车载超宽带通信发展现状与趋势

范博文　范新欣

摘 要：超宽带（Ultra-Wideband，UWB）通信技术作为一种新型的无线通信技术，以其高速率、低功耗、高精度测距和抗干扰等特点，在车载通信领域具有很大的潜力和发展前景。本文首先简述了超宽带通信技术发展历史，介绍其原理、分类及主要技术特点，通过对车载超宽带通信技术典型应用场景的描述展示其在汽车领域的应用现状，并从新型应用场景、技术创新以及多技术融合与协同等方面对车载超宽带通信技术未来的发展趋势进行分析与展望。

关键词：超宽带通信 UWB 汽车

1 引言

过去几十年，汽车行业经历了一系列重大变革，消费者对于车载信息娱乐、智能互联、驾驶辅助等方面的需求也日益增长，因此需要更高性能的车载通信技术来满足这些需求[1]。

車载通信技术在近些年得到了广泛研究和应用。从GPS导航和蓝牙通话到未来的自动驾驶和车联网，传统的车载通信方式已无法满足日益增长的数据传输需求。此时，超宽带通信技术凭借其高速率、低功耗、高精度测距以及抗干扰等优点被认为是解决这些问题的有力利器。超宽带通信技术不同于3G/4G/5G等远距离传输通信，UWB作为近场通信技术，具有更高的数据传输速率和测距精度，能够在短距离和低功耗应用场景中表现出色，作为汽车通信能力的补充非常适合于车载通信系统的发展需要[2-4]。

在手机领域，新型通信技术的应用往往是较为领先的：苹果公司基于UWB技术研发推出的Apple U1芯片，可以实现苹果设备及第三方设备间的精确定位、数据传输以及协同应用体验；DecaWave公司推出的DW1000是世界上首款单芯片UWB收发器，可应用于高精度定位、人员调度、智能安防和智能仓储等领域[5]；在生产制造领域，四相科技推出的5G＋UWB融合定位技术，可实现电子围栏、考勤管理、智能巡检、视频联动以及零部件及设备的实时位置信息监控和实时定位跟踪，物料流转可视化；在游戏娱乐领域，微软公司的Xbox游戏手柄内置UWB技术，可以传输更精确的动作和位置捕捉数据，提高游戏体验；在智能家居领域，UWB技术可以用于智能家居领域，例如门锁开关、宠物跟踪、精确定位等[6-8]。

2 超宽带通信技术概述

2.1 超宽带通信技术定义

超宽带（Ultra-Wideband，UWB）通信技术是一种短脉冲信号传输的无线技术，基于极宽的信号带。根据国际电信联盟（InternationalTelecomUnion，ITU）的定义，超宽带技术是指工作带宽大于500MHz或占用带宽与中心频率之比大于0.2的通信技术。超宽带通信技术的核心思想是，通过发送大量独立信道的短脉冲信号传输信息，从而实现高速率的数据通信[9]。

2.2 超宽带通信技术发展历史

UWB超宽带通信技术源自于20世纪50年代美国军方对无线电波的研究。其最早的应用主要涉及军事通信和雷达系统，一直到2002年，UWB技术的商用化进程迈出了重要一步，美国联邦通信委员会（FCC）批准了商业无线产品可以使用UWB技术，并为其分配3.1-10.6 GHz的频谱资源。

UWB技术的研发组织主要包括政府机构、学术研究机构和企业。许多跨国公司、创新型企业以及初创公司都在UWB领域展开研究和产品开发。WiMedia联盟大力推动个人媒体设备间互联互通，设计并推出了首个UWB相关规范。而后UWB联盟、FiRa联盟充分推广相关使用，研究人员开始探索UWB技术的潜在应用场景。

2.3 超宽带通信技术特点

2.3.1 低功耗高带宽

由于超宽带通信技术采用短脉冲信号传输，其发射功率相对较低，通常在负分贝（dBm）量级。这使得超宽带设备具有较低的功耗，尤其对于无线传感器网络和物联网设备等应用领域具有显著优势[10]。美国联邦通信委员会（FCC）规定，UWB信号带宽与中心频率之比不得低于0.2，绝对带宽不得低于500MHz，在规定的3.1～10.6GHz范围内。同时，FCC要求UWB系统发射器的有效辐射功率每向同性不超过-41.25dBm/MHz。

2.3.2 抗干扰能力强

由于超宽带信号带宽较宽，且短脉冲信号在频率域上具有较高的频谱平均功率，因此超宽带通信技术在复杂的电磁环境中具有较强的抗干扰能力[11]。UWB信号的传输数据中，仅包含单个周期（仅在几百皮秒的时间内）的短脉冲信号。即使这个脉冲很短，它也能包含非常大的能量，可以在复杂电磁环境下确保可靠的通信和位置精确跟踪[11]。

UWB技术利用了高密度脉冲信号，每个低功率的脉冲周期都有非常高的能量密度，因此能够穿透墙面等障碍物增加数据传输的可靠性。另外，超宽带通信技术与现有的无线通信技术具有较好的共存性，能够兼容多种传统无线通信技术，如蓝牙、Wi-Fi及蜂窝移动通信等[12-13]。

2.3.3 高数据传输速率

由于超宽带技术采用多个独立信道传输短脉冲信号，短脉冲信号在时间域上具有较短的时宽，使得其具有较高的数据传输速率。在某些应用场景下，超宽带通信技术能够实现Gbps级别的高速数据传输。

2.3.4 高空间定位精度

在无线通信领域，常见的定位方法有TOF飞行时间法（time of flight）、AOA到达角度测距（angle of arrival）、RSSI接收信号强度指示测距（Received Signal Strength Indication）、TOA到达时间测距（time of arrival）、到达时间差测距方法TDOA（time difference of arrival）。UWB定位的原理是通过利用超短脉冲传输技术，产生密度极高的频率能量，在接收器端进行时间测量，可以高度准确地测量两个设备间的距离和方向。这种技术利用了电磁波的特性，脉冲信号可以与反射回来的信号进行比较测量，从而计算出设备的位置。

由于UWB短脉冲信号具有纳秒级别的时宽，因此具备较高的距离分辨率和定位精度，适用于需要高精度定位和距离测量的应用场景。UWB无线通信TDOA无线定位采用多基站测距确定目标位置，消息在不同的时刻到达每一个基站，因为基站与标签的距离间隔不同。这些时间差乘以空间中恒定的光速得到标签与基站之间的距离差，得到每个基站之间的距离差后，可以画出双曲线，同理交点即为标签的相对坐标位置。

3 车载超宽带通信技术典型应用场景

3.1 无线传感器与车内活体检测

车载超宽带通信技术在车载无线传感器网络中具有广泛的应用。超宽带技术的低功耗、抗干扰性强以及高空间分辨率特性使得其在车载环境中为各种传感器提供高速、稳定的无线通信链路。这些传感器系统包括但不限于胎压监测系统、水温监测、油压监测等。

同时，基于UWB技术可以制作人体感应雷达[14]，相比传统的激光、红外探测、声波探测技术，UWB可以应用到车内生命体征监测、脚踢开启后备箱等应用场景。UWB雷达探测不受环境温度和热物影响的人体生命信号，能有效地穿透介质，较好地解决了激光和红外探测受温度影响严重，遇到物体阻隔而发生故障和误报的几率。

3.2 高精度定位与数字钥匙

超宽带技术在车辆、车钥匙精确定位人机交互发挥着重要作用。由于其纳秒级的短脉冲信号和高定位精度，超宽带通信技术能够提供对遥控钥匙的近距离精确定位。

车联网联盟（CCC）作为一个跨行业标准组织，将UWB技术应用到车辆数字钥匙中，旨在规范在驾驶员靠近车辆时如何自动解锁。车辆数字要是使用UWB与蓝牙协同工作，在进行加密通信的同时校核钥匙距离汽车距离信息，以更好的放置有人非法进入车辆。

3.3 高清多媒体传输

在车载系统中，超宽带技术也被用于实现高清多媒体无线传输，如无线显示和高清视频流媒体。其高数据传输速率和抗干扰能力使得车辆乘客可以在行驶过程中，无缝享受高清音视频内容。

4 车载超宽带通信技术发展趋势展望

4.1 高精度定位与室内停车场导航

随着车辆对精确定位和室内导航的要求不断提高，超宽带技术在车辆定位领域的应用将持续发展。利用超宽带技术提供的高精度、实时数据，为驾驶员带来更好的驾驶体验和高效率导航服务。

自动泊车是目前炙手可热的智能驾驶功能，但由于室内停车场GPS信号较弱，无法实现对车辆的精确定位，无法实现高效停车的公共停车场来进行地图搭建和轨迹规划。基于UWB定位技术，结合RFID定位、地磁定位技术、超声波定位技术和停车场场边激光雷达，车辆在没有任何控制的情况下，自动准确地在停车场内寻找到可停放的车位。

4.2 车内互联与第三方设备互联

移动互联网的发展推动了更多便捷、丰富的车内多媒体应用出现，对于高速无线传输技术的需求将不断增加。超宽带技术在车内高清视频传输、无线显示和音频传输等场景中的应用将逐渐成为主流，为车内乘客提供优质的娱乐体验。

同时，随着智能手机、智能家居中UWB技术的应用，具备UWB技术的智能手机、智能手表与车辆的互动也成为未来值得期待的应用场景之一。

4.3 多无线通信技术协同与融合发展

超宽带通信技术将与传统车载通信技术如蓝牙、Wi-Fi及蜂窝移动通信等实现更深入的协同与融合。通过优势互补，实现更高效、稳定的车载通信体验，为未来车载通信技术发展注入新的活力。

4.4 智能交通车车、车路通信

超宽带通信技术在车联网及车对车通信系统中的应用有着重要意义。由于其高速率、低时延的特性，超宽带通信技术能够实现车辆之间实时、快速的信息交换，如交通状况、道路安全预警等。这对于提高道路安全性以及实现智能交通系统具有重要作用。

5 结语

在信息技术发展日新月异的今天和今后一个时期，车载通信已经成为交通运输行业的热门领域。车载超宽带通信因其宽带高速、低延迟、高可靠性等优越性能，正成为未来车载通信的关键技术之一。通过介绍了车载超宽带通信技术的基本概念和特点，从智能交通系统、高精度定位及室内导航、车内互联网及多媒体应用等多个方面分析了当前车载超宽带通信应用的现状，最后探讨了车载超宽带通信未来的发展趋势发展。

综上所述，车载超宽带通信技术在车联网、车对车通信和车内多媒体应用等领域拥有广阔的发展前景和潜力。然而，该领域仍面临许多挑战，如频谱分配、电磁兼容性、安全性以及成本等方面。为此，政策、产业、技术应用的融合创新将深刻影响未来车载超宽带通信变革，从而推动交通运输领域更高效、更安全、更智能的发展。

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