唤醒，在车主携带的智能钥匙与车辆的距离小于10m时，车辆UWB节点通过定位手段可以实时精准感知到车主的位置，此时车主只要拉动车门就能自动解锁。此外，车辆也会配备NFC近场通讯的功能，在智能钥匙没电等特殊情况下，可以采用NFC近场通信解锁、启动车辆。

（2）PEPS+AVP方案

UWB的精准定位优势在自动驾驶泊车领域迎来越来越多的关注，如果通过复用PEPS功能的UWB节点，实现AVP功能，可谓是一石二鸟，项目总工听了半夜都能笑醒。 中电星辰就提供了这样一种能让项目总工半夜笑醒的UWB PEPS+AVP方案。一种可行的车端UWB节点布局方案如下图所示。前大灯和尾灯处共放置四个UWB PEPS节点，车顶放置第五个UWB PEPS+AVP节点。第五个节点既可以接收车内的UWB信号，也能接收车外的UWB信号，而且也是实现AVP功能的关键节点。

工作在PEPS模式时，第五个UWB节点和其它四个UWB节点一起，协同合作，完成智能钥匙位置的测量，并将测距信息发送给车身域控制器，完成智能钥匙位置的计算，从而决定后续的解锁和启动操作。 工作在AVP模式时，第五个节点就开始不断地接收停车场里铺设的UWB节点播发的UWB定位报文，报文中包含有停车场停车位的信息，类似GNSS定位信号里的经纬度信息。车端UWB节点将收到的定位报文送入智驾域控制器中，从而实现车辆在车库内的坐标计算，并进一步输入给规划控制模块，用于AVP功能的实现。 第五个节点在设计的时候，考虑到AVP功能要面对的复杂场景，故射频性能会比其它四个UWB节点更好一点。目前中电星辰可实现不低于50米的车库UWB节点发射的信号。

（3）PEPS+脚踢雷达+活体检测方案

如果说复用PEPS UWB节点实现AVP功能，考虑到停车场端基建的支持，还不是一时半会可以大规模应用的功能。那么复用PEPS UWB节点实现脚踢门动作检测及车内生命体征检测，则是务实更迫切的需求。 清研讯科提供了这样一套解决方案，通过搭配BLE节点实现在20m范围车辆与车主智能钥匙的身份校验与认证工作，并激活UWB节点启动精准定位功能。在智能钥匙距离车辆3~10m范围时，可触发车辆迎宾功能而自动开启车灯。当车辆UWB节点检测到智能钥匙在车辆1~3m范围内时，可自动解锁车门，同时伴随转向灯闪烁、喇叭短响的提示。当用户进入车内，只需一键启动按钮便可以启动车辆。 更为重要的是这套方案通过复用车内UWB天线可实时检测车内生命体征状态，包括动态人体动作和静态人体呼吸，从而实现人员、宠物逗留提醒，实现智能化的活体检测。通过复用车左后或右后UWB节点，可实现精确检测脚踢门动作，从而实现后备箱自动打开功能。

六、小结

我们正处在汽车百年未有之大变局，汽车在大踏步的向智能化迈进。然而所有的技术并不是一蹴而就，事物的发展需要结合天时地利人和，是一个循序渐进的过程。正如在很多年前就已经出现的BLE和UWB技术，也成功应用到了工业、军事等各个细分领域，但是并没有应用到汽车的PEPS系统。 不知道是哪位前辈，第一个想到把BLE和UWB技术应用到汽车的PEPS系统。作为一名工程师，拥有这样的能力那是可遇而不可求。这不仅需要有深厚的基础技术功底，还需要有一颗奇思妙想的头脑。这怕也是只有深耕细作，精益求精才能获得的顿悟。