超宽带（UWB）：工作原理及其非凡潜力

本文作者：恩智浦UWB解决方案产品管理总监Rias Al-Kadi，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。

图1：中继攻击复制信号并使用该信号开锁（来源：恩智浦）

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。

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（P_peak）

●   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。

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）

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。

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。