了解飛行時間
基于恒定的光速，飛行時間 (ToF) 計算使用信號傳播時間來確定距離。圖 1 基本說明了 ToF 計算如何在配備 UWB 的任何兩個設(shè)備（例如汽車和遙控鑰匙）之間進行。
如何計算超寬帶飛行時間如下圖：
為了計算 ToF，我們測量了信號從 Initiator 到 Responder 再回到 Initiator 的往返時間，然后，我們減去 Responder 中的已知處理時間并將其除以 2，得到僅在一個方向上的 ToF 傳播時間，為了確定兩個設(shè)備之間的距離，ToF 乘以光速。
由于 UWB 信號是如此獨特且易于接收，即使在多徑環(huán)境中，也更容易以高度確定性來準確識別脈沖何時離開和到達。
UWB 可以以極高的重復(fù)率準確跟蹤脈沖，因此即使在 10 厘米以內(nèi)的非常近的范圍內(nèi)也可以進行細粒度的 ToF 計算。
Wi-Fi 和藍牙標準也嘗試測量距離，但迄今為止的結(jié)果將 ToF 計算的準確性限制在 1 到 5 米之間。
另一個降低 Wi-Fi 和藍牙讀數(shù)準確性的因素是它們在多路徑環(huán)境中的性能，調(diào)制正弦波的多徑分量在測量 ToF 時會產(chǎn)生不準確的定時事件，只能以復(fù)雜的方式分離，這使得提供比1m更精確的測量非常困難。
需要注意的是，ToF 計算本身決定了距離，而不是方向，然而，ToF 圖通常繪制成圓形，因為 UWB 響應(yīng)信號還包含到達角 (AoA) 信息。
通過正確的天線設(shè)置和計算，AoA 可以確定該圓上非常準確的位置，即目標設(shè)備所在的角度。
在 AoA 陣列中的每個天線處，到達時間存在微小但可辨別的差異，因為接收到每個脈沖的測量相位，記錄每個信號的到達時間和相位，然后用于幾何計算，類似于三角測量，通過它可以準確地確定接收信號的角度。
這與 Wi-Fi 和藍牙相比具有顯著的優(yōu)勢，它們也可以與扇區(qū)天線陣列一起使用，但缺少某些時間元素并且在更長的波長 2.4GHz ISM 頻段上運行會產(chǎn)生不太準確的結(jié)果。
保護 TOF 計算
十多年前發(fā)布的原始 UWB 測距標準 802.15.4a 并沒有像今天發(fā)布那樣強調(diào)安全性。因此，基于 802.15.4a 版本的 ToF 計算可能容易受到距離操縱的影響。
如果一個人可以干擾時間戳或 ToF 計算的其他方面，那么他或她可以更改鄰近度計算，這是安全訪問應(yīng)用程序的一個嚴重問題，包括免提訪問控制，其中誘使系統(tǒng)認為授權(quán)用戶在他們不在附近時可以觸發(fā)鎖在不應(yīng)該打開時打開。
在測試 4a 標準時，研究人員發(fā)現(xiàn)攻擊者可以將 UWB ToF 計算的測量距離減少多達 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)。對這一漏洞的擔(dān)憂是促使修訂 UWB 標準開發(fā)的部分原因，該標準稱為 IEEE 802.15.4z，該標準已接近完成。
提高超寬帶的安全性
IEEE 802.15.4z HRP UWB PHY 將加擾時間戳 (STS) 字段添加到數(shù)據(jù)包中。
這個想法是通過向 PHY 數(shù)據(jù)包添加加密密鑰和數(shù)字隨機性來防止與 ToF 相關(guān)的數(shù)據(jù)可訪問或可預(yù)測，這有助于對抗各種外部攻擊，包括上面提到的那些使用原始 UWB PHY 的確定性和可預(yù)測性來操縱距離讀數(shù)的攻擊，更新后的方法提供了針對蠻力攻擊的最佳保護，該攻擊還旨在操縱距離測量。
STS 字段由一組偽隨機二進制相移鍵控 (BPSK) 調(diào)制脈沖組成， BPSK 調(diào)制序列的偽隨機性由密碼安全的偽隨機數(shù)發(fā)生器確保，由于序列的偽隨機性，沒有周期性，因此允許接收器產(chǎn)生可靠、高度準確和無偽影的信道延遲估計。
為了對 STS 進行有效解碼，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 無線電的所有已知攻擊增加了 PHY 級保護，從安全角度來看，UWB 更加穩(wěn)健，更不易受到攻擊。
