智能座舱产品系列:UWB数字钥匙产品技术介绍

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编辑导语:继蔚来ET7发布后,UWB数字钥匙变得异常火热,究其本质原因有哪些呢?那么本文内容围绕基于UWB技术的数字钥匙展开,并通过以下四个部分对UWB汽车钥匙发展历程及未来应用进行拆析,值得阅读了解。

随着苹果、小米等消费电子大厂的加持,UWB技术重新引起了大家的关注。而2020年以来,宝马和蔚来等主机厂搭载UWB钥匙开始,国内主机厂也开始争相研究。今天分享的数字钥匙基于UWB技术,通过智能手机,实现钥匙功能。传统汽车钥匙是钥匙+遥控功能,只能实现开门关门。数字钥匙拥有无钥匙解锁和闭锁,远程钥匙授权,开关车窗、空调和共享车辆等功能。

本文共四个部分

  1. 关于汽车钥匙的发展和演变
  2. 关于低功耗蓝牙BLE/UWB介绍
  3. 目前UWB钥匙的技术方案
  4. 总结:应用与挑战

一、汽车钥匙的发展和演变

整个汽车钥匙的发展历程,经历了最初的机械钥匙到遥控钥匙,再到PEPS钥匙系统,以及我们今天要讲的数字钥匙。数字钥匙对于用户来说,实现了2个基本用户需求:

  1. 安全性越来越高
  2. 便捷性体验越来越高。

尤其是,宝马将在 2022 款车型引入基于苹果超宽带(UWB)技术的“增强版数字车钥匙”,蔚来也将在今年交付的ET7和ET5配备UWB数字钥匙,此外,三星也正与宝马、奥迪、现代、福特等车企进行基于UWB技术的合作,基于此国内主机厂也开始争相研究UWB。

智能座舱产品系列:UWB数字钥匙产品技术介绍

从用户的角度出发,传统样式的汽车钥匙在使用过程中,会遇到各种问题。例如钥匙忘带了、钥匙丢失了、找不到钥匙、钥匙被锁车里,或者手里拿了很多东西腾不出手拿钥匙等等。

基于以上各种原因,汽车钥匙逐步从遥控钥匙到PEPS钥匙,再到如今的数字钥匙。

数字钥匙几个优点:

1. 便于携带,或者说不需要额外携带物理钥匙,手机即可成为钥匙。

2. 无感使用,解放双手。不用操作钥匙或者手机,根据钥匙和车辆之间的不同距离,由远到近,分别实现舒适迎宾、无钥匙进入和无钥匙启动等功能。

3. 钥匙共享,解决汽车共享的场景需求,此功能更可以在汽车租赁和汽车维修等生活场景中进一步应用。

4. 安全保障 从遥控钥匙诞生,一直发展到后面的蓝牙数字钥匙,其中中继攻击一直是绕不开的话题。UWB方案中加入了安全时间戳的技术,极大提升了UWB防中继攻击能力。

二、低功耗蓝牙BLE和超宽带UWB的工作原理

这部分介绍低功耗蓝牙BLE和超宽带UWB技术数字钥匙的工作原理。

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数字钥匙简单说,就是把手机当钥匙,并且用无线技术来实现手机的定位功能。只要车端的控制器可以识别并且定位到,合法手机处在不同区域,就能实现不同功能。例如在几十米的地方实现的是遥控功能,而靠近车身十米左右就会有迎宾动作,再靠近一两米左右就可以实现自动解锁。进到车里,实现车辆启动。停车熄火后,在远离车辆后,实现车辆闭锁功能。

以上种种功能,依赖于两种技术,分别是蓝牙定位和UWB定位。

蓝牙定位的原理主要应用的是蓝牙信号场强值,简称RSSI(Received signal strength Inducaror)。

场强值与距离相关。基本趋势是,离的越近,场强值越大,离的越远,场强值越小。但由于蓝牙信号的频率比较高为2.4HGz左右,这就决定了它的一个物理特性:距离较近的地方,场强值变化较大,和距离位置有趋近线性的关系。但是到了比较远的地方,比如1.5米以外,这时候场强值的变化比较小,此时就不能精确地识别到距离的变化。

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一般而言,可以通过至少三根天线获得的场强值来计算距离获得定位的一个点。理论上,天线数量越多,定位精度越精确。但由于蓝牙本身的特性,在远距离的时候,它的定位精度很难被大幅度提高。下图,可以看到实测中,距离0.1米到1米之间,场强值的改变有20左右,到了10米-20米,场强值改变不到10,这说明这时距离的改变已很难精确。

智能座舱产品系列:UWB数字钥匙产品技术介绍

在UWB技术应用到汽车钥匙之前,汽车使用的纯蓝牙数字钥匙在一定程度上代替了物理钥匙。其主要从软件标定算法上对测距效果进行了优化。但仅靠场强值来实现定位,感知精度不准始终是蓝牙的一个痛点。而基于UWB技术的数字钥匙带来的精准定位,无疑对数字钥匙开辟了另一个发展方向。

1. 什么是UWB技术

UWB(ultra wideband)也叫超宽带技术,是一种使用1GHz以上频率宽带的无线载波通信技术。其实超宽带UWB技术并非新技术。最早60年代就已运用在军事雷达领域,汽车领域应用UWB技术没有手机行业早。汽车数字钥匙引入UWB技术主要还是随着近几年手机应用UWB技术而衍生出来的。

UWB技术采用飞行时间测距,time of flight。车端中,UWB锚点可以实现钥匙和车身的测距功能。在发射装置中将含有时间戳的信号发射出去后,接收端通过接收到的信息计算出飞行时间,进而推算出飞行距离,实现精准的测距。根据钥匙与车端各锚点的综合距离,进行综合计算,这时候车端系统就可以实时获得钥匙所处的精确区域或者位置。

但UWB也有一个多径传输问题,UWB信号碰到障碍物,可能会被反射或者被吸收,导致测距未必是真实距离。这就需要开发人员通过一系列算法优化,借助多个锚点辅助,尽量精确测距。一般来说,UWB定位精度可以达到零米级。

总的来说,UWB技术有两个特征:

  1. 定位精度高,UWB定位精度可以达到零米级别
  2. 抗干扰性强,UWB技术可以实现有效对抗多径干扰问题

以下表格是传统无钥匙系统的PEPS高低频技术蓝牙BLE技术和UWB技术的对比。

智能座舱产品系列:UWB数字钥匙产品技术介绍

总体上,PEPS高低频物理钥匙的定位精度很高,但定位覆盖范围比较小,也没有办法做钥匙分享和做防中继攻击。BLE蓝牙技术覆盖范围广,定位精度同样不高,基于手机和云端,它可以实现钥匙分享,但依然在防中继攻击方面没有好办法。而UWB技术,它的定位精度很高,定位覆盖范围很广,而且具备了防中继攻击的能力。防中继攻击问题,也打开了UWB在汽车、支付等高安全要求场景应用的大门。但它成本太高了,这个也是各个主机厂比较关注的问题。

表格中另一个蓝牙BLE技术:AOA技术,其实也可以和UWB技术一样,可以基于信号本身,比如用飞行时间TOF来做精准测距,效果也远远好于场强值的计算,且也无需加装昂贵的UWB设备。

那为何到目前为止,都没有实现呢?

根本原因是目前市面上的手机不支持这种蓝牙的测距方式,所以我们现在用的蓝牙通通都是用场强值计算来做定位。

UWB数字钥匙为何会兴起,主要是手机配置了该功能。现在市面上,主要是苹果、小米和三星手机支持UWB功能。所以,从这方面来说,汽车数字钥匙的发展开拓,已不再是汽车行业本身的发展趋势单方面的决定的,而是由越来越多的跨界合作在左右着。

三、UWB系统的实现方案

1. 为何UWB技术将成为汽车数字钥匙的主要技术?

UWB的开发过程,还有一个绕不开的话题,即CCC规范。基于UWB功能开发的CCC3.0规范,是2021年7月份正式发布的。2021年7月CCC车联网联盟(Car Connectivity Consortium)将UWB定义为第三代数字密钥的核心技术,这个规范明确了第三代数字钥匙是基于UWB/BLE+NFC的互联方案。这个规范的出台,明确提出了UWB与BLE技术的结合,进一步推进了数字钥匙的发展。这也是近年来主流车企纷纷改道UWB数字钥匙的原因。

UWB数字钥匙融合了UWB、BLE蓝牙和NFC三种无线通信技术。

UWB测距功耗很高,无法像蓝牙一样,进行不间断地广播和连接。因此UWB测距功能,建立在蓝牙连接的基础上。蓝牙的功耗较低,在较远的地方,可以先进行蓝牙连接,进行身份认证、数据交互,并进行粗略的定位。继续靠近车辆之后达到UWB测距的范围后(离车十几米左右),再开启各个锚点的UWB的测距功能,各个锚点进入工作状态,就可以实现实时的定位。

智能座舱产品系列:UWB数字钥匙产品技术介绍

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从上图可以看到,UWB系统增加了信息安全相关的硬件安全芯片,并且在安全芯片里面集成了和CCC协议相关的软件。这个主要是为配合手机端的加解密和CCC协议。这种架构也是参考原来NFC数字钥匙的方案,也就是CCC2.0规范的要求,只是把原来的NFC通道改成了蓝牙通道。

四、总结

1. UWB技术的拓展应用

UWB技术的引入为人车互动带来更多想象空间,但UWB的应用是在尽量不增加硬件成本的基础上,让UWB的特性得到最大化的应用。比如,UWB雷达脚踢技术。

在确认数字钥匙到达车辆后备箱外部指定的位置之后,可以开启UWB的雷达探测方式,对用户靠近后的脚踢动作进行识别。

另一个应用,用UWB技术实现车内活体检测功能。用车内布置的UWB锚点,使用多普勒原理,对人体和宠物进行精细动作对识别,以达到预警功能。

在数字钥匙系统开发过程中,还有很多东西是可以探索和尝试的。比如各个协议平台的共存和互通,这也是各主机厂比较关注的问题。目前协议平台主要有三个,以苹果为代表的CCC协议,以华为为代表的ICCE协议,以小米为代表的ICCOA协议。

2. 数字钥匙面临的挑战

对于车厂和各车端供应商而言,如何做到跨平台的支持和维护就显得尤为重要。毕竟,用户只关注体验感和舒适度,关心钥匙分享是否都可以跨平台进行,更重要的,用户更关心车端的应用是不是可以达到一个平衡。

#专栏作家#

赛博七号,人人都是产品经理专栏作家。一个产品老兵,专注汽车智能化体验和设计。

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题图来自Unsplash,基于 CC0 协议。

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  1. 学习了,HWB 从判断用户的位置上来说解决了精度问题,从通信协议和方式上来说解决了安全问题,但是功耗上偏高,在目前应用到钥匙上这个行为相等于人找车,根据人到车的距离来判断程序应该执行什么操作,实现人到车后达到理想的状态,
    未来在无人驾驶上可以做到车找人,根据人的定位车自动规划路线去找人,

    来自北京 回复
    1. 人找车对于部分人群确实也是一种难题,能够达到车找人的理想状态下,自动驾驶车辆或许是可以实现的,对于智能座舱车辆来说安全系数或许也是问题。

      来自四川 回复
  2. uwb数字钥匙还是第一次听说,又是学到新知识的一天

    来自山东 回复
  3. UWB技术确实是具有未来科技感,可要做到跨平台的支持和维护,显然不是很快能完成的

    来自吉林 回复
  4. 做到跨平台的支持和维护需要对方的合作支持,实现共存与互通

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