超宽带 (UWB) 技术及其在汽车行业中的应用

March 1, 2023

Fanny Hu

发布于2022-03-29

什么是超宽带（UWB）技术

超宽带技术定义

基于IEEE802.15.4a/f/z标准 ^[1]，超宽带技术（UWB）是一种以极低功率在短距离内高速传输数据（最高可达1000Mbps以上）的无线技术，它不需要传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收纳秒或者亚纳秒级的极窄脉冲来传输数据。美国联邦通信委员会（FCC, Federal Communications Commission) 对超宽带信号的定义如下 ^[2] ：

即相对带宽大于20%或者绝对带宽大于0.5G Hz。其中， fH 和fL是指信号功率谱密度的峰值衰减10dB时所对应的高端频率和低端频率。FCC 定义的超宽带技术的频段范围为3.1G-10.6G Hz, 共7.5GHz的频带。同时FCC还限定了超宽带的辐射功率远低于BLE/WiFi的级别，为 - 41.3dBm/MHz。

超宽带技术的发展历程

20世纪60至70年代, 超宽带技术就已应用于军事领域的雷达系统中。2002年，FCC 发布了超宽带传输的相关规定，该技术正式向民用领域开放。2002年, IEEE开始制定802.15.3a技术标准，提出了两种技术方案：多频带正交频分复用超宽带 (MB-OFDM-UWB) 方案和直接序列超宽带 (DS-UWB) 方案。主导MB-OFDM UWB方案的WiMedia联盟在2007年3月将该方案提交到ISO，成为超宽带技术的第一个国际标准。2004年，主要面向低速低功耗无线个人局域网应用领域的802.15.4a标准启动。2007年, IEEE 802.15.4a被IEEE-SA标准委员会批准为IEEE 802.15.4-2006。2012年, IEEE 802.15.4f标准发布, 提供了低速率UWB物理层规范 (LRP UWB PHY) 。2015年, IEEE 802.15.4-2015定义了2个UWB 物理层规范, 高速率HRP (802.15.4a/802.15.4-2011) 和低速率LRP (802.15.4a /802.15.4f-2012)。2020年, IEEE 802.15.4z发布了增强的UWB 物理层规范 (PHY) 和相关测距技术。

超宽带定位原理

与传统的窄带(NB, Narrowband)技术相比，超宽带技术是业界公认的定位精度最高的无线电定位技术。在了解超宽带定位的技术特性之前，让我们先了解超宽带的测距和定位原理。

测距原理[3-6]

超宽带技术利用UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间ToF (Time of Flight) ，使用双向测距方法TWR (Two-way Ranging) 进行精确测距。双向测距分为两种方法：单边双向测距 SS-TWR (Single-sided Two-way Ranging) 和双边双向测距DS-TWR (Double-sided Two-way Ranging) 。

如图1所示，单边双向测距是对单个往返脉冲信号时间的简单测量. 根据测得的两个时间差数据：设备A时间差Tround和设备B时间差Treply，计算出脉冲信号在设备A和设备B之间的飞行时间，从而确定设备A和设备B之间的距离。但是，时钟偏移导致的飞行时间误差会使得测距不准确。双边双向测距是单边双向测距的一种扩展测距方法，能够降低测距误差。

图1. 单边双向测距示意图 ^[6]

定位原理

目前常用的超宽带定位技术包括到达时间定位 (ToA, Time of Arrival)、到达时间差定位 (TDoA, Time difference of Arrival)和信号到达角度定位 (AoA, Angle of Arrival) 三种。

1）到达时间定位 (ToA)

到达时间定位的基本原理是通过测量UWB脉冲信号到达各个基站的飞行时间来定位。到达时间定位也称为圆周定位，即以测量的距离为半径进行画圆，通过圆的交点确定标签的位置，因此至少需要有三个基站。

2）到达时间差定位 (TDoA)

到达时间差定位对到达时间定位进行了改进，不再要求各基站和标签之间的时间同步，只需要基站之间进行时间同步即可。时间同步分为有线时间同步和无线时间同步。有线时间同步可以控制在0.1ns以内，同步精度非常高，但对布线和网络的要求较高，成本也比较高；无线时间同步一般可以达到0.25ns，但系统相对简单，成本较低。

3）到达角度定位 (AoA)

到达角定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度来完成定位，一般不单独使用。AoA 涉及到角度分辨率的问题，标签离基站越远，定位精度就越差。到达角定位可以结合飞行时间ToF测距进行定位。

在这三种定位方法中，具有精度高、基站容量大等优势的TDoA是目前超宽带定位技术中最为流行的方案。

超宽带技术特点

超宽带技术优势

作为无线个域网技术(WPAN, Wireless Personal Area Network)之一，超宽带技术具有以下技术优势：

1）较高的频段利用率和数据传输率：超宽带利用了3.1G-10.6GHz的频段, 如图2所示，在不干扰其它无线通信时最大程度地利用了这个频段。

图2. 超宽带使用的频段^[7]

2）低功耗：UWB使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，有很低的占空比，系统耗电可以做到很低。

3）高安全性：对一般通信系统， UWB信号的功率谱密度在大多数情况下低于自然的电子噪声，很难将UWB脉冲信号从电子噪声中检测出来。

4）抗多路径能力强：带宽越宽，多路径分辨能力越强，能获取相对更高的位置分辨率。

5）时间分辨率高：UWB信号一般在纳秒级时间单位内传输完成，具有高精度的时间分辨率。

6）抗干扰：UWB的超宽带宽使其携带的信号能够在更低的信噪比下进行传输。

与其它定位技术的比较

目前比较流行的定位技术主要有：蓝牙、射频识别(RFID)、Wi-Fi、超宽带、超声波等。表1将UWB与其它定位技术进行了比较。从表中可见，超宽带技术在传输速率、发射功率、安全性和系统复杂度等方面都占有较大优势，尤其是极高的定位精度。

表1. 超宽带与其它定位技术比较

超宽带技术在汽车方面的应用

超宽带技术因其独特的技术特性而广泛应用于多个行业及领域。越来越多的智能手机厂商（如苹果，小米等）和汽车厂商开始支持基于超宽带技术的产品开发与应用，如宝马、福特，大众，博世汽车，海拉，大陆集团等都在探索利用超宽带技术提升汽车智能化和驾驶安全的可行性方案。2021年7月发布的CCC 3.0规范 ^[8] ，定义了智能汽车基于UWB/BLE+NFC的互联方案。

下面就超宽带技术在数字钥匙，车载雷达以及自主泊车方面的应用场景进行介绍。

数字钥匙

超宽带技术目前已经被CCC选为数字钥匙3.0规范的核心技术之一。恩智浦 (NXP) 推出的NCJ29D5集成芯片满足全球汽车业的连接和功能安全需求，且符合802.15.4z及CCC 3.0规范，是汽车数字钥匙开发的理想之选。

基于超宽带技术的数字钥匙主要是利用超宽带技术的厘米级精准测距能力，通过在车辆中布置多个锚点，与合法的手持钥匙或手机相结合，实现车辆近距离精确空间感知^[9]。在接近车辆时，车辆会根据距离自动首先开启迎宾灯，随着距离的接近，会自动调整座椅位置等，当靠近车门时，则自动解锁；远离车辆时，也能够自动根据手持钥匙或手机的距离变化从而自动锁车。超宽带数字钥匙解决了车辆电子钥匙易遭受中继攻击的安全漏洞。

2021年初蔚来新车ET7宣称搭载全球首款UWB数字钥匙。同年，宝马汽车 (BMW) 也宣布将为旗下 2022 款车型引入基于UWB技术的“增强版数字车钥匙”（Digital Key Plus）功能。海拉也推出了基于超宽带技术的海拉智能车辆进入系统^[10]，并将在未来两年进行量产。清研讯科基于NCJ29D5芯片推出了全新一代端到端UWB数字钥匙解决方案^[11]。

超宽带车载雷达

超宽带通信采用调时序列，能够抗多径衰落，特别适合在高速移动环境下使用。超宽带技术被应用到汽车防撞领域，就是超宽带车载雷达^[12]。超宽带车载雷达主要利用超宽带的精确测距原理，通过检测目标的反射波来判断车辆附近的人或物的位置和移动。尽管在精度上稍弱，但是相比激光雷达而言，超宽带车载雷达能够在雾、雪、夜等各种恶劣的环境和复杂的路况条件下工作。清研讯科通过复用车端UWB硬件实现车内雷达功能^[11]。基于高灵敏度UWB雷达算法的车内雷达能够精确检测脚踢动作以实现后备箱自动打开；也可实时监测车内生命体征状态，提醒婴儿、宠物遗留，实现智能化的活体检测。

自动泊车

自动泊车是超宽带技术在汽车行业的又一个典型应用场景。该场景要求定位系统必须能够提供实时且精准的定位信息。超宽带技术利用ToF测量法，能够非常精确地确定两个超宽带设备之间的距离以及物体在给定空间中的位置。车辆进入停车场时，道闸能识别车辆并自动放行，同时车辆系统也将与配备超宽带设备的停车场进行连接，车辆可以自动泊车到停车位。

2021年，OxTS公司在一个多层停车场交付了英国首个基于超宽带技术的室内定位解决方案 ^[13] ，用于自动代客泊车(AVP, Automated Valet Parking)和其它ADAS系统的开发与测试。国内首款搭载自主泊车技术的上汽Marvel X 采用的是中电昆辰公司提供的基于超宽带技术的低成本车载定位终端和停车场端设备^[14]。

结语

随着行业标准IEEE 802.15 4z的逐步完善以及日益增多的无线定位的应用需求，超宽带技术受到了汽车行业越来越多的关注，正在成为智能汽车多场景功能落地的关键技术之一。未来超宽带技术在汽车行业有着巨大的发展空间和市场机遇。有数据预测, 超宽带技术在汽车市场的渗透率将在2025年达到15%， 2027年会攀升到23.3% ^[15]。宝马iX和蔚来ET7的量产上市将使得新一代的UWB数字钥匙快为消费者所熟知，并成为推动超宽带在汽车领域商业应用落地的市场新趋势。

未来, 由于其厘米级的精准定位，精密测距以及高安全性，基于UWB技术的一系列新应用也将被发现和发掘。比如，拖车挂接装置自动激活、车内乘客检测、汽车防盗、更为精准的自动代客泊车、儿童座椅/安全气囊控制、停车场进入和免下车支付，与GPS定位融合以及微导航等。UWB技术还可以增强高级辅助驾驶系统和联网汽车（CAV）的安全性能，避免致命的碰撞，并且能确保车联网（V2X）的可信部署。在一定程度影响UWB技术普及的因素是：各厂商使用自己的方案，技术标准尚未统一，从而导致系统之间无法兼容。目前FiRa 联盟推出全球第一个提供UWB基准测试和认证的项目，促进Fira认证的UWB设备/产品之间的互操作性和无缝交互，并积极推动UWB行业标准和产业化。