科技不斷地用于改善我們的日常生活。一項技術要想真正發揮作用，就必須簡單、安全、可靠和值得信賴。在 RF 技術領域，所有這些都做到了。

例如，Wi-Fi 在家庭和企業中已經無處不在。隨著蜂窩技術帶來眾多新功能，智能手機成為全球必不可少的常用設備。借助 Bluetooth ，在物聯網 (IoT) 生態系統中可以輕松實現數字揚聲器和耳機等設備的無線連接。

UWB 是另一種可以為日常生活帶來便利的新 RF 技術。它能夠精確測量兩點之間的距離，這是其他 RF 技術不具備的特性。這種點對點測距技術用途廣泛，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，目前技術領導者正在努力防止發生這種情況。數字鑰匙是車聯網聯盟(CCC)制定的一項新規范，旨在規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。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動機啟動。

在數字鑰匙中，采用藍牙低能耗技術支持車輛與駕駛員智能手機之間的高級通信協議。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行數字鑰匙消息傳遞。這些堆棧將使用公鑰交換數字鑰匙 ID，并驗證用戶是否具有有效 ID。接下來，系統將初始化 UWB 收發器，告知每個收發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。

車聯網聯盟(CCC)

CCC (https://carconnectivity.org/) 是一個跨行業標準組織，其使命是創建可持續和靈活的生態系統，實現接口技術的標準化，為所有車輛和移動設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、汽車一級供應商、集成電路供應商、安全產品供應商等。

UWB技術概述

UWB 是一種基于脈沖的系統，使用一系列非常窄的 2 納秒脈沖。這些窄脈沖經過編碼和傳播，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 標頭和數據。此標頭、STS、MAC 標頭和數據序列構成一幀。

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

圖 1. UWB 脈沖無線電系統響應。

UWB 雙向測距

雙向測距 (TWR) 是確定兩個 UWB 收發器之間距離的方法。通過 TWR，每個收發器輪流傳輸 STS。除了 STS 信息之外，還可以通過數據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。

在數字鑰匙中，雙向測距是一對多協議，這意味著支持 UWB 的智能手機或遙控鑰匙中的收發器會傳送一個信號，由多個接收器（稱為 UWB 錨點）接收。在該協議的回復部分，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來保護每幀中生成的時間戳數據的完整性。此生成過程依賴于高級加密標準 (AES) 安全協議。AES 是一種用于保護信息的對稱分組密碼或確定性算法。STS 的初始時間戳數據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。有關更多詳細信息，請參見 IEEE 802.15.4z-2020 規范。

此外，該會話密鑰可以與多個 UWB 收發器共享（當然是加密的），并僅允許這些設備正確接收傳輸內容。

圖 3. STS 確定性隨機位生成器 (DRBG)。

數字鑰匙安全和交換

數字鑰匙規范提供了私鑰和公鑰管理方法。原始設備制造商管理數字鑰匙根認證，而本地經銷商提供數字鑰匙中級認證并頒發數字鑰匙產品認證。數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。

數字鑰匙使用藍牙作為主要的數據通信系統，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絡安全協議完成的。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 有效載荷中的數據進行編碼。交換信息后，系統可使用私鑰對數字鑰匙進行解碼。此外，可使用私鑰對消息進行數字簽名，確保沒有人試圖修改數據。

圖 4. 數字鑰匙安全和交換過程。

數字鑰匙物理布局 – 簡單場景

最初，數字鑰匙是一種使用智能手機在手機與車上或車內的藍牙之間創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。但很快就發現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。現在，除了藍牙交換數字鑰匙信息外，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。

最簡單的實現方式是使用車上的一臺 UWB 設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、乘客側、車輛前方還是后方靠近。車上只有一個收發器傳感器，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字鑰匙。

數字鑰匙物理布局 – 穩健場景

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。更穩健的實現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。

車內需要另一個 UWB 傳感器來確定數字鑰匙（智能手機）是否在車內。如果在車內未檢測到鑰匙，車輛將不會啟動。車內的 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，經過更深入的調研發現，這是實現許多新的汽車安全、安防和便利應用的基本需求。低成本 RF 距離測量的一個用途是確保實物資產的安全。對于這些應用，可以在每個設備中安裝一個 UWB 收發器：鑰匙和資產。

對于實物資產，鑰匙必須在附近才能解鎖該資產，如車輛。UWB 測量兩點之間的實際距離，因此可確保鑰匙（用戶）與相關資產（車輛）的距離在特定范圍內，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域。當用戶超出區域時，什么也不會發生。當他們靠近區域 3 時（見下圖），車輛閃光燈可能會閃爍。當他們靠近區域 2 時，迎賓燈可能會打開。最后，當他們靠近區域 1 時，車輛將解鎖并可以配置高級功能，如啟動車輛、將溫濕度控制設置為駕駛員所需的設置、設置信息娛樂偏好，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，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。

結論

UWB 正成為家庭自動化、工業 4.0 以及現在的汽車領域等諸多應用必備的突破性新技術。以汽車無鑰匙進入和數字鑰匙作為跳板，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 在汽車領域的新興應用。在未來的文章中，我們將探討 UWB 的新汽車應用，并展示該技術如何將 UWB 推向眾多車輛安全和安保領域，并成為幾個自動駕駛用例的重要推動力。UWB 的一大優點是在不易獲取重要外部位置信息的汽車領域提供了低成本、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（如車對萬物 (V2X)）結合使用可以帶來許多好處，例如防止碰撞。

據預測，在未來幾年內，50% 的新車都將配備 UWB 數字鑰匙，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 應用，以便對當今車輛中部署的 UWB 系統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用，那就更棒了！