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(shù)，來實現(xiàn)精準的室內(nèi)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(shù),，優(yōu)于Wi-Fi、藍牙和GPS等無線技術(shù),。超寬帶技術(shù)能夠?qū)崟r處理環(huán)境信息,，如位置、移動及其與UWB設(shè)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(yīng)用的開發(fā),。為了解UWB的潛力,，請務(wù)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(yīng)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(nèi)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(dāng)進入解鎖車門的適當(dāng)范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(fēng)險,。消費者對這一技術(shù)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(shè)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(nèi),。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(dāng)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(guān)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(yīng)查詢，表示其在范圍內(nèi),，第一個竊賊會捕捉響應(yīng)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(yīng)信號欺騙汽車解鎖并啟動,。

　　圖1：中繼攻擊復(fù)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(dāng)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(zhì)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(yīng)用,。后來，該技術(shù)經(jīng)過調(diào)整,，用作正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù),，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(shù)。在這個容量方面,，該技術(shù)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,?；诿}沖無線電技術(shù)，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(yīng)技術(shù)。

　　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(lǐng)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(shù)的背景和環(huán)境。

　　什么使UWB成為與眾不同的無線技術(shù)

　　與大多數(shù)無線技術(shù)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(diào)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(shù)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(nèi)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(dǎo)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(diào)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(fù)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(diào)制技術(shù)包括脈沖位置調(diào)制和二進制相移鍵控,。

定義脈沖重復(fù)頻率

　　·脈沖發(fā)射器在開與關(guān)之間切換，以特定速率（PRT或PRF）提供峰值功率（P_peak）

　　·最大距離與發(fā)射器輸出功率直接相關(guān),。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(xué)和軍事應(yīng)用中,，確定兩點（或兩個設(shè)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(shè)備中如何工作的基本描述,。

　　圖2：UWB的飛行時間計算,，其中設(shè)備1是控制器，設(shè)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)紹點所花費的時間,。我們選取消息往返時間的往返讀數(shù)，這包括設(shè)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(nèi)。

　　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(dāng)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(nèi)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(diào)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(fù)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(wù)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(shè)備1其與設(shè)備2之間的距離,，但不告訴設(shè)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(shè)備2與設(shè)備1之間的距離為15 cm，則以設(shè)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(shè)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(shè)備,。

　　因此,，要完善UWB技術(shù)的討論，我們應(yīng)該考慮另一個方面,，也就是當(dāng)前非汽車應(yīng)用的一個重要因素：到達角（AoA）,。到達角可幫助確定設(shè)備2在該圓圈中的哪個位置。為了計算AoA,，設(shè)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(nèi)（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(shè)備1上的兩個AoA天線Rx1和Rx2為例,。與Rx2相比，從設(shè)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(shè)備1的東北方向,。

　　與Rx2相比,，從設(shè)備2傳輸?shù)皆O(shè)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(shè)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(shè)備2在設(shè)備1的右邊。

　　圖5（左）：設(shè)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(shù)為基礎(chǔ)，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(shù)，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(yīng)用中,，如安全訪問，這會欺騙系統(tǒng)認為授權(quán)用戶在旁邊（但實際上并沒有）并觸發(fā)開鎖（其實不應(yīng)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(dān)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(guān)數(shù)據(jù)可訪問或可預(yù)測,。這有助于抵御使用原始UWB PHY的確定性和可預(yù)測性質(zhì)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,。