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来源&＃xff1a;NXP
1960年代&＃xff0c;人们首次开发出UWB&＃xff0c;将其用于雷达应用。后来&＃xff0c;该技术经过调整&＃xff0c;用作正交频分复用&＃xff08;OFDM&＃xff09;技术&＃xff0c;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&＃xff0c;该技术与WiFi直接竞争&＃xff0c;但WiFi很快使其数据传输功能相形见绌&＃xff0c;使得UWB在数据传输用例中退居二线。
基于脉冲无线电技术&＃xff0c;UWB的下一个角色则成功得多。如IEEE 802.15.4a中指定的&＃xff0c;它使用2ns脉冲来测量飞行时间和到达角的值。 不久后&＃xff0c;其安全功能通过IEEE 802.15.4z中指定的扩展得到增强&＃xff08;在PHY/RF级别&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;因此&＃xff0c;汽车和智能手机行业的领先企业纷纷积极参与&＃xff0c;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&＃xff1f;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&＃xff1f;
与大多数无线技术不同&＃xff0c;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&＃xff0c;因此有时也被称为IR-UWB或脉冲无线电UWB。相比之下&＃xff1a;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&＃xff0c;它们陡而窄&＃xff0c;看起来像尖峰一样&＃xff0c;即使是在嘈杂的通道环境中&＃xff0c;也很容易识别。此外&＃xff0c;与WiFi或BLE等其他技术相比&＃xff0c;对于ToF测距&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;包括卫星导航、Wi-Fi和蓝牙。
在典型功率级工作时&＃xff0c;距离最长可达10米左右。但如果使用较高功率脉冲&＃xff0c;UWB的距离甚至可达200米。UWB通信还可以传输数据&＃xff0c;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&＃xff0c;并且可以继续加速&＃xff0c;最高可达32 Mbps。
现在&＃xff0c;UWB使用调制脉冲序列&＃xff0c;持续时间为2ns&＃xff0c;非常短。脉冲间距可以相同&＃xff0c;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&＃xff0c;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
飞行时间&＃xff08;ToF&＃xff09;的计算
在科学和军事应用中&＃xff0c;确定两点&＃xff08;或两个设备&＃xff09;间水平距离的过程被称为测距。飞行时间&＃xff08;ToF&＃xff09;是测距的一种形式&＃xff0c;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&＃xff1a;UWB的飞行时间计算&＃xff0c;其中设备1是控制器&＃xff0c;设备2是受控器&＃xff08;来源&＃xff1a;恩智浦&＃xff09;
为了计算飞行时间(ToF)&＃xff0c;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&＃xff0c;这包括设备2中的处理时间。然后减去处理时间&＃xff0c;再除以2&＃xff0c;便可得出ToF。为了确定在传输过程中覆盖了多少地面&＃xff0c;将ToF乘以光速即可。
由于UWB的高带宽&＃xff08;500 MHz&＃xff09;&＃xff0c;脉冲宽度为纳秒级&＃xff0c;这提高了精度。与使用窄带收发器的WiFi和BLE不同&＃xff0c;ToF和测距的精度限于约&＃43;/-1m至&＃43;/-5m&＃xff0c;而UWB可精确到&＃43;/-10cm以内。
由于UWB信号明显不同且易于读取&＃xff0c;即便在多通道环境中也是如此&＃xff0c;因此当脉冲离开和到达时&＃xff0c;信号更容易识别&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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计算进行了比较。
图3&＃xff1a;通过Wi-Fi和BLE与通过UWB进行的ToF测距&＃xff08;来源&＃xff1a;恩智浦&＃xff09;
可选的到达角&＃xff08;AoA&＃xff09;计算
请务必注意&＃xff0c;ToF计算确定的是径向距离&＃xff0c;而不是方向。也就是说&＃xff0c;ToF计算告诉设备1其与设备2之间的距离&＃xff0c;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&＃xff1a;如果ToF计算表明设备2与设备1之间的距离为15 cm&＃xff0c;则以设备1为圆心&＃xff0c;用卷尺在每个方向测量15 cm&＃xff0c;以此方式形成一个圆圈&＃xff0c;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&＃xff0c;使用两个距离圆圈的交集来确定位置&＃xff0c;则需要额外的设备。
因此&＃xff0c;要完善UWB技术的讨论&＃xff0c;我们应该考虑另一个方面&＃xff0c;也就是当前非汽车应用的一个重要因素&＃xff1a;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&＃xff0c;设备1需要配备一组小心放置的专用天线&＃xff0c;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&＃xff0c;但包含额外天线的UWB能够精确到几厘米以内&＃xff08;图4&＃xff09;。
图4&＃xff1a;ToF测距与AoA生成高准确度&＃xff08;来源&＃xff1a;恩智浦&＃xff09;
AoA计算是单独进行的&＃xff0c;与ToF计算不同&＃xff0c;但二者具有相似性&＃xff1a;它们都以脉冲定时开始。在AoA阵列中的每个天线&＃xff0c;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&＃xff0c;然后用于类似三角测量的几何计算中&＃xff0c;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&＃xff0c;从设备2发出的信号需要更长时间才能到达Rx1&＃xff0c;这表示Rx1、Rx2和信号原点组成的三角形向右倾斜&＃xff0c;指示信号来自设备1的东北方向。
与Rx2相比&＃xff0c;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&＃xff0c;并绘制由Rx1、Rx2和设备2组成的三角形。在本例中&＃xff0c;该三角形中Rx1的边较长&＃xff0c;并指向右边&＃xff0c;这表示设备2在设备1的右边。
图5&＃xff08;左&＃xff09;&＃xff1a;设备1上两个AoA天线Rx1和Rx2的示例&＃xff1b;
图5&＃xff08;右&＃xff09;&＃xff1a;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&＃xff08;来源&＃xff1a;恩智浦&＃xff09;
UWB如何管理安全性&＃xff1f;
UWB中增添的其中一个重要特性是物理层&＃xff08;PHY&＃xff09;中用于收发数据包的额外部分&＃xff0c;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&＃xff0c;称为扰频时间戳序列&＃xff08;STS&＃xff09;。新特性增添了加密、随机数生成和其他技术&＃xff0c;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&＃xff0c;就可以使您看起来比实际更近。在特定应用中&＃xff0c;如安全访问&＃xff0c;这会欺骗系统认为授权用户在旁边&＃xff08;但实际上并没有&＃xff09;并触发开锁&＃xff08;其实不应开锁&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;对安全性的重视已经跟不上现在的发展。在测试4a标准时&＃xff0c;研究人员发现&＃xff0c;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&＃xff0c;通过为PHY数据包添加加密密钥和数字随机性&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;避免遭到以操控距离测量值为目标的暴力攻击。
免责声明&＃xff1a;本文来源NXP&＃xff0c;版权归原作者所有。如涉及作品版权问题&＃xff0c;请与我联系删除。
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