安全和高精度的精细测距定位——UWB

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UWB 实现安全和高精度的精细测距定位
UWB（超宽带）在 IEEE 标准 802.15.4 中定义，UWB（当时以 WiMedia 名义销售）于 2000 年代初首次部署，旨在替代高速传输 USB，但从未实现广泛的商业应用。

UWB 最近对 802.15.4z 修正案的发展产生了新的兴趣，此次修订更新了技术的 PHY 和 MAC 层，旨在实现高精度、安全测距应用的低数据速率连接。

凭借高精度和安全的精细测距能力，UWB 可用于以厘米级精度确定对等设备之间最远 200 m 的距离。

UWB 特别适合各种需要定位的应用，例如安全免提访问控制（车钥匙、手机或徽章）、实时室内定位 (RTLS) 或用于智能家居、智能工厂、交通或医疗保健。

什么是 ToF？
UWB 使用飞行时间 (ToF) 来确定对等点之间的距离，ToF 测量射频信号在发射器和接收器之间传播的传播时间，这个时间测量乘以光速可以高精度地确定距离，与其他依靠测量信号强度来评估距离的技术相比，UWB 提供了更高的准确性和安全性。

UWB 对等点之间的 ToF 测量过程称为双向测距 (TWR)，因为对等点交换一系列带有嵌入时间戳的请求和响应消息，往返时间 (RTT) 用于确定 ToF，如下图所述。

什么是TWR？
UWB 标签（手机、钥匙扣、徽章）和锚点之间的双向测距 (TWR) 测量它们的相对距离，这种方法用于例如安全访问应用程序，其中将根据标签设备的接近程度授予访问权限。

有了 UWB 分布式锚网络，TWR 机制可用于标签位置的三边测量，以实现 2D 或 3D 绝对定位，此方法用于 RTLS 应用。


什么是AOA？
到达角 (AoA) 是一种扩展选项，可使用多个天线测量输入信号的角度，可以通过具有多个角度、多个距离或其组合来确定位置，从而提供距离和相对位置，如下图所述。


为什么选择UWB？
安全
蓝牙或 RFID 等接入技术依赖于信号强度测量来评估距离，并且可能受到中继/中间人攻击，在中继攻击期间，来自有效密钥的通信通过放大其信号强度并诱使接收者相信密钥就在附近来进行欺骗。相反，UWB 不能被简单的中继攻击欺骗，因为它的距离测量不是基于信号强度，而是基于时间，中继/重放攻击将增加消息传输的延迟，因此通过指示密钥离接收者更远来达到相反的效果。

在 PHY 层，802.15.4z 修正案通过添加一组使用 AES-128 加密生成的伪随机脉冲，为 UWB 提供了额外的安全性，只有发送方和接收方可以使用共享密钥对数据包进行解码，从而防止中继攻击。

准确性
UWB可以达到10厘米以上的定位精度，与也提供定位的其他传输技术不同，UWB 使用从 500 MHz 到超过 1 GHz 的非常宽的通道宽度，以及非常短的脉冲 (<2ns)。

相比之下，蓝牙使用 1 MHz 信道宽度和高达 160 MHz 的 Wi-Fi，大通道宽度和短脉冲使该技术不受窄带信号易受信号传播的多径影响的影响。

因此，即使在具有反射或折射干扰源的环境中，它也能够提供高精度，并使其成为在住宅或工业环境中部署的一项伟大技术。

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