NXP, sizi ultra geniş bantın (UWB) çalışma prensibini ve olağanüstü potansiyelini anlamaya götürür
"
Mobil terminaller, otomobiller, Nesnelerin İnterneti ve endüstri gibi çok çeşitli pazarlarda, geliştiriciler, iç ve dış mekanlarda hassas konumlandırma elde etmek için aktif olarak hassas bir teknoloji yelpazesi arıyorlar. Neyse ki, UWB, Wi-Fi, Bluetooth ve GPS gibi kablosuz teknolojilerden daha üstün, doğru ve güvenli bir gerçek zamanlı konumlandırma teknolojisi haline gelmek için yakın zamanda "yeniden yapılandırma" sürecinden geçti. Ultra geniş bant teknolojisi, konum, hareket ve UWB cihazlarından olan mesafe gibi çevresel bilgileri gerçek zamanlı olarak işleyebilir.Bu bilgiler, sisteme mekansal farkındalık ekleyerek bir dizi heyecan verici yeni uygulamayı teşvik edecek şekilde birkaç santimetreye kadar doğrudur. Geliştirme. UWB'nin potansiyelini anlamak için, UWB'nin uçuş süresini, varış açısını ve özellikle güvenlik özelliklerini ölçmedeki benzersiz özelliklerini dikkate almak önemlidir.
UWB tabanlı otomotiv uygulamaları - daha akıllı akıllı anahtarlar
2019'un ikinci yarısında, otomobil üreticileri UWB tabanlı anahtarsız araç erişimini uygulama planlarını başlattı ve araç içi yolcu algılama, otomatik vale park, otomatik park ve otopark erişimi gibi UWB tarafından desteklenen yeni kullanım durumlarını keşfedecekler. Ve otomatik ödeme vb. Yaklaşan UWB dalgası için çok beklenen kullanım durumlarından biri, akıllı telefonlar aracılığıyla anahtarsız girişin (PKE) gerçekleştirilmesidir.
PKE ile, mekanik bir anahtar kullanmadan aracın kilidini açabilir ve arabayı çalıştırabilirsiniz. Uzaktan kumanda anahtarı cebinize veya çantanıza yerleştirilir Kapının kilidini açmak için uygun aralığa girdiğinizde, uzaktan kumanda anahtarı "uyanacaktır". Araca girdikten sonra, sistem kontak başlatma düğmesini etkinleştirmek için uzaktan kumanda anahtarını algılayacaktır.
PKE uzaktan kumanda anahtarları, büyük kolaylık sağladıkları ve müşteriler tarafından büyük ölçüde beklendiği için otomobil üreticileri arasında çok popülerdir. Ek olarak, uzaktan kumanda anahtarı kullanılırsa, direksiyon kolonu artık arabanın ağırlığını azaltan ve bir çarpışmada diz yaralanması riskini azaltan büyük bir kilit silindirine ihtiyaç duymayacaktır. Tüketiciler de bu teknolojiye çok düşkün çünkü arabanın kilidini açmak, çalıştırmak veya kilitlemek için mekanik bir anahtar bulmaya veya değiştirmeye gerek yok ve hayat daha kolay hale geliyor. Ne yazık ki, birçok uzaktan kumanda anahtarı artık hırsızlar tarafından da hedef alınmaktadır.Arabanın uyandırma sinyalini algılamak için hazır ve ucuz izinsiz giriş cihazları kullanırlar ve ardından anahtarı uyandırmak ve gereksiz kilit açma işlemine zorlamak için sinyali anahtara yönlendirirler. sinyal. Bu, röle saldırısı olarak bilinir.
Röle saldırıları mümkündür, çünkü bazı uzaktan kumanda anahtarları artık mal sahibinin arabaya iki metre yakınlık içinde olduğunu tespit etmek için sinyal gücünü (zaman damgalarını değil) kullanır. Saldırı genellikle biri anahtarın yanında, diğeri arabanın yakınında olmak üzere iki kişi tarafından yapılır. Bir alışveriş merkezi, kahve dükkanı veya restoran gibi arabadan indiğinizde veya evdeyseniz ve arabanızın anahtarı giriş veya pencereye yakınsa, ilk hırsız anahtara yaklaşmaya çalışacak ve algılamak için arabanız tarafından gönderilen aynı türde sorguyu yayınlayacaktır. anahtar. Anahtarınız sorguya yanıt verirse, menzil içinde olduğu anlamına gelir.İlk hırsız yanıt sinyalini yakalayacak ve sinyali arabanın yanında bekleyen ikinci hırsıza gönderecek (veya iletecektir). Ardından, ikinci hırsız, yakalanan yanıt sinyalini arabayı kilidi açıp çalıştırması için kandırmak için kullandı.
Şekil 1: Sinyali kopyalamak ve kilidi açmak için sinyali kullanmak için röle saldırısı (kaynak: NXP)
PKE uzak anahtarına ve akıllı telefon erişim kontrolüne UWB ekleyerek, ToF hesaplaması röle saldırılarını etkili bir şekilde önleyebilir. Hırsız tarafından alınan herhangi bir sinyal, sinyalin menzil dışında bir yerde üretildiğini gösteren bir zaman damgası ile işaretlenir. Sinyal araca ulaştığında, hesaplanan yolculuk süresi sinyal noktasının kapıyı açamayacak kadar uzakta olduğunu gösterecektir. Öğleden sonra şovu için sinema bileti tutan hayranlar, sinema biletinde gösterilen saat yanlış ve süresi dolduğundan gece geç saatlere kadar gösteriye giremez. Benzer şekilde korsan UWB sinyalleri, sinyalde gösterilen saat yanlış olduğundan hırsızların araca girmesine izin vermez. Esasen süresi doldu.
UWB'nin kökeni ve mevcut durumu
1960'larda, UWB ilk olarak radar uygulamaları için geliştirildi ve kullanıldı. Daha sonra, teknoloji bir ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM) teknolojisi olarak kullanılmak üzere ayarlandı ve IEEE.15.3'te 480 Mbps'ye kadar hız ile ultra yüksek veri hızlı iletim teknolojisi olarak standardize edildi. Bu kapasite açısından, teknoloji doğrudan WiFi ile rekabet ediyor, ancak WiFi veri aktarım yeteneklerini hızla küçülterek UWB'yi ikinci iletim kullanım durumlarına düşürüyor. Darbeli radyo teknolojisine dayanan UWB'nin bir sonraki rolü çok daha başarılı. IEEE 802.15.4a'da belirtildiği gibi, uçuş süresi değerini ve varış açısını ölçmek için 2ns puls kullanır. Yakında, güvenlik işlevi IEEE 802.15.4z'de belirtilen uzantılar aracılığıyla geliştirildi (PHY / RF düzeyinde), bu da onu benzersiz bir güvenlik hassasiyeti aralığı ve algılama teknolojisi haline getirdi.
Bir araca girmek ve çalıştırmak için akıllı bir anahtar olarak akıllı telefon kullanma fikri çok çekici, bu nedenle otomotiv ve akıllı telefon sektörlerindeki önde gelen şirketler 802.15.4z standardında güvenlik mekanizmalarının tanımlanmasına aktif olarak katıldı. UWB bu kadar önemli bir kullanım durumunu neden bu kadar yüksek bir hassasiyetle halledebilir? Bu teknolojinin arka planını ve ortamını inceleyelim.
UWB'yi benzersiz bir kablosuz teknoloji yapan nedir
Çoğu kablosuz teknolojinin aksine, Ultra Geniş Bant (UWB) darbeli radyo aracılığıyla çalışır. Geniş bir frekans bandı üzerinden bir dizi darbe kullanır, bu nedenle bazen IR-UWB veya darbeli radyo UWB olarak adlandırılır. Aksine: Uydu, Wi-Fi ve Bluetooth, bilgileri dar bir frekans bandı üzerinden iletmek için modüle edilmiş sinüs dalgaları kullanır.
UWB darbesinin birkaç önemli özelliği vardır. Birincisi, dik ve dardırlar ve sivri uçlar gibi görünürler, bu da gürültülü bir kanal ortamında bile tanımlanmalarını kolaylaştırır. Ek olarak, WiFi veya BLE gibi diğer teknolojilerle karşılaştırıldığında, UWB darbeleri ToF aralığı için yoğun çok yollu ortamlar için daha uygundur. Ana sinyal yolunun yakınındaki nesneler yansımalara veya kesintilere neden olabileceğinden, alıcıya birden çok yoldan ulaşan radyo sinyalleri, IR-UWB sistemindeki ana sinyalden kolayca ayırt edilebilir. Ancak bu, dar bantlı sistemlerde çok zaman alır ve zordur.
UWB, 2,4 GHz civarında kümelenmiş meşgul ISM bantlarından uzakta, radyo spektrumunun diğer bölümlerinde çalışır. Konumlandırma ve aralıklandırma için kullanılan UWB darbeleri, 6.5 ile 8 GHz arasındaki frekans aralığında çalışır ve spektrumun diğer bantlarında meydana gelen kablosuz aktarımlara müdahale etmez. Bu, UWB'nin uydu navigasyonu, Wi-Fi ve Bluetooth gibi en popüler kablosuz biçimleriyle bir arada var olabileceği anlamına gelir.
Tipik bir güç seviyesinde çalışırken, mesafe yaklaşık 10 metreye kadar çıkabilir. Ancak daha yüksek güç darbeleri kullanılırsa, UWB'nin mesafesi 200 metreye bile ulaşabilir. UWB iletişimi, aynı zamanda, UWB veri paketlerinin yük kısmının yaklaşık 7 Mbps hızında veri gönderdiği ve 32 Mbps'ye kadar hızlanmaya devam ettiği durumlarda veri iletebilir.
Şimdi, UWB çok kısa olan 2ns süreli modüle edilmiş bir darbe dizisi kullanıyor. Darbe aralığı aynı veya farklı olabilir. Darbe tekrarlama frekansı (PRF) saniyede yüz binlerce darbeden saniyede milyarlarca darbeye kadar değişir. Yaygın olarak desteklenen PRF'ler, sırasıyla PRF64 ve PRF128 olarak adlandırılan 62,4 MHz ve / veya 124,8 MHz'dir. UWB modülasyon teknikleri, darbe pozisyon modülasyonunu ve ikili faz kaydırmalı anahtarlamayı içerir.
Darbe tekrarlama frekansını tanımlayın
Darbe vericisi, belirli bir oranda (PRT veya PRF) en yüksek güç (Ppeak) sağlamak için açık ve kapalı arasında geçiş yapar.
Maksimum mesafe, vericinin çıkış gücüyle doğrudan ilişkilidir. Sistem ne kadar fazla enerji yayarsa, hedef tespit mesafesi o kadar büyük olacaktır.
Uçuş zamanı (ToF) hesaplaması
Bilimsel ve askeri uygulamalarda iki nokta (veya iki cihaz) arasındaki yatay mesafeyi belirleme işlemine aralıklandırma denir. Uçuş süresi (ToF), mesafeyi hesaplamak için sinyalle seyahat süresini kullanan bir aralık biçimidir. Şekil 2, ToF hesaplamasının UWB donanımlı iki cihazda nasıl çalıştığına dair temel bir açıklama sağlar.
Uçuş zamanını (ToF) hesaplamak için, sinyalin varış noktasından B noktasına gitmesi için geçen süreyi ölçüyoruz. Cihaz 2'deki işlem süresini içeren mesaj gidiş dönüş süresinin gidiş-dönüş okumasını alıyoruz. Ardından işlem süresini çıkarın ve ToF'yi elde etmek için ikiye bölün. İletim sırasında ne kadar zemin kaplandığını belirlemek için ToF'yi ışık hızıyla çarpın.
UWB'nin yüksek bant genişliği (500 MHz) nedeniyle, darbe genişliği nanosaniye sırasındadır ve bu da doğruluğu artırır. Dar bantlı alıcı-vericiler kullanan WiFi ve BLE'den farklı olarak, ToF'nin doğruluğu ve aralığı yaklaşık +/- 1m ila +/- 5m ile sınırlıdır, UWB ise +/- 10 cm içinde doğru olabilir.
UWB sinyalleri, çok kanallı bir ortamda bile önemli ölçüde farklı ve okunması kolay olduğundan, darbeler ayrıldığında ve ulaştığında, sinyalin tanımlanması daha kolaydır ve oldukça kesindir. UWB, çok yüksek iletim hızında darbeleri doğru bir şekilde izleyebilir - kısa bir patlama süresinde çok sayıda darbe gönderebilir - böylece mesafe çok kısa olsa bile, ince taneli ToF hesaplamaları gerçekleştirilebilir.
Konumu belirlemek için Wi-Fi veya Bluetooth kullanırken modüle edilmiş sinüs dalgaları görünür ve çok kanallı bileşenleri yalnızca karmaşık bir şekilde ayrılabilir. Bu, Wi-Fi ve Bluetooth'un 1 metreden daha az doğrulukla doğru ölçümler sağlamaya çalışmasının nedeninin bir parçasıdır.
Şekil 3, UWB ToF hesaplamalarını Wi-Fi ve Bluetooth ToF hesaplamalarıyla karşılaştırmaktadır.
Şekil 3: Wi-Fi ve BLE ve UWB aracılığıyla değişen ToF (Kaynak: NXP)
İsteğe bağlı varış açısı (AoA) hesaplaması
ToF hesaplamasının yönü değil, radyal mesafeyi belirlediğine dikkat etmek önemlidir. Diğer bir deyişle, ToF hesaplaması cihaz 1 ile cihaz 2 arasındaki mesafeyi söyler ancak cihazın 2'nin ön, arka, sol, sağ, doğu, güney, batı veya kuzey yönünü söylemez. Öyleyse ToF grafiği bir dairedir: ToF hesaplaması cihaz 2 ile cihaz 1 arasındaki mesafenin 15 cm olduğunu gösteriyorsa, cihaz 1'i merkez olarak alın ve bir daire oluşturmak için bir şerit metre ile her yönde 15 cm ölçün, cihaz 2 Çemberin herhangi bir yerinde olabilir. İkinci ölçüm yoluyla konumu belirlemek için iki mesafe çemberinin kesişimini kullanmak için ek ekipman gereklidir.
Bu nedenle, UWB teknolojisi tartışmasını mükemmelleştirmek için, mevcut otomotiv dışı uygulamalarda önemli bir faktör olan başka bir yönü dikkate almalıyız: Varış Açısı (AoA). Varış açısı, cihazın (2) daire içinde nerede olduğunu belirlemeye yardımcı olabilir. AoA'yı hesaplamak için, cihaz 1'in yalnızca AoA ölçümü için kullanılan, dikkatlice yerleştirilmiş özel antenler ile donatılmış olması gerekir. Tüm UWB çözümleri ek antenler içermez, ancak ek antenler içeren UWB birkaç santimetreye kadar doğru olabilir (Şekil 4).
Şekil 4: ToF aralığı ve yüksek doğrulukta AoA oluşturma (Kaynak: NXP)
AoA hesaplaması, ToF hesaplamasından farklı olarak ayrı ayrı yapılır, ancak ikisinin benzerlikleri vardır: hepsi darbe zamanlamasıyla başlar. AoA dizisindeki her antende, alınan her sinyalin varış zamanı ve fazında küçük ama fark edilebilir bir fark vardır. Her sinyalin varış zamanını ve fazını kaydedin ve ardından sinyalin nereden geldiğini belirlemek için üçgenleme gibi geometrik hesaplamalarda kullanın.
Şekil 5'teki soldaki resim, örnek olarak cihaz 1'deki iki AoA antenini Rx1 ve Rx2 alır. Rx2 ile karşılaştırıldığında, cihaz 2'den gelen sinyalin Rx1'e ulaşması daha uzun sürer, bu da Rx1, Rx2 ve sinyal orijininin oluşturduğu üçgenin sağa eğimli olduğu anlamına gelir, bu da sinyalin cihaz 1'in kuzeydoğusundan geldiğini gösterir.
Rx2 ile karşılaştırıldığında, cihaz 2'den cihaz 1'e iletilen sinyalin Rx1'e ulaşması daha uzun sürer. Şekil 5'te sağda gösterilen AoA hesaplaması, gelen her sinyalin açısını belirlemek için varış zamanını ve anten aralığını kullanır ve Rx1, Rx2 ve Cihaz 2'den oluşan bir üçgen çizer. Bu örnekte, üçgendeki Rx1'in kenarı daha uzundur ve sağa bakar, yani cihaz 2, cihaz 1'in sağındadır.
Şekil 5 (sol): Cihaz 1'deki iki AoA anten Rx1 ve Rx2 örneği (kaynak: NXP)
UWB güvenliği nasıl yönetir?
UWB'ye eklenen önemli özelliklerden biri, gelecek 802.15.4z spesifikasyonunun bir parçası olarak tanımlanan veri paketlerini göndermek ve almak için kullanılan fiziksel katmanın (PHY) ekstra parçasıdır. Bu yeni özellik, NXP tarafından geliştirilen ve önerilen, şifreli zaman damgası dizisi (STS) adı verilen bir teknolojiye dayanmaktadır. Yeni özellikler şifreleme, rastgele sayı oluşturma ve diğer teknolojileri ekleyerek, harici saldırganların UWB iletişimlerine erişmesini veya bunları değiştirmesini zorlaştırır.
Güvenli ToF hesaplaması
Uçuş süresi hesaplamaları, mesafe manipülasyonundan kolayca etkilenir. Zaman damgalarına veya hesaplamaların diğer yönlerine müdahale edebilirseniz, gerçekte olduğunuzdan daha yakın görünmenizi sağlayabilirsiniz. Güvenlik erişimi gibi bazı uygulamalarda, bu, sistemi, yetkili kullanıcının yakında olduğunu (ama aslında değil) düşünmesi için aldatır ve ciddi bir sorun olan kilit açmayı tetikler (aslında, kilidi açılmamalıdır).
Mesafe ölçümü için orijinal UWB standardı 802.15.4a, on yıldan fazla bir süredir yayınlanmıştır ve güvenlik vurgusu mevcut gelişmeye ayak uyduramamıştır. 4a standardını test ederken, araştırmacılar harici bir saldırganın ölçülen mesafeyi% 99'un üzerinde bir olasılıkla 140 metreye kadar azaltabileceğini buldular. Bu boşlukla ilgili endişeler, insanları 4z standardını gözden geçirmeye sevk etti.
Spesifik fikir, PHY paketlerine şifreleme anahtarları ve dijital rastgelelik ekleyerek ToF ile ilgili verilerin erişilebilir veya tahmin edilebilir olmasını önlemektir. Bu, Cicada araçları, Başlangıç eki ve erken tespit / geç bağlantı (EDLC) saldırıları dahil olmak üzere mesafe okumalarını değiştirmek için orijinal UWB PHY'nin deterministik ve öngörülebilir doğasını kullanan çeşitli harici saldırılara karşı savunmaya yardımcı olur. Güncellenen yöntem, kontrol mesafesinin ölçümünü hedefleyen kaba kuvvet saldırılarına karşı mümkün olan en iyi korumayı sağlayabilir.
