DE102023113216A1 - Sicherheitsverbesserung für Mehrbenutzerentfernungsbestimmungssysteme unter Verwendung von Signatur-Orthogonal-Chirps - Google Patents

Sicherheitsverbesserung für Mehrbenutzerentfernungsbestimmungssysteme unter Verwendung von Signatur-Orthogonal-Chirps Download PDF

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Pouria Zand
Kiran Uln
Claudio Rey
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Abstract

Hier beschriebene Techniken führen Signatur-Frequenzmodulation in unmodulierte Impulssignale als Frequenz-Chirps ein, um die Sicherheit von Mehrträger-Entfernungsbestimmungssignalen auf Phasenbasis zu verbessern. Die Eigenschaften der Chirps können gegenseitig einem Initiator und einem gewünschten Reflektor der Entfernungsbestimmungsanwendungen bekannt sein. Die Eigenschaften der Chirps können zwischen den Mehrträgersignalen variieren, um jeden Versuch durch einen Lauscher, die Chirps vorherzusagen, zu vereiteln. In einem Aspekt können die Eigenschaften der Chirps für jeden Zeitschlitz eines Entfernungsbestimmungszyklus durch zwei autorisierte Vorrichtungen berechnet werden, die einen Chiffrieralgorithmus, wie etwa AES (Advanced Encryption Standards) auf der Basis eines geteilten Sicherheitsschlüssels verwenden. Jeder Aufruf des AES kann eine oder mehrere Pseudozufallszahlen auf der Basis des geteilten Sicherheitsschlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, der jeden Zeitschlitz inkrementiert, erzeugen. Felder der Pseudozufallszahl können extrahiert werden, um die Eigenschaften der Chirps, die dem Zeitschlitz zugeordnet sind, zu bestimmen.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Technologien zur Positionsbestimmung und Entfernungsbestimmung unter Verwendung drahtloser Signale und insbesondere sichere Techniken auf Phasenbasis zur Gewährleistung von sicheren Distanzmessungen mit einer Genauigkeit von weniger als einem Meter für Positionsbestimmungs- und Entfernungsbestimmungsanwendungen unter Verwendung von Schmalband-Funkgeräten, wie etwa Bluetooth-Technologien.
  • Entfernungsbestimmungs- und Lokalisierungsanwendungen, wie etwa gesicherter Zugang, Positionsbestimmung in Gebäuden, Verfolgen von Wertgegenständen usw. verlassen sich zunehmend auf die Verwendung von Schmalband-Funkgeräten, wie etwa BLE (Bluetooth Low Energy) oder IEEE 802.15.4, um eine Genauigkeit von weniger als einem Meter und sichere Distanzmessungen bereitzustellen. Zum Beispiel können Smart Tags, Smartphones, intelligente Vorrichtungen, IoT (Internet der Dinge), die Kurzreichweiten-BLE-Technologien zur drahtlosen Kommunikation verwenden, BLE-Funkgeräte benutzen, um Entfernungsbestimmung und Positionsbestimmung anderer Vorrichtungen durchzuführen. Bei einer solchen Technik können zwei Vorrichtungen ihre Entfernung (auch als Distanz bezeichnet) durch Austauschen unmodulierter Impulse (die in der Literatur auch als „konstanter Ton“ bekannt sind) und Messen der Menge an Signalphasenverschiebungen zwischen ihnen berechnen. Um Mehrwege-Fading zu mindern, können die zwei Vorrichtungen Phasenverschiebungen über mehrere Frequenzen messen, um eine akzeptable Genauigkeit zu erreichen. Entfernungsbestimmungslösungen auf Phasenbasis, die unmodulierte Impulse verwenden, sind jedoch anfällig für Phasenmanipulationsattacken. Zum Beispiel könnte ein MITM-Attackierer (Man-In-The-Middle) die Phase seiner gesendeten unmodulierten Impulse drehen, um absichtlich Phasenverschiebungen einzuführen, um die durch eine Empfangsvorrichtung gemessene Distanz zu manipulieren. Die Empfangsvorrichtung kann die Impulslänge variieren oder die Kanäle der unmodulierten Impulse randomisieren, um die Sicherheit zu verbessern, aber diese Gegenmaßnahmen können gegenüber MITM-Attacken immer noch nicht sicher genug sein.
  • Eine Aufgabe besteht darin, die Sicherheit von Entfernungsbestimmungslösungen zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
  • Diese hierin vorgeschlagenen Beispiele können insbesondere auf zumindest einer der nachfolgenden Lösungen basieren. Insbesondere können Kombinationen der nachfolgenden Merkmale eingesetzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens können mit (einem) beliebigen Merkmal(en) der Vorrichtung bzw. Systems oder umgekehrt kombiniert werden.
  • Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Durchführen von Operationen durch eine drahtlose Vorrichtung, umfassend die Schritte:
    • - Bestimmen mehrerer Frequenz-Chirps und mehrerer Kanalfrequenzen entsprechend mehreren Zeitschlitzen, wobei die mehreren Frequenz-Chirps Eigenschaften aufweisen, die der drahtlosen Vorrichtung und einer Zielvorrichtung bekannt sind;
    • - Bestimmen mehrerer frequenzmodulierter Dauerstrich-Signale, FMCW-Signale, entsprechend den mehreren Zeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch die mehreren Frequenz-Chirps;
    • - Senden der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch die drahtlose Vorrichtung zu der Zielvorrichtung.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die Eigenschaften der mehreren Frequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen für die mehreren Zeitschlitze randomisiert sind.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass das Bestimmen der mehreren Frequenz-Chirps Folgendes umfasst:
    • - Erzeugen von Pseudozufallszahlen auf der Basis eines geteilten Schlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, wobei der geteilte Schlüssel und der zeitveränderliche Initialisierungsvektor sowohl der drahtlosen Vorrichtung als auch der Zielvorrichtung bekannt sind;
    • - Bestimmen der Eigenschaften der mehreren Frequenz-Chirps auf der Basis der Pseudozufallszahlen.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass der zeitveränderliche Initialisierungsvektor eine den mehreren Zeitschlitzen zugeordnete Zeitreferenz umfasst.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die Eigenschaften jedes der mehreren Frequenz-Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation, umfassen, wobei die Kanalfrequenzen zufällig aus einem Bereich von Kanalbandbreite (z.B. aus einer Kanalbandbreite) ausgewählt werden.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass das Bestimmen der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen Folgendes umfasst:
    • - Bestimmen einer Startträgerfrequenz durch Modulieren der Kanalfrequenz für jeden der mehreren Zeitschlitze durch den Startfrequenzdurchlauf entsprechend jedem der mehreren Zeitschlitze;
    • - Bestimmen einer Endträgerfrequenz durch Modulieren der Kanalfrequenz für jeden der mehreren Zeitschlitze durch den Endfrequenzdurchlauf entsprechend jedem der mehreren Zeitschlitze;
    • - lineares Variieren der Trägerfrequenz von der Startträgerfrequenz zu der Endträgerfrequenz über eine Dauer jedes der mehreren Zeitschlitze.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass das Verfahren ferner umfasst:
    • - für jede von mehreren Zielvorrichtungen, Bestimmen mehrerer FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch mehrere Frequenz-Chirps, die für jede der mehreren Zielvorrichtungen einzigartig sind, wobei die mehreren Frequenz-Chirps, die für jede der mehreren Zielvorrichtungen einzigartig sind, Eigenschaften aufweisen, die der drahtlosen Vorrichtung bzw. nur jeder der mehreren Zielvorrichtungen bekannt sind;
    • - gleichzeitiges Senden der mehreren FMCW-Signale, die jeder der mehreren Zielvorrichtungen zugeordnet sind, entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch die drahtlose Vorrichtung zu den mehreren Zielvorrichtungen.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die mehreren FMCW-Signale, die gleichzeitig zu den mehreren Zielvorrichtungen gesendet werden, über eine Dauer jedes der mehreren Zeitschlitze orthogonal sind.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die Eigenschaften jedes der mehreren Orthogonal-Frequenz-Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation, und eine zufällig jeder der mehreren Zielvorrichtungen zugeordnete Benutzeridentifikationsnummer umfassen.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass das Verfahren ferner umfasst:
    • - Bestimmen eines Empfangs-FMCW-Signals entsprechend jedem von mehreren Empfangs-Zeitschlitzen auf der Basis von Eigenschaften mehrerer Empfangsfrequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Empfangs-Zeitschlitzen;
    • - Empfangen des Empfangs-FMCW-Signals entsprechend jedem der mehreren Empfangs-Zeitschlitze durch die drahtlose Vorrichtung von der Zielvorrichtung, um eine Distanz zur Zielvorrichtung zu schätzen.
  • Auch wird eine Vorrichtung angegeben, umfassend:
    • - ein Verarbeitungssystem, eingerichtet zum
      • - Bestimmen mehrerer Frequenz-Chirps und mehrerer Kanalfrequenzen entsprechend mehreren Zeitschlitzen, wobei die mehreren Frequenz-Chirps Eigenschaften aufweisen, die der Vorrichtung und einer Zielvorrichtung bekannt sind;
      • - Bestimmen mehrerer frequenzmodulierter Dauerstrich-Signale, FMCW-Signale, entsprechend den mehreren Zeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch die mehreren Frequenz-Chirps;
    • - einen Sendeempfänger, eingerichtet zum Senden der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen zu der Zielvorrichtung.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die Eigenschaften der mehreren Frequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen für die mehreren Zeitschlitze randomisiert sind.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass zur Bestimmung der mehreren Frequenz-Chirps das Verarbeitungssystem eingerichtet ist zum
    • - Erzeugen von Pseudozufallszahlen auf der Basis eines geteilten Schlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, wobei der geteilte Schlüssel und der zeitveränderliche Initialisierungsvektor sowohl der Vorrichtung als auch der Zielvorrichtung bekannt sind;
    • - Bestimmen der Eigenschaften der mehreren Frequenz-Chirps auf der Basis der Pseudozufallszahlen.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass der zeitveränderliche Initialisierungsvektor eine den mehreren Zeitschlitzen zugeordnete Zeitreferenz umfasst.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die Eigenschaften jedes der mehreren Frequenz-Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation, umfassen, wobei die Kanalfrequenzen zufällig aus einem Bereich von Kanalbandbreite ausgewählt werden.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass zur Bestimmung der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen das Verarbeitungssystem eingerichtet ist zum
    • - Bestimmen einer Startträgerfrequenz durch Modulieren der Kanalfrequenz für jeden der mehreren Zeitschlitze durch den Startfrequenzdurchlauf entsprechend jedem der mehreren Zeitschlitze;
    • - Bestimmen einer Endträgerfrequenz durch Modulieren der Kanalfrequenz für jeden der mehreren Zeitschlitze durch den Endfrequenzdurchlauf entsprechend jedem der mehreren Zeitschlitze;
    • - lineares Variieren der Trägerfrequenz von der Startträgerfrequenz zu der Endträgerfrequenz über eine Dauer jedes der mehreren Zeitschlitze.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass das Verarbeitungssystem ferner eingerichtet ist zum
    • - Bestimmen, für jede von mehreren Zielvorrichtungen, mehrerer FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch mehrere Frequenz-Chirps, die für jede der mehreren Zielvorrichtungen einzigartig sind, wobei die mehreren Frequenz-Chirps, die für jede der mehreren Zielvorrichtungen einzigartig sind, Eigenschaften aufweisen, die der Vorrichtung bzw. nur jeder der mehreren Zielvorrichtungen bekannt sind;
    • - wobei der Sendeempfänger ferner eingerichtet ist zum gleichzeitigen Senden der mehreren FMCW-Signale, die jeder der mehreren Zielvorrichtungen zugeordnet sind, entsprechend den mehreren Zeitschlitzen, wobei die mehreren FMCW-Signale, die gleichzeitig zu den mehreren Zielvorrichtungen gesendet werden, über eine Dauer jedes der mehreren Zeitschlitze orthogonal sind.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die Eigenschaften von jedem der mehreren orthogonalen Frequenz-Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation, und eine zufällig jeder der mehreren Zielvorrichtungen zugeordnete Benutzeridentifikationsnummer umfassen.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass das Verarbeitungssystem ferner eingerichtet ist zum
    • - Bestimmen eines Empfangs-FMCW-Signals entsprechend jedem von mehreren Empfangs-Zeitschlitzen auf der Basis von Eigenschaften mehrerer Empfangsfrequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Empfangs-Zeitschlitzen;
    • - wobei der Sendeempfänger ferner eingerichtet ist zum Empfangen des Empfangs-FMCW-Signals entsprechend jedem der mehreren Empfangs-Zeitschlitze von der Zielvorrichtung, um eine Distanz zur Zielvorrichtung zu schätzen.
  • Weiterhin wird ein System vorgeschlagen, umfassend:
    • - eine Initiatorvorrichtung, eingerichtet zum
      • - Bestimmen mehrerer Frequenz-Chirps und mehrerer Kanalfrequenzen entsprechend mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen und mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen auf der Basis eines geteilten Schlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, die sowohl dem Initiator als auch einer Reflektorvorrichtung bekannt sind;
      • - Bestimmen mehrerer frequenzmodulierter Dauerstrich-Signale, FMCW-Signale, entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen oder den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen durch die mehreren Frequenz-Chirps;
      • - Senden der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen zu der Reflektorvorrichtung,
      • - Empfangen der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen von der Reflektorvorrichtung, um eine Distanz zu der Reflektorvorrichtung zu schätzen;
    • - die Reflektorvorrichtung, eingerichtet zum
      • - Bestimmen der mehreren Frequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen und den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen auf der Basis des geteilten Schlüssels und des zeitveränderlichen Initialisierungsvektors,
      • - Bestimmen der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen oder den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen durch die mehreren Frequenz-Chirps;
      • - Senden der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen zu der Initiatorvorrichtung,
      • - Empfangen der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen von der Initiatorvorrichtung, um eine Distanz zu der Initiatorvorrichtung zu schätzen.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden weiter ausgeführt im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
    • 1 ist eine Blockdarstellung, die eine Sendevorrichtung, die unmodulierte Impulse sendet, damit eine Empfangsvorrichtung eine Distanz und eine relative Richtung zur Sendevorrichtung schätzt, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2 zeigt zwei Vorrichtungen, die unmodulierte Impulssignale über mehrere Kanäle austauschen und die Phasenverschiebungen für die Vorrichtungen zur Schätzung ihrer gegenseitigen Entfernung messen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 3 zeigt einen Initiator, der die Distanz zu einem Reflektor auf der Basis von durch den Initiator und den Reflektor gemessenen Phasen für zwei Frequenztöne (z.B. Kanäle) schätzt (auch als Entfernungsbestimmung bekannt), gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 4A zeigt das Timing zweier Zeitschlitze eines Entfernungsbestimmungszyklus auf Phasenbasis, bei dem der Initiator und der Reflektor unmodulierte Impulse in zwei Frequenzkanälen austauschen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 4B zeigt einen Lauscher, der eine MITM-Phasenmanipulationsattacke (Man-In-The-Middle) einleitet, um die durch den Initiator geschätzte Entfernung zu manipulieren;
    • 5 zeigt den Initiator und den Reflektor, die gegenseitig bekannte variierende Frequenzdurchläufe oder Chirps zu einem Impuls eines Zeitschlitzes der auf Phase basierenden Entfernungsbestimmung hinzufügen, um vor MITM-Attacken zu schützen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 6 zeigt die Zeitbereichsrepräsentation und Frequenzbereichsrepräsentation des Einzelfrequenz-Chirp-Signaturbeispiels eines Zeitschlitzes der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis, wobei die Frequenz-Chirps linear von einer beliebigen Startfrequenz zu einer beliebigen Endfrequenz über die Chirp-Dauer variieren, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 7 zeigt die Signatureigenschaften mehrerer beispielhafter Chirps, die verschiedene Raten der Frequenzvariation über eine Chirp-Dauer aufweisen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 8 zeigt einen Initiator, der Orthogonal-Chirps mit mehreren Reflektoren austauscht, um die Entfernungen zwischen dem Initiator und jedem der Reflektoren zu schätzen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 9 zeigt die Signatureigenschaften mehrerer Orthogonal-Chirps als Signaturen, die dieselbe Rate der Frequenzvariation über eine Chirp-Dauer aufweisen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 10 zeigt Techniken zur Verwendung eines Digital-Mischers oder eines CORDIC (Koordinatenrotations-Digitalcomputers) zur Modulation einer Zwischenfrequenz durch Chirps im digitalen Bereich als Signale für Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 11 zeigt Techniken zur Verwendung eines Digital-Mischers oder eines CORDIC zur Entfernung von Chirps aus einer Zwischenfrequenz im digitalen Bereich beim Empfang eines Chirp-modulierten Impulssignals für die Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 12 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines Sendeempfängers, der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis unter Verwendung von Chirp-modulierten Impulsen implementiert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
    • 13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer Vorrichtung zum Erzeugen und Senden von Chirp-modulierten Impulsen in mehreren Zeitschlitzen eines Entfernungsbestimmungszyklus zur Unterstützung sicherer Mehrträger-Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis zwischen der Vorrichtung und einer Zielvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
  • Hier werden Beispiele für verschiedene Aspekte und Abwandlungen der vorliegenden Technologie beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Die folgende Beschreibung soll die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränken, sondern Fachleuten ermöglichen, die vorliegende Erfindung herzustellen und zu verwenden.
  • Es werden Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Sicherheit von Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis beschrieben, die in HAP-Anwendungen (hochgenaue Positionsbestimmung) unter Verwendung von BLE (Bluetooth Low Energy), IEEE 802.15.4 oder anderen Kurzreichweiten-Schmalband-Funktechnologien verwendet werden. Eine Implementierung der HAP-Anwendungen verwendet sichere Mehrträger-Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis zur Distanzmessung und Positionsbestimmung, was auch als MCPD (Mehrträger-Phasendifferenz) bezeichnet wird, wobei die bidirektionale Phasendifferenz zwischen zwei Vorrichtungen über mehrere Träger gemessen wird. Bei der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis tauschen die zwei Vorrichtungen, der Initiator und der Reflektor, mehrere UP (unmodulierte Impulse) über verschiedene Trägerfrequenzen aus, um Mehrwege-Fading und Störungen zu mindern. Der Initiator ist die Vorrichtung, die die Entfernungsbestimmung einleitet, und der Reflektor ist die Vorrichtung, die auf die Initiatoranforderung anspricht. Bei Anwendungen, die Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis verwenden, können der Initiator und der Reflektor gegenseitig Phasenmessungen an ihren UP ausführen. Zum Beispiel kann der Initiator die UP in Richtung des Reflektors senden. Als Reaktion kann der Reflektor seine eigenen UP zu dem Initiator zurücksenden. Am Ende der mehrfachen UP-Austauschvorgänge können der Initiator und der Reflektor ihre Phasenmessergebnisse austauschen, um die Entfernung zwischen Initiator und Reflektor zu schätzen. Bei Mehrträger-Entfernungsoperationen auf Phasenbasis können die Entfernungsbestimmungs- und Positionsbestimmungsmessungen über mehrere Kanäle wiederholt werden, um Mehrwege-Fading zu mindern.
  • HAP-Anwendungen, die unmodulierte Impulse in bekannten Mustern verwenden, sind anfällig für Attacken durch Eindringlinge, wie etwa Man-In-The-Middle-, Phasenmanipulations- und Phasen-Roll-Over-Attacken. Zum Beispiel kann der Attackierer die vom Initiator oder vom Reflektor empfangenen UP abfangen und kann eine Phasenverschiebung in seine gesendeten UP einführen, um die durch den Initiator oder den Reflektor geschätzte Entfernung zu manipulieren. Zur Verbesserung der Sicherheit können die Vorrichtungen Gegenmaßnahmen einsetzen, wie etwa Verwendung von Verschlüsselungsmethoden in höheren Schichten als der Funkzugangsschicht, Variieren der Länge der UP, Randomisieren der die UP führenden Kanäle usw. Diese Sicherheitsverbesserungen verleihen jedoch möglicherweise den Vorrichtungen immer noch nicht genug Immunität gegenüber komplizierten Phasenmanipulationsattacken.
  • Hier beschriebene Techniken führen Signaturfrequenzmodulation in die Signale in Form von Frequenz-Orthogonal-Chirps (oder einfach als Chirps oder FMCW (frequenzmodulierter Dauerstrich) bezeichnet), um die Sicherheit von Signalen der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis zu verbessern. Die Eigenschaften der Chirps sind möglicherweise nur dem gewünschten Initiator und Reflektor bekannt. Die Eigenschaften der Chirps können zwischen den Kanälen der Mehrträger-UP oder den Zeitschlitzen des die Mehrträger-UP führenden Entfernungsbestimmungszyklus variieren, um jeden Versuch durch einen Attackierer, die Signatur-Frequenz-Chirps vorherzusagen, zu vereiteln. In einem Aspekt können die Eigenschaften der Frequenz-Chirps für jeden Zeitschlitz durch zwei autorisierte Vorrichtungen unter Verwendung eines Chiffrieralgorithmus berechnet werden, wie etwa des AES (Advanced Encryption Standard) auf der Basis eines bekannten geteilten Sicherheitsschlüssels. Jeder Aufruf des Chiffrieralgorithmus kann auf der Basis des geteilten Sicherheitsschlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, der jeden Zeitschlitz inkrementiert, eine Pseudozufallszahl erzeugen. Felder der Pseudozufallszahl können extrahiert werden, um die Eigenschaften der den Zeitschlitzen zugeordneten Chirps zu bestimmen.
  • In einem Aspekt können die Eigenschaften der Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich mit möglicher Frequenzdurchlaufvariation, umfassen. Der Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation kann durch den Frequenzfehler der zur Erzeugung der Kanalfrequenzen in den Vorrichtungen verwendeten Kristalle oder durch die zum Senden eines UP zugeteilte Kanalbandbreite begrenzt werden. Der Initiator oder der Reflektor können eine Startträgerfrequenz für einen Zeitschlitz durch Versetzen der Kanalfrequenz für den Zeitschlitz um den Startfrequenzdurchlauf bestimmen und können eine Endträgerfrequenz für den Zeitschlitz durch Versetzen der Kanalfrequenz für den Zeitschlitz um den Endfrequenzdurchlauf bestimmen. Die Vorrichtungen können die Trägerfrequenz linear von der Startträgerfrequenz zur Endträgerfrequenz variieren, während sie über die Dauer des Zeitschlitzes innerhalb der Schranken des Bereichs möglicher Frequenzdurchlaufvariation bleiben.
  • In einem Aspekt kann der Initiator gleichzeitig mehrere UP-Signale zu mehreren Reflektoren in HAP-Anwendungen unter mehr als zwei Vorrichtungen senden, die jeweils mit individualisierten Orthogonal-Signatur-Frequenz-Chirps modifiziert werden. Die Eigenschaften der Chirps zwischen dem Initiator und einem spezifischen Reflektor sind möglicherweise nur dem Paar bekannt, dessen gegenseitige Entfernung zu schätzen ist. Die von dem Initiator zu den mehreren Reflektoren gesendeten Chirps können über die Dauer eines Zeitschlitzes orthogonal sein, um Störungen zwischen gleichzeitigen UP-Übertragungen zu minimieren. Ein Reflektor kann die Eigenschaften seiner Chirps bestimmen, um das nur für den Reflektor bestimmte UP-Signal zu empfangen. In einem Aspekt können die Eigenschaften der Chirps zusätzlich zu den zufällig aus dem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation für jeden Zeitschlitz ausgewählten Start- und Endfrequenzdurchläufen eine zufällig jedem der Reflektoren zugeordnete UID (Benutzeridentifikation) umfassen. Der Initiator oder der Reflektor können eine Startträgerfrequenz und eine Endträgerfrequenz für den Zeitschlitz auf der Basis der Eigenschaften des Chirps bestimmen.
  • 1 ist eine Blockdarstellung, die eine Sendevorrichtung, die unmodulierte Impulse sendet, damit eine Empfangsvorrichtung eine Distanz und eine relative Richtung zur Sendevorrichtung schätzt, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie gezeigt, sendet die Sendevorrichtung 120 mittels der Antenne 122 unmodulierte Impuls-RF-Signale 124 über mehrere Trägerfrequenzen. Die unmodulierten Impuls-RF-Signale können mit Orthogonal-Frequenz-Chirps modifiziert werden, um sichere Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis zu gewährleisten, wie beschrieben werden wird. Die Empfangsvorrichtung 110 ist mit Antennen 112 gekoppelt, um die RF-Signale 124 zu empfangen, um die Phase zu Messen, um die Distanz zur Sendevorrichtung 120 zu schätzen. In einem Aspekt kann die Empfangsvorrichtung mehrere Antennen aufweisen, um den AOA (Ankunftswinkel) der RF-Signale 124 auf der Basis einer Phasendifferenz zu schätzen, die gleichzeitig durch verschiedene Empfangspfade beschafft wird, um die relative Richtung zur Sendevorrichtung 120 zu schätzen.
  • Die Sendevorrichtung 120 kann Schaltkreise nicht nur zum Senden von RF-Signalen, sondern auch zum Empfangen von RF-Signalen umfassen. Umgekehrt kann die Empfangsvorrichtung 110 Schaltkreise nicht nur zum Empfangen von RF-Signalen, sondern auch zum Senden von RF-Signalen umfassen. Ein Zyklus der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis kann mehrere Zeitschlitze umfassen, die von den zwei Vorrichtungen zum Austausch von unmodulierten Impulsen in verschiedenen Kanälen zur Schätzung der Distanz verwendet werden. Jeder Zeitschlitz kann ein Empfangszeitintervall umfassen, während dem eine Vorrichtung ein unmoduliertes Impulssignal von der anderen Vorrichtung empfängt, um seine Phase zu messen, und ein Übertragungszeitintervall, während dem die erste Vorrichtung ein unmoduliertes Impulssignal für Phasenmessungen durch die andere Vorrichtung sendet. In jedem Zeitschlitz können die drahtlose Vorrichtung und die Zielvorrichtung die unmodulierten Impulse in einem anderen Kanal als im vorherigen oder nächsten Zeitschlitz austauschen.
  • Die Vorrichtungen 110 und 120 können als Teil eines WPAN (drahtlosen persönlichen Netzwerks), eines WLAN (drahtlosen lokalen Netzwerks) oder beliebiger anderer drahtloser Netzwerke verbunden sein. Durch die Vorrichtungen 110 und 120 unterstützte Protokolle können, ohne Beschränkung, Bluetooth, ZigBee oder WiFi mit Frequenzen im ISM-Band (Industrie, Wissenschaft und Medizin) umfassen. Bei einer Ausführungsform können die zwei Vorrichtungen 80 unmodulierte Impulssignale über die 80 MHz des gesamten 2,4-GHz-ISM-Bands austauschen. Bei einer Ausführungsform kann das ISM-Band an der Millimeterwellenfrequenz liegen, wie etwa das 60-GHz-Band, um die für die Chirps verfügbare Kanalbandbreite zu vergrößern.
  • 2 zeigt zwei Vorrichtungen, die unmodulierte Impulssignale über mehrere Kanäle austauschen und die Phasenverschiebungen für die Vorrichtungen zur Schätzung ihrer gegenseitigen Entfernung messen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. Ein als Vorrichtung A bezeichneter Initiator beginnt den Zyklus der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis mit einem als Vorrichtung B bezeichneten Reflektor.
  • Jeder Entfernungsbestimmungszyklus kann in mehrere Zeitschlitze aufgeteilt werden. Am Anfang jedes Zyklus können in einem (nicht gezeigten) Kalibrations-Synchronisations-Zeitschlitz der Initiator und der Reflektor ihr Timing synchronisieren und ihre Frequenzfehleroffsets messen. Nachdem die Vorrichtungen zeitsynchronisiert sind und die Frequenzfehleroffsets gemessen sind, können die Vorrichtungen dafür eingeteilt werden, die UP-Austauschvorgänge in nachfolgenden Zeitschlitzen im Zyklus durchzuführen. Am Anfang jedes Zeitschlitzes können die Vorrichtungen zu einem neuen Kanal wechseln, der durch die Vorrichtungen zum Durchführen der UP-Austauschvorgänge im Zeitschlitz verwendet wird.
  • Zum Beispiel kann in einem ersten Zeitschlitz für den UP-Austausch der Initiator ein UP-Signal auf einem ersten Kanal f1 zum Reflektor senden. Der Reflektor kann Phasen- oder I/Q-) Messung an dem empfangenen UP-Signal ausführen. Die Phasenmessung kann von der Distanz zwischen dem Initiator und dem Reflektor und der Phasendifferenz zwischen dem zum Empfang des UP-Signals verwendeten LO (Lokaloszillator) des Reflektors und dem LO des Initiators, der zum Senden des UP-Signals verwendet wird, abhängen. Der Reflektor kann eine Phase von ΦRef messen. Im Anschluss daran kann der Reflektor ein UP-Signal zu dem Initiator auf demselben Kanal f1 zurücksenden, so dass der Initiator seine Phasenmessung durchführen kann. Der Initiator kann eine Phase von ΦIni an seinem empfangenen UP-Signal messen. Am Ende des Entfernungsbestimmungszyklus kann der Reflektor seine gemessene Phase ΦRef zum Initiator senden. Der Initiator kann seine gemessene Phase ΦIni mit der durch den Reflektor gemessenen Phase ΦRef summieren, um ΦI zu erzeugen, das die Phasendifferenz repräsentieren kann, die das UP-Signal des Kanals f1 nach zweimaliger Überquerung der Distanz zwischen dem Initiator und dem Reflektor erfährt.
  • Um die Sicherheit des UP-Signals bezüglich Abfangen durch einen Eindringling oder einen Lauscher, der eine Phasenmanipulationsattacke einleiten kann, zu verbessern, kann das UP-Signal auf Kanal f1 mit Chirps, die über einen Zeitschlitz hinweg nur dem Initiator und dem Reflektor bekannt sind, versetzt werden. Der Reflektor oder der Initiator kann die Chirps bestimmen, so dass er die Phasenmessungen durch Empfangen des UP-Signals mit den übereinstimmenden Chirps, während vom Eindringling gestartete UP-Signale auf demselben Kanal zurückgewiesen werden, durchführen kann.
  • In einem zweiten Zeitschlitz können der Initiator und der Reflektor UP-Signale auf einem zweiten Kanal f2 austauschen. Der Reflektor und der Initiator können jeweils eine Phase an dem empfangenen UP-Signal auf Kanal f2 messen. Der Reflektor kann seine gemessene Phase zum Initiator senden, damit der Initiator seine gemessene Phase mit der durch den Reflektor gemessenen Phase summiert, um Φ2 zu erzeugen, das die Phasendifferenz repräsentieren kann, die das UP-Signal auf Kanal f2 nach zweimaliger Überquerung der Distanz zwischen dem Initiator und dem Reflektor erfahren hat. Ähnlich können in einem dritten Zeitschlitz der Initiator und der Reflektor UP-Signale auf einem dritten Kanal f3 austauschen. Die resultierende Phasendifferenz Φ3 kann die Phasendifferenz repräsentieren, die das UP-Signal von Kanal f3 nach zweimaliger Überquerung der Distanz zwischen dem Initiator und dem Reflektor erfahren hat.
  • Die UP-Signale auf den Kanälen f2 und f3 können über den zweiten bzw. dritten Zeitschlitz mit Frequenz-Chirps versetzt werden. Die Eigenschaften der Chirps für die verschiedenen Zeitschlitze des Entfernungsbestimmungszyklus können verschieden sein, damit es für den Attackierer schwierig wird, die Chirps vorherzusagen. In einem Aspekt können die Eigenschaften der Chirps durch den Initiator und den Reflektor unter Verwendung eines auf einem bekannten geteilten Sicherheitsschlüssel basierenden Chiffrieralgorithmus bestimmt werden. Der Initiator kann die Entfernung zum Reflektor auf der Basis einer Steigung der Phasendifferenzen Φ1, Φ2 und Φ3 als Funktion der Kanalfrequenzen schätzen.
  • 3 zeigt einen Initiator, der die Distanz zu einem Reflektor auf der Basis von durch den Initiator und den Reflektor gemessenen Phasen für zwei Frequenztöne (z.B. Kanäle) schätzt, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
  • Wie angegeben, kann die Entfernung zwischen dem Initiator und dem Reflektor eine Funktion der Steigung der Phasendifferenzen als eine Funktion der Kanalfrequenzen sein. Φ1 kann die Phasendifferenz repräsentieren, die das UP-Signal von Kanal f1 nach zweimaliger Überquerung der Distanz zwischen dem Initiator und dem Reflektor erfahren hat, und Φ2 kann die Phasendifferenz repräsentieren, die das UP-Signal auf Kanal f2 nach zweimaliger Überquerung der Distanz zwischen dem Initiator und dem Reflektor erfahren hat. Durch Nehmen der Differenz zwischen Φ1 und Φ2 kann die Entfernung geschätzt werden durch r = c 0 4 π ⋅ Φ 2 − Φ 1 f 2 − f 1
    Figure DE102023113216A1_0001
    wobei r die Entfernung und c0 die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ist. Die Entfernungsmehrdeutigkeit kann gleich c0/(2(f2 -f1)) sein, was eine Funktion der Frequenzdifferenz zwischen den zwei Kanälen ist.
  • Das Schätzen der Entfernung kann auf der Basis der von mehr als zwei Kanälen gemessenen Phasendifferenzen erweitert werden. Zum Beispiel können der Initiator und der Reflektor 37 unmodulierte Impulssignale unter Verwendung von 37 2-MHz-Datenkanälen über die 80-MHz-Bandbreite des 2,4-GHz-ISM-Bandes im BLE-Standard austauschen. Durch Mitteln der Differenz zwischen Paaren von (Φ1, Φ2), (Φ2, Φ3) ... (Φ36, (Φ37), wobei Φk die Phasendifferenz repräsentiert, die das UP-Signal von Kanal fk nach zweimaliger Überquerung der Distanz zwischen dem Initiator und dem Reflektor erfahren hat, kann die Entfernung geschätzt werden durch r = c 0 4 π ⋅ Φ 37 − Φ 1 f 37 − f 1
    Figure DE102023113216A1_0002
    wobei f1 Kanal 1 oder die niedrigste Kanalfrequenz repräsentiert und f37 Kanal 37 oder die höchste Kanalfrequenz der Datenkanäle repräsentiert. Somit kann die Bandbreite effektiv um einen Faktor von 37 vergrößert werden, ohne die Entfernungsmehrdeutigkeit zu reduzieren. Als Ergebnis kann die Entfernungsschätzung weniger empfindlich gegenüber Phasenfehlern sein.
  • 4A zeigt das Timing zweier Zeitschlitze eines Entfernungsbestimmungszyklus auf Phasenbasis, bei dem der Initiator und der Reflektor unmodulierte Impulse in zwei Frequenzkanälen austauschen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
  • Am Anfang eines ersten Zeitschlitzes kann der Initiator ein UP-Signal auf der Kanalfrequenz f1 senden, damit der Reflektor Phasenmessungen durchführt. Die Kanalfrequenz f1 kann mit Frequenz-Chirps versetzt werden, die nur dem Initiator und dem Reflektor bekannt sind. Der Reflektor kann die Chirps bestimmen, so dass er die Phasenmessungen durch Empfangen des UP-Signals mit den übereinstimmenden Chirps durchführen kann. Nach einer Zwischenzeit/einem Zwischenraum zwischen UP-Signalen im selben Zeitschlitz, was als Tspace bezeichnet werden kann, kann der Reflektor ein UP-Signal auf f1 versetzt mit Frequenz-Chirps senden, damit der Initiator Phasenmessungen durchführt. Umgekehrt kann der Initiator die Chirps auf dem empfangenen UP-Signal bestimmen, um die Phasenmessungen durchzuführen. Die Eigenschaften der Frequenz-Chirps zwischen den UP-Übertragungen, die zwischen Initiator und Reflektor ausgetauscht werden, können verschieden sein. Die Dauer der UP-Signalübertragungen kann als Td bezeichnet werden.
  • Nach einer Intervallzeitverzögerung/Lücke vom Ende eines Schlitzes bis zum Anfang des nächsten Zeitschlitzes, die als Tgap bezeichnet werden kann, können der Initiator und der Reflektor UP-Signale auf der Kanalfrequenz f2 versetzt mit Frequenz-Chirps in einem zweiten Zeitschlitz austauschen, damit der Reflektor bzw. der Initiator Phasenmessungen durchführt. Die Frequenz-Chirps für den zweiten Zeitschlitz können von denen für den ersten Zeitschlitz verschieden sein. Die Zeitverzögerung zwischen UP-Übertragungen durch dieselbe Vorrichtung von zwei aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen, die als die Dauer des Zeitschlitzes angesehen werden kann, ist dann (Tspace + 2Td + Tgap). Die Spanne des Frequenzdurchlaufs der Chirps für jede UP-Übertragung kann durch die Frequenzfehler der Kristalle des Initiators und des Reflektors, die zur Erzeugung der Frequenz-Chirps verwendet werden, und die Zeit für die Phasenmessungen begrenzt werden. Die Frequenzfehler der Kristalle werden typischerweise als ppm (Teile pro Million) gemessen. Die ppm der Kristalle des Initiators und Reflektors können eine Divergenz in den durch die zwei Vorrichtungen über die UP-Übertragungsdauer Td erzeugten Frequenz-Chirps und ein Timingoffset in der durch die zwei Vorrichtungen vorgenommenen Phasenmessung verursachen, was einen Fehler in der Entfernungsschätzung verursacht. Der Fehler in der Entfernungsschätzung aufgrund der Frequenzfehler der Kristalle kann gegenüber der UP-Übertragungsdauer Td und Tspace empfindlicher als Tgap sein. Begrenzung der Spanne des Frequenzdurchlaufs der Chirps der UP-Übertragung kann den Fehler in der Entfernungsschätzung reduzieren.
  • 4B zeigt einen Lauscher, der eine MITM-Phasenmanipulationsattacke (Man-In-The-Middle) einleitet, um die durch den Initiator geschätzte Entfernung zu manipulieren. Der Lauscher kann eine unverschlüsselte UP-Übertragung vom Initiator abfangen und eine Phasenverschiebung in sein gesendetes UP-Signal einführen. Die Phasenverschiebung ändert das Φk (siehe Gl. 1 und Gl. 2), das die Phasendifferenz repräsentiert, die das UP-Signal von Kanal fk nach zweimaliger Überquerung der Distanz zwischen dem Initiator und dem Lauscher erfahren hat, um es somit dem Lauscher zu erlauben, die durch den Initiator geschätzte Entfernung r zu manipulieren. Um die Sicherheit der UP-Entfernungsbestimmungssignale gegenüber der MITM-Attacke zu schützen, können die UP-Signale mit Frequenz-Chirps versetzt werden, die nur dem Initiator und dem Reflektor wie beschrieben bekannt sind.
  • 5 zeigt den Initiator und den Reflektor, die gegenseitig bekannte variierende Frequenzdurchläufe oder Chirps zu einem Frequenzton eines Zeitschlitzes der auf Phase basierenden Entfernungsbestimmung hinzufügen, um vor MITM-Attacken zu schützen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
  • Am Anfang eines ersten Zeitschlitzes kann der Initiator ein UP-Signal auf der Kanalfrequenz f1 versetzt mit Signatur-Chirps zum Reflektor senden, damit der Reflektor Phasenmessungen durchführt. Die Signatur-Chirps können einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich von Frequenzdurchlaufvariation, umfassen. Die Spanne des Frequenzdurchlaufs kann durch den Frequenzfehler der Kristalle im Initiator und im Reflektor wie besprochen oder durch die Bandbreite der Kanalfrequenz f1 begrenzt werden. Umgekehrt kann während des ersten Zeitschlitzes der Reflektor ein UP-Signal auf der Kanalfrequenz f1 versetzt mit Signatur-Chirps, die von denen des durch den Initiator gesendeten UP-Signals verschieden sind, senden.
  • 5 zeigt, dass der beliebige Bereich der Frequenzdurchlaufvariation bei einer Kanalbandbreite von 2 MHz des 2,4-GHz-ISM-Bands von BLE von -500 kHz bis +500 kHz reicht. Die Auflösung des Startfrequenzdurchlaufs und des Endfrequenzdurchlaufs kann auf 10 kHz eingestellt werden, was eine zufällige Auswahl von 100 verschiedenen Startfrequenzdurchläufen oder 100 verschiedenen Endfrequenzdurchläufen aus dem 1-MHz-Bereich der Frequenzdurchlaufvariation erlaubt. Die Anzahl der Signatur-Chirps mit einzigartigem Startfrequenzdurchlauf und Endfrequenzdurchlauf kann somit 10.000 sein. Die Signatur-Chirps können sich von UP-Übertragung zu UP-Übertragung und von Zeitschlitz zu Zeitschlitz ändern, wodurch es praktisch einem Lauscher unmöglich wird, die Signatur-Chirps vorherzusagen. Bei einer Ausführungsform kann beim Betrieb unter Verwendung der größeren Kanalbandbreite des ISM-Bands in der Millimeterwellenfrequenz (z.B. 60 GHz) der Bereich der Frequenzdurchlaufvariation größer werden, um eine sogar noch größere Anzahl einzigartiger Signatur-Chirps zu erlauben.
  • Die Dauer der Chirps, die gleich der Dauer jeder UP-Übertragung des Zeitschlitzes sein kann, kann zwischen 10-100 µs sein. Am Anfang jeder UP-Übertragung kann die Kanalfrequenz um den ausgewählten Startfrequenzdurchlauf der Signatur-Chirps versetzt werden. Am Ende jeder UP-Übertragung kann die Kanalfrequenz um die ausgewählte Endfrequenz der Signatur-Chirps versetzt werden. Die Chirps können linear von dem Startfrequenzdurchlauf zum Enddurchlauf variieren, während sie über die Dauer der Impulsübertragung innerhalb der Schranken des Bereichs der Frequenzdurchlaufvariation bleiben. 5 zeigt, dass für die Signatur-Chirps vom Initiator zum Reflektor der Frequenzdurchlauf über die Dauer der Impulsübertragung linear von dem ausgewählten Startfrequenzdurchlauf bis herunter auf -500 kHz und von -500 kHz herauf zum ausgewählten Endfrequenzdurchlauf variiert. Für die Signatur-Chirps vom Reflektor zum Initiator variiert der Frequenzdurchlauf über die Dauer der UP-Übertragung linear vom ausgewählten Startfrequenzdurchlauf bis herauf zu +500 kHz und von +500 kHz herunter zum ausgewählten Endfrequenzdurchlauf. Bei einigen Ausführungsformen kann der Frequenzdurchlauf der Signatur-Chirps vom Startfrequenzdurchlauf zum Endfrequenzdurchlauf über die Dauer der UP-Übertragung nichtlinear variieren.
  • 6 zeigt die Zeitbereichsrepräsentation und Frequenzbereichsrepräsentation des Einzelfrequenz-Chirp-Beispiels eines Zeitschlitzes der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis, wobei die Frequenz-Chirps linear von einer beliebigen Startfrequenz zu einer beliebigen Endfrequenz über die Chirp-Dauer variieren, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
  • In dem Frequenz-Chirp von 6 werden der Startfrequenzdurchlauf, bezeichnet als SF, und der Endfrequenzdurchlauf, bezeichnet als EF, beide auf 50 Hz gesetzt. SF und EF werden aus einem Bereich der Frequenzdurchlaufvariation ausgewählt, der von 0 bis B Hz reicht. Die Dauer der Frequenz-Chirps wurde der Einfachheit halber auf 1 normiert. Die Zeitbereichsrepräsentation zeigt das Abnehmen der Timingsignalform der Frequenz-Chirps von SF auf 0 Hz während der ersten Hälfte der Chirp-Dauer und das Zunehmen von 0 Hz auf EF während der zweiten Hälfte der Chirp-Dauer. Die Zeit-Frequenzbereichsrepräsentation zeigt deutlicher die lineare Variation der Frequenz-Chirps über die Chirp-Dauer, wobei die Frequenz-Chirps am Mittelpunkt der Chirp-Dauer 0 Hz erreichen.
  • In einem Aspekt kann die Signalform der Frequenz-Chirps (die als Orthogonal-Frequenz-Chirps bezeichnet werden können) im Zeitbereich ausgedrückt werden als s ( t ) = e ( j π ψ T 2 ( t + U I D T ψ ) 2 ) ,   − S F x T ψ < t < E F x T ψ
    Figure DE102023113216A1_0003
    mit
    Startfrequenzdurchlauf SF ∈ [0-F];
    Endfrequenzdurchlauf EF ∈ [0-F];
    Benutzer-ID UID e ℤ; ψ = S F + E F ;
    Figure DE102023113216A1_0004
    Chirp-Dauer T;
    Bandbreite ψ T .
    Figure DE102023113216A1_0005
  • Die UID kann zufällig aus einem Bereich von Werten ausgewählt werden, um sogar noch mehr Variabilität in die Orthogonal-Frequenz-Chirps einzuführen. In einem Aspekt können die Eigenschaften der Orthogonal-Frequenz-Chirps, darunter SF, EF, UID, für jeden Zeitschlitz oder jede UP-Übertragung durch den Initiator und den Reflektor unter Verwendung eines Chiffrieralgorithmus, wie etwa AES (Advanced Encryption Standard) auf der Basis eines bekannten geteilten Sicherheitsschlüssels berechnet werden. Jeder Aufruf des Chiffrieralgorithmus kann auf der Basis des geteilten Sicherheitsschlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, der jeden Zeitschlitz inkrementiert, eine Pseudozufallszahl erzeugen. Felder der Pseudozufallszahl können extrahiert werden, um die Eigenschaften der den Zeitschlitzen oder den UP-Übertragungen zugeordneten Orthogonal-Frequenz-Chirps zu bestimmen.
  • Zum Beispiel kann die UID zufällig aus einem Bereich von [0:80] in Auflösung von 10 ausgewählt werden, was zu 8 möglichen Werten führt; SF und EF können zufällig aus einem Bereich der Frequenzdurchlaufvariation innerhalb eines Intervalls wie etwa [-250 kHz, 250 kHz] mit einer Auflösung von 10 kHz ausgewählt werden, was jeweils zu 51 möglichen Werten führt. Die UID kann unter Verwendung von 4 Bit codiert werden; SF und EF können jeweils unter Verwendung von 6 Bit codiert werden. Der AES-Chiffrieralgorithmus kann im Zähler- bzw. CTR-Modus laufen, wobei er als seine Eingabe einen geteilten Schlüssel zwischen dem Initiator und dem Reflektor und einen Initialisierungsvektor IV bzw. ein „Nonce“ zur Erzeugung einer 128-Bit-Ausgabe nimmt. Der IV bzw. das Nonce wird mit einem Zähler, der sich auf der Basis der Zeitschlitznummer inkrementiert, kombiniert. In jedem Zeitschlitz können sowohl der Initiator als auch der Reflektor den AES-Chiffrieralgorithmus unter Verwendung desselben IV und des geteilten Schlüssels aufrufen, um eine 128-Bit-Pseudozufallszahl zu erzeugen, aus der Blöcke von 16 Bit ausgewählt werden können, um UID, SF und EF zu bestimmen. Der Initiator und der Reflektor können in jedem Zeitschlitz verschiedene Chirp-Signaturen haben. Bei einer Ausführungsform können der Initiator und der Reflektor den AES-Chiffrieralgorithmus einmal alle 4 Zeitschlitze aufrufen, die 8 UP-Übertragungen umschließen, die zwischen Initiator und Reflektor ausgetauscht werden. Jede der 8 UP-Übertragungen kann ein anderes 16-Bit-Teilfeld der durch AES erzeugten 128-Bit-Pseudozufallszahl extrahieren, um UID, SF und EF der Frequenz-Chirps zu bestimmen.
  • 7 zeigt die Signatureigenschaften mehrerer Chirps, die verschiedene Raten der Frequenzvariation über die Chirp-Dauer aufweisen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
  • SF und EF der Signatur-Chirps können aus einem Bereich der Frequenzdurchlaufvariation von 0 bis 90 kHz in Auflösung von 10 kHz ausgewählt werden. Die UID aller Signatur-Chirps kann auf 0 gesetzt werden. 7 zeigt, dass für Signatur-Chirps 1 (701) der Frequenzdurchlauf über die Chirp-Dauer linear von der SF von 20 kHz bis herunter auf 0 und von 0 herauf zur EF von 80 kHz variiert; für Signatur-Chirps 2 (702) variiert der Frequenzdurchlauf über die Chirp-Dauer linear von der SF von 30 kHz bis herunter auf 0 und von 0 herauf zur EF von 90 kHz; für Signatur-Chirps 3 (703) variiert der Frequenzdurchlauf über die Chirp-Dauer linear von der SF von 40 kHz bis herunter auf 0 und von 0 herauf zur EF von 80 kHz; für Signatur-Chirps 4 (704) variiert der Frequenzdurchlauf über die Chirp-Dauer linear von der SF von 90 kHz bis herunter auf 0 und von 0 herauf zur EF von 20 kHz. Man beachte, dass für die Signatur-Chirps 2 (702) und 3 (703) die Gesamtspanne des Frequenzdurchlaufs (Summe von SF und EF oder Ψin Gleichung 3) oder die Bandbreite (Ψ/T) gleich ist, so dass sich für die zwei Signatur-Chirps eine identische Rate des Frequenzdurchlaufs ergibt. 7 zeigt, dass der Frequenzdurchlauf von SF auf 0 abnimmt und dann von 0 auf EF zunimmt. Bei einer Ausführungsform kann der Frequenzdurchlauf von SF auf 90 kHz zunehmen und dann von 90 kHz auf EF abnehmen. Bei einer Ausführungsform kann die Richtung des Frequenzdurchlaufs für jede UP-Übertragung als Teil der Eigenschaften der Chirps, die unter Verwendung eines Chiffrieralgorithmus wie AES bestimmt werden, zufällig gewählt werden.
  • In einem Aspekt kann der Initiator zu mehreren Reflektoren in Entfernungsbestimmungsanwendungen unter mehr als zwei Vorrichtungen gleichzeitig mehrere Signale senden, die jeweils mit individualisierten Signatur-Frequenz-Chirps modifiziert sind. Die Eigenschaften der Chirps zwischen dem Initiator und einem spezifischen Reflektor sind möglicherweise nur dem Paar bekannt, dessen gegenseitige Entfernung zu schätzen ist. Die vom Initiator zu den mehreren Reflektoren gesendeten Chirps können über die Dauer eines Zeitschlitzes orthogonal sein, um Störungen zwischen den mehreren Signalen zu minimieren. Ein Reflektor kann die Eigenschaften seiner Chirps bestimmen, um das nur für den Reflektor bestimmte Signal zu empfangen.
  • 8 zeigt einen Initiator A, der orthogonale Chirps mit mehreren Reflektoren B, C und D austauscht, um die Entfernungen r1, r2 bzw. r3 zwischen dem Initiator und den Reflektoren zu schätzen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. Der Initiator A und die Reflektoren B, C und D können Signale auf einer Kanalfrequenz austauschen, um während eines Zeitschlitzes eines Entfernungsbestimmungszyklus Phasenmessungen durchzuführen.
  • Während des Intervalls T0 (810) des Zeitschlitzes kann der Initiator A gleichzeitig ein Signatur-Chirp 1 (801), ausgewählt aus einer Bank von Orthogonal-Signatur-Chirps, zu Reflektor B, ein Signatur-Chirp 2 (802) zu Reflektor C und ein Signatur-Chirp 3 (803) zu Reflektor D senden. Die Eigenschaften der Chirps können unter den drei Signatur-Chirps verschieden sein, so dass die drei Signatur-Chirps über die Chirp-Dauer orthogonal sind. Zum Beispiel können SF und EF für die Signatur-Chirps 1 (801), die Signatur-Chirps 2 (802) und die Signatur-Chirps 3 (803) verschieden sein. Bei einer Ausführungsform können SF und EF für die drei Signatur-Chirps gleich sein, aber die UID für die drei Reflektoren können verschieden sein. Die Eigenschaften der Orthogonal-Frequenz-Chirps für jeden Reflektor sind gegenseitig möglicherweise nur dem Reflektor und dem Initiator A bekannt. Jeder Reflektor kann die Eigenschaften seiner Chirps bestimmen, so dass er die Phasenmessungen an dem UP-Signal mit den vom Initiator A empfangenen übereinstimmenden Chirps durchführen kann.
  • Bei einer Ausführungsform können, wenn der AES-Chiffrieralgorithmus zur Bestimmung der Eigenschaften der Chirps verwendet wird, die mehreren Reflektoren verschiedene geteilte Schlüssel oder Initialisierungsvektoren zur Erzeugung verschiedener Pseudozufallszahlenausgaben verwenden. Bei einer Ausführungsform können die mehreren Reflektoren dieselben geteilten Schlüssel und Initialisierungsvektoren zur Erzeugung derselben Pseudozufallszahl aus jedem Aufruf des AES-Chiffrieralgorithmus verwenden, aber die Pseudozufallszahl kann weiter verarbeitet werden, um die Eigenschaften der für jeden Reflektor einzigartigen Orthogonal-Frequenz-Chirps zu erzeugen, wie etwa durch Erzeugen einer einzigartigen UID für jeden Reflektor.
  • Nach einer Zwischenzeit/einem Zwischenraum (Tspace) können die Übertragungssignale von den Reflektoren B, C und D zeitgemultiplext werden, um es dem Initiator A zu erlauben, seine reziproken Phasenmessungen durchzuführen. Zum Beispiel kann während des Intervalls T1 (811) des Zeitschlitzes Reflektor B ein aus einer Bank von Orthogonal-Signatur-Chirps ausgewähltes Signatur-Chirp 4 (804) auswählen, damit Initiator A die Phasenmessungen durchführt. In einem nachfolgenden Intervall T2 (812) des Zeitschlitzes kann Reflektor C ein Signatur-Chirp 5 (805) aussuchen und senden, und in einem letzten Intervall T3 (813) des Zeitschlitzes kann Reflektor D ein Signatur-Chirp 6 (806) senden, damit Initiator A die Phasenmessungen durchführt. Die Eigenschaften des Signatur-Chirps 4 (804), des Signatur-Chirps 5 (805) und des Signatur-Chirps 6 (806) können verschieden oder gleich sein, da die drei Signatur-Chirps seriell durch den Initiator A empfangen werden.
  • 9 zeigt die Signatureigenschaften mehrerer Orthogonal-Chirps als Signaturen, die dieselbe Rate der Frequenzvariation über eine Chirp-Dauer aufweisen, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. Die mehreren Chirps sind orthogonal und können für die in 7 dargestellte Mehrfach-Reflektor-Entfernungsbestimmungsanwendung verwendet werden.
  • In 9 können SF und EF für die mehreren Signatur-Chirps gleich sein, aber die UID für die mehreren Chirps kann verschieden sein. Zum Beispiel kann die UID für die mehreren Chirps von 0 bis 50 in Auflösung von 10 reichen. Der Frequenzdurchlauf am Anfang der Chirp-Dauer und der Frequenzdurchlauf am Ende der Chirp-Dauer für die mehreren Chirps kann aufgrund der verschiedenen UID gestaffelt werden. Die Gesamtspanne des Frequenzdurchlaufs s((SF + EF) oder Ψ) oder die Bandbreite (Ψ/T) ist jedoch für die mehreren Chirps dieselbe.
  • 10 zeigt Techniken zur Verwendung eines Digital-Mischers 1001 oder eines CORDIC (Koordinatenrotations-Digitalcomputers) 1005 zur Modulation einer Zwischenfrequenz durch Chirps im digitalen Bereich als Signale für Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. 10 kann durch einen Initiator oder einen Reflektor implementiert werden.
  • Der Digital-Mischer 1001 kann ein digitales IQ-Signal 1003 mit einer digitalen Frequenzverschiebung 1005 mischen. Zum Beispiel kann ein digitales IQ-Signal 1003 ein Signal mit einer IF-Frequenz FIF repräsentieren. Die digitale Frequenzverschiebung 1005 kann die variierenden Frequenzdurchläufe (Offsets) der Chirps Fchirp repräsentieren. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei Fchirp um die Signatur-Chirps von 5-9 handeln. Der digitale Mischer 1001 kann das digitale IQ-Signal 1003 bei FIF mit der digitalen Frequenzverschiebung 1005 von Fchirp, repräsentiert im Quadratur-IQ-Format, multiplizieren, um ein versetztes digitales IQ-Signal 1007 zu erzeugen. Das versetzte digitale IQ-Signal 1007 kann bei der IF-Frequenz (FIF + Fchirp) liegen.
  • Die RF-Grob-Frequenzkompensationsschaltung kann einen RF-Mischer 1011 im RF-Bereich zum Aufwärtsumsetzen des versetzten digitalen IQ-Signals 1007 verwenden, das mit einem aus einem PLL (Phasenregelkreis) erzeugten LO-Signal 1009 in ein analoges Signal umgesetzt worden ist. Das LO-Signal 1009 kann bei (FC - FIF) liegen, wobei Fc die Mittenfrequenz des zum Führen des UP-Signals verwendeten Kanals repräsentiert. Die Ausgabe des RF-Mischers 1011 kann bei der RF-Frequenz ((FC - FIF) + (FIF + Fchirp)) oder (FC + Fchirp) 1013 liegen, wodurch die Mittenfrequenz des durch die Signatur-Chirps versetzten Kanals repräsentiert wird. Die RF-Frequenz (FC + Fchirp) 1013 kann für Anwendungen der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis gesendet werden. In einem Aspekt kann Fc für einen Zeitschlitz fest sein und Fchirp kann einen Bereich von Frequenzen über den Zeitschlitz durchlaufen.
  • Als Alternative kann der CORDIC 1015 das digitale IQ-Signal 1003 bei FIF mit einer Phasendrehung 1017 mischen, um FIF um die Signatur-Chirps zu versetzen. Die Phasendrehung 1017 kann das Fchirp im Phasenformat repräsentieren. Um die Koordinatendrehung zu erleichtern, kann der CORDIC 1015 das digitale IQ-Signal 1003 bei FIF auch in das Phasenformat umsetzen, so dass die Phase von FIF mit der Phase von Fchirp summiert werden kann. Der CORDIC 1015 kann das Ergebnis der Frequenzversetzung wieder in das Quadratur-IQ-Format umsetzen, um das versetzte digitale IQ-Signal 1007 bei der IF-Frequenz (FIF + Fchirp) zu repräsentieren.
  • Die dem CORDIC 1015 zugeordnete RF-Grob-Frequenzkompensationsschaltung kann auf dieselbe Weise wie die für den digitalen Mischer 1001 wirken, um das versetzte digitale IQ-Signal 1007, das in ein Analogsignal umgesetzt wurde, mit dem LO-Signal 1009 bei (FC -FIF) im RF-Bereich zu mischen, um die RF (FC + Fchirp) 1013 zu erzeugen. Die Implementierungen des digitalen Mischers 1001 und des CORDIC 1015 geben dieselben Ergebnisse, können aber bezüglich Fläche, Kosten und Komplexität abhängig von der Anzahl von Bit von FIF, der Anzahl von Bit von Fchirp und der Anzahl von Bit des versetzten digitalen IQ-Signals 1007 unterschiedlich sein.
  • 11 zeigt Techniken zur Verwendung eines digitalen Mischers 1101 oder eines CORDIC 1115 zur Entfernung von Chirps aus einer Zwischenfrequenz im digitalen Bereich beim Empfang eines Chirp-modulierten Impulssignals für die Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. 11 kann durch einen Initiator oder einen Reflektor implementiert werden.
  • Die RF-Grob-Frequenzkompensationsschaltung kann das UP-Signal auf der Mittenfrequenz des zum Führen des UP-Signals verwendeten Kanals Fc, versetzt durch die Signatur-Chirps, repräsentiert als RF-Frequenz (FC + Fchirp) 1113, empfangen. Die RF-Grob-Frequenzkompensationsschaltung kann einen RF-Mischer 1111 im RF-Bereich verwenden, um (FC + Fchirp) 1113 mit einem aus einem PLL (Phasenregelkreis) erzeugten LO-Signal 1109 abwärtsumzusetzen. Das LO-Signal 1009 kann bei (FC - FIF) liegen, wobei FIF eine IF-Frequenz repräsentiert. Die Ausgabe des RF-Mischers 1111 kann das versetzte IQ-Signal 1107 auf ((FC + FIF) - (FIF - Fchirp) oder auf der IF-Frequenz (FC + Fchirp) sein.
  • Der digitale Mischer 1101 kann das versetzte IQ-Signal 1107, das in den digitalen Bereich umgesetzt wurde, mit einer digitalen Frequenzverschiebung 1105 mischen. Die digitale Frequenzverschiebung 1105 kann die variierenden Frequenzdurchläufe der Chirps Fchirp repräsentieren. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei Fchirp um die Signatur-Chirps von 5-9 handeln. Der digitale Mischer 1001 kann das digitale versetzte IQ-Signal 1107 auf (FIF + Fchirp) mit der im IQ-Quadraturformat repräsentierten digitalen Frequenzverschiebung 1105 von Fchirp multiplizieren, um die Signatur-Chirps zu entfernen, um ein digitales IQ-Signal 1103 auf der IF-Frequenz FIF zu erzeugen. Der Empfänger kann die Phase des digitalen IQ-Signals 1103 messen.
  • Als Alternative kann der CORDIC 1115 das digitale versetzte IQ-Signal 1107 auf (FIF + Fchirp) mit einer Phasendrehung 1117 mischen, um die Signatur-Chirps zu entfernen. Die Phasendrehung 1117 kann das Fchirp im Phasenformat repräsentieren. Um die Koordinatendrehung zu erleichtern, kann der CORDIC 1115 das versetzte IQ-Signal 1107 auf (FIF + Fchirp) auch in das Phasenformat umsetzen, so dass die Phase von (FIF + Fchirp) durch die Phase von Fchirp subtrahiert werden kann. Der CORDIC 1115 kann die Koordinatendrehung in das Quadratur-IQ-Format zurück umsetzen, um das digitale IQ-Signal 1103 auf der IF-Frequenz FIF zu erzeugen.
  • 12 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines Sendeempfängers, der Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis unter Verwendung von Chirp-modulierten Impulsen implementiert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. 12 kann durch einen Initiator oder einen Reflektor implementiert werden.
  • Bei Konfiguration als Empfänger kann der Sendeempfänger ein BLE-Signal empfangen, das ein durch Signatur-Chirps versetztes UP-Signal für Phasenmessungen enthält. Eine Antenne 1201 kann das BLE-Signal empfangen. Ein Duplexer kann Isolation zwischen dem empfangenen BLE-Signal und einem Sende-BLE-Signalpfad gewährleisten. Ein RF-Filter 1203, das auf dem Frequenzkanal des empfangenen Signals zentriert ist, kann das Empfangssignal filtern, um ein gefiltertes RF-Signal zu erzeugen, das das Signatur-Chirps enthält. Ein LNA (rauscharmer Verstärker) 1205 kann das gefilterte RF-Signal verstärken. Ein Abwärtsumsetzer 1209 kann das verstärkte und Filter-RF-Signal mit einem auf die Mittenfrequenz des Kanals abgestimmten LO (Lokaloszillator) 1207 mischen, um die Signatur-Chirps zu entfernen, um ein abwärtsumgesetztes Quadratursignal zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform kann der Abwärtsumsetzer 1209 unter Verwendung der Techniken von 1 1 implementiert werden. Ein Tiefpassfilter 1211 kann das abwärtsumgesetzte Quadratursignal filtern, um ein IF- oder ein Basisband-Quadratursignal zu erzeugen. Ein Verstärker 1213 kann das IF- oder Basisband-Quadratursignal verstärken, um ein verstärktes IF- oder Basisband-Quadratursignal zu erzeugen. Ein ADC (Analog-DigitalUmsetzer) 1215 kann das verstärkte IF- oder Basisband-Quadratursignal mit einem Abtasttakt abtasten, um ein digitales IF- oder Basisband-Quadratursignal zu erzeugen. Das digitale IF- oder Basisband-Quadratursignal kann die Quadraturabtastwerte des UP-Signals repräsentieren und kann abgetastet werden, um die Phase zu messen.
  • Bei Konfiguration als Sender kann der Sendeempfänger ein durch Signatur-Chirps moduliertes UP-Signal für Phasenmessungen in verschiedenen Zeitschlitzen senden. Eine Orthogonal-Signatur-Chirp-Bank 1227 kann ein gewünschtes Signal im Basisband oder in IF beschaffen und erzeugen. Ein Aufwärtsumsetzer 1229 kann das Signal von der Orthogonal-Chirp-Bank 1227 mit dem auf die Mittenfrequenz eines Kanals abgestimmten LO 1207 mischen, um den Impuls mit den Signatur-Chirps zu modulieren und ein aufwärtsumgesetztes Signal auf RF zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform kann der Aufwärtsumsetzer 1229 unter Verwendung der Techniken von 10 implementiert werden. Ein RF-Filter 1231 kann das aufwärtsumgesetzte modulierte Impulssignal filtern, um ein RF-Signal zu erzeugen. Ein PA (Leistungsverstärker) 1233 kann das RF-Signal verstärken, um ein Sendesignal zu erzeugen. Der Duplexer 1202 kann das Sendesignal zur Übertragung der Antenne 1401 zuführen.
  • 13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1300 zum Betrieb einer Vorrichtung zum Erzeugen und Senden von Chirp-modulierten Impulsen in mehreren Zeitschlitzen eines Entfernungsbestimmungszyklus zur Unterstützung sicherer Mehrträger-Entfernungsbestimmung auf Phasenbasis zwischen der Vorrichtung und einer Zielvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. In einem Aspekt kann das Verfahren 1300 durch die Vorrichtung unter Verwendung von Hardware, Software oder Kombinationen von Hardware und Software ausgeführt werden.
  • In Operation 1301 kann die Vorrichtung eine Vielzahl von Frequenz-Chirps und eine Vielzahl von Kanalfrequenzen entsprechend einer Vielzahl von Zeitschlitzen bestimmen. Die Vielzahl von Frequenz-Chirps hat Eigenschaften, die der Vorrichtung und einer Zielvorrichtung bekannt sind.
  • In Operation 1303 kann die Vorrichtung eine Vielzahl von frequenzmodulierten FMCW-Signalen (frequenzmodulierter Dauerstrich) entsprechend der Vielzahl von Zeitschlitzen auf der Basis des Modulierens der Vielzahl von Kanalfrequenzen entsprechend der Vielzahl von Zeitschlitzen durch die Vielzahl von Frequenz-Chirps bestimmen.
  • In Operation 1305 kann die Vorrichtung die Vielzahl von frequenzmodulierten Dauerstrichsignalen entsprechend der Vielzahl von Zeitschlitzen zur Zielvorrichtung senden.
  • Verschiedene Ausführungsformen des hier beschriebenen Mehrträger-Entfernungsbestimmungssystems auf Phasenbasis können verschiedene Operationen umfassen. Diese Operationen können durch Hardwarekomponenten, digitale Hardware und/oder Firmware/programmierbare Register (z.B. wie in einem computerlesbaren Medium implementiert) und/oder Kombinationen davon ausgeführt und/oder gesteuert werden. Zum Beispiel können die Operationen durch einen Vielzweckcomputer oder ein Verarbeitungssystem, das ein in einem computerlesbaren Medium gespeichertes Computerprogramm ausführt, ausgeführt werden. Die hier beschriebenen Verfahren und Anschauungsbeispiele betreffen nicht von Natur aus irgendeine bestimmte Vorrichtung oder andere Gerätschaft. Verschiedene Systeme (wie z.B. eine drahtlose Vorrichtung, die in einer Nah- oder Weitfeldumgebung, einem Pico-Netzwerk, einem großflächigen Netzwerk usw. operiert) können gemäß den hier beschriebenen Lehren verwendet werden, oder es kann sich als zweckmäßig erweisen, spezialisiertere Gerätschaften zu konstruieren, um die erforderlichen Verfahrensschritte auszuführen. Die erforderliche Struktur für vielfältige dieser Systeme wird wie in der obigen Beschreibung dargelegt erscheinen.
  • Ein computerlesbares Medium, das zum Implementieren von Vorgängen verschiedener Gesichtspunkte der Offenbarung verwendet wird, kann ein nicht-transitorisches, computerlesbares Speicherungsmedium sein, das ein elektromagnetisches Speicherungsmedium, ein magneto-optisches Speicherungsmedium, einen Nur-LeseSpeicher (ROM), Direktzugriffsspeicher (RAM), löschbaren programmierbaren Speicher (z.B. EPROM und EEPROM), Flash-Speicher oder einen anderen derzeit bekannten oder später entwickelten nicht-transitorischen Typ von Medium, der zum Speichern von Konfigurationsinformationen geeignet ist, einschließen.
  • Die vorstehende Beschreibung soll veranschaulichend und nicht einschränkend sein. Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf spezifische veranschaulichende Beispiele beschrieben wurde, versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt ist. Der Umfang der Offenbarung ist in Bezug auf die beigefügten Ansprüche zu bestimmen, zusammen mit der vollen Reichweite von Äquivalenten, zu denen die Ansprüche berechtigt sind.
  • Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, der Kontext gibt explizit etwas anderes an. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „können einschließen“ und/oder „einschließlich“, wenn hierin verwendet, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Komponenten bezeichnen, nicht aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen von diesen ausschließt. Daher dient die hierin verwendete Terminologie lediglich zur Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und bezweckt keinerlei Einschränkung.
  • Es ist auch zu beachten, dass in einigen alternativen Implementierungen die Funktionen/angegebenen Handlungen außerhalb der in den Figuren angegebenen Reihenfolge auftreten können. Zum Beispiel können zwei Figuren, die hintereinander gezeigt sind, tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder können zuweilen in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, abhängig von der/den beteiligten Funktionalität/Handlungen.
  • Obwohl die Verfahrensvorgänge in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben wurden, versteht es sich, dass andere Vorgänge zwischen beschriebenen Vorgängen durchgeführt werden können, beschriebene Vorgänge so angepasst werden können, dass sie zu leicht unterschiedlichen Zeiten stattfinden, oder die beschriebenen Vorgänge in einem System verteilt sein können, welches das Auftreten der Verarbeitungsvorgänge in verschiedenen Intervallen, die mit der Verarbeitung verbunden sind, ermöglichen. Zum Beispiel können bestimmte Vorgänge mindestens teilweise in umgekehrter Reihenfolge, gleichzeitig und/oder parallel zu anderen Vorgängen durchgeführt werden.
  • Verschiedene Einheiten, Schaltungen oder andere Komponenten können als „konfiguriert zum“ oder „konfigurierbar zum“ Durchführen einer Aufgabe oder Aufgaben beschrieben oder beansprucht werden. In solchen Zusammenhängen wird der Ausdruck „konfiguriert zu“ oder „konfigurierbar zum“ verwendet, um eine Struktur anzudeuten, indem angegeben wird, dass die Einheiten/Schaltungen/Komponenten eine Struktur (z.B. eine Schaltung) einschließen, welche die Aufgabe oder Aufgaben während des Vorgangs durchführt. Somit kann gesagt werden, dass die Einheit/Schaltung/Komponente konfiguriert ist zum Durchführen der Aufgabe, oder konfigurierbar zum Durchführen der Aufgabe, selbst wenn die spezifizierte Einheit/Schaltung/Komponente derzeit nicht in Betrieb ist (z.B. nicht eingeschaltet ist). Die Einheiten/Schaltungen/Komponenten, die mit der Sprache „konfiguriert zum“ oder „konfigurierbar zum“ verwendet werden, schließen Hardware - zum Beispiel Schaltungen, Speicher, in dem Programmanweisungen gespeichert sind, die ausführbar sind, um den Betrieb zu implementieren, usw. - ein. Wenn angegeben wird, dass eine Einheit/Schaltung/Komponente „konfiguriert ist zum“ Durchführen einer oder mehrerer Aufgaben oder „konfigurierbar ist zum“ Durchführen einer oder mehrerer Aufgaben, ist ausdrücklich nicht beabsichtigt, sich auf die Anwendung von 35 U.S.C. 112, sechster Absatz für diese Einheit/Schaltung/Komponente zu berufen.
  • Außerdem kann „konfiguriert zum“ oder „konfigurierbar zum“ eine allgemeine Struktur (z.B. eine allgemeine Schaltlogik) einschließen, die durch Firmware (z.B. ein FPGA) gesteuert wird, um auf eine Weise zu arbeiten, die in der Lage ist, die vorliegende(n) Aufgabe(n) durchzuführen. „Konfiguriert zum“ kann auch das Anpassen eines Fertigungsprozesses (z.B. einer Halbleiterfertigungsanlage) einschließen, um Vorrichtungen (z.B. integrierte Schaltungen) zu fertigen, die ausgelegt sind, um eine oder mehrere Aufgaben zu implementieren oder durchzuführen. „Konfigurierbar zum“ soll ausdrücklich nicht für leere Medien, einen unprogrammierten Prozessor oder eine unprogrammierte programmierbare Logikvorrichtung, ein programmierbares Gate-Array oder eine andere unprogrammierte Vorrichtung gelten, es sei denn, sie werden von programmierten Medien begleitet, die der unprogrammierten Vorrichtung die Fähigkeit verleihen, konfiguriert zu werden, um die offenbarte(n) Funktion(en) durchzuführen.
  • Die vorstehende Beschreibung erfolgte zur Erörterung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen. Allerdings sind die vorstehenden veranschaulichenden Erörterungen weder als erschöpfend zu betrachten, noch sollen sie die Erfindung auf die exakt offenbarten Formen beschränken. Im Hinblick auf die obigen Lehren sind viele Modifikationen und Variationen möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Ausführungsformen und ihre praktische Anwendung am besten zu erklären, um dadurch anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Ausführungsformen und verschiedenen Modifikationen, wie sie für die jeweilige beabsichtigte Verwendung geeignet sein können, am besten zu nutzen. Dementsprechend sind die vorliegenden Ausführungsformen als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten, und die Erfindung ist nicht auf die hierin angegebenen Details beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs und der Äquivalente der beigefügten Ansprüche modifiziert werden.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Durchführen von Operationen durch eine drahtlose Vorrichtung, umfassend: - Bestimmen mehrerer Frequenz-Chirps und mehrerer Kanalfrequenzen entsprechend mehreren Zeitschlitzen, wobei die mehreren Frequenz-Chirps Eigenschaften aufweisen, die der drahtlosen Vorrichtung und einer Zielvorrichtung bekannt sind; - Bestimmen mehrerer frequenzmodulierter Dauerstrich-Signale, FMCW-Signale, entsprechend den mehreren Zeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch die mehreren Frequenz-Chirps; - Senden der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch die drahtlose Vorrichtung zu der Zielvorrichtung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Eigenschaften der mehreren Frequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen für die mehreren Zeitschlitze randomisiert sind.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bestimmen der mehreren Frequenz-Chirps Folgendes umfasst: - Erzeugen von Pseudozufallszahlen auf der Basis eines geteilten Schlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, wobei der geteilte Schlüssel und der zeitveränderliche Initialisierungsvektor sowohl der drahtlosen Vorrichtung als auch der Zielvorrichtung bekannt sind; - Bestimmen der Eigenschaften der mehreren Frequenz-Chirps auf der Basis der Pseudozufallszahlen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der zeitveränderliche Initialisierungsvektor eine den mehreren Zeitschlitzen zugeordnete Zeitreferenz umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eigenschaften jedes der mehreren Frequenz-Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation, umfassen, wobei die Kanalfrequenzen zufällig aus einem Bereich von Kanalbandbreite ausgewählt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Bestimmen der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen Folgendes umfasst: - Bestimmen einer Startträgerfrequenz durch Modulieren der Kanalfrequenz für jeden der mehreren Zeitschlitze durch den Startfrequenzdurchlauf entsprechend jedem der mehreren Zeitschlitze; - Bestimmen einer Endträgerfrequenz durch Modulieren der Kanalfrequenz für jeden der mehreren Zeitschlitze durch den Endfrequenzdurchlauf entsprechend jedem der mehreren Zeitschlitze; - lineares Variieren der Trägerfrequenz von der Startträgerfrequenz zu der Endträgerfrequenz über eine Dauer jedes der mehreren Zeitschlitze.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - für jede von mehreren Zielvorrichtungen, Bestimmen mehrerer FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch mehrere Frequenz-Chirps, die für jede der mehreren Zielvorrichtungen einzigartig sind, wobei die mehreren Frequenz-Chirps, die für jede der mehreren Zielvorrichtungen einzigartig sind, Eigenschaften aufweisen, die der drahtlosen Vorrichtung bzw. nur jeder der mehreren Zielvorrichtungen bekannt sind; - gleichzeitiges Senden der mehreren FMCW-Signale, die jeder der mehreren Zielvorrichtungen zugeordnet sind, entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch die drahtlose Vorrichtung zu den mehreren Zielvorrichtungen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die mehreren FMCW-Signale, die gleichzeitig zu den mehreren Zielvorrichtungen gesendet werden, über eine Dauer jedes der mehreren Zeitschlitze orthogonal sind.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem die Eigenschaften jedes der mehreren Orthogonal-Frequenz-Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation, und eine zufällig jeder der mehreren Zielvorrichtungen zugeordnete Benutzeridentifikationsnummer umfassen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Bestimmen eines Empfangs-FMCW-Signals entsprechend jedem von mehreren Empfangs-Zeitschlitzen auf der Basis von Eigenschaften mehrerer Empfangsfrequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Empfangs-Zeitschlitzen; - Empfangen des Empfangs-FMCW-Signals entsprechend jedem der mehreren Empfangs-Zeitschlitze durch die drahtlose Vorrichtung von der Zielvorrichtung, um eine Distanz zur Zielvorrichtung zu schätzen.
  11. Vorrichtung, umfassend: - ein Verarbeitungssystem, eingerichtet zum - Bestimmen mehrerer Frequenz-Chirps und mehrerer Kanalfrequenzen entsprechend mehreren Zeitschlitzen, wobei die mehreren Frequenz-Chirps Eigenschaften aufweisen, die der Vorrichtung und einer Zielvorrichtung bekannt sind; - Bestimmen mehrerer frequenzmodulierter Dauerstrich-Signale, FMCW-Signale, entsprechend den mehreren Zeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch die mehreren Frequenz-Chirps; - einen Sendeempfänger, eingerichtet zum Senden der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen zu der Zielvorrichtung.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Eigenschaften der mehreren Frequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen für die mehreren Zeitschlitze randomisiert sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der zur Bestimmung der mehreren Frequenz-Chirps das Verarbeitungssystem eingerichtet ist zum - Erzeugen von Pseudozufallszahlen auf der Basis eines geteilten Schlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, wobei der geteilte Schlüssel und der zeitveränderliche Initialisierungsvektor sowohl der Vorrichtung als auch der Zielvorrichtung bekannt sind; - Bestimmen der Eigenschaften der mehreren Frequenz-Chirps auf der Basis der Pseudozufallszahlen.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der zeitveränderliche Initialisierungsvektor eine den mehreren Zeitschlitzen zugeordnete Zeitreferenz umfasst.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die Eigenschaften jedes der mehreren Frequenz-Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation, umfassen, wobei die Kanalfrequenzen zufällig aus einem Bereich von Kanalbandbreite ausgewählt werden.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der zur Bestimmung der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen das Verarbeitungssystem eingerichtet ist zum - Bestimmen einer Startträgerfrequenz durch Modulieren der Kanalfrequenz für jeden der mehreren Zeitschlitze durch den Startfrequenzdurchlauf entsprechend jedem der mehreren Zeitschlitze; - Bestimmen einer Endträgerfrequenz durch Modulieren der Kanalfrequenz für jeden der mehreren Zeitschlitze durch den Endfrequenzdurchlauf entsprechend jedem der mehreren Zeitschlitze; - lineares Variieren der Trägerfrequenz von der Startträgerfrequenz zu der Endträgerfrequenz über eine Dauer jedes der mehreren Zeitschlitze.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der das Verarbeitungssystem ferner eingerichtet ist zum - Bestimmen, für jede von mehreren Zielvorrichtungen, mehrerer FMCW-Signale entsprechend den mehreren Zeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Zeitschlitzen durch mehrere Frequenz-Chirps, die für jede der mehreren Zielvorrichtungen einzigartig sind, wobei die mehreren Frequenz-Chirps, die für jede der mehreren Zielvorrichtungen einzigartig sind, Eigenschaften aufweisen, die der Vorrichtung bzw. nur jeder der mehreren Zielvorrichtungen bekannt sind; - wobei der Sendeempfänger ferner eingerichtet ist zum gleichzeitigen Senden der mehreren FMCW-Signale, die jeder der mehreren Zielvorrichtungen zugeordnet sind, entsprechend den mehreren Zeitschlitzen, wobei die mehreren FMCW-Signale, die gleichzeitig zu den mehreren Zielvorrichtungen gesendet werden, über eine Dauer jedes der mehreren Zeitschlitze orthogonal sind.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Eigenschaften von jedem der mehreren orthogonalen Frequenz-Chirps einen Startfrequenzdurchlauf und einen Endfrequenzdurchlauf, zufällig ausgewählt aus einem Bereich möglicher Frequenzdurchlaufvariation, und eine zufällig jeder der mehreren Zielvorrichtungen zugeordnete Benutzeridentifikationsnummer umfassen.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei der das Verarbeitungssystem ferner eingerichtet ist zum - Bestimmen eines Empfangs-FMCW-Signals entsprechend jedem von mehreren Empfangs-Zeitschlitzen auf der Basis von Eigenschaften mehrerer Empfangsfrequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Empfangs-Zeitschlitzen; - wobei der Sendeempfänger ferner eingerichtet ist zum Empfangen des Empfangs-FMCW-Signals entsprechend jedem der mehreren Empfangs-Zeitschlitze von der Zielvorrichtung, um eine Distanz zur Zielvorrichtung zu schätzen.
  20. System, umfassend: - eine Initiatorvorrichtung, eingerichtet zum - Bestimmen mehrerer Frequenz-Chirps und mehrerer Kanalfrequenzen entsprechend mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen und mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen auf der Basis eines geteilten Schlüssels und eines zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, die sowohl dem Initiator als auch einer Reflektorvorrichtung bekannt sind; - Bestimmen mehrerer frequenzmodulierter Dauerstrich-Signale, FMCW-Signale, entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen oder den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen durch die mehreren Frequenz-Chirps; - Senden der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen zu der Reflektorvorrichtung; - Empfangen der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen von der Reflektorvorrichtung, um eine Distanz zu der Reflektorvorrichtung zu schätzen; - die Reflektorvorrichtung, eingerichtet zum - Bestimmen der mehreren Frequenz-Chirps und der mehreren Kanalfrequenzen entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen und den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen auf der Basis des geteilten Schlüssels und des zeitveränderlichen Initialisierungsvektors, - Bestimmen der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen oder den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen auf der Basis eines Modulierens der mehreren Kanalfrequenzen durch die mehreren Frequenz-Chirps; - Senden der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Reflektor-Sendezeitschlitzen zu der Initiatorvorrichtung, - Empfangen der mehreren FMCW-Signale entsprechend den mehreren Initiator-Sendezeitschlitzen von der Initiatorvorrichtung, um eine Distanz zu der Initiatorvorrichtung zu schätzen.
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