白皮书-为什么UwB能够满足汽车安全

作者：Michael Viot

当IEEE批准了802.15.4a，用此技术将它作为高精度的跟踪,用于汽车和其它行业铺平了道路。现在，一个新的品种叫做UWB收发器的上台，让人讨厌的犯罪的趋势可能就要在其道路上停止了。

这些年汽车安全的研究使得小偷越来越难通过传统的方法来偷车了。统计显示，过去10年来，全球层面来看，偷车的数量在逐步降低。但是在发展中国家，最新数据显示其开始再次上升。

吃惊的是，其链接的主要原因是….. 车钥匙。

准确来讲，就是无钥匙被动进入系统。

一,目前的被动进入和启动系统…

越来越多的新款车配备了一个被动进入和启动系统。这是在90年代末引入在当时的高端车上，此技术被大众化，很快在车中的配置率会高达50%。

图1显示了配置了LF(125Khz-130Khz)发射器的一台车。3到10个发射器覆盖车内外的特定区域，LF发射器发送给信标。假如钥匙是在范围内，也就是1~2米内。“睡眠”的钥匙拾取LF信号，这就唤醒了钥匙，触发了对所接受到的信息的处理。钥匙就是分开的RF通道（433MHZ到2.4GHZ）来回应汽车。

信标中包含的信息随着发射器的区域而变化。例如，信息会根据区域是在车内或车外而变化，或者，甚至区域是在驾驶位，乘客位或后备箱。这样的能力允许钥匙发送特定的触发特定行动的回答，比如在钥匙在车内时打开乘客门，或启动引擎。

二,它们的劣势

不管集成了编码加密和其它的安全机制，无钥匙进入系统，有一些严重的劣势。以下是一些劣势能够影响到你，汽车使用者。

首先，RF通道可能会堵车。小偷堵在RF通道上,你就像其它的大多数司机一样，从车内爬出来，指望它们能自己上锁.还是要感谢这个拥堵，你的车不能接收到“锁”的指令。

在RF通道拥堵的时候，并不会关闭被动启动系统，小偷不能偷走你的车，你有价值的东西是垂手可得的。

然后，更有开拓精神的罪犯能发起一个“中继攻击”，这执行起来更加复杂且更有利可图。

如图2指出,中继攻击由转发的车和远距离的钥匙之间的交换信息构成，可能会到1公里。小偷开始通过中继转发来自车里到钥匙里的LF发射器的信标来攻击。

一旦这些坏的演员可能携带一个Slim Jim(小编:牛肉干?)，现在他们魔术袋包括了一个靠近门锁的天线和转换信号或一个更远距离射频信号的放大器，来将其传输到更远的距离。小偷就和车主只要几米之内的距离，用一个设备转换RF信号成为一个低频信号，感谢一个放大器，将会到达钥匙内置的LF接收器。一旦钥匙获得了信标的信息，它将作为一个常规的“开锁”命令来回答。此命令就会如上所述被拾取和中继，然后旅行回到汽车。

现在小偷在车内了，他们会不甘于偷车内的东西，他们只需要将天线靠近负责“内部”区域的发射器，触发被动开启系统。你的车就没有了。

三，击退中继攻击

当下的所有车钥匙都使用高级的安全技术比如加密来确保钥匙和车之间的通信。但是假如有人试图中继这个通信，所有的这些安全都是无用的。

避免中继攻击的一个选项就是测量车和钥匙之间的真实的物理距离。假如车检测到钥匙并未在物理的接近，它就忽略接收到的命令.

测量RF信号强度是获得距离测量的方法之一。但是这样做的假设是根据Friis方程信号强度和距离有一个确定的关系。不幸的是，Friis方程只适用于自由空间。在一个多道路，干扰和缺乏视觉的环境，预测的距离精度会在数十米。

第二个方法由测量RF信号的飞行时间TOF组成，来预估发射器和接收器之间的距离。曾经尝试过用标准的窄带射频比如蓝牙或其它的2.4G信号来构建飞行时间系统。

问题是由于窄的带宽，信号的上升沿是慢的，在多道路的和低信噪比的环境下确定准确的到达时间是困难的，产生了数米的精度，其可靠性仍然依赖于环境。

四，UWB具有测量来停止被动入侵行为

超宽带UWB可能最终提供了准确和可靠地距离测量所要求的性能。UWB信号由窄的脉冲组成，通常不会大于２纳秒的宽度。这就使得它对多通道和干扰高度免役。（如图４）。作为超宽带UWB，其带宽在500MHZ和1.2GHZ之间，此技术也非常困难被拥堵。

五，只从车工作在给定的距离工作

UWB技术允许的视线距离大于200米。但是车内单元能够配置成只在测得距离小于车场定义的值的时候才产生行动.

因为UwB是能够100%可靠地达到10厘米的精度,厂家能够定义非常精确的区域,只在驾驶员靠近汽车的时候才触发开锁机制.

六，检测钥匙位于汽车的哪一侧面

正如我们先前看到的，最新款的车使用了低频和射频技术，能知道驾驶员是从车的哪一侧在靠近，触发特定的行动比如开启特定的门或后备箱。

但是使用UWB的话，车如何知道哪个车门或后备箱来开启？

在一个车内单元和钥匙之间的一个单一的双向测距交换是足够来测量钥匙距离车有多远。但是，只有单一的信息-距离，不足以确定钥匙到底是处于车的哪一个侧面。

知道车钥匙位于汽车的哪一边需要两部份的信息。这两种信息可以是比如，来自两个车内单元的两个距离，当然是除非这些车内单元是恰当地布局的。假如这两个单元是横贯汽车安装，那么就可以独特地识别出钥匙位于汽车哪一侧。

假如你在车内增加第三个单元，三边测量就变得可能，产生了一个非常精确的钥匙定位是处于车内或在周围，继而释放后备箱,左后门的锁住机制，或取决于钥匙位置的任何地方。

七，从理论到现实

UWB已存在多年了，但是直到最近之前，它的实现都是笨重的，耗电的，专利的和十分昂贵。不是汽车电子所想要的。

直到IEEE批准了一个新的标准802.15.4a，现在是802.15.4~2011的一部分。这个新的标准，特别针对高精度定位，使得很多新的潜在应用成为可能：

1,环境中的资产跟踪比如医院，工厂或仓库；

2,火灾大楼的个人跟踪比如消防人员，或产房的新生儿;

3, 对单个对象级别的室内导航;

这些新的潜在应用吸引了半导体行业的兴趣，经过数年的研发，首个集成式的UWB收发器上市了。正如你从IC预期的那样，它们很小（几平方毫米），低功耗（纽扣电池驱动）和偏宜-这些特性使得其用于车钥匙非常完美。

车厂没有花太多的时间来了解此技术的潜能。很多都在密切关注了…. 一些先锋们已决定集成到2016年上市的汽车款式中。

八，防贼和更多

UWB技术解决了车厂目前最重要的问题之一，感谢它准确测量车钥匙物理位置的能力，继而确保了车厂被动进入系统的高水平的安全。

但是，UWB可以为汽车电子贡献更多吗？



在乘客安全领域工作数年之后，车厂现在正调研在有行人和骑自行车人环境下的汽车安全的方法。目前配在车上的雷达能够检测大的对象，但是不能“看见”更小的。比如人类。全自动的车已经非常接近了，但是其成本和复杂度在近10到20年都不会进入到大众群体。

假如骑自行车的和行人配戴了UWB标签，汽车就会提前检测到他们-记得UWB可以测到200米以上，来避免碰撞.

车厂有很多类似的场景可以想像

Automotive Security: why UWB Measures Up(2014年9月)

本文讨论的UWB收发器,dw1000法国造UwB模块ISP151001外形图16*9*1.86mm;定位精度+/-10cm;距离远;高级电源管理可以纽扣电池工作数年;实时定位;带NFC;中心频率6.4896Ghz;BLE距离100米;LGA QFN 97脚;Cortex M4处理器;

iSP151001开发包构成:

1，一个接口板,内置J-Link OB JTAG/SWD仿真器
2，一个测试板
3，一个开发dongle
4，五颗iSP1510样品
5，一个测距演示:一个基站板,一个标签板,嵌入式软件和Android软件
6，线材,电源供应和纽扣电池座

此开发包可以让工程师使用即成的方案作为开始来创新自己的产品.避免了从空白开始使得上市时间缩短.另外,有些应用将就这个套件就可以量产了.

功能框架图:内置Nordic的蓝牙SoC nRF52832以及天线,decawave的UwB收发器dw1000和天线,即插即用,免RF设计,过FCC,CE,IC ,SIG认证

南频推荐的汽车钥匙的其它器件:

一, Sol-Chip光电池芯片, QFN 13*13*3mm,室内光也可以生电

1, SCP-1800: 一颗光电池;带电源管理电路,即插即用到你的系统,替代干电池
2, SCP-2800: 两颗光电池Saturn 800; 2.5倍于SCP-R2450的电量输出; 3.2*2.5*1.9厘米;代替纽扣电池

峰值输出电流400mA;年平均输出电流550uA;输出电压3.6V±5%(或者用户自定义输出电压范围); 7/24不间断供电

二, Wisol声表SAW滤波器:在天线端将噪声滤除,让特定频率通过,提升选择性,1.1*0.9*0.5mm用于GSM,GPS,WiFi,3/4G,RFiD等射频前端

以上品牌的元器件样品&报价购买&技术&评估板 咨询代理商南频=>座机0755-82565851 邮件 dwin100@dwintech.com 手机156-2521-4151

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