超宽带(UWB):工作原理及其非凡潜力

作者:
恩智浦uwb解决方案产品管理总监rias al-kadi
恩智浦汽车uwb产品营销经理christoph zorn博士
在移动终端、汽车、物联网与工业等广泛的市场中,开发人员一直在积极寻求一种精密的测距技术,来实现精准的室内与室外定位。幸运的是,uwb在近期经过“改造”,成为精确、安全的实时定位技术,优于wi-fi、蓝牙和gps等无线技术。超宽带技术能够实时处理环境信息,如位置、移动及其与uwb设备间的距离,这些信息已精确到几厘米,这为系统增添了空间感知能力,从而将推动一系列激动人心的新应用的开发。为了解uwb的潜力,请务必考虑uwb在测量飞行时间、到达角、尤其是其安全属性方面的独有特点。
基于uwb的汽车应用——更加智能的智能钥匙 在2019年下半年,汽车制造商纷纷推出计划,实施基于uwb的无钥匙汽车门禁,并将探索uwb支持的新用例,如车内乘客检测、自动代客泊车、自动泊车、停车场进入和免下车支付等。 对于即将到来的uwb浪潮,其中一个备受期待的用例是通过智能手机实现无钥匙门禁(pke)。
通过pke,您可以在不使用机械钥匙的情况下解锁和启动汽车。遥控钥匙装在您的口袋或钱包中,当进入解锁车门的适当范围内时,遥控钥匙会被“唤醒”。进入汽车后,系统会检测到遥控钥匙,以激活点火启动按钮。
pke遥控钥匙深受汽车制造商的欢迎,因为它们能够提供极大的便利性,并且备受客户期待。此外,如果使用遥控钥匙,转向柱将不再需要笨重的锁芯,这减轻了汽车重量,降低了发生碰撞时膝盖受伤的风险。消费者对这一技术也十分青睐,因为无需寻找或拨动机械钥匙来开锁、启动或锁车,生活变得更加方便了。遗憾的是,如今许多遥控钥匙也成了窃贼的目标,他们使用现成可用的廉价入侵设备来检测汽车的唤醒信号,然后将该信号重新定向至钥匙以便唤醒钥匙,使其强制发出不必要的开锁信号。这就是我们所熟知的中继攻击。
中继攻击之所以成为可能,是因为现在有一些遥控钥匙利用信号强度——不是时间戳——来检测何时车主距离汽车两米内。攻击通常由两个人完成,一个人在钥匙附近,另一个人在汽车附近。当您走出汽车,比如前往购物商场、咖啡厅或餐厅,或者如果您在家,而您的车钥匙靠近玄关或窗户,第一个窃贼会尽量接近钥匙,发出您汽车所发送的同类型查询来检测钥匙。如果您的钥匙响应查询,表示其在范围内,第一个窃贼会捕捉响应信号,然后将该信号发送(或中继)给等候在汽车旁的第二个窃贼。然后,第二个窃贼使用捕捉到的响应信号欺骗汽车解锁并启动。
图1:中继攻击复制信号并使用该信号开锁(来源:恩智浦)
通过为pke遥控钥匙和智能手机门禁添加uwb,tof计算能够有效地防止中继攻击。窃贼检索的任何信号都标记有时间戳,指示信号是在范围以外的某个地方生成的。当信号到达汽车时,计算得出的行程时间会显示发出信号的点过于远,无法开门。拿着午后场电影票的影迷无法进入深夜秀场,因为电影票上显示的时间是错误的而且已过期,同样,盗版的uwb信号不会让窃贼进入汽车,因为信号显示的时间是错误的,从本质上来说已过期。
uwb的起源与现状 1960年代,人们首次开发出uwb,将其用于雷达应用。后来,该技术经过调整,用作正交频分复用(ofdm)技术,并在ieee.15.3中标准化为速度高达480 mbps的超高数据速率传输技术。在这个容量方面,该技术与wifi直接竞争,但wifi很快使其数据传输功能相形见绌,使得uwb在传输用例中退居二线。基于脉冲无线电技术,uwb的下一个角色则成功得多。如ieee 802.15.4a中指定的,它使用2ns脉冲来测量飞行时间和到达角的值。不久后,其安全功能通过ieee 802.15.4z中指定的扩展得到增强(在phy/rf级别),这使其成为独特的安全精密测距和感应技术。
使用智能手机作为智能钥匙来进入和启动汽车的想法极具吸引力,因此,汽车和智能手机行业的领先企业纷纷积极参与,在802.15.4z标准中定义安全机制。uwb为何能够以如此高的精度处理这么重要的用例?让我们来探索一下该技术的背景和环境。
什么使uwb成为与众不同的无线技术 与大多数无线技术不同,超宽带(uwb)通过脉冲无线电工作。它在宽频带上使用一系列脉冲,因此有时也被称为ir-uwb或脉冲无线电uwb。相比之下:卫星、wi-fi和蓝牙在窄频带上使用调制正弦波来传输信息。
uwb脉冲具有多个重要特点。首先,它们陡而窄,看起来像尖峰一样,即使是在嘈杂的通道环境中,也很容易识别。此外,与wifi或ble等其他技术相比,对于tof测距,uwb脉冲更适合密集多径环境。由于主信号路径旁的对象会引起反射或中断,通过多个路径到达接收器的无线电信号在ir-uwb系统里很容易与主信号区分开来。但这件事在窄带系统里却非常耗时和困难。
uwb在无线电频谱的其他部分工作,远离聚集在2.4 ghz周围的繁忙ism频段。用于定位和测距的uwb脉冲在6.5和8 ghz之间的频率范围内工作,不会干扰频谱其他频段发生的无线传输。这意味着uwb能够与现在最流行的无线形式共存,包括卫星导航、wi-fi和蓝牙。
在典型功率级工作时,距离最长可达10米左右。但如果使用较高功率脉冲,uwb的距离甚至可达200米。uwb通信还可以传输数据,其中uwb数据包的有效载荷部分以大约7 mbps的速率发送数据,并且可以继续加速,最高可达32 mbps。
现在,uwb使用调制脉冲序列,持续时间为2ns,非常短。脉冲间距可以相同,也可以不同。脉冲重复频率(prf)从每秒数十万脉冲到每秒数十亿脉冲不等。通常支持的prf是62.4 mhz和/或124.8 mhz,分别称为prf64和prf128。uwb的调制技术包括脉冲位置调制和二进制相移键控。
定义脉冲重复频率 • 脉冲发射器在开与关之间切换,以特定速率(prt或prf)提供峰值功率(ppeak)
• 最大距离与发射器输出功率直接相关。系统发射的能量越多,目标检测距离将越大。
飞行时间(tof)计算 在科学和军事应用中,确定两点(或两个设备)间水平距离的过程被称为测距。飞行时间(tof)是测距的一种形式,使用信号行程时间来计算距离。图2提供了tof计算在配备uwb的两台设备中如何工作的基本描述。
图2:uwb的飞行时间计算,其中设备1是控制器,设备2是受控器(来源:恩智浦)
为了计算飞行时间(tof),我们测量信号从到达点传输到b点所花费的时间。我们选取消息往返时间的往返读数,这包括设备2中的处理时间。然后减去处理时间,再除以2,便可得出tof。为了确定在传输过程中覆盖了多少地面,将tof乘以光速即可。
由于uwb的高带宽(500 mhz),脉冲宽度为纳秒级,这提高了精度。与使用窄带收发器的wifi和ble不同,tof和测距的精度限于约+/-1m至+/-5m,而uwb可精确到+/-10cm以内。
由于uwb信号明显不同且易于读取,即便在多通道环境中也是如此,因此当脉冲离开和到达时,信号更容易识别,且高度确定。uwb能够以超高的传输速率准确跟踪脉冲——在短突发时间内发送大量脉冲——因此即使距离非常短,也可以进行细粒度tof计算。
调制正弦波在使用wi-fi或蓝牙确定位置时会出现,其多通道分量只能以复杂的方式分离。这也就是wi-fi和蓝牙为何努力提供精度低于1米的准确测量值的部分原因。
图3对uwb tof计算与wi-fi和蓝牙的tof计算进行比较。
图3:通过wi-fi和ble与通过uwb进行的tof测距(来源:恩智浦)
可选到达角(aoa)计算 请务必注意,tof计算确定的是径向距离,而不是方向。也就是说,tof计算告诉设备1其与设备2之间的距离,但不告诉设备2的方向——前、后、左、右、东、南、西还是北。所以tof图是一个圆圈:如果tof计算表明设备2与设备1之间的距离为15 cm,则以设备1为圆心,用卷尺在每个方向测量15 cm,以此方式形成一个圆圈,设备2可以在该圆圈中的任意位置。若要通过第二次测量的方式,使用两个距离圆圈的交集来确定位置,则需要额外的设备。
因此,要完善uwb技术的讨论,我们应该考虑另一个方面,也就是当前非汽车应用的一个重要因素:到达角(aoa)。到达角可帮助确定设备2在该圆圈中的哪个位置。为了计算aoa,设备1需要配备一组小心放置的专用天线,这组天线仅用于aoa测量。并非所有uwb解决方案都包含额外天线,但包含额外天线的uwb能够精确到几厘米以内(图4)。
图4:tof测距与aoa生成高准确度(来源:恩智浦)
aoa计算是单独进行的,与tof计算不同,但二者具有相似性:它们都以脉冲定时开始。在aoa阵列中的每个天线,接收到的每个信号的到达时间与相位存在微小但可辨别的差异。记录每个信号的到达时间与相位,然后用于类似三角测量的几何计算中,从而确定信号来自哪里。
图5中左图以设备1上的两个aoa天线rx1和rx2为例。与rx2相比,从设备2发出的信号需要更长时间才能到达rx1,这表示rx1、rx2和信号原点组成的三角形向右倾斜,指示信号来自设备1的东北方向。
与rx2相比,从设备2传输到设备1的信号需要更长时间才能到达rx1。图5中右图显示的aoa计算使用到达时间和天线间距来确定每个传入信号的角度,并绘制由rx1、rx2和设备2组成的三角形。在本例中,该三角形中rx1的边较长,并指向右边,这表示设备2在设备1的右边。
图5(左):设备1上两个aoa天线rx1和rx2的示例(来源:恩智浦)
图5(右):aoa计算使用到达时间和天线间距来确定每个传入信号的角度(来源:恩智浦)
uwb如何管理安全性 uwb中增添的其中一个重要特性是物理层(phy)中用于收发数据包的额外部分,这作为即将推出的802.15.4z规范的一部分进行定义。该新特性以恩智浦开发和推荐的一项技术为基础,称为扰频时间戳序列(sts)。新特性增添了加密、随机数生成和其他技术,使得外部攻击者更难访问或操控uwb通信。
保护tof计算 飞行时间计算很容易受到距离操控的影响。如果您可以干扰时间戳或计算的其他方面,就可以使您看起来比实际更近。在特定应用中,如安全访问,这会欺骗系统认为授权用户在旁边(但实际上并没有)并触发开锁(其实不应开锁),这是个严重的问题。
针对测距的原始uwb标准802.15.4a已发布十多年,对安全性的重视已经跟不上现在的发展。在测试4a标准时,研究人员发现,外部攻击者能够以超过99%的概率将测量的距离减少多达140米。对这一特定漏洞的担忧促使人们开始修订4z标准。
具体想法是,通过为phy数据包添加加密密钥和数字随机性,阻止tof相关数据可访问或可预测。这有助于抵御使用原始uwb phy的确定性和可预测性质来操控距离读数的各种外部攻击,包括cicada工具、preamble注入和早检测/晚连接(edlc)攻击。更新后的方法能够提供尽可能最好的保护,避免遭到以操控距离测量值为目标的暴力攻击。

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