超寬帶（UWB）：工作原理及其非凡潛力

本文作者：恩智浦UWB解決方案產(chǎn)品管理總監Rias Al-Kadi，產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Christoph Zorn博士

在移動(dòng)終端、汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)等廣泛的市場(chǎng)中，開(kāi)發(fā)人員一直在積極尋求一種精密的測距技術(shù)，來(lái)實(shí)現精準的室內與室外定位。幸運的是，UWB在近期經(jīng)過(guò)“改造”，成為精確、安全的實(shí)時(shí)定位技術(shù)，優(yōu)于Wi-Fi、藍牙和GPS等無(wú)線(xiàn)技術(shù)。超寬帶技術(shù)能夠實(shí)時(shí)處理環(huán)境信息，如位置、移動(dòng)及其與UWB設備間的距離，這些信息已精確到幾厘米，這為系統增添了空間感知能力，從而將推動(dòng)一系列激動(dòng)人心的新應用的開(kāi)發(fā)。為了解UWB的潛力，請務(wù)必考慮UWB在測量飛行時(shí)間、到達角、尤其是其安全屬性方面的獨有特點(diǎn)。

圖1：中繼攻擊復制信號并使用該信號開(kāi)鎖（來(lái)源：恩智浦）

基于UWB的汽車(chē)應用——更加智能的智能鑰匙

在2019年下半年，汽車(chē)制造商紛紛推出計劃，實(shí)施基于UWB的無(wú)鑰匙汽車(chē)門(mén)禁，并將探索UWB支持的新用例，如車(chē)內乘客檢測、自動(dòng)代客泊車(chē)、自動(dòng)泊車(chē)、停車(chē)場(chǎng)進(jìn)入和免下車(chē)支付等。  對于即將到來(lái)的UWB浪潮，其中一個(gè)備受期待的用例是通過(guò)智能手機實(shí)現無(wú)鑰匙門(mén)禁（PKE）。

通過(guò)PKE，您可以在不使用機械鑰匙的情況下解鎖和啟動(dòng)汽車(chē)。遙控鑰匙裝在您的口袋或錢(qián)包中，當進(jìn)入解鎖車(chē)門(mén)的適當范圍內時(shí)，遙控鑰匙會(huì )被“喚醒”。進(jìn)入汽車(chē)后，系統會(huì )檢測到遙控鑰匙，以激活點(diǎn)火啟動(dòng)按鈕。

PKE遙控鑰匙深受汽車(chē)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(hù)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(chē)重量，降低了發(fā)生碰撞時(shí)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(wú)需尋找或撥動(dòng)機械鑰匙來(lái)開(kāi)鎖、啟動(dòng)或鎖車(chē)，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，他們使用現成可用的廉價(jià)入侵設備來(lái)檢測汽車(chē)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(kāi)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，是因為現在有一些遙控鑰匙利用信號強度——不是時(shí)間戳——來(lái)檢測何時(shí)車(chē)主距離汽車(chē)兩米內。攻擊通常由兩個(gè)人完成，一個(gè)人在鑰匙附近，另一個(gè)人在汽車(chē)附近。當您走出汽車(chē)，比如前往購物商場(chǎng)、咖啡廳或餐廳，或者如果您在家，而您的車(chē)鑰匙靠近玄關(guān)或窗戶(hù)，第一個(gè)竊賊會(huì )盡量接近鑰匙，發(fā)出您汽車(chē)所發(fā)送的同類(lèi)型查詢(xún)來(lái)檢測鑰匙。如果您的鑰匙響應查詢(xún)，表示其在范圍內，第一個(gè)竊賊會(huì )捕捉響應信號，然后將該信號發(fā)送（或中繼）給等候在汽車(chē)旁的第二個(gè)竊賊。然后，第二個(gè)竊賊使用捕捉到的響應信號欺騙汽車(chē)解鎖并啟動(dòng)。

通過(guò)為PKE遙控鑰匙和智能手機門(mén)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(shí)間戳，指示信號是在范圍以外的某個(gè)地方生成的。當信號到達汽車(chē)時(shí)，計算得出的行程時(shí)間會(huì )顯示發(fā)出信號的點(diǎn)過(guò)于遠，無(wú)法開(kāi)門(mén)。拿著(zhù)午后場(chǎng)電影票的影迷無(wú)法進(jìn)入深夜秀場(chǎng)，因為電影票上顯示的時(shí)間是錯誤的而且已過(guò)期，同樣，盜版的UWB信號不會(huì )讓竊賊進(jìn)入汽車(chē)，因為信號顯示的時(shí)間是錯誤的，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)已過(guò)期。

UWB的起源與現狀

1960年代，人們首次開(kāi)發(fā)出UWB，將其用于雷達應用。后來(lái)，該技術(shù)經(jīng)過(guò)調整，用作正交頻分復用（OFDM）技術(shù)，并在IEEE.15.3中標準化為速度高達480 Mbps的超高數據速率傳輸技術(shù)。在這個(gè)容量方面，該技術(shù)與WiFi直接競爭，但WiFi很快使其數據傳輸功能相形見(jiàn)絀，使得UWB在傳輸用例中退居二線(xiàn)?；诿}沖無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，UWB的下一個(gè)角色則成功得多。如IEEE 802.15.4a中指定的，它使用2ns脈沖來(lái)測量飛行時(shí)間和到達角的值。不久后，其安全功能通過(guò)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(shù)。

使用智能手機作為智能鑰匙來(lái)進(jìn)入和啟動(dòng)汽車(chē)的想法極具吸引力，因此，汽車(chē)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(lái)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(wú)線(xiàn)技術(shù)

與大多數無(wú)線(xiàn)技術(shù)不同，超寬帶（UWB）通過(guò)脈沖無(wú)線(xiàn)電工作。它在寬頻帶上使用一系列脈沖，因此有時(shí)也被稱(chēng)為IR-UWB或脈沖無(wú)線(xiàn)電UWB。相比之下：衛星、Wi-Fi和藍牙在窄頻帶上使用調制正弦波來(lái)傳輸信息。

UWB脈沖具有多個(gè)重要特點(diǎn)。首先，它們陡而窄，看起來(lái)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(huì )引起反射或中斷，通過(guò)多個(gè)路徑到達接收器的無(wú)線(xiàn)電信號在IR-UWB系統里很容易與主信號區分開(kāi)來(lái)。但這件事在窄帶系統里卻非常耗時(shí)和困難。

UWB在無(wú)線(xiàn)電頻譜的其他部分工作，遠離聚集在2.4 GHz周?chē)姆泵SM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(huì )干擾頻譜其他頻段發(fā)生的無(wú)線(xiàn)傳輸。這意味著(zhù)UWB能夠與現在最流行的無(wú)線(xiàn)形式共存，包括衛星導航、Wi-Fi和藍牙。

在典型功率級工作時(shí)，距離最長(cháng)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通信還可以傳輸數據，其中UWB數據包的有效載荷部分以大約7 Mbps的速率發(fā)送數據，并且可以繼續加速，最高可達32 Mbps。

現在，UWB使用調制脈沖序列，持續時(shí)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）從每秒數十萬(wàn)脈沖到每秒數十億脈沖不等。通常支持的PRF是62.4 MHz和/或124.8 MHz，分別稱(chēng)為PRF64和PRF128。UWB的調制技術(shù)包括脈沖位置調制和二進(jìn)制相移鍵控。

定義脈沖重復頻率

●   脈沖發(fā)射器在開(kāi)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)。系統發(fā)射的能量越多，目標檢測距離將越大。

圖2：UWB的飛行時(shí)間計算，其中設備1是控制器，設備2是受控器（來(lái)源：恩智浦）

飛行時(shí)間（ToF）計算

在科學(xué)和軍事應用中，確定兩點(diǎn)（或兩個(gè)設備）間水平距離的過(guò)程被稱(chēng)為測距。飛行時(shí)間（ToF）是測距的一種形式，使用信號行程時(shí)間來(lái)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。

為了計算飛行時(shí)間（ToF），我們測量信號從到達點(diǎn)傳輸到B點(diǎn)所花費的時(shí)間。我們選取消息往返時(shí)間的往返讀數，這包括設備2中的處理時(shí)間。然后減去處理時(shí)間，再除以2，便可得出ToF。為了確定在傳輸過(guò)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?xún)取?/p>

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(kāi)和到達時(shí)，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(shí)間內發(fā)送大量脈沖——因此即使距離非常短，也可以進(jìn)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(shí)會(huì )出現，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(jìn)行比較。

圖3：通過(guò)Wi-Fi和BLE與通過(guò)UWB進(jìn)行的ToF測距（來(lái)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(shuō)，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(gè)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(gè)方向測量15 cm，以此方式形成一個(gè)圓圈，設備2可以在該圓圈中的任意位置。若要通過(guò)第二次測量的方式，使用兩個(gè)距離圓圈的交集來(lái)確定位置，則需要額外的設備。

因此，要完善UWB技術(shù)的討論，我們應該考慮另一個(gè)方面，也就是當前非汽車(chē)應用的一個(gè)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(gè)位置。為了計算AoA，設備1需要配備一組小心放置的專(zhuān)用天線(xiàn)，這組天線(xiàn)僅用于A(yíng)oA測量。并非所有UWB解決方案都包含額外天線(xiàn)，但包含額外天線(xiàn)的UWB能夠精確到幾厘米以?xún)龋?strong>圖4）。

圖4：ToF測距與AoA生成高準確度（來(lái)源：恩智浦）

AoA計算是單獨進(jìn)行的，與ToF計算不同，但二者具有相似性：它們都以脈沖定時(shí)開(kāi)始。在A(yíng)oA陣列中的每個(gè)天線(xiàn)，接收到的每個(gè)信號的到達時(shí)間與相位存在微小但可辨別的差異。記錄每個(gè)信號的到達時(shí)間與相位，然后用于類(lèi)似三角測量的幾何計算中，從而確定信號來(lái)自哪里。

圖5 中左圖以設備1上的兩個(gè)AoA天線(xiàn)Rx1和Rx2為例。與Rx2相比，從設備2發(fā)出的信號需要更長(cháng)時(shí)間才能到達Rx1，這表示Rx1、Rx2和信號原點(diǎn)組成的三角形向右傾斜，指示信號來(lái)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(cháng)時(shí)間才能到達Rx1。圖5 中右圖顯示的AoA計算使用到達時(shí)間和天線(xiàn)間距來(lái)確定每個(gè)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(cháng)，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(gè)AoA天線(xiàn)Rx1和Rx2的示例（來(lái)源：恩智浦），圖5（右）：AoA計算使用到達時(shí)間和天線(xiàn)間距來(lái)確定每個(gè)傳入信號的角度（來(lái)源：恩智浦）

UWB如何管理安全性

UWB中增添的其中一個(gè)重要特性是物理層（PHY）中用于收發(fā)數據包的額外部分，這作為即將推出的802.15.4z規范的一部分進(jìn)行定義。該新特性以恩智浦開(kāi)發(fā)和推薦的一項技術(shù)為基礎，稱(chēng)為擾頻時(shí)間戳序列（STS）。新特性增添了加密、隨機數生成和其他技術(shù)，使得外部攻擊者更難訪(fǎng)問(wèn)或操控UWB通信。

保護ToF計算

飛行時(shí)間計算很容易受到距離操控的影響。如果您可以干擾時(shí)間戳或計算的其他方面，就可以使您看起來(lái)比實(shí)際更近。在特定應用中，如安全訪(fǎng)問(wèn)，這會(huì )欺騙系統認為授權用戶(hù)在旁邊（但實(shí)際上并沒(méi)有）并觸發(fā)開(kāi)鎖（其實(shí)不應開(kāi)鎖），這是個(gè)嚴重的問(wèn)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)跟不上現在的發(fā)展。在測試4a標準時(shí)，研究人員發(fā)現，外部攻擊者能夠以超過(guò)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(yōu)促使人們開(kāi)始修訂4z標準。

具體想法是，通過(guò)為PHY數據包添加加密密鑰和數字隨機性，阻止ToF相關(guān)數據可訪(fǎng)問(wèn)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(zhì)來(lái)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。