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UWB在汽车应用中发挥越来越重要的作用
Kevin Mak and Asif Anwar, TechInsights,
Milton Keynes, U.K.
出于各种原因，超宽带(UWB)技术越来越多地应用于汽车领域。一种常见的应用是使用该技术来克服射频识别（RFID）钥匙的漏洞，因为这种钥匙很容易被黑客攻击，导致车辆被盗。该技术还被视为一种雷达技术，可确保儿童不会被遗忘在后座上。1982年的雷诺Fuego是第一款使用遥控钥匙解锁车门的车型。虽然这种方式最初发展缓慢，但在1990年代加速发展。到1995年，当年生产的汽车中约有三分之一配备了这种功能，2000年的普及率超过了50%。1993年，雪佛兰Corvette首次使用了无源进入系统。在这一系统中，启用的遥控器在靠近车辆时会发出低频（LF）信号来解锁车门。到2014年，无源进入系统的普及率已达到20%，到2024年将增至50%，现在基本上所有车辆都安装了遥控或无源进入系统。图1显示了TechInsights提供的遥控和无源无钥匙进入系统的市场份额数据。![]()
图1：对遥控和无源无钥匙进入系统的需求。资料来源：TechInsights。在被蓝牙标准取代之前，早期的无源进入系统是基于ISM频段的专有系统。2017款特斯拉Model3是第一款采用基于蓝牙低功耗（BLE）的进入系统的车型。该系统中的门禁系统使用了德州仪器公司的TMS37F128控制芯片。BLE已取代早期的LF解决方案，成为无源进入系统的通信标准。汽车进入系统中正在部署的另一项技术包括近场通信（NFC）。第一款配备NFC进入系统的车型是2016款梅赛德斯-奔驰E级轿车。在这一系统中，将启用了近场通信技术的钥匙卡或智能手机放在车辆上的近场通信读卡器上即可解锁车门。特斯拉车型也配备了用于代客泊车的NFC卡。NFC和BLE现已成为车联网联盟(CCC)的标准通信协议。这些协议分别在2020年4月和2021年7月发布的第二和第三个数字钥匙中进行了定义。CCC的宗旨是开发汽车进入系统并使之标准化，为共用相同车辆的家庭和车队提供便利，并实现新的服务。CCC的成员包括许多原始设备制造商(OEM)、汽车一级集成商、移动OEM和半导体供应商，其中包括英飞凌、恩智浦和意法半导体。这些新服务包括汽车共享和远程交付等。数字钥匙是新服务的基础。数字钥匙无需机械刀片式钥匙，这种钥匙自1950年代首次用于启动发动机以来，一直是汽车行业的基石。有了这种虚拟"钥匙"，不同的驾驶员就可以使用同一辆车，而无需昂贵的服务中心持有不同的钥匙。这项技术可以带来很多好处。汽车租赁公司可以通过降低运营成本获益，而且可以将钥匙交付给车辆而不是可能不在家的客户。这些数字钥匙可以通过智能手机上的应用程序进行交换。标准化可实现汽车和移动领域不同供应商和原始设备制造商之间的互操作性。它还能确保由此产生的系统的安全性。此外，标准化还能促进供应商之间的竞争，使数字钥匙变得经济实惠，并得到广泛应用。黑客可以拦截低频BLE和/或NFC传输，并从钥匙中获取解锁密码。这样，窃贼就可以在无需靠近的情况下窃取车辆。UWB的优势就是可以防止此类事情发生。UWB具有高分辨率，可准确确定启用设备的位置，并确保实际车主正在接近车辆。捷豹-路虎是第一家采用UWB技术的原始设备制造商，他们在2018捷豹I-Pace电动跨界车和路虎揽胜SUV上采用了该技术。现已采用基于UWB的无钥匙进入系统的其他原始设备制造商包括宝马、现代、梅赛德斯-奔驰、NIO、特斯拉和大众。恩智浦提供了安装在这些首批车辆上的芯片和钥匙。该芯片采用了爱尔兰都柏林一家名为Decawave的初创公司开发的IP，Qorvo于2020年2月收购了这家公司。恩智浦自此成为汽车领域UWB解决方案的主要芯片供应商，为宝马汽车提供Trimension NCJ29D5芯片，为智能手机提供SR100T芯片。图2显示了恩智浦Trimension NCJ29D5IC的框图。![]()
图2：恩智浦Trimension NCJ29D5功能框图。来源：恩智浦在移动应用方面，苹果公司和高通公司是支持UWB芯片的主要供应商。这些芯片通常集成在系统级芯片(SoC)封装中。英飞凌是另一家主要厂商。2023年10月，英飞凌收购了位于瑞士苏黎世的新创公司3dB Access。3dB Access公司拥有将集成SoC纳入UWB系统的设计能力。英飞凌利用这一能力成为主要供应商，其中包括为大众汽车提供车辆和钥匙支持。3dB Access为英飞凌带来了一些有价值的功能。CCC Release 3.0标准要求采用UWB的高速率脉冲(HRP)，而3dB提供的解决方案则包含HRP和低速率脉冲(LRP)两种方法。IEEE在其802.15.4z标准中规定了这些方法。3dB双模解决方案采用的LRP方法脉冲频率较低，能量较高，因此功耗较低。事实证明，这种双模解决方案非常适合电池供电的设备，如钥匙。3dB解决方案的HRP部分降低了发射器和接收器的电流消耗，但仍然符合标准。2020年发布的新IEEE802.15.4z标准对UWB信号进行了优化，以充分利用规范UWB频谱使用的两条规则所规定的能量。第一条规则将最大平均功率谱密度（PSD）限制在-41.3dBm/MHz或74nW/MHz，PSD是在给定带宽内1毫秒内平均的辐射功率。第二条规则涉及可传输的单脉冲强度。当UWB信号通过带宽为50MHz的滤波器时，它将UWB信号的功率限制在最大0dBm。这相当于原始500MHz宽信号能量的10%。第二条规则防止了只涉及一个大脉冲的解决方案。IEEE目前正在开发IEEE 802.15.4ab，这是UWB标准的增强版本。该版本旨在包含各种新功能，如窄带(NB)辅助UWB、更低功耗、更高数据传输速率、安全性等。中国的汽车制造商也热衷于为客户提供这一功能，尤其是初创的电动汽车制造商。一批中国半导体厂商正在向市场提供UWB解决方案。这些厂商包括长沙驰芯半导体科技有限公司、Ultraeption、Yuducomm和紫光展锐，它们的SoC嵌入了UWB功能。不过，值得注意的是，这些厂商都不是CCC的成员。此外，UWB还被考虑用于探测座舱内的人员。脉冲无线电UWB（IR-UWB）已经是一种成熟的雷达传感方法，UWB雷达具有检测微小移动所需的分辨率。这种功能可以对"沉睡"的消费电子设备进行运动检测、存在感知和生命体征检测。这可以在监控系统中节省电能或探测入侵者。用于儿童存在检测（CPD）系统的汽车雷达越来越多。这种传感器具有检测心跳或呼吸动作的分辨率。CPD可提醒驾驶员注意后排座位上的儿童，以免他们因车内温度过高而受伤。据报道，2023年，美国有29名儿童因被留在车内中暑而死亡。此外，2023年，CPD被纳入欧洲新车评估计划（Euro-NCAP）五星安全标准。2016年，20家汽车制造商与美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）和美国公路安全保险协会（IIHS）达成协议，将在2025年之前安装后座警报系统，作为CPD的一部分。《Hot Cars Act of 2021》（HR3164）和《2021 Build Back Better Act》还要求NHTSA考虑最早在2027年强制安装CPD。在上述应用中，同一UWB芯片组不仅可用于进入系统等应用中的测距，还可用于传感。传感应用通常需要不同的软件配置，具有更高的功能集。与需要专用电子控制单元（ECU）和芯片来实现传感功能的传统60GHz调频连续波（FMCW）雷达相比，UWB雷达具有成本优势。原始设备制造商还可以通过重新利用已在使用的芯片设备来降低系统的材料成本。例如，CPD雷达可用于安防系统的入侵检测、显示屏"休眠"或关闭室内灯光。这些设备的另一个用例是脚踢感应应用，在这种应用中，以雷达模式运行的UWB设备可用于检测用户打开后备箱的脚踢姿势。目前还没有关于UWB雷达的标准，但IEEE 802.15.4ab标准小组正在努力将UWB作为单静态和多静态传感雷达进行标准化。实施数字钥匙系统的成本将意味着数字钥匙启用无源进入系统（NFC和BLE）在北美、韩国和西欧以及高端品牌中的普及率最高。中国的需求水平也会很高，主要来自技术领先的电动汽车初创企业，但普及率不会太高。东欧和日本也会有更多的需求。TechInsights预测，全球对BLE和蓝牙(BT)系统的需求将从2023年的1600万套增加到2028年的4000万套，累计年平均增长率(CAAGR)为20%，到2031年将达到近5000万套。此外- 北美、韩国和西欧等成熟市场的普及率将从2023年的26%左右提高到2031年的65%左右。
- 东欧和日本的普及率将从2023年的13%至14%提高到2031年的50%左右。
- 中国的采用率增长将放缓，从2023年的15%增长到2031年的40%
- 泰国的普及率将从2023年的9%提高到2031年的37%
- 印度和巴西的普及率将从2023年的5%提高到2031年的约30%。
在这些无源进入系统的需求中，BLE将比NFC增长更快，因为它能为用户带来更多便利，而且将NFC读取天线集成到车辆中的要求也很高。- 在支持汽车共享服务和为高端品牌提供代客泊车服务方面，NFC的部署量较少。据估计，NFC将在约40%的数字钥匙无源进入系统中得到应用。
- 由于UWB为基于BLE的无源进入系统带来了更高的安全性，因此它也将在无源进入系统中实现快速增长。假设所有启用数字钥匙的无源进入系统都将部署BLE，而UWB在启用数字钥匙的无源进入系统中的普及率将从2021年的58%稳步上升到2031年的99%。
图3显示了TechInsights对2021年至2031年汽车应用中无源无钥匙进入系统数量的最新预测。图中显示了NFC、BLE/BT和UWB系统的预期销量。图4显示了三种不同技术在预测期内的预期市场份额。![]()
图3：无源无钥匙进入系统对NFC、BLE/BT和UWB的需求。资料来源：TechInsights。![]()
图4：NFC、BLE/BT和UWB在无源无钥匙进入系统中的普及率。资料来源：TechInsights。在其发展的早期阶段，内部雷达的需求量估计很低。不过，部署和兴趣正在不断增长。Acconeer 60GHz脉冲相干传感器由Alps-Alpine制造，部署在2022年沃尔沃EX90电动SUV、2023年Lotus Eletre和Polestar3上。脉冲相干传感器使用以皮秒为间隔的脉冲序列进行传播时间测量。该技术是功耗较高的FMCW的替代技术。遥控无钥匙进入和无源进入系统带来的便利正促使汽车行业更快地采用这些技术。随着汽车行业对数字钥匙概念的接受，以及消费者对其带来的更多便利的接受，CCC正在牵头开展标准化和提高安全性的工作。这种方法的其他好处还包括降低车队和汽车租赁运营商的运营成本，以及促进汽车共享等新型移动服务的发展。加强安全性的努力将推动对UWB的需求。随着解决方案提供商利用UWB提供的分辨率准确确定启用设备的位置，并确保车辆的实际所有者正在接近，这一需求将稳步增长。此外，该技术还具有双重用途，可满足目前通过采用60GHz雷达解决方案来实现的乘员检测要求。
注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准
