超寬帶(UWB):工作原理及其非凡潛力

本文作者：恩智浦UWB解決方案產品管理總監Rias Al-Kadi，產品營銷經理Christoph Zorn博士

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202003/411542.htm

在移動終端、汽車、物聯網與工業等廣泛的市場中，開發人員一直在積極尋求一種精密的測距技術，來實現精準的室內與室外定位。幸運的是，UWB在近期經過「改造」，成為精確、安全的實時定位技術，優於Wi-Fi、藍牙和GPS等無線技術。超寬帶技術能夠實時處理環境信息，如位置、移動及其與UWB設備間的距離，這些信息已精確到幾釐米，這為系統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。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。

圖1：中繼攻擊複製信號並使用該信號開鎖（來源：恩智浦）

基於UWB的汽車應用——更加智能的智能鑰匙

在2019年下半年，汽車製造商紛紛推出計劃，實施基於UWB的無鑰匙汽車門禁，並將探索UWB支持的新用例，如車內乘客檢測、自動代客泊車、自動泊車、停車場進入和免下車支付等。  對於即將到來的UWB浪潮，其中一個備受期待的用例是通過智慧型手機實現無鑰匙門禁（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範圍內時，遙控鑰匙會被「喚醒」。進入汽車後，系統會檢測到遙控鑰匙，以激活點火啟動按鈕。

PKE遙控鑰匙深受汽車製造商的歡迎，因為它們能夠提供極大的便利性，並且備受客戶期待。此外，如果使用遙控鑰匙，轉向柱將不再需要笨重的鎖芯，這減輕了汽車重量，降低了發生碰撞時膝蓋受傷的風險。消費者對這一技術也十分青睞，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，他們使用現成可用的廉價入侵設備來檢測汽車的喚醒信號，然後將該信號重新定向至鑰匙以便喚醒鑰匙，使其強制發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。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或窗戶，第一個竊賊會儘量接近鑰匙，發出您汽車所發送的同類型查詢來檢測鑰匙。如果您的鑰匙響應查詢，表示其在範圍內，第一個竊賊會捕捉響應信號，然後將該信號發送（或中繼）給等候在汽車旁的第二個竊賊。然後，第二個竊賊使用捕捉到的響應信號欺騙汽車解鎖並啟動。

通過為PKE遙控鑰匙和智慧型手機門禁添加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，指示信號是在範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出信號的點過於遠，無法開門。拿著午後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，從本質上來說已過期。

UWB的起源與現狀

1960年代，人們首次開發出UWB，將其用於雷達應用。後來，該技術經過調整，用作正交頻分復用（OFDM）技術，並在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。在這個容量方面，該技術與WiFi直接競爭，但WiFi很快使其數據傳輸功能相形見絀，使得UWB在傳輸用例中退居二線。基於脈衝無線電技術，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脈衝來測量飛行時間和到達角的值。不久後，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。

使用智慧型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，汽車和智慧型手機行業的領先企業紛紛積極參與，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麼重要的用例？讓我們來探索一下該技術的背景和環境。

什麼使UWB成為與眾不同的無線技術

與大多數無線技術不同，超寬帶（UWB）通過脈衝無線電工作。它在寬頻帶上使用一系列脈衝，因此有時也被稱為IR-UWB或脈衝無線電UWB。相比之下：衛星、Wi-Fi和藍牙在窄頻帶上使用調製正弦波來傳輸信息。

UWB脈衝具有多個重要特點。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境中，也很容易識別。此外，與WiFi或BLE等其他技術相比，對於ToF測距，UWB脈衝更適合密集多徑環境。由於主信號路徑旁的對象會引起反射或中斷，通過多個路逕到達接收器的無線電信號在IR-UWB系統裡很容易與主信號區分開來。但這件事在窄帶系統裡卻非常耗時和困難。

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。用於定位和測距的UWB脈衝在6.5和8 GHz之間的頻率範圍內工作，不會干擾頻譜其他頻段發生的無線傳輸。這意味著UWB能夠與現在最流行的無線形式共存，包括衛星導航、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衝，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的速率發送數據，並且可以繼續加速，最高可達32 Mbps。

現在，UWB使用調製脈衝序列，持續時間為2ns，非常短。脈衝間距可以相同，也可以不同。脈衝重複頻率（PRF）從每秒數十萬脈衝到每秒數十億脈衝不等。通常支持的PRF是62.4 MHz和/或124.8 MHz，分別稱為PRF64和PRF128。UWB的調製技術包括脈衝位置調製和二進位相移鍵控。

定義脈衝重複頻率

●   脈衝發射器在開與關之間切換，以特定速率（PRT或PRF）提供峰值功率（P_peak）

●   最大距離與發射器輸出功率直接相關。系統發射的能量越多，目標檢測距離將越大。

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

飛行時間（ToF）計算

在科學和軍事應用中，確定兩點（或兩個設備）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的兩臺設備中如何工作的基本描述。

為了計算飛行時間（ToF），我們測量信號從到達點傳輸到B點所花費的時間。我們選取消息往返時間的往返讀數，這包括設備2中的處理時間。然後減去處理時間，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。

由於UWB的高帶寬（500 MHz），脈衝寬度為納秒級，這提高了精度。與使用窄帶收發器的WiFi和BLE不同，ToF和測距的精度限於約+/-1m至+/-5m，而UWB可精確到+/-10cm以內。

由於UWB信號明顯不同且易於讀取，即便在多通道環境中也是如此，因此當脈衝離開和到達時，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衝——在短突發時間內發送大量脈衝——因此即使距離非常短，也可以進行細粒度ToF計算。

調製正弦波在使用Wi-Fi或藍牙確定位置時會出現，其多通道分量只能以複雜的方式分離。這也就是Wi-Fi和藍牙為何努力提供精度低於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計算告訴設備1其與設備2之間的距離，但不告訴設備2的方向——前、後、左、右、東、南、西還是北。所以ToF圖是一個圓圈：如果ToF計算表明設備2與設備1之間的距離為15 cm，則以設備1為圓心，用捲尺在每個方向測量15 cm，以此方式形成一個圓圈，設備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，則需要額外的設備。

因此，要完善UWB技術的討論，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備2在該圓圈中的哪個位置。為了計算AoA，設備1需要配備一組小心放置的專用天線，這組天線僅用於AoA測量。並非所有UWB解決方案都包含額外天線，但包含額外天線的UWB能夠精確到幾釐米以內（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：它們都以脈衝定時開始。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，然後用於類似三角測量的幾何計算中，從而確定信號來自哪裡。

圖5 中左圖以設備1上的兩個AoA天線Rx1和Rx2為例。與Rx2相比，從設備2發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，並繪製由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，並指向右邊，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）中用於收發數據包的額外部分，這作為即將推出的802.15.4z規範的一部分進行定義。該新特性以恩智浦開發和推薦的一項技術為基礎，稱為擾頻時間戳序列（STS）。新特性增添了加密、隨機數生成和其他技術，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。如果您可以幹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，這會欺騙系統認為授權用戶在旁邊（但實際上並沒有）並觸發開鎖（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已發布十多年，對安全性的重視已經跟不上現在的發展。在測試4a標準時，研究人員發現，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數據包添加加密密鑰和數字隨機性，阻止ToF相關數據可訪問或可預測。這有助於抵禦使用原始UWB PHY的確定性和可預測性質來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。更新後的方法能夠提供儘可能最好的保護，避免遭到以操控距離測量值為目標的暴力攻擊。