超寬帶(UWB)工作原理及起源與現狀
發布時間:2020-07-31 責任編輯:lina
【導讀】在移動終端、汽車、物聯網與工業等廣泛的市場中,開發人員一直在積極尋求一種精密的測距技術,來實現精準的室內與室外定位。幸運的是,UWB 在近期經過“改造”,成為精確、安全的實時定位技術,優於 Wi-Fi、藍牙和 GPS 等無線技術。
在移動終端、汽車、物聯網與工業等廣泛的市場中,開發人員一直在積極尋求一種精密的測距技術,來實現精準的室內與室外定位。幸運的是,UWB 在近期經過“改造”,成為精確、安全的實時定位技術,優於 Wi-Fi、藍牙和 GPS 等無線技術。
超寬帶技術能夠實時處理環境信息,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,這為係統增添了空間感知能力,從而將推動一係列激動人心的新應用的開發。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麵的獨有特點。
基於 UWB 的汽車應用——更加智能的智能鑰匙
在 2019 年下半年,汽車製造商紛紛推出計劃,實施基於 UWB 的無鑰匙汽車門禁,並將探索 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。 對於即將到來的 UWB 浪潮,其中一個備受期待的用例是通過智能手機實現無鑰匙門禁(PKE)。
通過 PKE,您(nin)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)使(shi)用(yong)機(ji)械(xie)鑰(yao)匙(chi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)解(jie)鎖(suo)和(he)啟(qi)動(dong)汽(qi)車(che)。遙(yao)控(kong)鑰(yao)匙(chi)裝(zhuang)在(zai)您(nin)的(de)口(kou)袋(dai)或(huo)錢(qian)包(bao)中(zhong),當(dang)進(jin)入(ru)解(jie)鎖(suo)車(che)門(men)的(de)適(shi)當(dang)範(fan)圍(wei)內(nei)時(shi),遙(yao)控(kong)鑰(yao)匙(chi)會(hui)被(bei)“喚醒”。進入汽車後,係統會檢測到遙控鑰匙,以激活點火啟動按鈕。
PKE 遙(yao)控(kong)鑰(yao)匙(chi)深(shen)受(shou)汽(qi)車(che)製(zhi)造(zao)商(shang)的(de)歡(huan)迎(ying),因(yin)為(wei)它(ta)們(men)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)極(ji)大(da)的(de)便(bian)利(li)性(xing),並(bing)且(qie)備(bei)受(shou)客(ke)戶(hu)期(qi)待(dai)。此(ci)外(wai),如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)遙(yao)控(kong)鑰(yao)匙(chi),轉(zhuan)向(xiang)柱(zhu)將(jiang)不(bu)再(zai)需(xu)要(yao)笨(ben)重(zhong)的(de)鎖(suo)芯(xin),這(zhe)減(jian)輕(qing)了(le)汽(qi)車(che)重(zhong)量(liang),降(jiang)低(di)了(le)發(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)時(shi)膝(xi)蓋(gai)受(shou)傷(shang)的(de)風(feng)險(xian)。消(xiao)費(fei)者(zhe)對(dui)這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)也(ye)十(shi)分(fen)青(qing)睞(lai),因(yin)為(wei)無(wu)需(xu)尋(xun)找(zhao)或(huo)撥(bo)動(dong)機(ji)械(xie)鑰(yao)匙(chi)來(lai)開(kai)鎖(suo)、啟(qi)動(dong)或(huo)鎖(suo)車(che),生(sheng)活(huo)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)方(fang)便(bian)了(le)。遺(yi)憾(han)的(de)是(shi),如(ru)今(jin)許(xu)多(duo)遙(yao)控(kong)鑰(yao)匙(chi)也(ye)成(cheng)了(le)竊(qie)賊(zei)的(de)目(mu)標(biao),他(ta)們(men)使(shi)用(yong)現(xian)成(cheng)可(ke)用(yong)的(de)廉(lian)價(jia)入(ru)侵(qin)設(she)備(bei)來(lai)檢(jian)測(ce)汽(qi)車(che)的(de)喚(huan)醒(xing)信(xin)號(hao),然(ran)後(hou)將(jiang)該(gai)信(xin)號(hao)重(zhong)新(xin)定(ding)向(xiang)至(zhi)鑰(yao)匙(chi)以(yi)便(bian)喚(huan)醒(xing)鑰(yao)匙(chi),使(shi)其(qi)強(qiang)製(zhi)發(fa)出(chu)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)開(kai)鎖(suo)信(xin)號(hao)。這(zhe)就(jiu)是(shi)我(wo)們(men)所(suo)熟(shu)知(zhi)的(de)中(zhong)繼(ji)攻(gong)擊(ji)。
中繼攻擊之所以成為可能,是因為現在有一些遙控鑰匙利用信號強度——不是時間戳——來lai檢jian測ce何he時shi車che主zhu距ju離li汽qi車che兩liang米mi內nei。攻gong擊ji通tong常chang由you兩liang個ge人ren完wan成cheng,一yi個ge人ren在zai鑰yao匙chi附fu近jin,另ling一yi個ge人ren在zai汽qi車che附fu近jin。當dang您nin走zou出chu汽qi車che,比bi如ru前qian往wang購gou物wu商shang場chang、咖(ka)啡(fei)廳(ting)或(huo)餐(can)廳(ting),或(huo)者(zhe)如(ru)果(guo)您(nin)在(zai)家(jia),而(er)您(nin)的(de)車(che)鑰(yao)匙(chi)靠(kao)近(jin)玄(xuan)關(guan)或(huo)窗(chuang)戶(hu),第(di)一(yi)個(ge)竊(qie)賊(zei)會(hui)盡(jin)量(liang)接(jie)近(jin)鑰(yao)匙(chi),發(fa)出(chu)您(nin)汽(qi)車(che)所(suo)發(fa)送(song)的(de)同(tong)類(lei)型(xing)查(zha)詢(xun)來(lai)檢(jian)測(ce)鑰(yao)匙(chi)。如(ru)果(guo)您(nin)的(de)鑰(yao)匙(chi)響(xiang)應(ying)查(zha)詢(xun),表(biao)示(shi)其(qi)在(zai)範(fan)圍(wei)內(nei),第(di)一(yi)個(ge)竊(qie)賊(zei)會(hui)捕(bu)捉(zhuo)響(xiang)應(ying)信(xin)號(hao),然(ran)後(hou)將(jiang)該(gai)信(xin)號(hao)發(fa)送(song)(或中繼)給等候在汽車旁的第二個竊賊。然後,第二個竊賊使用捕捉到的響應信號欺騙汽車解鎖並啟動。

圖 1:中繼攻擊複製信號並使用該信號開鎖(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ji算suan能neng夠gou有you效xiao地di防fang止zhi中zhong繼ji攻gong擊ji。竊qie賊zei檢jian索suo的de任ren何he信xin號hao都dou標biao記ji有you時shi間jian戳chuo,指zhi示shi信xin號hao是shi在zai範fan圍wei以yi外wai的de某mou個ge地di方fang生sheng成cheng的de。當dang信xin號hao到dao達da汽qi車che時shi,計ji算suan得de出chu的de行xing程cheng時shi間jian會hui顯xian示shi發fa出chu信xin號hao的de點dian過guo於yu遠yuan,無wu法fa開kai門men。拿na著zhe午wu後hou場chang電dian影ying票piao的de影ying迷mi無wu法fa進jin入ru深shen夜ye秀xiu場chang,因yin為wei電dian影ying票piao上shang顯xian示shi的de時shi間jian是shi錯cuo誤wu的de而er且qie已yi過guo期qi,同tong樣yang,盜dao版ban的de 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 的起源與現狀
1960 年代,人們首次開發出 UWB,將其用於雷達應用。後來,該技術經過調整,用作正交頻分複用(OFDM)技術,並在 IEEE.15.3 中標準化為速度高達 480 Mbps 的超高數據速率傳輸技術。在這個容量方麵,該技術與 WiFi 直接競爭,但 WiFi 很快使其數據傳輸功能相形見絀,使得 UWB 在傳輸用例中退居二線。基於脈衝無線電技術,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 脈衝來測量飛行時間和到達角的值。不久後,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的領先企業紛紛積極參與,在 802.15.4z 標準中定義安全機製。UWB 為何能夠以如此高的精度處理這麼重要的用例?讓我們來探索一下該技術的背景和環境。
什麼使 UWB 成為與眾不同的無線技術
與大多數無線技術不同,超寬帶(UWB)通過脈衝無線電工作。它在寬頻帶上使用一係列脈衝,因此有時也被稱為 IR-UWB 或脈衝無線電 UWB。相比之下:衛星、Wi-Fi 和藍牙在窄頻帶上使用調製正弦波來傳輸信息。
UWB 脈衝具有多個重要特點。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境中,也很容易識別。此外,與 WiFi 或 BLE 等其他技術相比,對於 ToF 測距,UWB 脈衝更適合密集多徑環境。由於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 係統裏很容易與主信號區分開來。但這件事在窄帶係統裏卻非常耗時和困難。
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。用於定位和測距的 UWB 脈衝在 6.5 和 8 GHz 之間的頻率範圍內工作,不會幹擾頻譜其他頻段發生的無線傳輸。這意味著 UWB 能夠與現在最流行的無線形式共存,包括衛星導航、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衝,UWB 的距離甚至可達 200 米。UWB 通信還可以傳輸數據,其中 UWB 數據包的有效載荷部分以大約 7 Mbps 的速率發送數據,並且可以繼續加速,最高可達 32 Mbps。
現在,UWB 使用調製脈衝序列,持續時間為 2ns,非常短。脈衝間距可以相同,也可以不同。脈衝重複頻率(PRF)從每秒數十萬脈衝到每秒數十億脈衝不等。通常支持的 PRF 是 62.4 MHz 和 / 或 124.8 MHz,分別稱為 PRF64 和 PRF128。UWB 的調製技術包括脈衝位置調製和二進製相移鍵控。
定義脈衝重複頻率
• 脈衝發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)
• 最大距離與發射器輸出功率直接相關。係統發射的能量越多,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 的兩台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 是控製器,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到 B 點所花費的時間。我們選取消息往返時間的往返讀數,這包括設備 2 中的處理時間。然後減去處理時間,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麵,將 ToF 乘以光速即可。
由於 UWB 的高帶寬(500 MHz),脈衝寬度為納秒級,這提高了精度。與使用窄帶收發器的 WiFi 和 BLE 不同,ToF 和測距的精度限於約+/-1m 至+/-5m,而 UWB 可精確到+/-10cm 以內。
由於 UWB 信號明顯不同且易於讀取,即便在多通道環境中也是如此,因此當脈衝離開和到達時,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衝——在短突發時間內發送大量脈衝——因此即使距離非常短,也可以進行細粒度 ToF 計算。
調製正弦波在使用 Wi-Fi 或藍牙確定位置時會出現,其多通道分量隻能以複雜的方式分離。這也就是 Wi-Fi 和藍牙為何努力提供精度低於 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、後、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麵,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,這組天線僅用於 AoA 測量。並非所有 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:它們都以脈衝定時開始。在 AoA 陣zhen列lie中zhong的de每mei個ge天tian線xian,接jie收shou到dao的de每mei個ge信xin號hao的de到dao達da時shi間jian與yu相xiang位wei存cun在zai微wei小xiao但dan可ke辨bian別bie的de差cha異yi。記ji錄lu每mei個ge信xin號hao的de到dao達da時shi間jian與yu相xiang位wei,然ran後hou用yong於yu類lei似si三san角jiao測ce量liang的de幾ji何he計ji算suan中zhong,從cong而er確que定ding信xin號hao來lai自zi哪na裏li。
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 傳輸到設備 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,並繪製由 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,並指向右邊,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)中用於收發數據包的額外部分,這作為即將推出的 802.15.4z 規範的一部分進行定義。該新特性以恩智浦開發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fei行xing時shi間jian計ji算suan很hen容rong易yi受shou到dao距ju離li操cao控kong的de影ying響xiang。如ru果guo您nin可ke以yi幹gan擾rao時shi間jian戳chuo或huo計ji算suan的de其qi他ta方fang麵mian,就jiu可ke以yi使shi您nin看kan起qi來lai比bi實shi際ji更geng近jin。在zai特te定ding應ying用yong中zhong,如ru安an全quan訪fang問wen,這zhe會hui欺qi騙pian係xi統tong認ren為wei授shou權quan用yong戶hu在zai旁pang邊bian(但實際上並沒有)並觸發開鎖(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 已發布十多年,對安全性的重視已經跟不上現在的發展。在測試 4a 標準時,研究人員發現,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 數據包添加加密密鑰和數字隨機性,阻止 ToF 相關數據可訪問或可預測。這有助於抵禦使用原始 UWB PHY 的確定性和可預測性質來操控距離讀數的各種外部攻擊,包括 Cicada 工具、Preamble 注入和早檢測 / 晚連接(EDLC)攻擊。更新後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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