CN117098132A - 使用特征正交啁啾针对多用户测距系统进行的安全增强 - Google Patents

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Abstract

本文所描述的技术涉及使用特征正交啁啾针对多用户测距系统进行的安全增强，其将特征频率调制引入未调制脉冲信号作为频率啁啾以增强多载波型基于相位的测距信号的安全性。啁啾的特性可以由测距应用的引发器和期望的反射器相互已知。啁啾的特性可以在多载波信号之间变化以阻止窃听者预测啁啾的任何尝试。在一个方面，可以由两个授权装置基于共享安全密钥使用加密算法例如高级加密标准(AES)针对测距周期的每个时隙来计算啁啾的特性。AES的每个调用可以基于共享安全密钥和每时隙递增的时变初始化向量来生成一个或更多个伪随机数。可以提取伪随机数的字段以确定与时隙相关联的啁啾的特性。

Description

使用特征正交啁啾针对多用户测距系统进行的安全增强
技术领域
本公开内容总体上涉及使用无线信号进行定位和测距的技术，并且更具体地，涉及用于使用窄带无线电例如蓝牙技术为定位和测距应用提供亚米精度和安全距离测量的安全的基于相位的技术。
背景技术
测距和定位应用例如安全进入、室内定位、资产跟踪等日益依赖于窄带无线电例如蓝牙低功耗(BLE)或IEEE 802.15.4的使用以提供亚米精度和安全距离测量。例如，使用短程BLE技术进行无线通信的智能标签、智能手机、智能设备、物联网(IoT)可以使用BLE无线电来执行对其他装置的测距和定位。在一种这样的技术中，两个装置可以通过交换未调制脉冲(unmodulated pulse)(在文献中还被称为“固定频率”)并测量所述未调制脉冲之间的信号相移量来计算所述两个装置的范围(range)(还被称为距离)。为了减轻多径衰落，两个装置可以测量多个频率上的相移以实现可接受的精度。然而，使用未调制脉冲的基于相位的测距解决方案容易受到相位操纵攻击的影响。例如，中间人(man-in-the-middle，MITM)攻击者可以旋转其发射的未调制脉冲的相位以有意引入相移来操纵接收装置测量的距离。接收装置可以改变脉冲长度或随机化未调制脉冲的信道以增强安全性，但是这些对抗措施针对MITM攻击可能仍然不够安全。期望提高基于相位的测距解决方案的安全性。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种由无线装置进行操作的方法，包括：定对应于多个时隙的多个频率啁啾和多个信道频率，所述多个频率啁啾具有所述无线装置和目标装置已知的特性；基于通过所述多个频率啁啾对与所述多个时隙对应的所述多个信道频率进行调制来确定对应于所述多个时隙的多个调频连续波FMCW信号；以及由所述无线装置向所述目标装置发射对应于所述多个时隙的所述多个FMCW信号。
根据本发明的一方面，提供了一种设备，包括：处理系统，其被配置成：确定对应于多个时隙的多个频率啁啾和多个信道频率，所述多个频率啁啾具有由所述设备已知和由目标装置已知的特性；以及基于通过所述多个频率啁啾对与所述多个时隙对应的所述多个信道频率进行调制来确定对应于所述多个时隙的多个调频连续波FMCW信号；以及收发器，其被配置成向所述目标装置发射对应于所述多个时隙的所述多个FMCW信号。
根据本发明的一方面，提供了一种系统，包括：引发器装置，其被配置成：基于所述引发器装置和反射器装置两者已知的共享密钥和时变初始化向量来确定与多个引发器发射时隙和多个反射器发射时隙对应的多个频率啁啾和多个信道频率；基于通过所述多个频率啁啾对所述多个信道频率进行调制来确定与所述多个引发器发射时隙或所述多个反射器发射时隙对应的多个调频连续波FMCW信号；向所述反射器装置发射对应于所述多个引发器发射时隙的所述多个FMCW信号；以及从所述反射器装置接收对应于所述多个反射器发射时隙的所述多个FMCW信号以估计到所述反射器装置的距离；并且所述反射器装置被配置成：基于所述共享密钥和所述时变初始化向量来确定与所述多个引发器发射时隙和所述多个反射器发射时隙对应的所述多个频率啁啾和所述多个信道频率；基于通过所述多个频率啁啾对所述多个信道频率进行调制来确定与所述多个引发器发射时隙或所述多个反射器发射时隙对应的所述多个FMCW信号；向所述引发器装置发射对应于所述多个反射器发射时隙的所述多个FMCW信号；以及从所述引发器装置接收对应于所述多个引发器发射时隙的所述多个FMCW信号以估计到所述引发器装置的距离。
附图说明
通过参照以下结合附图的描述，可以最好地理解所描述的实施方式及其优点。在不脱离所描述的实施方式的精神和范围的情况下，这些附图决不限制本领域技术人员可以对所描述的实施方式进行的形式上和细节上的任何改变。
图1是示出根据本公开内容的一个方面的发射装置发射未调制脉冲以供接收装置估计到发射装置的距离和相对方向的框图；
图2示出了根据本公开内容的一个方面的两个装置在多个信道上交换未调制脉冲信号并测量相移以供装置估计其相互范围；
图3示出了根据本公开内容的一个方面的基于引发器和反射器针对两个频率音调(frequency tone)(例如，信道)所测量的相位来估计到反射器的距离(还被称为测距)；
图4A示出了根据本公开内容的一个方面的基于相位的测距周期的两个时隙的时序，其中引发器和反射器在两个频率信道中交换未调制脉冲；
图4B示出了窃听者安装中间人(MITM)相位操纵攻击以操纵由引发器估计的范围；
图5示出了根据本公开内容的一个方面的引发器和反射器向基于相位的测距时隙的脉冲添加相互已知的变化的频率扫描(frequency sweep)或啁啾(chirp)以防止MITM攻击；
图6示出了根据本公开内容的一个方面的基于相位的测距时隙的单个频率啁啾特征示例的时域表示和频域表示，其中频率啁啾在啁啾持续时间内从任意起始频率线性地变化到任意结束频率；
图7示出了根据本公开内容的一个方面的在啁啾持续时间内呈现不同频率变化速率的若干示例啁啾的特征特性；
图8示出了根据本公开内容的一个方面的引发器与多个反射器交换正交啁啾以估计引发器与反射器中的每个反射器之间的范围；
图9示出了根据本公开内容的一个方面的作为在啁啾持续时间内呈现相同频率变化速率的特征的若干正交啁啾的特征特性；
图10示出了根据本公开内容的一个方面的在数字域中使用数字混频器或坐标旋转数字计算机(CORDIC)通过啁啾来调制中频作为用于基于相位的测距的信号的技术；
图11示出了根据本公开内容的一个方面的在接收用于基于相位的测距的经啁啾调制的脉冲信号时在数字域中使用数字混频器或CORDIC来从中频中去除啁啾的技术；
图12示出了根据本公开内容的一个方面的使用啁啾调制脉冲(chirp modulatedpulses)来实现基于相位的测距的收发器的功能框图；
图13示出了根据本公开内容的一个方面的用于操作装置以在测距周期的多个时隙中生成并发射啁啾调制脉冲以支持装置与目标装置之间的安全的多载波型基于相位的测距的方法的流程图。
具体实施方式
本文描述并且在附图中示出了本主题技术的各个方面和变型的示例。以下描述并非旨在将本发明限于这些实施方式，而是使本领域技术人员能够制造和使用本发明。
描述了使用蓝牙低功耗(BLE)、IEEE 802.15.4或其他短距离窄带无线电技术来提高高精度定位(high accuracy positioning，HAP)应用中所使用的基于相位的测距的安全性的系统和方法。HAP应用的一种实现方式使用还被称为多载波相位差(multi-carrierphase difference，MCPD)的安全的多载波型基于相位的测距来进行距离测量和定位，其中，在多个载波上测量两个装置之间的双向相位差。在基于相位的测距中，引发器和反射器这两个装置在不同的载波频率上交换多个未调制脉冲(unmodulated pulse，UP)以减轻多径衰落和干扰。引发器是发起测距的装置，并且反射器是响应引发器请求的装置。在使用基于相位的测距的应用中，引发器和反射器可以对彼此的UP执行相位测量。例如，引发器可以向反射器发射UP。作为响应，反射器可以向引发器发射回其自身的UP。在多次UP交换结束时，引发器和反射器可以交换其相位测量结果以估计引发器和反射器之间的范围(range)。在多载波型基于相位的测距操作中，可以在多个信道上重复测距和定位测量以减轻多径衰落。
使用已知模式的未调制脉冲的HAP应用易于受到入侵者例如中间人、相位操纵和相位翻转攻击的攻击。例如，攻击者可以拦截从引发器或反射器接收的UP，并且可以在其发射的UP中引入相移以操纵引发器或反射器估计的范围。为了增强安全性，装置可以采用对抗措施，例如在比无线电接入层更高的层中使用加密方案、改变UP的长度、随机化携带UP的信道等。然而，这些安全增强可能仍然不能赋予装置足够的抗复杂相位操纵攻击的免疫力。
本文描述的技术以频率正交啁啾(或简称为啁啾或调频连续波(frequencymodulated continuous wave，FMCW))的形式将特征频率调制引入到信号以增强基于相位的测距信号的安全性。啁啾的特性可以仅对所期望的引发器和反射器是已知的。啁啾的特性可以在多载波UP的信道之间或者在携带多载波UP的测距周期的时隙之间变化以阻止攻击者预测特征频率啁啾的任何尝试。在一个方面，可以由两个授权装置基于已知的共享安全密钥使用加密算法例如高级加密标准(AES)针对每个时隙来计算频率啁啾的特性。加密算法的每次调用可以基于共享安全密钥和每时隙递增的时变初始化向量来生成伪随机数。可以提取伪随机数的字段(fields)以确定与时隙相关联的啁啾的特性。
在一个方面，啁啾的特性可以包括从可能的频率扫描变化的范围中随机选择的起始频率扫描和结束频率扫描。可能的频率扫描变化的范围可能受到用于在装置中生成信道频率的晶体的频率误差的限制，或者受到被分配用于发射UP的信道带宽的限制。引发器或反射器可以通过将时隙的信道频率偏移起始频率扫描来确定该时隙的起始载波频率，并且可以通过将时隙的信道频率偏移结束频率扫描来确定该时隙的结束载波频率。装置可以从起始载波频率到结束载波频率线性地改变载波频率，同时在时隙的持续时间内保持在可能的频率扫描变化的范围的界限内。
在一个方面，引发器可以同时向两个以上装置中的HAP应用中的多个反射器发射多个UP信号，其中每个UP信号用个性化的正交特征频率啁啾进行了修改。引发器与特定反射器之间的啁啾的特性可以仅对其相互范围要被估计的一对引发器和反射器已知。从引发器发射到多个反射器的啁啾可以在时隙的持续时间内正交以最小化并发UP发射之间的干扰。反射器可以确定其啁啾的特性以接收仅用于该反射器的UP信号。在一个方面，除了针对每个时隙从可能的频率扫描变化的范围中随机选择的起始频率扫描和结束频率扫描之外，啁啾的特性还可以包括与所述多个反射器中的每个反射器随机关联的用户标识(UID)。引发器或反射器可以基于啁啾的特性来确定时隙的起始载波频率和结束载波频率。
图1是示出根据本公开内容的一个方面的发射装置发射未调制脉冲以供接收装置估计到发射装置的距离和相对方向的框图。发射装置120被示出为通过天线122在多个载波频率上发射未调制脉冲RF信号124。如将要描述的，未调制脉冲RF信号可以用正交频率啁啾来被修改以提供安全的基于相位的测距。接收装置110耦接至天线112以接收RF信号124来测量相位以估计到发射装置120的距离。在一个方面，接收装置可以具有多个天线以基于由不同接收路径同时获取的相位差来估计RF信号124的到达角(angle of arrival，AoA)，从而估计到发射装置120的相对方向。
发射装置120可以包括不仅发射RF信号而且接收RF信号的电路。反过来，接收装置110可以包括不仅接收RF信号而且发射RF信号的电路。基于相位的测距周期可以包括由两个装置用于在不同信道交换未调制脉冲以估计距离的多个时隙。每个时隙可以包括接收时间间隔和发射时间间隔，在接收时间间隔期间，装置从另一装置接收未调制脉冲信号以测量其相位，在发射时间间隔期间，第一装置发射未调制脉冲信号以供另一装置进行相位测量。在每个时隙中，无线装置和目标装置可以在与前一时隙或下一时隙不同的信道中交换未调制脉冲。
装置110和装置120可以作为无线个域网络(WPAN)、无线局域网(WLAN)或任何其他无线网络的一部分进行连接。由装置110和装置120支持的通信协议可以包括但不限于具有工业、科学和医疗(ISM)频带中的频率的蓝牙、ZigBee或Wi-Fi。在一个实施方式中，两个装置可以在整个2.4GHz ISM频带的80MHz上交换80个未调制脉冲信号。在一个实施方式中，ISM频带可以在毫米波频率例如60GHz频带上以增加可用于啁啾的信道带宽。
图2示出了根据本公开内容的一个方面的两个装置在多个信道上交换未调制脉冲并测量相移以供装置估计其相互范围。代表引发器的装置A开始与代表反射器的装置B的基于相位的测距周期。
每个测距周期可以划分为多个时隙。在每个周期开始时，在校准同步时隙(未示出)中，引发器和反射器可以同步它们的定时并测量它们的频率误差偏移。在装置时间同步并且测量频率误差偏移之后，可以调度装置以在周期中的后续时隙中执行UP交换。在每个时隙开始时，装置可以切换到将由装置用于在该时隙中执行UP交换的新的信道。
例如，在UP交换的第一时隙，引发器可以在第一信道f1上向反射器发射UP信号。反射器可以对接收到的UP信号执行相位(或I/Q)测量。相位测量可以取决于引发器与反射器之间的距离以及用于接收UP信号的反射器的本地振荡器(LO)与用于发射UP信号的引发器的LO之间的相位差。反射器可以测量到ΦRef的相位。在此之后，反射器可以在同一信道f1上向引发器发射回UP信号，使得引发器可以执行其相位测量。引发器可以在其接收到的UP信号上测量到ΦIni的相位。在测距周期结束时，反射器可以将其测量的相位ΦRef发射到引发器。引发器可以将其测量的相位ΦIni与反射器测量的相位ΦRef相加以生成Φ1，Φ1可以表示信道f1的UP信号在两次穿过引发器与反射器之间的距离之后所经历的相位差。
为了增强UP信号的安全性，使其不被可能发起相位操纵攻击的入侵者或窃听者拦截，信道f1上的UP信号可以在时隙上用仅引发器和反射器已知的啁啾进行偏移。反射器或引发器可以确定啁啾，从而其可以通过接收具有匹配的啁啾的UP信号来执行相位测量，同时在同一信道上拒绝入侵者发射的UP信号。
在第二时隙，引发器和反射器可以在第二信道f2上交换UP信号。反射器和引发器可以分别对信道f2上接收到的UP信号测量相位。反射器可以将其测量的相位发射到引发器以供引发器将其测量的相位与反射器测量的相位相加来生成Φ2，Φ2可以表示信道f2的UP信号在两次穿过引发器与反射器之间的距离之后所经历的相位差。类似地，在第三时隙，引发器和反射器可以在第三信道f3上交换UP信号。所得到的相位差Φ3可以表示信道f3的UP信号在两次穿过引发器与反射器之间的距离之后所经历的相位差。
可以分别在第二时隙和第三时隙上用频率啁啾对信道f2和信道f3上的UP信号进行偏移。测距周期的不同时隙的啁啾特性可以不同，以使攻击者难以预测啁啾。在一个方面，啁啾的特性可以由引发器和反射器基于已知的共享安全密钥使用加密算法来确定。引发器可以基于作为信道频率的函数的相位差Φ1、Φ2和Φ3的斜率来估计到反射器的范围。
图3示出了根据本公开内容的一个方面的引发器基于引发器和反射器针对两个频率音调(例如，信道)所测量的相位来估计到反射器的距离。
如所指示的，引发器与反射器之间的范围可以是作为信道频率的函数的相位差斜率的函数。Φ1可以表示信道f1的UP信号在两次穿过引发器与反射器之间的距离之后所经历的相位差，Φ2可以表示信道f2的UP信号在两次穿过引发器与反射器之间的距离之后所经历的相位差。通过取Φ1与Φ2之间的差值，可以通过下式来估计范围：
其中，r是范围(range)，c0是真空中的光速。范围模糊度(range ambiguity)可以等于c0/(2(f2-f1))，其是两个信道之间的频率差的函数。
可以基于从两个以上信道测量的相位差来扩展对范围的估计。例如，引发器和反射器可以在BLE标准中的2.4GHz ISM频带的80MHz带宽上使用37个2Mhz数据信道来交换37个未调制脉冲信号。通过对这些对(Φ1，Φ2)，(Φ2，Φ3)…(Φ36，Φ37)之间的差进行平均——其中Φk表示信道fk的UP信号在两次穿过引发器与反射器之间的距离之后所经历的相位差——可以通过下式来估计范围：
其中，f1表示信道1或最低信道频率，并且f37表示信道37或数据信道中的最高信道频率。因此，在不降低范围模糊度的情况下，带宽可以有效地增加37倍。因此，范围估计可以对相位误差较不敏感。
图4A示出了根据本公开内容的一个方面的基于相位的测距周期的两个时隙的时序，其中，引发器和反射器在两个频率信道中交换未调制脉冲。
在第一时隙开始时，引发器可以在信道频率f1上发射UP信号以供反射器执行相位测量。信道频率f1可以用仅引发器和反射器已知的频率啁啾进行偏移。反射器可以确定啁啾，从而其可以通过接收具有匹配的啁啾的UP信号来执行相位测量。在可以被指定为Tspace的同一时隙中的UP信号之间的间隔时间/空间之后，反射器可以在用频率啁啾偏移了的f1上发射UP信号以供引发器执行相位测量。相反，引发器可以确定接收到的UP信号上的啁啾以执行相位测量。在引发器与反射器之间交换的UP发射之间的频率啁啾的特性可以不同。可以将UP信号发射的持续时间指定为Td。
在从一个时隙的结束到下一个时隙的开始的间隔时间延迟/间隙(可以被指定为Tgap)之后，引发器和反射器可以在第二时隙中在用频率啁啾进行偏移的信道频率f2上交换UP信号以供反射器和引发器分别执行相位测量。第二时隙的频率啁啾可以与第一时隙的频率啁啾不同。同一装置从两个连续时隙进行的UP发射之间的时间延迟可以被认为是时隙的持续时间，即(Tspace+2Td+Tgap)。用于每个UP发射的啁啾的频率扫描的跨度可能受到用于生成频率啁啾的引发器和反射器的晶体的频率误差以及相位测量的时间的限制。晶体的频率误差通常以百万分之一(ppm)进行测量。引发器和反射器的晶体的ppm可能导致两个装置在UP发射持续时间Td上生成的频率啁啾的发散(divergence)以及两个装置进行的相位测量中的时序偏移，从而导致范围估计的误差。由于晶体的频率误差所引起的范围估计的误差可能对UP发射持续时间Td和Tspace比对Tgap更敏感。限制UP发射的啁啾的频率扫描的跨度可以减少范围估计的误差。
图4B示出了窃听者安装中间人(MITM)相位操纵攻击来操纵由引发器估计的范围。窃听者可以拦截来自引发器的未加密UP发射，并且可以在其发射的UP信号中引入相移。相移改变表示信道fk的UP信号在两次穿过引发器与窃听器之间的距离之后所经历的相位差Φk(见式1和式2)，因此使得窃听器能够操纵引发器估计的范围r。为了保护UP测距信号的安全性免受MITM攻击，如所描述的，UP信号可以用仅引发器和反射器已知的频率啁啾进行偏移。
图5示出了根据本公开内容的一个方面的引发器和反射器向基于相位的测距时隙的频率音调添加相互已知的变化的频率扫描或啁啾以防止MITM攻击。
在第一时隙开始时，引发器可以在用特征啁啾(signature chirp)进行偏移的信道频率f1上向反射器发射UP信号以供反射器执行相位测量。特征啁啾可以包括从频率扫描变化范围(a range of frequency sweep variation)中随机选择的起始频率扫描(starting frequency sweep)和结束频率扫描(end frequency sweep)。如所讨论的，频率扫描的跨度可能受到引发器和反射器中晶体的频率误差的限制，或者受到信道频率f1的带宽的限制。相反地，在第一时隙内，反射器可以在用与引发器发射的UP信号的特征啁啾不同的特征啁啾进行偏移的信道频率f1上发射UP信号。
图5示出了针对BLE的2.4GHz ISM频带的2MHz信道带宽，频率扫描变化的任意范围从-500kHz跨越到+500kHz。起始频率扫描和结束频率扫描的分辨率可以设置为10kHz，从而使得能够从1MHz的频率扫描变化范围中随机选择100个不同的起始频率扫描或100个不同的结束频率扫描。因此，具有唯一起始频率扫描和结束频率扫描的特征啁啾的数量可以是10,000。特征啁啾可以从UP发射到UP发射以及从时隙到时隙而变化，从而使得窃听者几乎不可能预测特征啁啾。在一个实施方式中，当在毫米波频率(例如，60GHz)下使用ISM频带的较大信道带宽进行操作时，频率扫描变化范围可以增加以允许甚至更大数量的唯一特征啁啾。
啁啾的持续时间可以等于时隙的每个UP发射的持续时间，其可以在10μs至100μs之间。在每个UP发射开始时，可以通过特征啁啾的选定的起始频率扫描对信道频率进行偏移。在每个UP发射结束时，可以通过特征啁啾的选定的结束频率对信道频率进行偏移。啁啾可以从起始频率扫描线性地变化到结束扫描，同时在脉冲发射的持续时间内保持在频率扫描变化范围的界限内。图5示出了针对从引发器到反射器的特征啁啾，在脉冲发射的持续时间内，频率扫描从选定的起始频率扫描线性地变化降至-500kHz，并且从-500kHz线性地变化直至达选定的结束频率扫描。针对从反射器到引发器的特征啁啾，在UP发射的持续时间内，频率扫描从选定的起始频率扫描线性地变化直至达+500kHz，并且从+500kHz线性地变化降至选定的结束频率扫描。在一些实施方式中，特征啁啾从起始频率扫描到结束频率扫描的频率扫描可以在UP发射的持续时间内非线性地变化。
图6示出了根据本公开内容的一个方面的基于相位的测距时隙的单频啁啾示例的时域表示和频域表示，其中，频率啁啾在啁啾持续时间内从任意的起始频率扫描线性地变化到任意的结束频率扫描。
在图6的频率啁啾中，被称为SF的起始频率扫描和被称为EF的结束频率扫描均设置为50Hz。SF和EF是从从0Hz到B Hz跨度的频率扫描变化范围中选择的。为了简单起见，已经将频率啁啾的持续时间归一化为1。时域表示示出了频率啁啾在啁啾持续时间的前半部分内从SF减小到0Hz并且在啁啾持续内的后半部分内从0Hz增加到EF的时序波形。时频域表示更清楚地示出了频率啁啾在啁啾持续时间内的线性变化，其中频率啁啾在啁啾持续时间的中间点处达到0Hz。
在一个方面，时域中的频率啁啾(可以被称为正交频率啁啾)的波形可以表示为：
其中，
起始频率扫描SF∈[0-B]；
结束频率扫描EF∈[0-B]；
用户IDΨ＝SF+EF；
T是啁啾持续时间；并且
是带宽；
UID可以从一个数值范围中随机选择以将甚至更多的可变性引入到正交频率啁啾。在一个方面，包括SF、EF、UID的正交频率啁啾的特性可以由引发器和反射器基于已知的共享安全密钥使用加密算法例如高级加密标准(AES)针对每个时隙或每个UP发射来计算。加密算法的每次调用可以基于共享安全密钥和每时隙递增的时变初始化向量来生成伪随机数。可以提取伪随机数的字段以确定与时隙或UP发射相关联的正交频率啁啾的特性。
例如，可以从[0:80]的范围中以分辨率10随机选择UID，从而得到8个可能的值；可以在间隔内从频率扫描变化范围例如[-250kHz，250kHz]中以10kHz分辨率随机选择SF和EF，从而各自得到51个可能的值。可以使用4个比特对UID进行编码；可以使用6个比特分别对SF和EF进行编码。AES加密算法可以在计数器(CTR)模式下运行，将引发器与反射器之间的共享密钥和初始化向量(IV)或“随机数(nonce)”作为其输入以生成128比特输出。IV或随机数与基于时隙号递增的计数器相结合。在每个时隙，引发器和反射器两者可以使用相同的IV和共享密钥来调用AES加密算法以生成128比特伪随机数，可以从该128比特伪随机数中选择16比特的块来确定UID、SF和EF。引发器和反射器在每个时隙中可以具有不同的啁啾特征。在一个实施方式中，引发器和反射器可以每4个时隙调用一次AES加密算法，该4个时隙包括引发器与反射器之间交换的8个UP发射。8个UP发射中的每个UP发射可以提取由AES生成的128比特伪随机数的不同的16比特子字段以确定频率啁啾的UID、SF和EF。
图7示出了根据本公开内容的一个方面的在啁啾持续时间内呈现不同频率变化率的若干啁啾的特征特性。
可以从从0到90kHz的频率扫描变化范围中以10kHz分辨率选择特征啁啾的SF和EF。可以将所有特征啁啾的UID设置为0。图7示出了针对特征啁啾1(701)，频率扫描在啁啾持续时间内从20kHz的SF线性地变化降至0，并且从0线性地变化直至达80kHz的EF；针对特征啁啾2(702)，频率扫描在啁啾持续时间内从30kHz的SF线性地变化降至0，并且从0线性地变化直至达90kHz的EF；针对特征啁啾3(703)，频率扫描在啁啾持续时间内从40kHz的SF线性地变化降至0，并且从0线性地变化直至达80kHz的EF；针对特征啁啾4(704)，频率扫描在啁啾持续时间内从90kHz的SF线性地变化降至0，并且从0线性地变化直至达20kHz的EF。注意，针对特征啁啾2(702)和特征啁啾3(703)，频率扫描的总跨度(式3中SF与EF的总和或Ψ)或带宽(Ψ/T)是相同的，从而产生两个特征啁啾的相同频率扫描速率。图7示出了频率扫描从SF降低到0，并且然后从0增加到EF。在一个实施方式中，频率扫描可以从SF增加到90kHz，并且然后从90kHz降低到EF。在一个实施方式中，可以针对每个UP发射随机地选择频率扫描的方向，作为使用加密算法例如AES确定的啁啾特性的一部分。
在一个方面，在两个以上装置之间的测距应用中，引发器可以同时向多个反射器发射多个信号，其中每个信号用个性化的特征频率啁啾进行了修改。引发器与特定反射器之间的啁啾的特性可以仅对要对其相互范围进行估计的一对已知。从引发器发射到多个反射器的啁啾可以在时隙的持续时间内正交以最小化多个信号之间的干扰。反射器可以确定其啁啾的特性以接收仅用于该反射器的信号。
图8示出了根据本公开内容的一个方面的引发器A与多个反射器B、C和D交换正交啁啾以分别估计引发器与多个反射器之间的范围r1、r2和r3。引发器A和反射器B、C和D可以在信道频率上交换信号以在测距周期的时隙期间执行相位测量。
在时隙的间隔T0(810)期间，引发器A可以从一组正交特征啁啾中选择特征啁啾同时向反射器B发射特征啁啾1(801)，向反射器C发射特征啁啾2(802)并且向反射器D发射特征啁啾3(803)。啁啾的特性在三个特征啁啾之间可以不同，使得三个特征啁啾在啁啾持续时间内正交。例如，特征啁啾1(801)、特征啁啾2(802)和特征啁啾3(803)的SF和EF可以不同。在一个实施方式中，三个特征啁啾的SF和EF可以相同，但是三个反射器的UID可以不同。针对每个反射器的正交频率啁啾的特性可以仅对该反射器和引发器A是相互已知的。每个反射器可以确定其啁啾的特性，从而其可以利用从引发器A接收到的匹配啁啾对UP信号执行相位测量。
在一个实施方式中，当使用AES加密算法来确定啁啾的特性时，多个反射器可以使用不同的共享密钥或初始化向量来生成不同的伪随机数输出。在一个实施方式中，多个反射器可以使用相同的共享密钥和初始化向量以从AES加密算法的每个调用生成相同的伪随机数，但是可以进一步处理伪随机数例如通过针对每个反射器生成唯一的UID来生成对于每个反射器唯一的正交频率啁啾的特性。
在间歇时间/空间(Tspace)之后，可以对来自反射器B、C和D的发射信号进行时间复用以使得引发器A能够执行其相互相位测量。例如，在时隙的间隔T1(811)期间，反射器B可以选择并发射从一组正交特征啁啾中选择的特征啁啾4(804)以供引发器A执行相位测量。在时隙的后续间隔T2(812)中，反射器C可以挑选并发射特征啁啾5(805)，并且在时隙的最后间隔T3(813)中，反射器D可以发射特征啁啾6(806)以供引发器A执行相位测量。因为三个特征啁啾由引发器A串行接收，所以特征啁啾4(804)、特征啁啾5(805)和特征啁啾6(806)的特性可以不同或相同。
图9示出了根据本公开内容的一个方面的在啁啾持续时间内呈现相同频率变化速率的若干正交啁啾的特征特性。所述多个啁啾是正交的，并且可以用于图7中所示出的多反射器测距应用。
在图9中，多个特征啁啾的SF和EF可以相同，但是多个啁啾的UID可以不同。例如，多个啁啾的UID可以在分辨率为10的0到50的范围内。多个啁啾的啁啾持续时间开始时的频率扫描和啁啾持续时间结束时的频率扫频可以由于不同的UID而交错。然而，针对多个啁啾，频率扫描的总跨度s((SF+EF)或Ψ)或带宽(Ψ/T)是相同的。
图10示出了根据本公开内容的一个方面的在数字域中使用数字混频器1001或坐标旋转数字计算机(CORDIC)1005通过啁啾来调制中频作为用于基于相位的测距的信号的技术。图10可以通过引发器或反射器来实现。
数字混频器1001可以将数字IQ信号1003与数字频移1005进行混频。例如，数字IQ信号1003可以表示在IF频率FIF上的信号。数字频移1005可以表示啁啾的变化的频率扫描(偏移)Fchirp。在一个实施方式中，Fchirp可以是图5至图9的特征啁啾。数字混频器1001可以将在FIF上的数字IQ信号1003乘以以正交IQ格式表示的Fchirp的数字频移1005以生成偏移数字IQ信号1007。偏移数字IQ信号1007可以在IF频率(FIF+Fchirp)上。
RF粗略频率补偿电路可以使用RF域中的RF混频器1011利用从锁相环(PLL)生成的LO信号1009来对已经被转换为模拟信号的偏移数字IQ信号1007进行升频转换。LO信号1009可以在(Fc-FIF)上，其中Fc表示用于承载UP信号的信道的中心频率。来自RF混频器1011的输出可以在RF频率(Fc-FIF)+(FIF+Fchirp)或(Fc+Fchirp)1013上，表示被特征啁啾偏移的信道的中心频率。可以发射RF频率(Fc+Fchirp)用于基于相位的测距应用。在一个方面，针对时隙，Fc可以是固定的，并且Fchirp可以在时隙内的频率范围上进行扫频。
可替选地，CORDIC 1015可以将在FIF上的数字IQ信号1003与相位旋转1017混频以通过特征啁啾对FIF进行偏移。相位旋转1017可以表示在相位格式的Fchirp。为了便于坐标旋转，CORDIC 1015还可以将在FIF上的数字IQ信号1003转换为相位格式，使得FIF的相位可以与Fchirp的相位相加。CORDIC 1015可以将频率偏移的结果转换回正交IQ格式以表示IF频率(FIF+Fchirp)上的偏移数字IQ信号1007。
与CORDIC 1015相关联的RF粗略频率补偿电路可以以与数字混频器1001的方式相同的方式操作，以在RF域中将已经被转换为模拟信号的偏移数字IQ信号1007与在(Fc-FIF)上的LO信号1009混频以生成RF(Fc+Fchirp)1013。数字混频器1001和CORDIC 1015的实现给出了相同的结果，但是取决于FIF的比特数、Fchirp的比特数和偏移数字IQ信号1007的比特数在面积、成本和复杂性方面可能不同。
图11示出了根据本公开内容的一个方面的在接收到用于基于相位的测距的经啁啾调制的脉冲信号时，在数字域中使用数字混频器1101或CORDIC 1115从中频中去除啁啾的技术。图11可以通过引发器或反射器来实现。
RF粗略频率补偿电路可以在信道Fc的中心频率上接收表示为RF频率(Fc+Fchirp)1113的UP信号，该信道Fc用于承载由特征啁啾进行偏移的UP信号。RF粗略频率补偿电路可以使用RF域中的RF混频器1111利用从锁相环(PLL)生成的LO信号1109来对(Fc+Fchirp)1113进行降频转换。LO信号1009可以在(Fc-FIF)上，其中FIF表示IF频率。来自RF混频器1111的输出可以是在((Fc+FIF)-(FIF-Fchirp))或在IF频率(FIF+Fchirp)上的偏移IQ信号1107。
数字混频器1101可以将已经转换到数字域的偏移IQ信号1107与数字频移1105进行混频。数字频移1105可以表示啁啾的变化的频率扫描Fchirp。在一个实施方式中，Fchirp可以是图5至图9的特征啁啾。数字混频器1001可以将在(FIF+Fchirp)上数字偏移IQ信号1107乘以以IQ正交格式表示的Fchirp数字频移1105来去除特征啁啾以生成在IF频率FIF上的数字IQ信号1103。接收器可以测量数字IQ信号1103的相位。
可替选地，CORDIC 1115可以将在(FIF+Fchirp)上的数字偏移IQ信号1107与相位旋转1117混频以去除特征啁啾。相位旋转1117可以表示相位格式的Fchirp。为了便于坐标旋转，CORDIC 1115还可以将在(FIF+Fchirp)上的偏移IQ信号转换为相位格式，使得(FIF+Fchirp)的相位可以减去Fchirp的相位。CORDIC 1115可以将坐标旋转转换回正交IQ格式以生成IF频率FIF上的数字IQ信号1103。
图12示出了根据本公开内容的一个方面的收发器的功能框图，该收发器使用啁啾调制脉冲来实现基于相位的测距。图12可以通过引发器或反射器来实现。
在被配置成接收器的情况下，收发器可以接收包含通过特征啁啾进行了偏移的UP信号的BLE信号，以用于相位测量。天线1201可以接收BLE信号。双工器可以在接收到的BLE信号与发射BLE信号路径之间提供隔离。以接收到的信号的频率信道为中心的RF滤波器1203可以对接收信号进行滤波以生成包含特征啁啾的经滤波的RF信号。低噪声放大器(LNA)1205可以放大经滤波的RF信号。降频转换器1209可以将经放大和滤波的RF信号与调谐到信道的中心频率的本地振荡器(LO)1207混频来去除特征啁啾以生成经降频转换的正交信号。在一个实施方式中，降频转换器1209可以使用图11的技术来实现。低通滤波器1211可以对经降频的正交信号进行滤波以生成IF或基带正交信号。放大器1213可以放大IF或基带正交信号以生成放大的IF或放大的基带正交信号。模数转换器(ADC)1215可以利用采样时钟对放大的IF或放大的基带正交信号进行采样以生成数字IF或数字基带正交信号。数字IF或数字基带正交信号可以表示UP信号的正交样本，并且可以被采样以测量相位。
在被配置成发射器的情况下，收发器可以在不同的时隙中发射由特征啁啾调制的UP信号用于相位测量。正交特征啁啾组1227可以在基带或IF中获取并生成期望的信号。升频转换器1229可以将来自正交啁啾组的信号与调谐到信道的中心频率的LO 1207混频以利用特征啁啾来调制脉冲，并且生成在RF上的经升频转换的信号。在一个实施方式中，升频转换器1229可以使用图10的技术来实现。RF滤波器1231可以对经升频转换的调制脉冲信号进行滤波以生成RF信号。功率放大器(PA)1233可以放大RF信号以生成发射信号。双工器1202可以将发射信号提供给天线1401用于发射。
图13示出了根据本公开内容的一个方面的方法1300的流程图，该方法1300用于操作装置在测距周期的多个时隙中生成并发射经啁啾调制的脉冲以支持装置与目标装置之间安全的多载波型基于相位的测距(multi-carrier phase-based ranging)。在一个方面，方法1300可以由装置利用硬件、软件或硬件和软件的组合来执行。
在操作1301中，装置可以确定对应于多个时隙的多个频率啁啾和多个信道频率。多个频率啁啾具有该装置和目标装置已知的特性。
在操作1303中，装置可以基于通过多个频率啁啾对与多个时隙对应的多个信道频率进行调制来确定对应于该多个时隙的多个调频连续波(FMCW)信号。
在操作1305中，装置可以向目标装置发射对应于多个时隙的多个调频连续波信号。
本文所描述的多载波型基于相位的测距系统的各种实施方式可以包括各种操作。这些操作可以由硬件部件、数字硬件和/或固件/可编程寄存器(例如，如在计算机可读介质中实现的)和/或其组合来执行和/或控制。例如，可以由执行存储在计算机可读介质中的计算机程序的通用计算机或处理系统来执行操作。本文所描述的方法和说明性示例本质上与任何特定装置或其它设备不相关。根据本文所描述的教导，可以使用各种系统(例如，诸如在近场环境或长场环境、微微区域网络、广域网等中操作的无线装置)，或者可以证明构造更专业的设备以执行所需的方法步骤是便利的。各种所述系统的所需结构将如上面的描述中所阐述的出现。
用于实现本公开内容的各个方面的操作的计算机可读介质可以是非暂态计算机可读存储介质，其可以包括但不限于电磁存储介质、磁光存储介质、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦可编程存储器(例如EPROM和EEPROM)、闪存或其他现在已知或以后开发的适合于存储配置信息的非暂态类型的介质。
上面的描述旨在说明性而非限制性。尽管已经参照具体的说明性示例描述了本公开内容，但是应当认识到，本公开内容不限于所描述的示例。应当参照所附权利要求以及权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定本公开内容的范围。
如本文中所使用的，除非上下文另有清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在还包括复数形式。还应当理解，术语“包括”、“包含”、“可以包括”和/或“包括”在本文中使用时，指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加其一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。因此，本文中所使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，而并非旨在进行限制。
还应当注意，在一些替选实现方式中，所述功能/动作可以不按附图中所示的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，连续显示的两个附图实际上可以基本上同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行。
尽管以特定顺序描述了方法操作，但是应当理解，在所描述的操作之间可以执行其他操作，可以调整所描述的操作使得它们在略微不同的时间出现，或者所描述的操作可以分布在允许处理操作以与处理相关联的各种间隔发生的系统中。例如，可以至少部分地以相反的顺序执行某些操作、与其他操作同时地和/或并行地执行某些操作。
可以将各种单元、电路或其他部件描述或声称为“被配置成”或“可被配置成”执行一个或多个任务。在这样的背景下，短语“被配置成”或“可被配置成”用于通过指示单元/电路/部件包括在操作期间执行一个或多个任务的结构(例如，电路)来隐含结构。这样，即使在指定的单元/电路/部件当前不可操作(例如，未接通)的情况下，也可以说单元/电路/部件可以被配置成执行任务，或者可被配置成执行任务。与“被配置成”或“可被配置成”语言一起使用的单元/电路/部件包括硬件，例如电路、存储可执行以实现操作的程序指令的存储器等。叙述单元/电路/部件“被配置成执行”一个或更多个任务，或“可被配置成”执行一个或更多个任务，明确表示不旨在针对该单元/电路/部件援引35U.S.C.112第6段。
另外，“被配置成”或“可被配置成”可以包括由固件(例如FPGA)操纵以能够执行所讨论的任务的方式进行操作的通用结构(例如，通用电路)。“被配置成”还可以包括调整制造工艺(例如，半导体制造设施)以制造适于实现或执行一个或更多个任务的器件(例如，集成电路)。“可被配置成”明确表示不适用于空白介质、未编程的处理器、未编程的可编程逻辑器件、可编程门阵列或其他未编程器件，除非伴随有赋予未编程器件被配置成执行所公开功能的能力的编程介质。
出于说明的目的，已经参照特定实施方式描述了上述描述。然而，上面的说明性讨论并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和变型是可能的。选择和描述实施方式是为了最佳地说明实施方式的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最佳地利用这些可能适于所设想的特定用途的实施方式和各种修改。因此，本实施方式被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于本文中所给出的细节，而是可以在所附权利要求书的范围和等同物内对本发明进行修改。

Claims (20)

1.一种由无线装置进行操作的方法，包括：
确定对应于多个时隙的多个频率啁啾和多个信道频率，所述多个频率啁啾具有所述无线装置和目标装置已知的特性；
基于通过所述多个频率啁啾对与所述多个时隙对应的所述多个信道频率进行调制来确定对应于所述多个时隙的多个调频连续波FMCW信号；以及
由所述无线装置向所述目标装置发射对应于所述多个时隙的所述多个FMCW信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，用于所述多个时隙的所述多个频率啁啾的特性和所述多个信道频率是随机化的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述多个频率啁啾包括：
基于共享密钥和时变初始化向量生成伪随机数，其中，所述共享密钥和所述时变初始化向量对于所述无线装置和所述目标装置两者是已知的；以及
基于所述伪随机数确定所述多个频率啁啾的特性。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述时变初始化向量包括与所述多个时隙相关联的时间参考。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个频率啁啾中的每个频率啁啾的特性包括从可能的频率扫描变化的范围中随机选择的起始频率扫描和结束频率扫描，并且其中，所述多个信道频率是从信道带宽范围中随机选择的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定对应于所述多个时隙的所述多个FMCW信号包括：
通过由对应于所述多个时隙中的每个时隙的起始频率扫描对所述多个时隙中的每个时隙的信道频率进行调制来确定起始载波频率；
通过由对应于所述多个时隙中的每个时隙的结束频率扫描对所述多个时隙中的每个时隙的信道频率进行调制来确定结束载波频率；以及
将所述载波频率在所述多个时隙中的每个时隙的持续时间内从所述起始载波频率线性地变化至所述结束载波频率。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
针对多个目标装置中的每个目标装置，基于由所述多个目标装置中的每个目标装置所独有的多个频率啁啾对与所述多个时隙对应的所述多个信道频率进行调制来确定对应于所述多个时隙的多个FMCW信号，其中，所述多个目标装置中的每个目标装置所独有的所述多个频率啁啾具有所述无线装置已知的并且相应地仅所述多个目标装置中的该目标装置已知的特性；以及
由所述无线装置同时向所述多个目标装置发射与对应于所述多个时隙的所述多个目标装置中的每个目标装置相关联的所述多个FMCW信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，同时发射到所述多个目标装置的所述多个FMCW信号在所述多个时隙中的每个时隙的持续时间内是正交的。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述多个正交频率啁啾中的每个正交频率啁啾的特性包括从可能的频率扫描变化的范围中随机选择的起始频率扫描和结束频率扫描以及与所述多个目标装置中的每个目标装置随机关联的用户标识号。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于对应于多个接收时隙的多个接收频率啁啾的特性和所述多个信道频率来确定对应于所述多个接收时隙中的每个接收时隙的接收FMCW信号；以及
由所述无线装置从所述目标装置接收对应于所述多个接收时隙中的每个接收时隙的所述接收FMCW信号以估计到所述目标装置的距离。
11.一种设备，包括：
处理系统，其被配置成：
确定对应于多个时隙的多个频率啁啾和多个信道频率，所述多个频率啁啾具有由所述设备已知和由目标装置已知的特性；以及
基于通过所述多个频率啁啾对与所述多个时隙对应的所述多个信道频率进行调制来确定对应于所述多个时隙的多个调频连续波FMCW信号；以及
收发器，其被配置成向所述目标装置发射对应于所述多个时隙的所述多个FMCW信号。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，用于所述多个时隙的所述多个频率啁啾的特性和所述多个信道频率是随机化的。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，为了确定所述多个频率啁啾，所述处理系统被配置成：
基于共享密钥和时变初始化向量生成伪随机数，其中，所述共享密钥和所述时变初始化向量对于所述设备和所述目标装置两者是已知的；以及
基于所述伪随机数确定所述多个频率啁啾的特性。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述时变初始化向量包括与所述多个时隙相关联的时间参考。
15.根据权利要求11所述的设备，其中，所述多个频率啁啾中的每个频率啁啾的特性包括从可能的频率扫描变化的范围中随机选择的起始频率扫描和结束频率扫描，并且其中，所述多个信道频率是从信道带宽范围中随机选择的。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，为了确定对应于所述多个时隙的所述多个FMCW信号，所述处理系统被配置成：
通过由对应于所述多个时隙中的每个时隙的起始频率扫描对所述多个时隙中的每个时隙的信道频率进行调制来确定起始载波频率；
通过由对应于所述多个时隙中的每个时隙的结束频率扫描对所述多个时隙中的每个时隙的信道频率进行调制来确定结束载波频率；以及
将所述载波频率在所述多个时隙中的每个时隙的持续时间内从所述起始载波频率线性地改变至所述结束载波频率。
17.根据权利要求11所述的设备，其中，所述处理系统还被配置成：
针对多个目标装置中的每个目标装置，基于由所述多个目标装置中的每个目标装置所独有的多个频率啁啾对与所述多个时隙对应的所述多个信道频率进行调制来确定对应于所述多个时隙的多个FMCW信号，其中，所述多个目标装置中的每个目标装置所独有的所述多个频率啁啾具有所述设备已知的并且相应地仅所述多个目标装置中的该目标装置已知的特性；以及
其中，所述收发器还被配置成同时向所述多个目标装置发射与对应于所述多个时隙的所述多个目标装置中的每个目标装置相关联的所述多个FMCW信号，其中，同时发射到所述多个目标装置的所述多个FMCW信号在所述多个时隙中的每个时隙的持续时间内是正交的。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述多个正交频率啁啾中的每个正交频率啁啾的特性包括从可能的频率扫描变化的范围中随机选择的起始频率扫描和结束频率扫描以及与所述多个目标装置中的每个目标装置随机关联的用户标识号。
19.根据权利要求11所述的设备，其中，所述处理系统还被配置成：
基于对应于多个接收时隙的多个接收频率啁啾的特性和所述多个信道频率来确定对应于所述多个接收时隙中的每个接收时隙的接收FMCW信号；以及
其中，所述收发器还被配置成从所述目标装置接收对应于所述多个接收时隙中的每个接收时隙的所述接收FMCW信号以使所述处理系统能够估计到所述目标装置的距离。
20.一种系统，包括：
引发器装置，其被配置成：
基于所述引发器装置和反射器装置两者已知的共享密钥和时变初始化向量来确定与多个引发器发射时隙和多个反射器发射时隙对应的多个频率啁啾和多个信道频率；
基于通过所述多个频率啁啾对所述多个信道频率进行调制来确定与所述多个引发器发射时隙或所述多个反射器发射时隙对应的多个调频连续波FMCW信号；
向所述反射器装置发射对应于所述多个引发器发射时隙的所述多个FMCW信号；以及
从所述反射器装置接收对应于所述多个反射器发射时隙的所述多个FMCW信号以估计到所述反射器装置的距离；并且
所述反射器装置被配置成：
基于所述共享密钥和所述时变初始化向量来确定与所述多个引发器发射时隙和所述多个反射器发射时隙对应的所述多个频率啁啾和所述多个信道频率；
基于通过所述多个频率啁啾对所述多个信道频率进行调制来确定与所述多个引发器发射时隙或所述多个反射器发射时隙对应的所述多个FMCW信号；
向所述引发器装置发射对应于所述多个反射器发射时隙的所述多个FMCW信号；以及
从所述引发器装置接收对应于所述多个引发器发射时隙的所述多个FMCW信号以估计到所述引发器装置的距离。
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