車載超寬帶通信發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

范博文　范新欣

摘 要：超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）通信技術(shù)作為一種新型的無線通信技術(shù)，以其高速率、低功耗、高精度測距和抗干擾等特點，在車載通信領(lǐng)域具有很大的潛力和發(fā)展前景。本文首先簡述了超寬帶通信技術(shù)發(fā)展歷史，介紹其原理、分類及主要技術(shù)特點，通過對車載超寬帶通信技術(shù)典型應(yīng)用場景的描述展示其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并從新型應(yīng)用場景、技術(shù)創(chuàng)新以及多技術(shù)融合與協(xié)同等方面對車載超寬帶通信技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行分析與展望。

關(guān)鍵詞：超寬帶通信 UWB 汽車

1 引言

過去幾十年，汽車行業(yè)經(jīng)歷了一系列重大變革，消費者對于車載信息娛樂、智能互聯(lián)、駕駛輔助等方面的需求也日益增長，因此需要更高性能的車載通信技術(shù)來滿足這些需求[1]。

車載通信技術(shù)在近些年得到了廣泛研究和應(yīng)用。從GPS導(dǎo)航和藍牙通話到未來的自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)，傳統(tǒng)的車載通信方式已無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求。此時，超寬帶通信技術(shù)憑借其高速率、低功耗、高精度測距以及抗干擾等優(yōu)點被認為是解決這些問題的有力利器。超寬帶通信技術(shù)不同于3G/4G/5G等遠距離傳輸通信，UWB作為近場通信技術(shù)，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和測距精度，能夠在短距離和低功耗應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色，作為汽車通信能力的補充非常適合于車載通信系統(tǒng)的發(fā)展需要[2-4]。

在手機領(lǐng)域，新型通信技術(shù)的應(yīng)用往往是較為領(lǐng)先的：蘋果公司基于UWB技術(shù)研發(fā)推出的Apple U1芯片，可以實現(xiàn)蘋果設(shè)備及第三方設(shè)備間的精確定位、數(shù)據(jù)傳輸以及協(xié)同應(yīng)用體驗；DecaWave公司推出的DW1000是世界上首款單芯片UWB收發(fā)器，可應(yīng)用于高精度定位、人員調(diào)度、智能安防和智能倉儲等領(lǐng)域[5]；在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，四相科技推出的5G＋UWB融合定位技術(shù)，可實現(xiàn)電子圍欄、考勤管理、智能巡檢、視頻聯(lián)動以及零部件及設(shè)備的實時位置信息監(jiān)控和實時定位跟蹤，物料流轉(zhuǎn)可視化；在游戲娛樂領(lǐng)域，微軟公司的Xbox游戲手柄內(nèi)置UWB技術(shù)，可以傳輸更精確的動作和位置捕捉數(shù)據(jù)，提高游戲體驗；在智能家居領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以用于智能家居領(lǐng)域，例如門鎖開關(guān)、寵物跟蹤、精確定位等[6-8]。

2 超寬帶通信技術(shù)概述

2.1 超寬帶通信技術(shù)定義

超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）通信技術(shù)是一種短脈沖信號傳輸?shù)臒o線技術(shù)，基于極寬的信號帶。根據(jù)國際電信聯(lián)盟（InternationalTelecomUnion，ITU）的定義，超寬帶技術(shù)是指工作帶寬大于500MHz或占用帶寬與中心頻率之比大于0.2的通信技術(shù)。超寬帶通信技術(shù)的核心思想是，通過發(fā)送大量獨立信道的短脈沖信號傳輸信息，從而實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)通信[9]。

2.2 超寬帶通信技術(shù)發(fā)展歷史

UWB超寬帶通信技術(shù)源自于20世紀(jì)50年代美國軍方對無線電波的研究。其最早的應(yīng)用主要涉及軍事通信和雷達系統(tǒng)，一直到2002年，UWB技術(shù)的商用化進程邁出了重要一步，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準(zhǔn)了商業(yè)無線產(chǎn)品可以使用UWB技術(shù)，并為其分配3.1-10.6 GHz的頻譜資源。

UWB技術(shù)的研發(fā)組織主要包括政府機構(gòu)、學(xué)術(shù)研究機構(gòu)和企業(yè)。許多跨國公司、創(chuàng)新型企業(yè)以及初創(chuàng)公司都在UWB領(lǐng)域展開研究和產(chǎn)品開發(fā)。WiMedia聯(lián)盟大力推動個人媒體設(shè)備間互聯(lián)互通，設(shè)計并推出了首個UWB相關(guān)規(guī)范。而后UWB聯(lián)盟、FiRa聯(lián)盟充分推廣相關(guān)使用，研究人員開始探索UWB技術(shù)的潛在應(yīng)用場景。

2.3 超寬帶通信技術(shù)特點

2.3.1 低功耗高帶寬

由于超寬帶通信技術(shù)采用短脈沖信號傳輸，其發(fā)射功率相對較低，通常在負分貝（dBm）量級。這使得超寬帶設(shè)備具有較低的功耗，尤其對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢[10]。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）規(guī)定，UWB信號帶寬與中心頻率之比不得低于0.2，絕對帶寬不得低于500MHz，在規(guī)定的3.1～10.6GHz范圍內(nèi)。同時，F(xiàn)CC要求UWB系統(tǒng)發(fā)射器的有效輻射功率每向同性不超過-41.25dBm/MHz。

2.3.2 抗干擾能力強

由于超寬帶信號帶寬較寬，且短脈沖信號在頻率域上具有較高的頻譜平均功率，因此超寬帶通信技術(shù)在復(fù)雜的電磁環(huán)境中具有較強的抗干擾能力[11]。UWB信號的傳輸數(shù)據(jù)中，僅包含單個周期（僅在幾百皮秒的時間內(nèi)）的短脈沖信號。即使這個脈沖很短，它也能包含非常大的能量，可以在復(fù)雜電磁環(huán)境下確保可靠的通信和位置精確跟蹤[11]。

UWB技術(shù)利用了高密度脈沖信號，每個低功率的脈沖周期都有非常高的能量密度，因此能夠穿透墻面等障礙物增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。另外，超寬帶通信技術(shù)與現(xiàn)有的無線通信技術(shù)具有較好的共存性，能夠兼容多種傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，如藍牙、Wi-Fi及蜂窩移動通信等[12-13]。

2.3.3 高數(shù)據(jù)傳輸速率

由于超寬帶技術(shù)采用多個獨立信道傳輸短脈沖信號，短脈沖信號在時間域上具有較短的時寬，使得其具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在某些應(yīng)用場景下，超寬帶通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)Gbps級別的高速數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.4 高空間定位精度

在無線通信領(lǐng)域，常見的定位方法有TOF飛行時間法（time of flight）、AOA到達角度測距（angle of arrival）、RSSI接收信號強度指示測距（Received Signal Strength Indication）、TOA到達時間測距（time of arrival）、到達時間差測距方法TDOA（time difference of arrival）。UWB定位的原理是通過利用超短脈沖傳輸技術(shù)，產(chǎn)生密度極高的頻率能量，在接收器端進行時間測量，可以高度準(zhǔn)確地測量兩個設(shè)備間的距離和方向。這種技術(shù)利用了電磁波的特性，脈沖信號可以與反射回來的信號進行比較測量，從而計算出設(shè)備的位置。

由于UWB短脈沖信號具有納秒級別的時寬，因此具備較高的距離分辨率和定位精度，適用于需要高精度定位和距離測量的應(yīng)用場景。UWB無線通信TDOA無線定位采用多基站測距確定目標(biāo)位置，消息在不同的時刻到達每一個基站，因為基站與標(biāo)簽的距離間隔不同。這些時間差乘以空間中恒定的光速得到標(biāo)簽與基站之間的距離差，得到每個基站之間的距離差后，可以畫出雙曲線，同理交點即為標(biāo)簽的相對坐標(biāo)位置。

3 車載超寬帶通信技術(shù)典型應(yīng)用場景

3.1 無線傳感器與車內(nèi)活體檢測

車載超寬帶通信技術(shù)在車載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有廣泛的應(yīng)用。超寬帶技術(shù)的低功耗、抗干擾性強以及高空間分辨率特性使得其在車載環(huán)境中為各種傳感器提供高速、穩(wěn)定的無線通信鏈路。這些傳感器系統(tǒng)包括但不限于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、水溫監(jiān)測、油壓監(jiān)測等。

同時，基于UWB技術(shù)可以制作人體感應(yīng)雷達[14]，相比傳統(tǒng)的激光、紅外探測、聲波探測技術(shù)，UWB可以應(yīng)用到車內(nèi)生命體征監(jiān)測、腳踢開啟后備箱等應(yīng)用場景。UWB雷達探測不受環(huán)境溫度和熱物影響的人體生命信號，能有效地穿透介質(zhì)，較好地解決了激光和紅外探測受溫度影響嚴(yán)重，遇到物體阻隔而發(fā)生故障和誤報的幾率。

3.2 高精度定位與數(shù)字鑰匙

超寬帶技術(shù)在車輛、車鑰匙精確定位人機交互發(fā)揮著重要作用。由于其納秒級的短脈沖信號和高定位精度，超寬帶通信技術(shù)能夠提供對遙控鑰匙的近距離精確定位。

車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（CCC）作為一個跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織，將UWB技術(shù)應(yīng)用到車輛數(shù)字鑰匙中，旨在規(guī)范在駕駛員靠近車輛時如何自動解鎖。車輛數(shù)字要是使用UWB與藍牙協(xié)同工作，在進行加密通信的同時校核鑰匙距離汽車距離信息，以更好的放置有人非法進入車輛。

3.3 高清多媒體傳輸

在車載系統(tǒng)中，超寬帶技術(shù)也被用于實現(xiàn)高清多媒體無線傳輸，如無線顯示和高清視頻流媒體。其高數(shù)據(jù)傳輸速率和抗干擾能力使得車輛乘客可以在行駛過程中，無縫享受高清音視頻內(nèi)容。

4 車載超寬帶通信技術(shù)發(fā)展趨勢展望

4.1 高精度定位與室內(nèi)停車場導(dǎo)航

隨著車輛對精確定位和室內(nèi)導(dǎo)航的要求不斷提高，超寬帶技術(shù)在車輛定位領(lǐng)域的應(yīng)用將持續(xù)發(fā)展。利用超寬帶技術(shù)提供的高精度、實時數(shù)據(jù)，為駕駛員帶來更好的駕駛體驗和高效率導(dǎo)航服務(wù)。

自動泊車是目前炙手可熱的智能駕駛功能，但由于室內(nèi)停車場GPS信號較弱，無法實現(xiàn)對車輛的精確定位，無法實現(xiàn)高效停車的公共停車場來進行地圖搭建和軌跡規(guī)劃。基于UWB定位技術(shù)，結(jié)合RFID定位、地磁定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)和停車場場邊激光雷達，車輛在沒有任何控制的情況下，自動準(zhǔn)確地在停車場內(nèi)尋找到可停放的車位。

4.2 車內(nèi)互聯(lián)與第三方設(shè)備互聯(lián)

移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動了更多便捷、豐富的車內(nèi)多媒體應(yīng)用出現(xiàn)，對于高速無線傳輸技術(shù)的需求將不斷增加。超寬帶技術(shù)在車內(nèi)高清視頻傳輸、無線顯示和音頻傳輸?shù)葓鼍爸械膽?yīng)用將逐漸成為主流，為車內(nèi)乘客提供優(yōu)質(zhì)的娛樂體驗。

同時，隨著智能手機、智能家居中UWB技術(shù)的應(yīng)用，具備UWB技術(shù)的智能手機、智能手表與車輛的互動也成為未來值得期待的應(yīng)用場景之一。

4.3 多無線通信技術(shù)協(xié)同與融合發(fā)展

超寬帶通信技術(shù)將與傳統(tǒng)車載通信技術(shù)如藍牙、Wi-Fi及蜂窩移動通信等實現(xiàn)更深入的協(xié)同與融合。通過優(yōu)勢互補，實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的車載通信體驗，為未來車載通信技術(shù)發(fā)展注入新的活力。

4.4 智能交通車車、車路通信

超寬帶通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)及車對車通信系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要意義。由于其高速率、低時延的特性，超寬帶通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛之間實時、快速的信息交換，如交通狀況、道路安全預(yù)警等。這對于提高道路安全性以及實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)具有重要作用。

5 結(jié)語

在信息技術(shù)發(fā)展日新月異的今天和今后一個時期，車載通信已經(jīng)成為交通運輸行業(yè)的熱門領(lǐng)域。車載超寬帶通信因其寬帶高速、低延遲、高可靠性等優(yōu)越性能，正成為未來車載通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過介紹了車載超寬帶通信技術(shù)的基本概念和特點，從智能交通系統(tǒng)、高精度定位及室內(nèi)導(dǎo)航、車內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)及多媒體應(yīng)用等多個方面分析了當(dāng)前車載超寬帶通信應(yīng)用的現(xiàn)狀，最后探討了車載超寬帶通信未來的發(fā)展趨勢發(fā)展。

綜上所述，車載超寬帶通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)、車對車通信和車內(nèi)多媒體應(yīng)用等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景和潛力。然而，該領(lǐng)域仍面臨許多挑戰(zhàn)，如頻譜分配、電磁兼容性、安全性以及成本等方面。為此，政策、產(chǎn)業(yè)、技術(shù)應(yīng)用的融合創(chuàng)新將深刻影響未來車載超寬帶通信變革，從而推動交通運輸領(lǐng)域更高效、更安全、更智能的發(fā)展。

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