智能座舱产品系列：UWB数字钥匙产品技术介绍
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
- 关于汽车钥匙的发展和演变
- 关于低功耗蓝牙BLE/UWB介绍
- 目前UWB钥匙的技术方案
- 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：
- 安全性越来越高
- 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。
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。
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。
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。
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：
- 定位精度高，UWB定位精度可以达到零米级别
- 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。
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。
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。
#作者#
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