UWB提供安全的免鑰匙存取功能

作者 : Paddy McWilliams,CEVA連線業務部門產品行銷總監

UWB進入市場已有十年以上,如今終於找到立足點,並且因為安全的遠端存取與其他應用技術而快速成長。這項技術足以精準判斷距離至幾公分內的能力,使其成為車用免鑰匙進入系統的首選技術...

過去曾經認為「超寬頻」(ultra-wideband;UWB)是一種從未真正成功的通訊技術,直到蘋果(Apple)採用這項技術,情況才有所轉變。高階的Apple和三星(Samsung)手機現已內建這項技術,其他手機也紛紛效仿,不僅讓該技術獲得品牌信譽度,也因為這些手機平台而迎來更大的市場份額。

什麼事情改變了呢?最重要的一點,是因為免鑰匙進入應用的安全顧慮升高,尤其是對我們自身的車輛更是如此。

藍牙常用於免鑰匙進入系統,缺點是容易受到「中間人攻擊」(man-in-the-middle;MITM)。藍牙的用途是讓車輛只在遙控鑰匙在附近時才能解鎖車門。然而,如同之前發生過的真實案例,攻擊者可以趁您睡覺時,利用繼電器盒來增強遙控鑰匙從屋內傳來的低藍牙訊號,藉此欺騙車輛遙控鑰匙就在附近。

與藍牙、Wi-Fi及其他技術的幾公尺距離相比,UWB可以更精確地測量遙控鑰匙的距離,這是一道稱為「測距」(ranging)的程序,其精準程度可至數公分距離。此外,它的實體層(PHY)本身即具備強大的安全性,使其不必像藍牙遙控鑰匙一樣擔心「中間人」攻擊。

UWB基礎知識

UWB約在15年前引進,作為802.15.4a標準的一部份,但尚未真正在市場上取得成功。由於其測距能力精準且安全性強大,近期迎來爆炸性的銷售成長。根據ABI Research預測,在2025年之前,每年出貨量將接近10億台裝置。最新一代規格為802.15.4z,由熱門企業組織FiRa聯盟(FiRa Consortium)和國際汽車連線聯盟(Car Connectivity Consortium,CCC)開發出許多使用案例,其中國際汽車連線聯盟主要聚焦於安全數位金鑰,而FiRa則負責解決更通用的安全精密測距和定位應用。

與透過相對窄頻運作的多數無線電標準不同,UWB在每個頻道上使用約500MHz的頻寬。頻率可能介於3.1和10.6GHz之間,不過UWB通常在6-8.5GHz 之間運作。它僅用極低的功率訊號,因此若從Wi-Fi、藍牙及其他標準來看,其傳輸處於雜訊底層(noise floor)之下(1)。因此,UWB可在未授權且不中斷其他通訊的情況下運作,提供從110kbps到高達31.2Mbps的低延遲資料傳輸。

1UWB極低的功率頻譜密度,能夠有效率地使用已分配給其他無線技術的頻譜。

為了精確測距,這項技術會使用2ns持續時間的短脈衝。如2所示,飛行時間測量(ToF)將提供發起器與回應器裝置之間的距離預估。如果使用多支天線,發起器也可以使用到達角度(Angle of Arrival)處理來估計回應器的角度或方向。

2UWB利用飛行時間測量,精確判斷兩個裝置之間的距離。

UWB、藍牙和BLE

UWB和藍牙都是免授權運作的短距離無線標準,因此兩者的目標市場可能顯著重疊。這件事雖然沒錯,但它們各自的強項仍有截長補短之效。UWB擁有較佳的實際範圍精準度,但藍牙低功耗(BLE)則耗用較少功率。

一項常見作法是同時使用這兩種方法:BLE提供長時間低功率,但測距較不準確。然而,一旦使用者來到特定的距離範圍內時,BLE將無縫移交給UWB,以便進行安全且「精密」的測距存取驗證。這個組合方法已獲FiRa聯盟和國際汽車連線聯盟(CCC)採用。

與此同時,BLE正致力於縮減技術落差,例如改善高精確度的距離測量(high-accuracy distance measurement;HADM)之成效等等。這兩項標準彼此競爭,而且背後都有來自智慧型手機大廠的支援。由於UWB在精準測距上擁有先發優勢,其或可在市場上存在好一段時間。

數位鑰匙

我們已經談及車用遙控鑰匙如何利用UWB技術為進入車輛提供便利性:無需從口袋或提包中取出遙控鑰匙,只要靠近車輛即可打開車門。UWB技術也可以利用無所不在的智慧型手機,進一步升級至無須依靠實體或遙控鑰匙。

由於越來越多手機搭載UWB技術,而且藍牙越來越普遍,對於許多人來說,這項無須仰賴實體或遙控鑰匙的技術已是蓄勢待發。

此外,為手機加入「數位鑰匙」的功能,除了無須隨身另攜鑰匙或遙控鑰匙,也帶來新的商機。您可以將朋友或家人驗證為受信任的使用者,即便您度假不在時也能讓他們使用您的車子。舉凡車輛租賃和共乘等商業活動也受益於使用者遠端驗證,可以進而打造新的服務或商業模式。

更多UWB應用

對於車輛、住家、飯店房間來說,安全性高的免鑰匙進入可說是重要的應用,但這項技術還能在哪些地方發揮效用呢?工業即時定位系統(Industrial real-time location systems;RTLS)也可以應用此一技術,原因在於UWB的公分級準確度可與其他許多RTLS機制相輔相成。室內導覽是另一種應用:對於廣告商和消費者來說,在當地超市運用手機取得公分級的準確度,堪稱是很吸引人的使用案例。

除了導覽與「尋找我的物品」(例如Apple的AirTag)等應用,UWB精確測距所啟用的空間感知,也為使用者創造與其裝置互動的新商機。與其用手機費時地搜尋/選擇/配對藍牙小工具,不如想像一下,只要將手機指向裝置,即可取得其控制權。

另一個使用案例是當您在屋內走動時,可以順暢地在各個裝置之間轉移音樂,無論是耳機或各房間內的揚聲器皆沒有問題。以脈衝為基礎的UWB技術,在不少手勢/在場狀態的雷達應用上也獲得越來越多關注,目前有數家筆記型電腦大廠正在探索相關應用。

另一項前景看好的應用是行動付款:恩智浦半導體(NX)已經透過NTT Docomo和Sony證明以UWB為基礎的行動付款可行。目前的感應付款方式(例如Apple Pay)雖然普遍使用NFC,但其中不無漏洞和限制。這或許是Apple何以對UWB抱持濃厚興趣的另一項原因:Apple認為感應式付款是推動他們未來營收成長的一大服務。只要Apple採用UWB作為非接觸式付款方式,其他使用行動支付的人一定會立刻轉用此一付款機制。

UWB還有個不為人知的強項是低延遲,這表示它與遊戲和虛擬實境(VR)等音訊應用相當切合。它也適用於極高品質的音訊串流,譬如智慧型揚聲器。

互補技術

如前所述,UWB和BLE正逐漸侵入彼此的地盤,音訊是其中一個典型範例。對一般使用者而言,良性競爭能促進創新並節省成本,但對OEM和產品製造商來說呢?

最安全的方法無非是同時納入UWB和BLE這兩種選項。UWB某些應用上具有令人信服的優勢,而BLE則已有穩固基礎,並在其他領域具有關鍵優勢。您聽到的大部份內容都會暗示這兩種解決方案彼此互補,應該一起使用。

有鑑於此,像是CEVA這種擁有RivieraWaves藍牙與Wi-Fi IP產品組合的公司,現已新增對UWB的支援。如此一來,客戶即可擁有足夠的靈活度來因應未來的產品發展藍圖,無論他們選擇採用哪一條路徑皆可順暢前行。透過單一供應商提供多種無線技術,整合過程更快速、更簡單,進而降低開發與上市時程的風險。

RivieraWaves UWB平台包含功率最佳化的硬體PHY,以及用途廣泛且低延遲的硬體和軟體MAC層。當MAC層軟體與其他的連線工作負載或模式(例如方向尋找、定位或雷達)一起部署時,可在CEVA DSP裝置上執行。除此之外,它可以作為商用ARM和RISC-V MCU上的獨立UWB MAC使用。靈活度高的無線電介面可讓RivieraWaves UWB平台部署客戶自己的RF技術,或是搭配CEVA合作夥伴的RF解決方案。

結論

UWB進入市場已有十年以上,如今終於找到立足點,並且因為安全的遠端存取與其他應用技術而快速成長。這項技術足以精準判斷距離至幾公分內的能力,使其成為車用免鑰匙進入系統的首選技術。

智慧型手機大廠(尤其是Apple)廣泛採用UWB的事實,很可能推動UWB在不久的將來成為真正的主流。目前來說,OEM和產品設計廠商可透過支援UWB和BLE等多種技術,快速因應任何市場變化或全新的殺手級應用程式,將風險降至最低。CEVA等廠商提供用途廣泛的平台,其多功能性可以讓這項做法在實務上變得足以負擔。

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