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(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,，當進入解鎖車門的適當范圍內(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,。如果您的鑰匙響應查詢,，表示其在范圍內(nèi)，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(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，將其用于雷達應用,。后來,，該技術(shù)經(jīng)過調(diào)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(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

　　在科學和軍事應用中,，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(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(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(guān)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(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,。