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浅谈UWB技术如何提升PEPS系统安全性

发布：baoshijie 来源：

PostTime：5-5-2024 20:22

超宽带 (UWB) 技术可为PEPS应用提供更高的安全性。1 当前PEPS系统面临的挑战被动无钥匙进入/启动（PEPS）是一种越来越常见的解锁和启动汽车的方式。对于驾驶员来说，PEPS 钥匙 ... ...

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超宽带 (UWB) 技术可为PEPS应用提供更高的安全性。

1 当前PEPS系统面临的挑战

被动无钥匙进入/启动（PEPS）是一种越来越常见的解锁和启动汽车的方式。对于驾驶员来说，PEPS 钥匙扣可以放在口袋或钱包里，打开汽车时无需取回钥匙扣。汽车会不断广播一个加密查询，当匹配的钥匙靠近时就会作出回应，从而使驾驶员能够打开车门。一旦驾驶员进入车内，汽车就会检测到钥匙扣现在在车内，从而可以操作点火启动按钮。
但是PEPS的安全性正在受到质疑。窃贼已经善于利用现成的黑客工具，在不实际拥有钥匙的情况下破解 PEPS。

中继攻击是一种用来破解钥匙扣的方法，它可以唤醒钥匙扣，使其调用未经授权的车辆开启指令。一个小偷站在离你足够近的地方激活你的钥匙扣，比如在超市排队的时候，而另一个小偷则在停车场离你的车很近的地方。第二个窃贼将汽车的询问转发给第一个窃贼，后者再将询问转发给你的钥匙。然后，第一个小偷就可以捕捉到钥匙扣的 "打开车门 "响应信号，并将其转发给另一个小偷，后者利用该信号将车门打开。

目前，大多数 PEPS系统仅使用所连接钥匙扣的信号强度来判断车辆驾驶员是否在范围内。窃贼的黑客设备由于在范围内，因此会显示出很强的信号强度，让汽车误以为是来自真正的钥匙扣。

超宽带 (UWB) 技术可为 PEPS 应用提供更高的安全性。

2 UWB提高PEPS系统安全性

超宽带通信UWB可以使用飞行时间（ToF）计算，即对启动解锁指令进行时间标记，使接收设备能够确定指令的传输距离。这种判断可以揭示请求者是否真的在车辆附近。

规范 UWB 的 IEEE 802.15.4z 标准已定义用于测量 ToF 和到达角 (AoA) 指标，UWB 被公认为是一种能力极强、精确的测距和传感无线协议。

与 Wi-Fi 和蓝牙等无线方法不同，UWB 采用脉冲模式，可在非常宽的无线电频谱上发送 2 纳秒 (ns) 脉冲。此外，UWB 可以与所有流行的无线通信方法共存，因为它的工作频率范围在 6.5 GHz 到 8 GHz 之间，远离 Wi-Fi、蓝牙和类似方法占用的拥挤频谱。此外，UWB 的脉冲方法更能区分附近物体和建筑物的信号反射所造成的多径信号。

对于测距和 ToF 应用，UWB 使用适度的功率水平可达到约 10 米的范围。极短的 2 ns 脉冲以高重复率发送，典型的脉冲重复频率为 64 MHz 和 128 MHz。UWB 调制技术包括脉冲位置和二进制移相键控。
2.1UWB实现ToF测距

ToF 是一种测距方式，它利用精确测量信号从源物体到目标物体再返回所需的时间来确定两个物体之间的距离。如图 1 所示，设备 1（启动器）向设备 2 发出请求。设备 2 收到请求并进行处理后，向设备 1 返回响应。从总往返时间 Trdtrip 中减去设备 2 生成回复所需的时间 Treply，就得到了 ToF。

两台设备之间 UWB 的 ToF 计算必须从测量中去除响应者的响应时间。

在上述场景中，如果计算出的 ToF 为 5 毫微秒，那么根据近似为 3 × 108 米/秒的光速，两者之间的距离大约为 1.5 米。

UWB 的脉冲宽度在纳秒数量级，可提供高精度的测距方法，精度在 +/- 10 厘米以内。相比之下，WiFi 和 BLE 无法提供这样的精度，只能达到 +/- 1 米到 +/- 5 米之间。
2.2UWB实现到达角AoA测量

UWB 的另一个特点是，由于其高度精确的 ToF 能力，它还能确定信号到达的方向，即 AoA。这种确定不仅需要额外的天线来获取ToF，还需要获取从两个或多个天线接收到的信号之间的相位差。如下图所示，如果不进行 AoA 计算，ToF 只能显示设备 1 和设备 2 之间的径向距离。因此，装有 ToF 的汽车可能只能确定车主在3 米之外，但不能确定车主在哪个方向。然而，有了 AoA 可以提供的额外信息，系统就可以将信号源的位置缩小到一个相对较小的区域。

利用 AoA 进行 ToF 测距，可以高精度地确定钥匙的位置。
并非所有汽车应用都需要确定 UWB 设备所有者相对于汽车的确切位置。不过，未来这种信息可能会被整合到汽车中，更有可能的是，智能手机制造商将整合这种技术。AoA 的工作原理是，在每个天线上，接收到的每个信号的到达时间和相位都存在微小但可测量的差异。系统可以记录下每个信号的到达时间和相位，然后利用它们进行类似三角测量的几何计算，从而确定信号的来源（如下图）。

三角测量法（上图左）在设备 1上安装了两个 AoA 天线（Rx1 和 Rx2），可提供设备 2 的方向信息。AoA 计算（上图右）使用到达时间和天线间距来确定每个输入信号的具体角度。AoA 计算使用到达时间和天线间距来确定每个输入信号的角度，并绘制由 Rx1、Rx2 和设备 2 构成的三角形。2.3UWB保护ToF计算过程

最新的 UWB 规范 IEEE 802.15.4z 在物理层 (PHY) 中增加了一项重要功能-加扰时间戳序列 (STS)。

STS 采用恩智浦开发的技术，利用加密和随机数生成技术来保护时间戳数据。由于时间戳数据用于确定两个物体之间的精确距离，因此对时间戳的任何篡改或操纵都意味着可以使距离看起来更远或更近。STS 使对手很难截获和更改 UWB 发送的重要时间戳数据。

回到我们的钥匙扣例子，准确的时间戳数据将立即揭示中继攻击。ToF将远远大于钥匙扣的发射范围。802.15.4z 标准修正案引入了保护时间戳和 ToF 计算的技术。通过使用加密元件保护时间戳信息，关键的时间戳数据既无法访问，也无法预测。

UWB 能够通过 ToF 计算确定钥匙扣的精确位置，从而防止这种远程攻击。计算中使用的时间戳数据也通过加密功能在 UWB 数据包中得到保护。通过将 UWB 收发器集成到智能手机中，开发人员可以用手机代替传统的钥匙扣。此外，基于智能手机的方法还为将来使用其他测距和定位服务提供了平台。