了解飛行時(shí)間
基于恒定的光速，飛行時(shí)間 (ToF) 計(jì)算使用信號(hào)傳播時(shí)間來(lái)確定距離。圖 1 基本說(shuō)明了 ToF 計(jì)算如何在配備 UWB 的任何兩個(gè)設(shè)備（例如汽車和遙控鑰匙）之間進(jìn)行。
如何計(jì)算超寬帶飛行時(shí)間如下圖：
為了計(jì)算 ToF，我們測(cè)量了信號(hào)從 Initiator 到 Responder 再回到 Initiator 的往返時(shí)間，然后，我們減去 Responder 中的已知處理時(shí)間并將其除以 2，得到僅在一個(gè)方向上的 ToF 傳播時(shí)間，為了確定兩個(gè)設(shè)備之間的距離，ToF 乘以光速。
由于 UWB 信號(hào)是如此獨(dú)特且易于接收，即使在多徑環(huán)境中，也更容易以高度確定性來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別脈沖何時(shí)離開和到達(dá)。
UWB 可以以極高的重復(fù)率準(zhǔn)確跟蹤脈沖，因此即使在 10 厘米以內(nèi)的非常近的范圍內(nèi)也可以進(jìn)行細(xì)粒度的 ToF 計(jì)算。
Wi-Fi 和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)也嘗試測(cè)量距離，但迄今為止的結(jié)果將 ToF 計(jì)算的準(zhǔn)確性限制在 1 到 5 米之間。
另一個(gè)降低 Wi-Fi 和藍(lán)牙讀數(shù)準(zhǔn)確性的因素是它們?cè)诙嗦窂江h(huán)境中的性能，調(diào)制正弦波的多徑分量在測(cè)量 ToF 時(shí)會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的定時(shí)事件，只能以復(fù)雜的方式分離，這使得提供比1m更精確的測(cè)量非常困難。
需要注意的是，ToF 計(jì)算本身決定了距離，而不是方向，然而，ToF 圖通常繪制成圓形，因?yàn)?UWB 響應(yīng)信號(hào)還包含到達(dá)角 (AoA) 信息。
通過(guò)正確的天線設(shè)置和計(jì)算，AoA 可以確定該圓上非常準(zhǔn)確的位置，即目標(biāo)設(shè)備所在的角度。
在 AoA 陣列中的每個(gè)天線處，到達(dá)時(shí)間存在微小但可辨別的差異，因?yàn)榻邮盏矫總€(gè)脈沖的測(cè)量相位，記錄每個(gè)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和相位，然后用于幾何計(jì)算，類似于三角測(cè)量，通過(guò)它可以準(zhǔn)確地確定接收信號(hào)的角度。
這與 Wi-Fi 和藍(lán)牙相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)，它們也可以與扇區(qū)天線陣列一起使用，但缺少某些時(shí)間元素并且在更長(zhǎng)的波長(zhǎng) 2.4GHz ISM 頻段上運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不太準(zhǔn)確的結(jié)果。
保護(hù) TOF 計(jì)算
十多年前發(fā)布的原始 UWB 測(cè)距標(biāo)準(zhǔn) 802.15.4a 并沒(méi)有像今天發(fā)布那樣強(qiáng)調(diào)安全性。因此，基于 802.15.4a 版本的 ToF 計(jì)算可能容易受到距離操縱的影響。
如果一個(gè)人可以干擾時(shí)間戳或 ToF 計(jì)算的其他方面，那么他或她可以更改鄰近度計(jì)算，這是安全訪問(wèn)應(yīng)用程序的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，包括免提訪問(wèn)控制，其中誘使系統(tǒng)認(rèn)為授權(quán)用戶在他們不在附近時(shí)可以觸發(fā)鎖在不應(yīng)該打開時(shí)打開。
在測(cè)試 4a 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)攻擊者可以將 UWB ToF 計(jì)算的測(cè)量距離減少多達(dá) 140 米，概率高于 99%。
該漏洞與 IEEE 802.15.4a 版本的物理層或 PHY 有關(guān)。對(duì)這一漏洞的擔(dān)憂是促使修訂 UWB 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的部分原因，該標(biāo)準(zhǔn)稱為 IEEE 802.15.4z，該標(biāo)準(zhǔn)已接近完成。
提高超寬帶的安全性
IEEE 802.15.4z HRP UWB PHY 將加擾時(shí)間戳 (STS) 字段添加到數(shù)據(jù)包中。
這個(gè)想法是通過(guò)向 PHY 數(shù)據(jù)包添加加密密鑰和數(shù)字隨機(jī)性來(lái)防止與 ToF 相關(guān)的數(shù)據(jù)可訪問(wèn)或可預(yù)測(cè)，這有助于對(duì)抗各種外部攻擊，包括上面提到的那些使用原始 UWB PHY 的確定性和可預(yù)測(cè)性來(lái)操縱距離讀數(shù)的攻擊，更新后的方法提供了針對(duì)蠻力攻擊的最佳保護(hù)，該攻擊還旨在操縱距離測(cè)量。
STS 字段由一組偽隨機(jī)二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK) 調(diào)制脈沖組成， BPSK 調(diào)制序列的偽隨機(jī)性由密碼安全的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確保，由于序列的偽隨機(jī)性，沒(méi)有周期性，因此允許接收器產(chǎn)生可靠、高度準(zhǔn)確和無(wú)偽影的信道延遲估計(jì)。
為了對(duì) STS 進(jìn)行有效解碼，接收器需要在接收開始之前在本地獲得序列的副本，滿足這一要求是更高層 STS 種子管理的責(zé)任，這種管理現(xiàn)在屬于其他建立在 IEEE 規(guī)范之上的行業(yè)組織的范圍內(nèi)。
IEEE 802.15.4z 修正案為傳統(tǒng) UWB 無(wú)線電的所有已知攻擊增加了 PHY 級(jí)保護(hù)，從安全角度來(lái)看，UWB 更加穩(wěn)健，更不易受到攻擊。
