UWB 實(shí)現(xiàn)安全和高精度的精細(xì)測距定位

UWB 實(shí)現(xiàn)安全和高精度的精細(xì)測距定位

UWB（超寬帶）在 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.15.4 中定義，UWB（當(dāng)時(shí)以 WiMedia 名義銷售）于 2000 年代初首次部署，旨在替代高速傳輸 USB，但從未實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

UWB 最近對 802.15.4z 修正案的發(fā)展產(chǎn)生了新的興趣，此次修訂更新了技術(shù)的 PHY 和 MAC 層，旨在實(shí)現(xiàn)高精度、安全測距應(yīng)用的低數(shù)據(jù)速率連接。

憑借高精度和安全的精細(xì)測距能力，UWB 可用于以厘米級精度確定對等設(shè)備之間最遠(yuǎn) 200 m 的距離。

UWB 特別適合各種需要定位的應(yīng)用，例如安全免提訪問控制（車鑰匙、手機(jī)或徽章）、實(shí)時(shí)室內(nèi)定位 (RTLS) 或用于智能家居、智能工廠、交通或醫(yī)療保健。

什么是 ToF？

UWB 使用飛行時(shí)間 (ToF) 來確定對等點(diǎn)之間的距離，ToF 測量射頻信號在發(fā)射器和接收器之間傳播的傳播時(shí)間，這個(gè)時(shí)間測量乘以光速可以高精度地確定距離，與其他依靠測量信號強(qiáng)度來評估距離的技術(shù)相比，UWB 提供了更高的準(zhǔn)確性和安全性。

UWB 對等點(diǎn)之間的 ToF 測量過程稱為雙向測距 (TWR)，因?yàn)閷Φ赛c(diǎn)交換一系列帶有嵌入時(shí)間戳的請求和響應(yīng)消息，往返時(shí)間 (RTT) 用于確定 ToF，如下圖所述。

什么是TWR？

UWB 標(biāo)簽（手機(jī)、鑰匙扣、徽章）和錨點(diǎn)之間的雙向測距 (TWR) 測量它們的相對距離，這種方法用于例如安全訪問應(yīng)用程序，其中將根據(jù)標(biāo)簽設(shè)備的接近程度授予訪問權(quán)限。

有了 UWB 分布式錨網(wǎng)絡(luò)，TWR 機(jī)制可用于標(biāo)簽位置的三邊測量，以實(shí)現(xiàn) 2D 或 3D 絕對定位，此方法用于 RTLS 應(yīng)用。

什么是AOA？

到達(dá)角 (AoA) 是一種擴(kuò)展選項(xiàng)，可使用多個(gè)天線測量輸入信號的角度，可以通過具有多個(gè)角度、多個(gè)距離或其組合來確定位置，從而提供距離和相對位置，如下圖所述。

為什么選擇UWB？

安全

藍(lán)牙或 RFID 等接入技術(shù)依賴于信號強(qiáng)度測量來評估距離，并且可能受到中繼/中間人攻擊，在中繼攻擊期間，來自有效密鑰的通信通過放大其信號強(qiáng)度并誘使接收者相信密鑰就在附近來進(jìn)行欺騙。相反，UWB 不能被簡單的中繼攻擊欺騙，因?yàn)樗木嚯x測量不是基于信號強(qiáng)度，而是基于時(shí)間，中繼/重放攻擊將增加消息傳輸?shù)难舆t，因此通過指示密鑰離接收者更遠(yuǎn)來達(dá)到相反的效果。

在 PHY 層，802.15.4z 修正案通過添加一組使用 AES-128 加密生成的偽隨機(jī)脈沖，為 UWB 提供了額外的安全性，只有發(fā)送方和接收方可以使用共享密鑰對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，從而防止中繼攻擊。

準(zhǔn)確性

UWB可以達(dá)到10厘米以上的定位精度，與也提供定位的其他傳輸技術(shù)不同，UWB 使用從 500 MHz 到超過 1 GHz 的非常寬的通道寬度，以及非常短的脈沖 (<2ns)。

相比之下，藍(lán)牙使用 1 MHz 信道寬度和高達(dá) 160 MHz 的 Wi-Fi，大通道寬度和短脈沖使該技術(shù)不受窄帶信號易受信號傳播的多徑影響的影響。

因此，即使在具有反射或折射干擾源的環(huán)境中，它也能夠提供高精度，并使其成為在住宅或工業(yè)環(huán)境中部署的一項(xiàng)偉大技術(shù)。