CN111432402B - 用于安全访问的rf通信 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于安全访问的RF通信。一种超宽带(UWB)无线通信装置(4，5)，所述通信装置(4，5)包括：扫描电路，所述扫描电路被配置成扫描由所述通信装置(4，5)支持的至少一个信道以检测UWB帧格式的多个模式；排序电路，所述排序电路被配置成根据预定义质量参数对模式列表中的所述多个模式进行排序；选择电路，所述选择电路被配置成选择所述列表中的所述模式中的至少一个模式以开始超宽带(UWB)无线通信。

Description

用于安全访问的RF通信
技术领域
本公开涉及一种RF(射频)通信系统，如用于提供对车辆的安全访问的系统。本公开描述了如何通过扫描可用的RF空间检测最佳参数来减少影响传输质量的干扰以及如何在通信双方之间交换这些参数。
背景技术
对于无钥匙进入系统，使用RF测距子系统。如今，无钥匙进入系统依赖于接收信号强度指示(RSSI)来估计遥控钥匙距汽车的距离。攻击者可以通过使用放大器中继遥控钥匙信号来执行所谓的中继攻击，因此这种攻击在汽车附近出现。
一些RF测距系统采用飞行时间原理来确定两个物体或物体上的标记之间的距离。通常，收发器的启动器发出被物体反射或被第二个收发器(响应器)重新发射的波形(通常为线性调频或脉冲)。基于反射或重新发射到达原始收发器的启动器所花费的时间量，可以计算出物体之间的距离。
响应器与启动器之间的距离将被用作控制点，以使能够访问车辆(例如，可以仅在距车辆本身预定义的距离内实现对车辆的访问)。
具体地，可以使用基于超宽带(UWB)的测距。基于UWB的测距的当前标准帧格式在标准IEEE 802.15.4-2015HRP PHY中定义，并且可以在图5中看到。
每个帧100由用于同步的前导101、物理层报头(PHR)102和用于传输数据的有效载荷103组成。前导101进一步被分成同步符号(SYNC)和帧起始定界符(SFD)。前导符号具有实现轻松同步和对信道脉冲响应(CIR)的估计的特性。这通过多次重复相同的扩频序列来实现。
此帧通过信道(即通过选择用于传输UWB的14个信道的列表而选择的500MHz的频带)传输。
标准IEEE 802.15.4-2015HRP PHY中所定义的符合标准的SYNC由一定数量的连续传输的前导符号(例如，16个、64个、1024个或4096个符号)构成。如标准中提到的，单个前导符号使用某个三进制扩频序列构建，所述三进制扩频序列取自三进制字母表(-1，0，1)中的一组可用序列。在SYNC传输期间，前导符号不变。这允许响应器检索定时信息并获得信道估计。
系统的性能将受到随着RF信号从启动器行进到响应器而降级的程度的限制。两种常见的降级机制是由于无线电信道引起的衰减和反射，但其它机制包括来自其它(无线电)系统的干扰。
实际上，SYNC信号只能从有限数量中选择(即使所述数量通过如美国9485609中所述的脉冲频率控制而增加)。这意味着在存在大量启动器的环境中，例如停车场，存在多个启动器使用相同同步模式并互相干扰的风险。
而且，如果由多个装置使用相同的同步模式，则这些装置中的每个装置将需要执行另外的步骤以过滤消息，从而增加电流消耗。为了使RF响应器与启动器同步，在其它任务中其检测接收到的信号(即SYNC信号)中的已知标记的位置。
因此，期望通过优化不同500MHz频带(信道)上的SYNC模式(或其它模式，如SFD)的分配来定义用于安全访问的经过改进的RF测距系统，以使多用户信道容量最大化。
发明内容
本公开的目的可以为提供一种用于通过高效且安全的测距技术提供对车辆的安全访问的超宽带无线通信装置、系统和方法。
为了实现上述目的，提供了根据独立权利要求所述的超宽带(UWB)无线通信装置、系统和方法。从属权利要求描述了各个实施例。
根据第一方面，提供了一种超宽带(UWB)无线通信装置，所述通信装置包括：
扫描电路，所述扫描电路被配置成扫描由所述通信装置支持的至少一个信道以检测UWB帧格式的多个模式；
排序电路，所述排序电路被配置成根据预定义质量参数对模式列表中的多个模式进行排序；
选择电路，所述选择电路被配置成选择所述列表中的所述模式中的至少一个模式以开始超宽带(UWB)无线通信。
所述多个模式可以是多个SYNC模式或多个SFD模式中的一个。
根据本公开的第二方面，提供了一种超宽带(UWB)无线通信系统，所述UWB无线通信系统包括启动器装置和响应器装置，其中所述启动器装置和所述响应器装置中的至少一个是如上定义的通信装置。
根据一个或多个实施例，所述启动器装置和所述响应器装置中的一个可以是遥控钥匙或智能电话，并且所述启动器装置和所述响应器装置中的另一个可以安装在车辆上。
根据本公开的第三方面，提供了一种启动器装置与响应器装置之间的超宽带(UWB)无线通信方法，其中所述方法包括以下步骤：
扫描由所述通信装置支持的至少一个信道以检测UWB帧格式的多个模式；
根据预定义质量参数对模式列表中的多个模式进行排序；
选择所述列表中的所述模式中的至少一个模式以开始超宽带(UWB)无线通信。
因此，用于测距会话的标准UWB帧的模式(例如，SYNC或SFD模式)可以不是静态的或不是由启动器从那些可用模式中随机选择的，而是可以通过扫描正在进行的UWB传输的可用SYNC(或SFD)模式、对列表中的模式进行排序并且然后确定最好用的SYNC(或SFD)模式来选择的。例如，作为最不容易受到干扰或在参考RF空间中使用最少的模式，“最佳模式”可以根据预定义质量参数来选择。此概念可以应用于任何系统，其中多个独立的响应器/启动器共享相同的RF空间，并且其中单独的通信链路(也称为带外信道)可以用于在启动器与响应器之间建立RF会话。
根据在启动器与响应器之间建立单个通信会话的实施例，选择所述列表顶部的模式。
带外(OOB)信号可以用于确保将其分配给预期的UWB启动器-响应器对(或在对称分配情况下，收发器对)并在其之间对齐。
根据一个或多个实施例，所述启动器可以开始与所选择的模式通信，并且如果在超时时间之后没有从所述响应器装置接收到应答，则所述模式选择变为所述列表中的下一模式。
根据应用要求以及启动器和响应器的能力，扫描可以通过使用相应的扫描电路由响应器或启动器执行或由两者执行。也可以提前执行，或者在短会话开始时执行，并且可能在会话期间定期更新。
根据应用要求以及启动器和响应器的能力，所述排序和选择步骤也可以通过使用相应的扫描电路由启动器或响应器执行或由两者执行。
可以在UWB启动器与响应器之间建立会话以交换密钥并就一些RF参数达成一致。此会话建立可能出现在如BLE或Wifi等OOB通信链路上。
根据实施例，通信会话在测距阶段很久之前建立，例如，连续地或定期地一天一次或一周一次。在那些实施例中，所述启动器(例如，遥控钥匙)可以从所述响应器接收信标信号，并开始所述测距阶段。
根据其它实施例，可以在所述测距阶段之前建立或刷新通信会话。在那些实施例中，所述启动器检测信标信号、连接到所述响应器并例如通过密钥交换和RF参数建立会话。
在一些替代性实施例中，所述启动器可以是通过共同定位的带外(OOB)无线电收发器发射信标信号的节点。
在一些替代性实施例中，在与来自附近的其它响应器的现有列表进行比较之后，对所述模式列表进行优化。
在一些替代性实施例中，在接收到所述信标信号之后，也在所述启动器中执行所述扫描所述多个模式并对所述多个模式进行排序的步骤以生成第二模式列表，所述方法包括通过移除未包括在所述第二模式列表中的模式来修改所述模式列表的另外步骤。
因此，通过上述优化技术，可以改进最好用的SYNC(或SFD)模式的质量参数。
根据下文将要描述的实施例的例子，本公开的上述方面和另外的方面是显而易见的，并且参考实施例的例子对这些方面进行了解释。下文将参考实施例的例子更详细地描述本公开，但是本公开不限于此。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施例的UWB通信系统的示意图；
图2示出了根据本公开的实施例的UWB通信系统的框图；
图3示出了根据本公开的实施例的UWB通信方法的第一实施例的框图；
图4示出了根据本公开的实施例的UWB通信方法的第二实施例的框图；
图5示出了基于UWB的测距的标准帧格式。
具体实施方式
图1示出了包括启动器4装置和响应器5装置的超宽带(UWB)无线通信系统1。
启动器装置可以集成在遥控钥匙中。
根据其它实施例，启动器装置集成在智能电话或其它类似的便携式装置中。
响应器5可以包括在车辆中。
根据其它实施例，响应器装置集成在有待通过遥控钥匙或智能电话或其它类似的便携式装置访问的空间或房间中。
基于飞行时间确定在启动器与响应器之间执行测距会话。在基于往返的飞行时间测距中，启动器与响应器之间的往返距离可以被计算为以下公式的结果：(ttof-tproc)*c/2，
其中ttof是启动器与响应器之间的总飞行时间，tproc是处理时间，并且c是光速。
可以使用多方测距，也就是说，一方将其自己的测量结果传送到另一方。而且，一方可能以多个UWB节点为特征，以允许通过确保一个或若干个节点将始终与遥控钥匙或智能电话或其它类似的便携式装置具有直接视线来实现更好定位。
参考图2的框图，启动器4和响应器5中的每一个包括：
相应的扫描电路41、51，所述相应的扫描电路41、51被配置成分别扫描由启动器4或响应器5支持的至少一个信道以检测UWB帧格式的多个模式；
相应的排序电路42、52，所述相应的排序电路42、52被配置成根据预定义质量参数对模式列表中的多个模式进行排序；
相应的选择电路43、53，所述相应的选择电路43、53被配置成选择列表中的所述模式中的至少一个模式以开始超宽带(UWB)无线通信。根据其它实施例，扫描电路41、51、排序电路42、52和选择电路43、53中的任一个仅设置在启动器4或响应器5中。
启动器4或响应器5中的每一个都包括相应的RF收发器44、54，所述相应的RF收发器44、54可以用于执行彼此的超宽带(UWB)通信。
启动器4装置与响应器5装置之间的通信可以根据下面描述并在图3中表示的方法来执行。
在通信方法的此实施例中，启动器4装置是遥控钥匙，并且响应器5包括在汽车中。
在通信方法的第一步骤11中，遥控钥匙4被由响应器5接收到的信标信号唤醒，并启动与响应器5的通信会话。带外(OOB)信号用于确保通信会话分配到启动器4和响应器5并在其之间对齐。
根据其它实施例，除了唤醒启动器之外，信标信号(例如，蓝牙低功耗(BLE)信号或LF/UHF信号)还用于传输有限数量的另外信息。
在通信方法的第二步骤12中，响应器5扫描由响应器5支持的RF空间的信道以检测多个可用的SYNC模式。可替换的是，或者除了SYNC模式之外，执行扫描步骤12来扫描RF空间的通道，以检测多个可用的SFD模式。扫描顺序可以被优化以覆盖最受欢迎的信道和SYNC模式。第二步骤12可以使用响应器5的扫描电路51来执行。
选择足够长的扫描长度，以确保其覆盖最常见的一个或多个测距速率的整个周期。
扫描完成后，根据基于模式预定质量评估的顺序，对SYNC模式的列表进行编译。将多个模式从最不容易受到干扰到最容易受到干扰进行排序，即从最少使用到最多使用进行排序。SYNC模式列表可以使用启动器4的排序电路42或响应器5的排序电路52来编译。
在其它实施例中，其它预定质量参数可以用于对SYNC模式进行排序。
在通信方法的第三步骤13中，选择列表中的所述模式中的至少一个模式用于启动器4与响应器5之间的超宽带(UWB)通信。在协商有待使用的模式期间，响应器5使用模式列表与遥控钥匙4就有待使用的模式达成一致。第三步骤13可以使用启动器4的选择电路43或响应器5的选择电路53来执行。
根据在启动器与响应器之间建立单个通信会话的实施例，选择所述列表顶部的模式。
可以从列表中随机选择有待使用的其它模式，以防止在并行启动多个会话时，所有会话都选择同一模式。在一个或多个实施例中，在启动器4与响应器5之间的通信中约定了多于一种模式。
根据实施例，所述选择可以基于由启动器(例如，遥控钥匙)支持的模式的有限子集。
在启动器4与响应器5之间的通信中约定了一个或多个模式之后，启动器4以约定的一个或多个模式开始UWB传输。
在通信方法的第四步骤14中，启动器4等待从响应器5接收应答，直到超时时间到期为止。如果在超时时间之后没有从响应器5接收到应答，则通信方法继续到第五步骤15，其中启动器4切换到列表的下一模式以继续通信。响应器5也切换到列表的下一模式。可替换的是，响应器可以采用多个并行侦听会话，每个模式一个会话。可以重复第四步骤14和第五步骤15，直到建立通信，即直到启动器4从响应器5接收到应答为止。
在启动器4与响应器5之间的通信期间，由于上述对有待使用的一个或多个SYNC(和/或SFD)模式的选择，因此以改进的可靠性水平执行基于飞行时间确定的多个测距周期。因此，对汽车的访问也以改进的安全水平执行。
启动器4装置与响应器5装置之间的通信可以根据下面描述并在图4中表示的方法的另一个实施例来执行。
在通信方法的此实施例中，启动器4装置是智能电话，并且启动器5包括在汽车中。
在通信方法的第一步骤21中，通过密钥交换启动汽车与移动电话之间的通信会话，这可能在执行测距会话以安全访问汽车之前长达几个小时。
在通信方法的第二步骤22中，对于多个可用的SYNC模式，响应器5扫描由响应器5支持的RF空间的信道。可替换的是，或者除了SYNC模式之外，执行扫描步骤12来扫描RF空间的针对多个可用的SFD模式的信道。扫描顺序可以被优化以覆盖最受欢迎的信道和SYNC模式。第二步骤22可以使用响应器5的扫描电路51来执行。
选择足够长的扫描长度，以确保其覆盖最常见的一个或多个测距速率的整个周期。
扫描完成后，根据基于模式预定质量评估的顺序，对SYNC模式的列表进行编译。SYNC模式列表可以使用启动器4的排序电路42或响应器5的排序电路52来编译。将多个模式从最不容易受到干扰到最容易受到干扰进行排序，即从最少使用到最多使用进行排序。
在其它实施例中，其它预定质量参数可以用于对SYNC模式进行排序。
可以使用多个锚点进行扫描；在这种情况下，响应器5保持来自所述锚点中的每个锚点的列表的交集。
根据实施例，响应器5获取其它附近汽车的响应器的列表，以优化其自己的列表。
在通信方法的第三步骤23中，启动器4被由响应器5接收到的信标信号唤醒，或通过如地理围栏或运动传感器等其它方式唤醒。所产生的SYNC(和/或SFD)模式列表通过带外(OOB)信号广播，确保其分配到启动器4和响应器5并在其之间对齐。此OOB信息可以与信标信号一起传输，或通过不同介质传输。
在通信方法的第四步骤24中，启动器4扫描其周围的不同信道，其支持检测多个可用的SYNC(和/或SFD)模式。第四步骤24可以使用启动器4的扫描电路41来执行。只有当启动器4(智能电话)的电池电量足够高时，才会执行这些操作。启动器4使用排序电路42模式和通过移除未包括在第二模式列表中的模式修改由响应器5接收到的模式列表而获得的最终列表对SYNC(和/或SFD)的第二列表进行编译。SYNC(和/或SFD)模式的最终列表作为由启动器4和响应器5分别编译的两个列表的交集的结果。当响应器(汽车)5在不同位置处，即其可能具有不同的RF空间视图时，启动器4的第二列表被编译。
来自另外的节点(即其它启动器和/或响应器)的信息可以用于重新布置最终列表中的模式。
在通信方法的第五步骤25中，选择最终列表中的所述模式中的至少一个模式用于启动器4与响应器5之间的超宽带(UWB)通信。在协商有待使用的模式期间，响应器5使用模式列表与启动器4就有待使用的模式达成一致。第五步骤25可以使用启动器4的选择电路43或响应器5的选择电路53来执行。
根据在启动器与响应器之间建立单个通信会话的实施例，选择所述列表顶部的模式。
可以从列表中随机选择有待使用的其它模式，以防止在并行启动多个会话时，所有会话都选择同一模式。可以在启动器4与响应器5之间的通信中约定多于一种模式。
根据实施例，所述选择可以基于由智能电话支持的模式的有限子集。
在启动器4与响应器5之间的通信中约定了一种或多种模式之后，启动器4以约定的一种或多种模式开始UWB传输。
在通信方法的第六步骤26中，启动器4等待从响应器5接收应答，直到超时时间到期为止。如果在超时时间之后没有从响应器5接收到应答，则通信方法继续到第七步骤27，其中启动器4切换到列表的下一模式以继续通信。响应器5也切换到列表的下一模式。可替换的是，响应器可以采用多个并行侦听会话，每个模式一个会话。可以重复第六步骤26和第七步骤27，直到建立通信，即直到启动器4从响应器5接收到应答为止。
类似于上述第一实施例，在启动器4与响应器5之间的通信期间，由于上述对有待使用的SYNC(和/或SFD)模式的选择，因此以改进的可靠性水平执行基于飞行时间确定的测距会话。因此，对汽车的访问也以改进的安全水平执行。
在此说明书中，已经就所选一组细节呈现了示例实施例。然而，本领域普通技术人员应理解，可以实践包括不同的所选一组这些细节的许多其它示例实施例。以下权利要求旨在涵盖所有可能的示例实施例。
附图标记：
1： 通信系统；
4： 启动器(遥控钥匙、智能电话)；
5： 响应器(汽车)；
11、12、13、14、15 通信方法的第一实施例的步骤；
21、22、23、24、25、26、27 通信方法的第二实施例的步骤；
41、51： 扫描电路；
42、52： 排序电路；
43、53： 选择电路；
100 标准UWB帧；
101 用于同步的前导；
102 物理层报头(PHR)；
103 用于传输数据的有效载荷。

Claims (9)

1.一种超宽带(UWB)无线通信装置(4，5)，其特征在于，所述通信装置(4，5)包括：
扫描电路(41，51)，所述扫描电路(41，51)被配置成扫描由所述通信装置(4，5)支持的至少一个信道以检测UWB帧格式的多个模式；
排序电路(42，52)，所述排序电路(42，52)被配置成根据预定义质量参数对模式列表中的所述多个模式进行排序；
选择电路(43，53)，所述选择电路(43，53)被配置成选择所述列表中的所述模式中的至少一个模式以开始超宽带(UWB)无线通信，
其中，所述多个模式是多个SYNC模式或多个SFD模式中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的超宽带(UWB)无线通信装置(4，5)，其特征在于，所述排序电路(42，52)被配置成将所述多个模式从最不容易受到干扰到最容易受到干扰进行排序。
3.一种超宽带(UWB)无线通信系统(1)，其特征在于，所述UWB无线通信系统(1)包括启动器(4)装置和响应器(5)装置，其中所述启动器(4)装置和所述响应器(5)装置中的至少一个是根据权利要求1到2中任一项所述的无线通信装置(4，5)。
4.根据权利要求3所述的超宽带(UWB)无线通信系统(1)，其特征在于，所述启动器(4)装置被配置成使用所述列表的模式执行与所述响应器(5)装置的UWB无线通信。
5.根据权利要求4所述的超宽带(UWB)无线通信系统(1)，其特征在于，如果在超时时间之后没有从所述响应器(5)装置接收到应答，则所述启动器(4)装置切换到所述列表的下一模式。
6.根据权利要求3到5中任一项所述的超宽带(UWB)无线通信系统(1)，其特征在于，所述无线通信包括用于计算所述启动器(4)装置与所述响应器(5)装置之间的距离的测距会话。
7.根据权利要求3或4所述的超宽带(UWB)无线通信系统(1)，其特征在于，所述启动器(4)装置和所述响应器(5)装置中的一个是遥控钥匙或智能电话，并且所述启动器(4)装置和所述响应器(5)装置中的另一个安装在车辆上。
8.一种启动器(4)装置与响应器(5)装置之间的超宽带(UWB)无线通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
扫描由通信装置(4，5)支持的至少一个信道以检测UWB帧格式的多个模式；
根据预定义质量参数对模式列表中的所述多个模式进行排序；
选择所述列表中的所述模式中的至少一个模式以开始超宽带(UWB)无线通信。
9.根据权利要求8所述的超宽带(UWB)无线通信方法，其特征在于，在所述选择所述列表中的所述模式中的一个模式来开始超宽带(UWB)无线通信的步骤之后，如果在超时时间之后没有从所述响应器(5)装置接收到应答，则所述选择变为所述列表中的下一模式，
其中，所述多个模式是多个SYNC模式或多个SFD模式中的至少一个。
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