【導讀】在移動終端、汽車、物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)等廣泛的市場中，開發(fā)人員一直在積極尋求一種精密的測距技術，來實現(xiàn)精準的室內與室外定位。幸運的是，UWB 在近期經(jīng)過“改造”，成為精確、安全的實時定位技術，優(yōu)于 Wi-Fi、藍牙和 GPS 等無線技術。
在移動終端、汽車、物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)等廣泛的市場中，開發(fā)人員一直在積極尋求一種精密的測距技術，來實現(xiàn)精準的室內與室外定位。幸運的是，UWB 在近期經(jīng)過“改造”，成為精確、安全的實時定位技術，優(yōu)于 Wi-Fi、藍牙和 GPS 等無線技術。
超寬帶技術能夠實時處理環(huán)境信息，如位置、移動及其與 UWB 設備間的距離，這些信息已精確到幾厘米，這為系統(tǒng)增添了空間感知能力，從而將推動一系列激動人心的新應用的開發(fā)。為了解 UWB 的潛力，請務必考慮 UWB 在測量飛行時間、到達角、尤其是其安全屬性方面的獨有特點。
基于 UWB 的汽車應用——更加智能的智能鑰匙
在 2019 年下半年，汽車制造商紛紛推出計劃，實施基于 UWB 的無鑰匙汽車門禁，并將探索 UWB 支持的新用例，如車內乘客檢測、自動代客泊車、自動泊車、停車場進入和免下車支付等。 對于即將到來的 UWB 浪潮，其中一個備受期待的用例是通過智能手機實現(xiàn)無鑰匙門禁（PKE）。
通過 PKE，您可以在不使用機械鑰匙的情況下解鎖和啟動汽車。遙控鑰匙裝在您的口袋或錢包中，當進入解鎖車門的適當范圍內時，遙控鑰匙會被“喚醒”。進入汽車后，系統(tǒng)會檢測到遙控鑰匙，以激活點火啟動按鈕。
PKE 遙控鑰匙深受汽車制造商的歡迎，因為它們能夠提供極大的便利性，并且備受客戶期待。此外，如果使用遙控鑰匙，轉向柱將不再需要笨重的鎖芯，這減輕了汽車重量，降低了發(fā)生碰撞時膝蓋受傷的風險。消費者對這一技術也十分青睞，因為無需尋找或撥動機械鑰匙來開鎖、啟動或鎖車，生活變得更加方便了。遺憾的是，如今許多遙控鑰匙也成了竊賊的目標，他們使用現(xiàn)成可用的廉價入侵設備來檢測汽車的喚醒信號，然后將該信號重新定向至鑰匙以便喚醒鑰匙，使其強制發(fā)出不必要的開鎖信號。這就是我們所熟知的中繼攻擊。
中繼攻擊之所以成為可能，是因為現(xiàn)在有一些遙控鑰匙利用信號強度——不是時間戳——來檢測何時車主距離汽車兩米內。攻擊通常由兩個人完成，一個人在鑰匙附近，另一個人在汽車附近。當您走出汽車，比如前往購物商場、咖啡廳或餐廳，或者如果您在家，而您的車鑰匙靠近玄關或窗戶，第一個竊賊會盡量接近鑰匙，發(fā)出您汽車所發(fā)送的同類型查詢來檢測鑰匙。如果您的鑰匙響應查詢，表示其在范圍內，第一個竊賊會捕捉響應信號，然后將該信號發(fā)送（或中繼）給等候在汽車旁的第二個竊賊。然后，第二個竊賊使用捕捉到的響應信號欺騙汽車解鎖并啟動。
圖 1：中繼攻擊復制信號并使用該信號開鎖（來源：恩智浦）
通過為 PKE 遙控鑰匙和智能手機門禁添加 UWB，ToF 計算能夠有效地防止中繼攻擊。竊賊檢索的任何信號都標記有時間戳，指示信號是在范圍以外的某個地方生成的。當信號到達汽車時，計算得出的行程時間會顯示發(fā)出信號的點過于遠，無法開門。拿著午后場電影票的影迷無法進入深夜秀場，因為電影票上顯示的時間是錯誤的而且已過期，同樣，盜版的 UWB 信號不會讓竊賊進入汽車，因為信號顯示的時間是錯誤的，從本質上來說已過期。
UWB 的起源與現(xiàn)狀
1960 年代，人們首次開發(fā)出 UWB，將其用于雷達應用。后來，該技術經(jīng)過調整，用作正交頻分復用（OFDM）技術，并在 IEEE.15.3 中標準化為速度高達 480 Mbps 的超高數(shù)據(jù)速率傳輸技術。在這個容量方面，該技術與 WiFi 直接競爭，但 WiFi 很快使其數(shù)據(jù)傳輸功能相形見絀，使得 UWB 在傳輸用例中退居二線。基于脈沖無線電技術，UWB 的下一個角色則成功得多。如 IEEE 802.15.4a 中指定的，它使用 2ns 脈沖來測量飛行時間和到達角的值。不久后，其安全功能通過 IEEE 802.15.4z 中指定的擴展得到增強（在 PHY/RF 級別），這使其成為獨特的安全精密測距和感應技術。
使用智能手機作為智能鑰匙來進入和啟動汽車的想法極具吸引力，因此，汽車和智能手機行業(yè)的領先企業(yè)紛紛積極參與，在 802.15.4z 標準中定義安全機制。UWB 為何能夠以如此高的精度處理這么重要的用例？讓我們來探索一下該技術的背景和環(huán)境。
什么使 UWB 成為與眾不同的無線技術
與大多數(shù)無線技術不同，超寬帶（UWB）通過脈沖無線電工作。它在寬頻帶上使用一系列脈沖，因此有時也被稱為 IR-UWB 或脈沖無線電 UWB。相比之下：衛(wèi)星、Wi-Fi 和藍牙在窄頻帶上使用調制正弦波來傳輸信息。
UWB 脈沖具有多個重要特點。首先，它們陡而窄，看起來像尖峰一樣，即使是在嘈雜的通道環(huán)境中，也很容易識別。此外，與 WiFi 或 BLE 等其他技術相比，對于 ToF 測距，UWB 脈沖更適合密集多徑環(huán)境。由于主信號路徑旁的對象會引起反射或中斷，通過多個路徑到達接收器的無線電信號在 IR-UWB 系統(tǒng)里很容易與主信號區(qū)分開來。但這件事在窄帶系統(tǒng)里卻非常耗時和困難。
UWB 在無線電頻譜的其他部分工作，遠離聚集在 2.4 GHz 周圍的繁忙 ISM 頻段。用于定位和測距的 UWB 脈沖在 6.5 和 8 GHz 之間的頻率范圍內工作，不會干擾頻譜其他頻段發(fā)生的無線傳輸。這意味著 UWB 能夠與現(xiàn)在最流行的無線形式共存，包括衛(wèi)星導航、Wi-Fi 和藍牙。
在典型功率級工作時，距離最長可達 10 米左右。但如果使用較高功率脈沖，UWB 的距離甚至可達 200 米。UWB 通信還可以傳輸數(shù)據(jù)，其中 UWB 數(shù)據(jù)包的有效載荷部分以大約 7 Mbps 的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并且可以繼續(xù)加速，最高可達 32 Mbps。
現(xiàn)在，UWB 使用調制脈沖序列，持續(xù)時間為 2ns，非常短。脈沖間距可以相同，也可以不同。脈沖重復頻率（PRF）從每秒數(shù)十萬脈沖到每秒數(shù)十億脈沖不等。通常支持的 PRF 是 62.4 MHz 和 / 或 124.8 MHz，分別稱為 PRF64 和 PRF128。UWB 的調制技術包括脈沖位置調制和二進制相移鍵控。
定義脈沖重復頻率
• 脈沖發(fā)射器在開與關之間切換，以特定速率（PRT 或 PRF）提供峰值功率（Ppeak）
• 最大距離與發(fā)射器輸出功率直接相關。系統(tǒng)發(fā)射的能量越多，目標檢測距離將越大。
飛行時間（ToF）計算
在科學和軍事應用中，確定兩點（或兩個設備）間水平距離的過程被稱為測距。飛行時間（ToF）是測距的一種形式，使用信號行程時間來計算距離。圖 2 提供了 ToF 計算在配備 UWB 的兩臺設備中如何工作的基本描述。
圖 2：UWB 的飛行時間計算，其中設備 1 是控制器，設備 2 是受控器（來源：恩智浦）
為了計算飛行時間（ToF），我們測量信號從到達點傳輸?shù)?B 點所花費的時間。我們選取消息往返時間的往返讀數(shù)，這包括設備 2 中的處理時間。然后減去處理時間，再除以 2，便可得出 ToF。為了確定在傳輸過程中覆蓋了多少地面，將 ToF 乘以光速即可。
由于 UWB 的高帶寬（500 MHz），脈沖寬度為納秒級，這提高了精度。與使用窄帶收發(fā)器的 WiFi 和 BLE 不同，ToF 和測距的精度限于約+/-1m 至+/-5m，而 UWB 可精確到+/-10cm 以內。
由于 UWB 信號明顯不同且易于讀取，即便在多通道環(huán)境中也是如此，因此當脈沖離開和到達時，信號更容易識別，且高度確定。UWB 能夠以超高的傳輸速率準確跟蹤脈沖——在短突發(fā)時間內發(fā)送大量脈沖——因此即使距離非常短，也可以進行細粒度 ToF 計算。
調制正弦波在使用 Wi-Fi 或藍牙確定位置時會出現(xiàn)，其多通道分量只能以復雜的方式分離。這也就是 Wi-Fi 和藍牙為何努力提供精度低于 1 米的準確測量值的部分原因。
圖 3 對 UWB ToF 計算與 Wi-Fi 和藍牙的 ToF 計算進行比較。
圖 3：通過 Wi-Fi 和 BLE 與通過 UWB 進行的 ToF 測距（來源：恩智浦）
可選到達角（AoA）計算
請務必注意，ToF 計算確定的是徑向距離，而不是方向。也就是說，ToF 計算告訴設備 1 其與設備 2 之間的距離，但不告訴設備 2 的方向——前、后、左、右、東、南、西還是北。所以 ToF 圖是一個圓圈：如果 ToF 計算表明設備 2 與設備 1 之間的距離為 15 cm，則以設備 1 為圓心，用卷尺在每個方向測量 15 cm，以此方式形成一個圓圈，設備 2 可以在該圓圈中的任意位置。若要通過第二次測量的方式，使用兩個距離圓圈的交集來確定位置，則需要額外的設備。
UWB 技術的討論，我們應該考慮另一個方面，也就是當前非汽車應用的一個重要因素：到達角（AoA）。到達角可幫助確定設備 2 在該圓圈中的哪個位置。為了計算 AoA，設備 1 需要配備一組小心放置的專用天線，這組天線僅用于 AoA 測量。并非所有 UWB 解決方案都包含額外天線，但包含額外天線的 UWB 能夠精確到幾厘米以內（圖 4）。
圖 4：ToF 測距與 AoA 生成高準確度（來源：恩智浦）
AoA 計算是單獨進行的，與 ToF 計算不同，但二者具有相似性：它們都以脈沖定時開始。在 AoA 陣列中的每個天線，接收到的每個信號的到達時間與相位存在微小但可辨別的差異。記錄每個信號的到達時間與相位，然后用于類似三角測量的幾何計算中，從而確定信號來自哪里。
圖 5 中左圖以設備 1 上的兩個 AoA 天線 Rx1 和 Rx2 為例。與 Rx2 相比，從設備 2 發(fā)出的信號需要更長時間才能到達 Rx1，這表示 Rx1、Rx2 和信號原點組成的三角形向右傾斜，指示信號來自設備 1 的東北方向。
與 Rx2 相比，從設備 2 傳輸?shù)皆O備 1 的信號需要更長時間才能到達 Rx1。圖 5 中右圖顯示的 AoA 計算使用到達時間和天線間距來確定每個傳入信號的角度，并繪制由 Rx1、Rx2 和設備 2 組成的三角形。在本例中，該三角形中 Rx1 的邊較長，并指向右邊，這表示設備 2 在設備 1 的右邊。
圖 5（左）：設備 1 上兩個 AoA 天線 Rx1 和 Rx2 的示例（來源：恩智浦）
圖 5（右）：AoA 計算使用到達時間和天線間距來確定每個傳入信號的角度（來源：恩智浦）
UWB 如何管理安全性
UWB 中增添的其中一個重要特性是物理層（PHY）中用于收發(fā)數(shù)據(jù)包的額外部分，這作為即將推出的 802.15.4z 規(guī)范的一部分進行定義。該新特性以恩智浦開發(fā)和推薦的一項技術為基礎，稱為擾頻時間戳序列（STS）。新特性增添了加密、隨機數(shù)生成和其他技術，使得外部攻擊者更難訪問或操控 UWB 通信。
保護 ToF 計算
飛行時間計算很容易受到距離操控的影響。如果您可以干擾時間戳或計算的其他方面，就可以使您看起來比實際更近。在特定應用中，如安全訪問，這會欺騙系統(tǒng)認為授權用戶在旁邊（但實際上并沒有）并觸發(fā)開鎖（其實不應開鎖），這是個嚴重的問題。
針對測距的原始 UWB 標準 802.15.4a 已發(fā)布十多年，對安全性的重視已經(jīng)跟不上現(xiàn)在的發(fā)展。在測試 4a 標準時，研究人員發(fā)現(xiàn)，外部攻擊者能夠以超過 99%的概率將測量的距離減少多達 140 米。對這一特定漏洞的擔憂促使人們開始修訂 4z 標準。
具體想法是，通過為 PHY 數(shù)據(jù)包添加加密密鑰和數(shù)字隨機性，阻止 ToF 相關數(shù)據(jù)可訪問或可預測。這有助于抵御使用原始 UWB PHY 的確定性和可預測性質來操控距離讀數(shù)的各種外部攻擊，包括 Cicada 工具、Preamble 注入和早檢測 / 晚連接（EDLC）攻擊。更新后的方法能夠提供盡可能最好的保護，避免遭到以操控距離測量值為目標的暴力攻擊。
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