本文作者：恩智浦UWB解决方案产品办理总监Rias Al-Kadi，产品营销司理Christoph Zorn博士
在移动终端、轿车、物联网与工业等广泛的商场中，开发人员一直在活跃寻求一种精细的测距技能，来完结精准的室内与室外定位。走运的是，UWB在近期经过“改造”，成为准确、安全的实时定位技能，优于Wi-Fi、蓝牙和GPS等无线技能。超宽带技能可以实时处理环境信息，如方位、移动及其与UWB设备间的间隔，这些信息已准确到几厘米，这为体系增加了空间感知才干，然后将推进一系列激动人心的新运用的开发。为了解UWB的潜力，请必须考虑UWB在丈量飞翔时刻、抵达角、尤其是其安全特色方面的独有特色。
图1：中继进犯仿制信号并运用该信号开锁（来历：恩智浦）
根据UWB的轿车运用——愈加智能的智能钥匙
在2019年下半年，轿车制造商纷繁推出方案，施行根据UWB的无钥匙轿车门禁，并将探究UWB支撑的新用例，如车内乘客检测、主动代客泊车、主动泊车、停车场进入和免下车付出等。 关于行将到来的UWB浪潮，其间一个备受等待的用例是经过智能手机完结无钥匙门禁（PKE）。
经过PKE，您可以在不运用机械钥匙的情况下解锁和发动轿车。遥控钥匙装在您的口袋或钱包中，当进入解锁车门的恰当规模内时，遥控钥匙会被“唤醒”。进入轿车后，体系会检测到遥控钥匙，以激活焚烧发动按钮。
PKE遥控钥匙深受轿车制造商的欢迎，因为它们可以供给极大的便利性，而且备受客户等待。此外，假如运用遥控钥匙，转向柱将不再需求粗笨的锁芯，这减轻了轿车重量，降低了产生磕碰时膝盖受伤的危险。顾客对这一技能也十分喜爱，因为无需寻觅或拨动机械钥匙来开锁、发动或锁车，日子变得愈加方便了。惋惜的是，现在许多遥控钥匙也成了窃贼的方针，他们运用现成可用的廉价侵略设备来检测轿车的唤醒信号，然后将该信号从头定向至钥匙以便唤醒钥匙，使其强制宣布不必要的开锁信号。这便是咱们所熟知的中继进犯。
中继进犯之所以成为可能，是因为现在有一些遥控钥匙运用信号强度——不是时刻戳——来检测何时车主间隔轿车两米内。进犯一般由两个人完结，一个人在钥匙邻近，另一个人在轿车邻近。当您走出轿车，比方前往购物商场、咖啡厅或餐厅，或许假如您在家，而您的车钥匙挨近玄关或窗户，第一个窃贼会尽量挨近钥匙，宣布您轿车所发送的同类型查询来检测钥匙。假如您的钥匙呼应查询，标明其在规模内，第一个窃贼会捕捉呼应信号，然后将该信号发送（或中继）给等候在轿车旁的第二个窃贼。然后，第二个窃贼运用捕捉到的呼应信号诈骗轿车解锁并发动。
经过为PKE遥控钥匙和智能手机门禁增加UWB，ToF核算可以有效地防止中继进犯。窃贼检索的任何信号都符号有时刻戳，指示信号是在规模以外的某个当地生成的。当信号抵达轿车时，核算得出的行程时刻会显现宣布信号的点过于远，无法开门。拿着午后场电影票的影迷无法进入深夜秀场，因为电影票上显现的时刻是过错的而且已过期，相同，盗版的UWB信号不会让窃贼进入轿车，因为信号显现的时刻是过错的，从本质上来说已过期。
UWB的来历与现状
1960年代，人们初次开宣布UWB，将其用于雷达运用。后来，该技能经过调整，用作正交频分复用（OFDM）技能，并在IEEE.15.3中规范化为速度高达480 Mbps的超高数据速率传输技能。在这个容量方面，该技能与WiFi直接竞赛，但WiFi很快使其数据传输功用相形见绌，使得UWB在传输用例中退居二线。根据脉冲无线电技能，UWB的下一个人物则成功得多。如IEEE 802.15.4a中指定的，它运用2ns脉冲来丈量飞翔时刻和抵达角的值。不久后，其安全功用经过IEEE 802.15.4z中指定的扩展得到增强（在PHY/RF等级），这使其成为共同的安全精细测距和感应技能。
运用智能手机作为智能钥匙来进入和发动轿车的主意极具吸引力，因而，轿车和智能手机职业的抢先企业纷繁活跃参与，在802.15.4z规范中界说安全机制。UWB为何可以以如此高的精度处理这么重要的用例？让咱们来探究一下该技能的布景和环境。
什么使UWB成为异乎寻常的无线技能
与大多数无线技能不同，超宽带（UWB）经过脉冲无线电作业。它在宽频带上运用一系列脉冲，因而有时也被称为IR-UWB或脉冲无线电UWB。比较之下：卫星、Wi-Fi和蓝牙在窄频带上运用调制正弦波来传输信息。
UWB脉冲具有多个重要特色。首要，它们陡而窄，看起来像尖峰相同，即便是在喧闹的通道环境中，也很简单辨认。此外，与WiFi或BLE等其他技能比较，关于ToF测距，UWB脉冲更适合密布多径环境。因为主信号途径旁的方针会引起反射或中止，经过多个途径抵达接收器的无线电信号在IR-UWB体系里很简单与主信号区别开来。但这件事在窄带体系里却十分耗时和困难。
UWB在无线电频谱的其他部分作业，远离集合在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之间的频率规模内作业，不会搅扰频谱其他频段产生的无线传输。这意味着UWB可以与现在最盛行的无线办法共存，包含卫星导航、Wi-Fi和蓝牙。
在典型功率级作业时，间隔最长可达10米左右。但假如运用较高功率脉冲，UWB的间隔乃至可达200米。UWB通讯还可以传输数据，其间UWB数据包的有效载荷部分以大约7 Mbps的速率发送数据，而且可以持续加快，最高可达32 Mbps。
现在，UWB运用调制脉冲序列，持续时刻为2ns，十分短。脉冲间隔可以相同，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。一般支撑的PRF是62.4 MHz和/或124.8 MHz，别离称为PRF64和PRF128。UWB的调制技能包含脉冲方位调制和二进制相移键控。
界说脉冲重复频率
● 脉冲发射器在开与关之间切换，以特定速率（PRT或PRF）供给峰值功率（Ppeak）
● 最大间隔与发射器输出功率直接相关。体系发射的能量越多，方针检测间隔将越大。
图2：UWB的飞翔时刻核算，其间设备1是控制器，设备2是受控器（来历：恩智浦）
飞翔时刻（ToF）核算
在科学和军事运用中，确认两点（或两个设备）间水平间隔的进程被称为测距。飞翔时刻（ToF）是测距的一种办法，运用信号行程时刻来核算间隔。图2 供给了ToF核算在装备UWB的两台设备中怎么作业的根本描绘。
为了核算飞翔时刻（ToF），咱们丈量信号从抵达点传输到B点所花费的时刻。咱们选取音讯往复时刻的往复读数，这包含设备2中的处理时刻。然后减去处理时刻，再除以2，便可得出ToF。为了确认在传输进程中覆盖了多少地上，将ToF乘以光速即可。
因为UWB的高带宽（500 MHz），脉冲宽度为纳秒级，这提高了精度。与运用窄带收发器的WiFi和BLE不同，ToF和测距的精度限于约+/-1m至+/-5m，而UWB可准确到+/-10cm以内。
因为UWB信号显着不同且易于读取，即便在多通道环境中也是如此，因而当脉冲脱离和抵达时，信号更简单辨认，且高度确认。UWB可以以超高的传输速率准确盯梢脉冲——在短突发时刻内发送很多脉冲——因而即便间隔十分短，也可以进行细粒度ToF核算。
调制正弦波在运用Wi-Fi或蓝牙确认方位时会呈现，其多通道重量只能以杂乱的办法别离。这也便是Wi-Fi和蓝牙为何尽力供给精度低于1米的准确丈量值的部分原因。
图3 对UWB ToF核算与Wi-Fi和蓝牙的ToF核算进行比较。
图3：经过Wi-Fi和BLE与经过UWB进行的ToF测距（来历：恩智浦）
可选抵达角（AoA）核算
请必须留意，ToF核算确认的是径向间隔，而不是方向。也便是说，ToF核算告知设备1其与设备2之间的间隔，但不告知设备2的方向——前、后、左、右、东、南、西仍是北。所以ToF图是一个圆圈：假如ToF核算标明设备2与设备1之间的间隔为15 cm，则以设备1为圆心，用卷尺在每个方向丈量15 cm，以此办法构成一个圆圈，设备2可以在该圆圈中的恣意方位。若要经过第2次丈量的办法，运用两个间隔圆圈的交集来确认方位，则需求额定的设备。
因而，要完善UWB技能的评论，咱们应该考虑另一个方面，也便是当时非轿车运用的一个重要因素：抵达角（AoA）。抵达角可协助确认设备2在该圆圈中的哪个方位。为了核算AoA，设备1需求装备一组当心放置的专用天线，这组天线仅用于AoA丈量。并非一切UWB解决方案都包含额定天线，但包含额定天线的UWB可以准确到几厘米以内（图4）。
图4：ToF测距与AoA生成高准确度（来历：恩智浦）
AoA核算是独自进行的，与ToF核算不同，但二者具有相似性：它们都以脉冲守时开端。在AoA阵列中的每个天线，接收到的每个信号的抵达时刻与相位存在细小但可区分的差异。记载每个信号的抵达时刻与相位，然后用于相似三角丈量的几许核算中，然后确认信号来自哪里。
图5 中左图以设备1上的两个AoA天线Rx1和Rx2为例。与Rx2比较，从设备2宣布的信号需求更长时刻才干抵达Rx1，这标明Rx1、Rx2和信号原点组成的三角形向右歪斜，指示信号来自设备1的东北方向。
与Rx2比较，从设备2传输到设备1的信号需求更长时刻才干抵达Rx1。图5 中右图显现的AoA核算运用抵达时刻和天线间隔来确认每个传入信号的视点，并制作由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，这标明设备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（来历：恩智浦），图5（右）：AoA核算运用抵达时刻和天线间隔来确认每个传入信号的视点（来历：恩智浦）
UWB怎么办理安全性
UWB中增加的其间一个重要特性是物理层（PHY）中用于收发数据包的额定部分，这作为行将推出的802.15.4z规范的一部分进行界说。该新特性以恩智浦开发和引荐的一项技能为根底，称为扰频时刻戳序列（STS）。新特性增加了加密、随机数生成和其他技能，使得外部进犯者更难拜访或控制UWB通讯。
维护ToF核算
飞翔时刻核算很简单遭到间隔控制的影响。假如您可以搅扰时刻戳或核算的其他方面，就可以使您看起来比实践更近。在特定运用中，如安全拜访，这会诈骗体系以为授权用户在旁边（但实践上并没有）并触发开锁（其实不该开锁），这是个严峻的问题。
针对测距的原始UWB规范802.15.4a已发布十多年，对安全性的注重现已跟不上现在的开展。在测验4a规范时，研究人员发现，外部进犯者可以以超越99%的概率将丈量的间隔削减多达140米。对这一特定缝隙的忧虑促进人们开端修订4z规范。
详细主意是，经过为PHY数据包增加加密密钥和数字随机性，阻挠ToF相关数据可拜访或可猜测。这有助于抵挡运用原始UWB PHY确实认性和可猜测性质来控制间隔读数的各种外部进犯，包含Cicada东西、Preamble注入和早检测/晚衔接（EDLC）进犯。更新后的办法可以供给尽可能最好的维护，防止遭到以控制间隔丈量值为方针的暴力进犯。
