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UWB提供安全的无钥匙访问

时间:2021-12-30 10:45:37 作者:Paddy McWilliams,CEVA连接业务部产品营销总监 阅读:
UWB(超宽带)曾经被称为一种从未成功的通信技术——直到苹果公司采用它。现在,它已经内置于苹果和三星的高端手机中,其他手机也在跟进,这不仅使该技术具有了品牌信誉,而且也使这些平台带来了销量。是什么改变了?更重要的是,这是因为人们对无钥匙进入应用的安全性更加关注,特别是对我们的汽车。
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(资料来源:CEVA)

UWB(超宽带)曾经被称为一种从未成功的通信技术——直到苹果公司采用它。现在,它已经内置于苹果和三星的高端手机中,其他手机也在跟进,这不仅使该技术具有了品牌信誉,而且也使这些平台带来了销量。

是什么改变了?更重要的是,这是因为人们对无钥匙进入应用的安全性更加关注,特别是对我们的汽车。

通常用于无钥匙进入的蓝牙,很容易受到中间人攻击。其目的是,只有当无钥匙钥匙扣在附近时,车辆才会解锁其门。然而,正如现实世界的事件所显示的,当你睡觉时,攻击者可以使用一个中继盒来提高来自屋内钥匙扣的微弱蓝牙信号,这使汽车以为钥匙扣就在附近。

另UWB可以更准确地测量钥匙扣的距离,这个过程被称为 "测距",可以精确到几厘米--而蓝牙、Wi-Fi和其他技术则是几米。此外,由于其物理层(PHY)的性质,它具有很强的安全性,使其不受困扰蓝牙手环的 "中间人 "攻击的影响。

UWB的基本原理

UWB最初是在15年前推出的,作为802.15.4a标准的一部分,但在市场上没有取得巨大成功。由于其精确的测距和强大的安全性,它最近经历了爆炸性的增长,ABI研究公司预测到2025年年出货量将达到近10亿个设备。最新一代规范是802.15.4z,用例由流行的行业团体开发,即FiRa联盟和Car Connectivity Consortium®(CCC),CCC主要关注安全数字密钥,FiRa解决更普遍的安全精细测距和定位应用。

与大多数无线电标准不同的是,UWB在一个相对狭窄的频段上运行,每个通道使用约500兆赫的带宽。这可以在3.1和10.6GHz之间,尽管通常UWB在6和8.5GHz之间工作。它只使用非常低的功率信号,这意味着从Wi-Fi、蓝牙和其他标准的角度来看,它的传输是在噪声本底之下(图1)。因此,UWB可以在不影响其他通信的情况下进行非授权操作,以提供从110kbps到31.2Mbps的低延迟数据传输。

1UWB的功率谱密度非常低,使其能够有效地使用已经分配给其他无线技术的频谱。

为了实现精确测距,使用持续时间为2ns的短脉冲。如图2所示,测量飞行时间(ToF),可以估算出发起者和响应者设备之间的距离。如果使用多个天线,响应者的角度或方向也可以由发射器使用到达角(AoA)处理来估计。

2UWB使用飞行时间计算来准确确定两个设备之间的距离

UWB牙和BLE

UWB和蓝牙都是短距离无线标准,不需要许可证就可以运行--这可能意味着它们的目标市场之间有很大的重叠。虽然这是事实,但它们确实有互补的优势。UWB具有更好的实际测距精度,但蓝牙低能量(BLE)的功耗更低。

一种流行的方法是两者一起使用。BLE提供长时间的低功率使用和较不精确的测距。然后,一旦用户在规定的距离内,BLE就会无缝地移交给UWB,进行安全、"精细 "的测距访问验证。这种组合方法已被FiRa联盟和汽车连接联盟(CCC)采用。

同时,BLE正在努力缩小差距,例如对高精度距离测量(HADM)的改进。这两种标准之间存在着竞争,而且它们都得到了占主导地位的智能手机制造商的支持。由于UWB在精确测距方面有先行者的优势,我们可能会看到它在很长一段时间内存在。

数字钥匙

我们已经看过汽车钥匙扣如何使用UWB来方便地进入你的车辆--接近汽车就能打开车门,而你不必从口袋或包里拿回钥匙扣。UWB还可以帮助你更进一步,利用无处不在的智能手机,消除对物理钥匙或钥匙扣的需求。

随着UWB在手机上变得越来越普遍,蓝牙也随处可见,对我们许多人来说,这项技术已经存在了。

除了无需携带单独的钥匙或把手的便利性外,在我们的手机上添加 "数字钥匙 "功能也为我们带来了新的机会。你可以把你的朋友或家人认证为可信任的用户,让他们访问你的汽车,即使你在外面度假。商业企业,如租车和共享汽车也可以从远程用户认证中受益,创造新的服务或商业模式。

更多的UWB应用

高安全性的无钥匙进入我们的汽车、家庭、酒店房间是一个重要的应用,但这项技术还能在哪里发挥作用呢?工业实时定位系统(RTLS)也是一种可能性,UWB的厘米级精度补充了许多其他RTLS机制。室内导航是另一种应用--在当地超市使用手机获得厘米级的精度,对于广告商和消费者来说,都是一个很有吸引力的用例。

除了导航和 "找东西 "的应用,如苹果的AirTag,UWB的精确测距所带来的空间意识也为用户创造了与他们的设备互动的新机会。想象一下,取代蓝牙设备费力的搜索/选择/配对过程,只需将手机指向一个设备就能控制它。

另一个用例是当你在房子里走动时,设备之间的无缝音乐交接,无论是你的耳机还是每个房间的扬声器。基于脉冲的UWB技术在手势/驻留雷达应用中也越来越受到关注,领先的笔记本电脑制造商正在探索这种应用。

另一个有前途的应用是移动支付--恩智浦已经与NTT Docomo和索尼展示了一个基于UWB的移动支付。虽然NFC在目前的点对点支付方式中很受欢迎,如Apple Pay,但它也有其脆弱性和局限性。这可能是苹果如此热衷于UWB的另一个原因,因为它认为支付是推动其未来收入增长的服务之一。你可以打赌,如果苹果采用UWB进行非接触式支付,其他所有使用手机支付的人都会在第一时间转换。

UWB默默无闻的优势之一是它的低延迟,这意味着它可以在音频应用中找到一个自然的家,因为这一点很重要--比如游戏和VR。它还可以用于超高质量的音频流,可能用于智能音箱。

互补的技术

正如我们前面提到的,UWB和BLE正开始侵入对方的空间--音频就是一个典型的例子。这对最终用户来说是好事,因为竞争将推动创新和节约成本,但对OEM和产品制造商来说呢?

最安全的方法是同时规划UWB和BLE,涵盖这两种选择。UWB在某些应用中具有令人信服的优势,而BLE已经很成熟,在其他领域具有关键优势。毫不奇怪,你会听到很多人建议这两种解决方案是互补的,应该一起使用。

出于这个原因,像CEVA这样的公司,凭借其市场领先的RivieraWaves蓝牙和Wi-Fi IP组合,现在已经增加了对UWB的支持。这为客户提供了必要的灵活性,无论他们决定采取哪种方式,都能使他们的产品路线图面向未来。有了单一供应商提供的多种无线技术,集成会更快、更容易,从而降低开发风险,缩短上市时间。

CEVA的RivieraWaves UWB平台包括一个功率优化的硬件PHY,以及一个灵活的低延迟硬件和软件MAC层。当与其它连接性工作负载或模式(如测向、定位或雷达)一起部署时,MAC层软件可在CEVA DSP器件上实现。另外,它也可以在商用Arm和RISC-V MCU上作为独立的UWB MAC使用。灵活的无线电接口使RivieraWaves UWB平台可以与客户自己的射频技术或CEVA合作伙伴的射频解决方案一起部署。

结论

UWB已经存在了十多年,但它终于找到了自己的位置,在安全远程访问和其它应用的推动下,UWB正在快速增长。它能够准确地确定几厘米内的范围,这使它成为无钥匙汽车访问的首选技术。

主要智能手机供应商,特别是苹果公司对UWB的广泛采用,很可能是使UWB在不久的将来真正成为主流所需的推动力。目前,原始设备制造商和产品设计师可以通过支持多种技术,如UWB和BLE,将他们的风险降到最低,这样他们就能对任何市场变化或新的杀手级应用做出快速反应。CEVA等供应商正在提供灵活的平台,可以提供所需的多功能性,使其在实践中可以承受。

责编:Amy Wu

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