UWB用于安全进入技术的优势,在于其高精度和安全的距离测量,但缺点是功耗较高,在微型硬币式电池驱动的安全进入应用中受到了严格限制。然而,把UWB与BLE结合起来,就可以创建高效的安全进入系统。本文围绕该主线,详细讨论了“无钥匙进入”解决方案的技术原理、各种可能的解决方案以及相关标准的最新演进。

超宽带(UWB)似乎是安全无钥匙进入的完美解决方案,但UWB功耗相对较高。利用UWB与BLE的结合,为硬币式电池驱动的安全进入提供了一种新的解决方案。

将UWB和BLE无线电结合起来,可以创建高效的安全进入系统。为理解其原因,重要的是要了解这两种基本无线技术的优势和劣势,以及如何将它们结合在一起,来创建实用和安全的进入系统。

其实,作为精确定位技术,UWB已经用了近10年,之前该技术也曾被用作为一种高速数据传输技术。

首先,回顾一下UWB作为无线传输方式的基本原理。UWB被定义为“发射信号带宽超过近500MHz或相对带宽达到近20%的无线传输”。像Insight SIP等各公司符合全球标准(关于标准将在稍后讨论)、工作在频段5和频段9上的新一代UWB模块,都具有500MHz带宽,这些都是UWB实例。

在实践中,这意味着UWB在高带宽上以低功率进行发射。这反过来又导致了无线传输的一些关键特性。首先,可以生成具有清晰时间定义的脉冲,并且该信号相对不受噪声影响(回忆一下傅立叶变换)。其次,由于这种清晰的时间定义,可以容易地将初级脉冲与反射的次级脉冲分离开。相比之下,窄带脉冲在时间上的定义要差得多,还会受到噪声的显著影响,使得任何反射信号都可能与主信号混叠,从而在时间清晰度上导致额外误差,具体差异如图1所示。

图1:各种UWB无线电波传输特性及其差异。

关注脉冲时间定义的原因是为了定位应用,由于光速是已知的,可以将精确定义的定时脉冲,作为飞行时间,用来精确测量距离。

UWB定位技术:双向测距和到达时差

利用UWB测量距离主要有两种方法。第一种是“双向测距(TWR)”,即脉冲从初始设备被发送到第二个设备,然后立即返回到初始设备。只要知道第二个设备的“滞留时间”(由已知的时钟周期数来计算),然后就可以确定两个设备之间的距离。

在点对点测量中,这种方法是最简单、最有效的方法。但是,如果要在三维中进行目标定位,则需要与至少三个“锚点”(固定和已知位置的单位)交换位置信息。这将导致更高的功耗,并且在许多目标对象被跟踪的情况下,设备之间发生干扰的可能性更高。

另一种可以采用的方法是“到达时间差(TDoA)”。在这种情况下,要跟踪的对象发出单个脉冲,该脉冲由多个点检测到。脉冲到达不同点的时间差可以用于确定3D位置。这使得功耗降低了一个数量级,进而降低了脉冲碰撞的风险。不过该方法的缺点是,需要非常精确地同步/校准点(到皮秒级别),以便检测时差,并且还需要一种方法来“重组”到达不同点的脉冲信息。因此,它需要一个复杂的系统来连接各点、校准定时以及将来自各点的信息关联到单个特定脉冲上。

图2:采用UWB测量距离的两种主要方法为双向测距和到达时间差。

接下来,将重点介绍TWR解决方案,因为这些解决方案相对容易实现,可以用于微型电池供电的设备,并为现有的本地化解决方案增加精度和安全性。相比之下,TDoA解决方案需要大量硬件和软件系统工程方面的工作。

安全距离测量和“中继攻击”

对于确定两个物体之间的距离而言,目前也有一些方法。例如,许多汽车都有所谓的“无钥匙进入系统”,当接近汽车时,车门会解锁。“无钥匙进入系统”是一个相当不准确的短语,因为系统中实际上有一把钥匙。这把钥匙向汽车发送无线电信号来打开车门,只是不必将物理钥匙输入机械锁而已。尽管如此,本文仍将采用“无钥匙进入”这一短语,因为它已成为习惯叫法。

第一代此类系统是采用信号强度来确定拿钥匙的人何时接近汽车。这种方法有两个问题。就接近度检测而言,信号强度是相当不精确的一种方式,它将受到各种因素的影响,包括钥匙在人身上的具体位置、汽车附近是否有别的物体、以及其他诸多因素。该解决方案虽然也可以做得“足够好”,不过这不是关键问题,而更重要的问题是,此类系统存在重大安全缺陷。

对于信号强度接近检测方案,从钥匙上非法提取信号是相对比较容易的事情。提取信号后,再通过简单的功率放大器将其放大,然后将其重新传输到汽车上。通过这种方法,就可以“欺骗”汽车接近度,因为汽车会“看到”一个强烈的信号,以为是钥匙已很近。在现实中已经证明,窃贼可以坐在房子里提取钥匙信号,并用它来非法打开汽车,或者跟随车主从停车场出来,并从车主的包或口袋中提取信号。这被称为“中继攻击”。这不仅仅是一种理论上的可能性,实际上已用于现实中的盗窃,尤其是高端汽车的盗窃。请注意,在上面的场景中,根本不需要破坏钥匙和汽车之间的任何加密交换,而只需通过中继透明传递。

UWB可抵御中继攻击

而UWB距离测量不易受到中继攻击的影响,因为UWB是通过飞行时间来测量距离,因此中继很容易被检测到。通过中继增加的任何距离,都会给往返测量增加额外的时间,因此UWB测量可以准确地测量实际距离。事实上,中继可能会进一步增加传输时间的延迟,使得钥匙看起来离汽车更远。虽然将任何安全性描述为“牢不可破”都是幼稚的,但UWB方案的确将破解难度提高了几个数量级。

UWB功率管理

在这一点上,UWB似乎是完美的解决方案,但不幸的是,事情并没有那么简单。UWB相对耗电,即使是最新一代的设备,在无线工作时也会消耗50~60mA左右的电流。如果有电源或大电池,这也许不是问题,但对于采用硬币电池或类似电池的便携式/手持设备来说,这便是大问题。造成这种问题的原因相当复杂,为了精确计时,需要运行非常快的时钟,并对各脉冲串进行匹配,所有这些都是为了识别叠加在噪声上的UWB真实信号。

对于硬币电池解决方案,第一个问题就是,普通硬币电池根本无法提供该级别的电流。即使这个问题得到解决,如果无线长时处于活动状态,电池电量也会很快耗尽。因此,单UWB解决方案对于自动无钥匙进入系统来说是无用的。

不过从更积极的方面来看,UWB飞行时间解决方案的优点,源于其仅利用非常短的脉冲。因此,从理论上讲,无线部分不需要长时间工作。因此,对于驱动无线的50mA峰值电流问题,可以通过电容器来解决。然而,更基本的问题是如何管理解决方案的两端,使无线部分只在最短的必需工作时间内激活。

BLE协同UWB作为低功率解决方案

为了克服这个问题,可以将BLE与UWB一起使用,来创建一个整体低功耗解决方案。对于设计来说,BLE具有一个极为有用的特性,即可通过标准协议“发现”对方,且消耗很少的功率。也可以利用BLE信号强度来检测接近度,尽管如上面所述,精度和安全性都比较差。

图3:尺寸为12×12mm的Insight SIP ISP3080模块(将BLE、UWB与集成天线集成在一个微型封装中)示意图。

因此,用例部署可以采取以下步骤:

·起点:门锁上,UWB关闭/深度睡眠

·车门上的BLE处于侦听模式

·钥匙上BLE为广告模式

·钥匙与门通过BLE连接

·由BLE负责接近度近似(但不安全)测量

·当接近度达到阈值(可编程)时,UWB打开,并根据定时周期,来测量精确和安全的接近度

·当UWB测量的安全距离低于阈值时,车门打开

·返回起点

因此,如果有器件能够将UWB的准确性和安全性与BLE的低功率特性结合起来,就有可能实现一个优异的无钥解决方案。Insight SIP的ISP3080,就是一款具有BLE和UWB以及集成天线的模块,该模块还提供了一个“无钥车门”示例,并具有开发套件。

可利用加速度计等额外硬件对该方案进一步完善。不过,即使是仅利用BLE,也可以使钥匙处于深度睡眠状态,直到按键启动为止。

UWB标准化

直到最近,UWB解决方案市场还因缺乏标准化而受到阻碍,客户被限于依赖供应商的专有解决方案。但在过去几年中,随着FiRa(Fine Ranging)联盟标准的出台,这种情况发生了变化,该标准支持UWB芯片供应商之间的互操作性,包括苹果、Qorvo、恩智浦和其他公司的芯片。反过来,这也导致UWB被引入到手机中。虽然目前这还仅限于高端设备,但历史表明,技术传播是很迅速的,很快就会成为标准(如BLE、Wi-Fi)。实际上,最新一代的苹果AirTag,也利用UWB技术来提高定位能力。

UWB的未来应用和发展

随着大多数行业参与者都签署了FiRa标准,为原始设备制造商建立了一个成熟的平台,让他们有信心构建应用程序,并确保不会陷入专利死胡同。CCC(汽车连接联盟)开发了特定的汽车关键应用程序,这些应用程序位于汽车专用FiRa标准之上。因此,人们可以想象得到,未来打开汽车的典型方式将不再是物理钥匙,而是简单地利用手机。

UWB应用将不仅仅局限于汽车。任何类型的安全进入系统(例如,在建筑物中)都可以利用UWB,来获得额外的安全性和便利性。例如,门可以自动为那些不太方便的人、或那些可能受到拖累的人(例如在医院里推着病人的护工)自动打开。票务和入场系统也可以利用这一优势打开大门,而无需在读卡器中扫描门票。精确定位能力还可以用作为危险设备附近的“隔离”区域监视器。毫无疑问,还会有许多其他聪明的应用程序被开发出来,相关的最新标准也会不断快速向前发展。

(参考原文:how-to-combine-uwb-and-ble-for-secure-entry-systems

本文为《电子工程专辑》2024年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Jimmy.zhang
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