汽车数字钥匙设计03：UWB测距原理
传统PEPS钥匙及蓝牙钥匙采用场景RSSI来进行定位测距，而UWB是基于时间戳来进行定位测距的。 IEEE 802.15-4z-2020标准列出UWB主要有三种定位测距方式：SS-TWR、DS-TWR、OWR/TDOA。
1、SS-TWR单边双向测距
SS-TWR，全称为Single-sided two-way ranging，单边双向测距，即测量单个消息的往返时间。即单个消息从设备A发给设备B，然后由设备B返回响应给设备A。具体如下图：
图1：SS-TWR
设备A发起交换，设备B响应完成交换。Tprop为设备间的传播时间。
每个设备精确测量消息帧的发送和接收时间，因此可以通过简单的减法计算出Tround和Treply的时间。因此，得出TOF计算公式如下:
Tround和Treply时间的测量是由设备A和设备B使用各自的本地时钟独立测量的，两个设备的时钟有各自的误差，因此TOF的测量存在一定误差，且随着应答时间的增加而增加，具体可详见“Applications of IEEE Std 802.15.4” [B3]。
采用SS-TWR时，需由设备A来计算TOF，故设备A需要设备B的时间Treply 。设备A有如下三种获取方式：
方式一：当设备B需要发送响应报文后，才可计算出Treply时间时，则需要额外发送1个消息，将此数值Treply发送给设备A，如下图。
方式二：若设备B可在发送响应报文前，准确预测出Treply时间时，则无需再额外发送1个消息，可将数值Treply嵌入到响应报文中发出，如下图。
方式三：这种方式与方式一和方式二不同，设备B无需发送Treply，具体如下：
在响应设备B对其响应消息的发送时间具有精确控制的情况下，则图1中的回复时间Treply可能是一个固定的/已知的数值。该数值由参与测距交换的各方协定。
在这种情况下，无需像方式一（增加一个额外的数据帧来发送Treply）或方式二（将Treply内嵌到响应帧）。测距结果的准确性将取决于响应设备B对其响应消息的传输时间的控制有多精细，每1ns的TOF误差对应大约30cm的测距误差。
单边双向测距的优缺点如下：
优点：
- 简单
- 交互信息少，能达到更低功耗；
缺点：时钟偏移会导致较大的测距误差。由于此原因，实际数字钥匙定位时，一般未采用此种方式。
2、DS-TWR双边双向测距
DS-TWR，全称为Double-sided two-way ranging，双边双向测距。
2.1、DS-TWR双边双向测距(四信息交互)
DS-TWR是SS-TWR的扩展，使用并组合两个往返时间来进行测距。这样即使在未校正的时钟频率偏移的情况下，对于比较长的响应延迟，也能给出具有较小误差的TOF结果。
设备A和设备B各自精确地测量消息的发送和接收时间，得出TOF的计算公式如下：
注意：此公式不需要对称的回复时间。即使在20ppm晶振和不对称响应时间的情况下，由时钟引起的误差也在较低的皮秒范围内。
该公式的推导和误差计算可详见IEEE Std 802.15.8。
该种方式，实际使用时会做出一些简化，如下个小章节。
2.2、DS-TWR双边双向测距(三信息交互)
上面的DS-TWR是来回4个消息的，实际使用时可以做一些简化，即可以通过使用第一次往返的回复，作为第二次往返的启动，将测距过程减少为三个消息，如下图：
双边双向测距的优缺点如下：
优点：
- 自动补偿两个设备的时钟偏差，测距精度相对较高。
- 容易扩展为多锚点测距，具体详见下章节，或CCC规范。
缺点：交互信息更多，功耗相对较高；
2.3、DS-TWR双边双向测距--多锚点示例
假设设备A为手机，设备B和设备C为车端锚点，则可以组建如下测距网络：
锚点B和锚点的的测距时间分别如下：
3、OWR/TDOA单向测距/到达时间差
OWR/TDOA，英文全称为One-way ranging / time-difference of arrival，单向测距/到达时间差。
TDOA是一种基于单个消息或多个消息的相对到达时间来定位移动设备（如手机）的技术。
有两种方式的TDOA。
方式一：由移动设备周期性地广播消息，该广播消息会到达多个固定节点。在测距前，这些固定节点已经以某种方式同步，故可以比较各自的到达时间。通常，由移动设备发送的消息被称为blink。
方式二：多个同步节点，以相对于彼此已知的传输时间偏移，顺序地广播消息。
对于任何已配对的固定同步节点，在方式一情况下blink的到达时间的差异，或在方式二情况下移动设备上的广播消息到达时间的差异，会将设备放置在每个同步节点对的双曲线面上。所有双曲曲面的交点(在每一对同步节点上)给出了设备的位置估计。
4、CCC规范要求
CCC规范要求采用DS-TWR(三信息交互)来进行UWB测距，简略解析如下图。具体可详见CCC规范20.5章节。
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