UWB的起源与现状

在20世纪60年代，人们首次开发出超宽带（UWB）技术，并将其应用于雷达领域。随后，该技术经过调整，被用作正交频分复用（OFDM）技术，并在IEEE 802.15.3中被标准化为每秒传输速度高达480 Mbps的超高数据速率传输技术。尽管在数据传输能力方面与WiFi竞争，但WiFi很快使UWB的数据传输功能相形见绌，并使UWB在数据传输方面退居二线。

基于脉冲无线电技术的UWB在其他方面取得了更大的成功。根据IEEE 802.15.4a的规定，UWB使用2纳秒的脉冲来测量飞行时间和到达角度。不久之后，它的安全功能在IEEE 802.15.4z的扩展中得到了加强（在PHY / RF级别），这使其成为一种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进入和启动汽车的想法非常吸引人，因此汽车和智能手机行业的领先企业都积极参与，定义了802.15.4z标准中的安全机制。UWB之所以能够以如此高的精度处理这种重要用例，是因为它具有独特的背景和环境。

UWB的特点

与大多数无线技术不同，超宽带（UWB）使用脉冲无线电进行工作。它在宽频带上使用一系列脉冲，因此有时也被称为脉冲无线电UWB或IR-UWB。相比之下，卫星、Wi-Fi和蓝牙等其他技术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，脉冲具有陡峭而窄的特点，容易在嘈杂的通道环境中进行识别。此外，对于时间测距（ToF），与WiFi或BLE等其他技术相比，UWB脉冲在密集多径环境中更适用。在IR-UWB系统中，通过多个路径到达接收器的无线电信号很容易与主信号路径旁的对象引起的反射或干扰信号区分开来，但在窄带系统中这一点则非常耗时和困难。

UWB在无线电频谱的其他部分工作，远离2.4 GHz附近繁忙的ISM频段。用于定位和测距的UWB脉冲工作在6.5 GHz和8 GHz之间的频率范围内，不会干扰其他频段上发生的无线传输。这意味着UWB可以与目前流行的无线形式共存，包括卫星导航、Wi-Fi和蓝牙。

在典型功率级下，UWB的传输距离可以达到约10米。但如果使用更高功率的脉冲，UWB的传输距离甚至可达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约7 Mbps的速率发送数据，并且可以进一步加快，最高可达32 Mbps。

现在，UWB使用持续时间为2纳秒的调制脉冲序列。脉冲间距可以相同，也可以不同。脉冲重复频率（PRF）

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(Ppeak)。

• 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。

飞行时间（ToF）的计算

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。

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)

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计算进行了比较。

图3：通过Wi-Fi和BLE与通过UWB进行的ToF测距（来源：恩智浦）

可选的到达角（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；
*

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。

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