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CN112511485A - 用于安全测距的第一路径接受 - Google Patents

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CN112511485A
CN112511485A CN202010938548.6A CN202010938548A CN112511485A CN 112511485 A CN112511485 A CN 112511485A CN 202010938548 A CN202010938548 A CN 202010938548A CN 112511485 A CN112511485 A CN 112511485A
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Abstract

一种用于安全测距的第一路径接受的方法包括确定用于多个信道抽头的通信信道的信道脉冲响应(CIR)。每个信道抽头对应于所述CIR的多个时隙中的相应一个，其中所述CIR包括多个估计CIR值。从所述信道抽头的时间范围内的所述估计CIR值中提取统计特性。将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击。

Description

用于安全测距的第一路径接受
技术领域
本公开大体上涉及距离测距，且更具体地说，涉及具有针对距离减小的攻击的安全性的高灵敏度测距。
背景技术
射频(RF)测距通过测量收发机(或并置收发机和接收机)与对象之间的RF发射的飞行时间(ToF)来确定收发机与第二对象之间的距离。然后，将此ToF测量值乘以光速来确定距离(或“范围”)。错误的ToF测量值可能是由收发机接收到来自其它对象或表面的RF发射的反射所导致的多路径发射引起的，而不是视距发射引起的。因此，适当的测距需要确定视距路径或“第一路径”。
在不安全的系统中，对手可以模拟RF发射的特性以提供较短的第一路径，从而验证用于获得系统访问权限的非法发射机。在RF发射中采用伪随机序列的系统中，对手可以猜测所述序列。对手的猜测是否成功，部分取决于伪随机序列的长度，以及RF接收机的灵敏度。将RF接收机的灵敏度降低到需要接收序列和期望序列之间具有更强的相关性会不合期望地减少系统的链路预算。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种设备，包括：
信道估计器电路，所述信道估计器电路包括：
符号相关器电路，所述符号相关器电路被配置成产生导频符号序列的多个符号相关值，所述导频符号由所述设备接收并与预定义的安全符号序列相关；
多个累加器电路，所述多个累加器电路被配置成汇总用于相应信道抽头的所述多个符号相关值，以产生相应估计信道脉冲响应(CIR)值，每个信道抽头对应于符号的相位；
存储器电路，所述存储器电路被配置成存储每个信道抽头的所述估计CIR值；以及
攻击检测器电路，所述攻击检测器电路被配置成从所述信道抽头的时间范围内的所述多个估计CIR值提中取统计特性，并将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击。
根据一个或多个实施例，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的标准差。
根据一个或多个实施例，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的方差。
根据一个或多个实施例，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的功率度量。
根据一个或多个实施例，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的概率分布。
根据一个或多个实施例，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的功率谱密度。
根据一个或多个实施例，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的最大幅度。
根据一个或多个实施例，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的最小幅度。
根据一个或多个实施例，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的多个同相分量与多个正交分量之间的关系。
根据本发明的第二方面，提供一种用于安全测距的第一路径接受的方法，包括：
确定用于多个信道抽头的通信信道的信道脉冲响应(CIR)，每个信道抽头对应于所述CIR的多个时隙中的相应一个，其中所述CIR包括多个估计CIR值；
从所述信道抽头的时间范围内的所述估计CIR值中提取统计特性；以及
将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击。
根据一个或多个实施例，将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的标准差与所述参考进行比较。
根据一个或多个实施例，将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的方差与所述参考进行比较。
根据一个或多个实施例，将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的功率度量与所述参考进行比较。
根据一个或多个实施例，将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的概率分布与所述参考进行比较。
根据一个或多个实施例，将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将包括每个信道抽头的估计CIR值的总功率与所述参考进行比较。
根据一个或多个实施例，将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的最大幅度和最小幅度中的一个与所述参考进行比较。
根据一个或多个实施例，将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的多个同相分量与多个正交分量之间的关系进行比较。
根据本发明的第三方面，提供一种系统，包括：
攻击检测器电路，所述攻击检测器电路被配置成从信道抽头的时间范围内的多个估计信道脉冲响应(CIR)值中提取统计特性，并将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击；以及
第一路径检测器电路，所述第一路径检测器电路被配置成确定所述估计CIR值的第一路径，其中所述第一路径对应于包括超过检测阈值的相应估计CIR值的最早信道抽头，并且所述最早信道抽头不包括所述距离减小的攻击。
根据一个或多个实施例，另外包括范围检测器电路，所述范围检测器电路被配置成基于所述第一路径的到达时间来确定距离。
根据一个或多个实施例，所述系统舍弃与包括所述距离减小的攻击的信道抽头相对应的到达时间。
附图说明
本发明通过例子示出且不受附图的限制，附图中相似的附图标记指示类似的元件。图中所示元件是为了简单清楚起见，不一定按比例绘制。
图1是具有已衰减通信路径的通信信道的示例实施例的示意图。
图2是具有已衰减通信路径的通信信道的示例实施例的示意图。
图3是图2的通信信道的信道脉冲响应(CIR)的示例实施例的示意图。
图4是信道估计器的示例实施例的示意图。
图5是由图4的实施例确定的用于多个信道抽头的CIR的图形视图。
图6是根据本公开的示例实施例的用于安全测距的第一路径接受的系统的示意图。
图7是根据本公开的示例实施例的用于包括真实发射和对抗发射的通信系统的CIR的图形视图。
图8是根据本公开的示例实施例的用于安全测距的第一路径接受的方法的流程图图示。
具体实施方式
本文描述的实施例通过评估CIR中的噪声特性，提供了具有针对距离减小的攻击的高灵敏度和高安全性的RF接收机。参考图1，在实施例10中，基于ToF的安全测距系统采用导频符号的伪随机序列，也称为安全训练序列(STS)，以获得CIR。第一收发机12从第二收发机14接收STS。在实施例10中，第二收发机14主动地重新发射由第一收发机12接收的RF信号。在另一实施例中，将第二收发机14替换为无源目标，所述无源目标反射先前由第一收发机12发射的RF信号。如图1所示，第二收发机14发射第一路径16，第一路径16是第二收发机14和第一收发机12之间的视距路径。间接路径由路径18形成，从表面20反射，并继续作为朝向第一收发机12的路径22。在实施例10中，由于距离的增大导致了额外的传播路径损耗，因此由间接路径接收的信号固有地比来自直接路径16的信号弱。在实施例10中，间接路径被主体24或引起RF信号的吸收、反射、衍射或散射的任何介入对象进一步衰减。
图2示出了替代性示例实施例30，其中主体24衰减了直接路径16。在实施例30中，由主体24衰减直接路径16的量超过由路径18和22形成的间接路径的传播路径损耗和/或多径衰落的量。因此，不能由在第一收发机12处接收到的信号强度来确定直接路径16。实际上，由CIR中超过检测阈值的第一样本确定直接路径16。图3示出了随着时间的变化而标绘的实施例30的CIR，其中每个信道抽头对应于时隙。在图3中，弱直接路径16具有CIR值32，所述CIR值32比间接路径具有的CIR值34更早出现，由此确定了直接路径。在图3中，CIR值32和34都超过了接收机检测阈值36。
当只有真实发射机和真实接收机了解用来与第二收发机14的发射相关的伪随机序列或预期STS时，测距应用才是安全的。在距离减小的攻击中，对手通过观察来自第二收发机14的通信并猜测预期STS来缩短第一收发机12与第二收发机14之间的感知距离。然后，对手比真实发射机的STS(例如，第二收发机14)更早地发射已猜测的STS，从而产生第一收发机12接收到的伪造的第一路径。
对手的成功概率取决于预期STS的长度和真实接收机(例如，第一收发机12)中的第一路径检测器的灵敏度。短的STS增加了对手猜测STS符号序列的充分部分的概率，从而使得已猜测的STS与由第二收发机14发射的导频符号的相关性超过第一收发机12的接收部分的检测阈值36。
针对高灵敏度优化的检测阈值36(例如，低阈值)增加了来自对手的攻击的概率。低检测阈值36通过允许检测来自第二收发机14的较弱信号来增加第一收发机12和第二收发机14之间的链路预算。在一个例子中，通过增大发射路径的距离、使用较弱的发射机、准许来自介入对象的更多衰减等来削弱信号。从系统的角度来看，增加链路预算通常是合乎需要的，然而，降低检测阈值36还准许第一收发机12的接收部分接受猜测的STS的弱相关值，由此降低了安全性。在先前的测距系统中，需要在安全性和链路预算之间进行折衷。本文所描述的实施例通过评估CIR的噪声特性来检测距离减小的攻击而非限制接收机的检测阈值36，从而提供高安全性和高链路预算。一旦检测到攻击，要么舍弃相应信道抽头的到达时间，要么(例如，通过信号标志)通知通信系统的更高协议层。
图4示出了信道估计器的示例实施例40。实施例40接收数字化RF信号42(例如，从图2的第二收发机14接收的数字化信号)。数字化RF信号42包括从已接收的STS开始的多个符号。已接收的STS通过相关器46与预期STS 44相关。相关器46产生相关信号48。针对对应于相应符号时钟相位50a、50b至50c(统称为50)的多个顺序信道抽头对相关信号48进行取样。每个符号时钟相位50控制相应取样器52a、52b至52c(统称为52)。
由相应取样器52取样的每个符号相关值与相应累加符号相关值56a、56b至56c(统称为56)通过相应求和器54a、54b至54c(统称为54)相加。每个累加符号相关值56由相应累加器60a、60b至60c(统称为60)存储在存储电路58(例如，寄存器)中。多个累加器符号相关值56通过路径62存储在存储电路64中。每个估计CIR值56存储在存储电路64的相应可寻址位置70a、70b、70c、70d至70e、70g和70g(统称为70)中。图5示出了由图4的实施例40确定的用于多个信道抽头的CIR的图形视图。CIR是分别包括实部80和虚部82或同相(“I”)和正交相(Q)的复杂信号。
参考图6，用于安全测距的第一路径接受的系统的示例实施例90包括信道估计器92(例如，图4的信道估计器40)、攻击检测器94，所述攻击检测器94另外包括噪声估计器96和噪声分析器98。实施例90另外包括第一路径检测器100。信道估计器92从数字化RF信号产生多个估计CIR值。每个累加的符号相关值对应于信道抽头，信道抽头在时间上由符号时钟相位定义。RF发射的一个或多个路径的各种到达时间通常处于相应信道抽头内。噪声估计器96在一定间隔内根据估计CIR来确定统计特性。在一个实施例中，用于噪声估计的信道抽头的时间范围被选择为在预期直接路径到达的范围之外。
噪声分析器98基于来自噪声估计的定性统计参数来分析统计特性，以确定是否已发生距离减小的攻击。在一个例子中，统计特性是信道抽头的时间范围内的估计CIR值的标准差。在另一实施例中，统计特性是信道抽头的时间范围内的估计CIR值的方差(例如，平方标准差)。在另一实施例中，统计特性是信道抽头的时间范围内的估计CIR值的功率。在另一实施例中，统计特性是信道抽头的时间范围内的估计CIR值的概率分布类型(例如，高斯、二项式、卡方或瑞利分布)。在正常情况下，当攻击不存在时，噪声通常具有高斯分布。如果检测到另一种类型的分布，噪声分析器98将指示已发生距离减小的攻击，并且要么终止测距序列、不产生测距估计，要么通知更高级别的协议。在另一实施例中，将所有信道抽头的估计CIR值的总功率用作统计特性。在另一实施例中，统计特性是信道抽头的时间范围内的估计CIR值的最大幅度，当超过所述最大幅度时将指示已发生攻击。在另一个实施例中，统计特性是信道抽头的时间范围内的估计CIR值的最小幅度，当不满足所述最小幅度时将指示已发生攻击。在另一实施例中，统计特性是信道抽头的时间范围内的估计CIR值的多个同相分量和正交分量之间的关系。
当噪声分析器确定没有发生距离减小的攻击时，第一路径检测器100估计与具有足够相关于预期STS的估计CIR值的最早信道抽头相对应的直接路径的到达时间，以满足或超过检测阈值36。通过乘以通信介质中的光速，将直接(例如，“第一”)路径的到达时间转换为距离。
图7继续参考图6，示出了针对信道抽头值的序列范围的用于图6的实施例90的绝对CIR。在图7中，噪声估计器96分析信道抽头的时间范围110内的估计CIR值。在一个实施例中，时间范围110包括的信道抽头各自比直接路径的预期信道抽头都早。在图7中，伪造的第一路径112在信道抽头的时间范围110内产生与真实第一路径116明显不同的具有某一统计特性的随机响应CIR 114。真实第一路径116具有含高斯分布随机变量统计特性的随机响应CIR 118。图6的噪声分析器98检测随机响应CIR 114和118的统计特性的差异，以确定已发生距离减小的攻击。
图8参考图4示出了用于安全测距的第一路径接受的方法120。在122处，通过估计CIR值56确定CIR(例如，通过信道估计器92)。在124处，从估计CIR值56中提取统计特性(例如，通过噪声估计器96)。在126处，将统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击(例如，通过噪声分析器98)。
如应了解，所公开的实施例至少包括以下内容。在一个实施例中，一种设备包括信道估计器电路，所述信道估计器电路包括符号相关器电路，所述符号相关器电路被配置成产生导频符号序列的多个符号相关值。所述导频符号由所述设备接收并与预定义的安全符号序列相关。多个累加器电路被配置成汇总用于相应信道抽头的所述多个符号相关值，以产生相应累加符号相关值，每一信道抽头对应于符号的相位。存储器电路被配置成存储每个信道抽头的所述估计CIR值。攻击检测器电路被配置成从所述信道抽头的时间范围内的所述多个估计CIR值中提取统计特性，并将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击。
所述设备的替代性实施例包括以下特征中的一个或其任何组合。所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的标准差。所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的方差。所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的功率度量。所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的概率分布。所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的功率谱密度。所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的最大幅度。所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估的CIR值的最小幅度。所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的多个同相分量与多个正交分量之间的关系。
在另一实施例中，一种用于安全测距的第一路径接受的方法包括确定用于多个信道抽头的通信信道的CIR，每个信道抽头对应于所述CIR的多个时隙中的相应一个，其中所述CIR包括多个估计CIR值。从所述信道抽头的时间范围内的所述估计CIR值中提取统计特性。将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击。
所述用于安全测距的第一路径接受的方法的替代性实施例包括以下特征中的一个或其任何组合。将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的标准差与所述参考进行比较。将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的方差与所述参考进行比较。将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的功率度量与所述参考进行比较。将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的概率分布与所述参考进行比较。将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将包括每个信道抽头的估计CIR值的总功率与所述参考进行比较。将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的最大幅度和最小幅度中的一个与所述参考进行比较。将所述统计特性与所述参考进行比较包括：将所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的多个同相分量与多个正交分量之间的关系进行比较。
在另一实施例中，一种系统包括攻击检测器电路，所述攻击检测器电路被配置成从信道抽头的时间范围内的多个估计CIR值中提取统计特性，并将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击。第一路径检测器电路被配置成确定所述估计CIR值的第一路径，其中所述第一路径对应于包括超过检测阈值的相应估计CIR值的最早信道抽头，并且所述最早信道抽头不包括所述距离减小的攻击。
所述系统的替代性实施例包括以下特征中的一个或其任何组合。范围检测器电路被配置成基于所述第一路径的到达时间来确定距离。所述系统舍弃与包括所述距离减小的攻击的信道抽头相对应的到达时间。
尽管本文参考具体实施例描述了本发明，但是在不脱离如所附权利要求书所阐述的本发明的范围的情况下，可以做出各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的，且所有此类修改都旨在包括于本发明的范围内。本文中关于具体实施例描述的任何益处、优点，或对问题的解决方案都旨在不应被理解为任何或所有权利要求的关键、必需或必要的特征或元素。
除非另有说明，否则例如“第一”和“第二”之类的术语用于任意地区分此类术语所描述的元素。因此，这些术语不一定旨在指示这些元素的时间或其它优先级排序。

Claims (10)

1.一种设备，其特征在于，包括：
信道估计器电路，所述信道估计器电路包括：
符号相关器电路，所述符号相关器电路被配置成产生导频符号序列的多个符号相关值，所述导频符号由所述设备接收并与预定义的安全符号序列相关；
多个累加器电路，所述多个累加器电路被配置成汇总用于相应信道抽头的所述多个符号相关值，以产生相应估计信道脉冲响应(CIR)值，每个信道抽头对应于符号的相位；
存储器电路，所述存储器电路被配置成存储每个信道抽头的所述估计CIR值；以及
攻击检测器电路，所述攻击检测器电路被配置成从所述信道抽头的时间范围内的所述多个估计CIR值提中取统计特性，并将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的标准差。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的方差。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的功率度量。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的概率分布。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的功率谱密度。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的最大幅度。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述统计特性是所述信道抽头的所述时间范围内的所述估计CIR值的最小幅度。
9.一种用于安全测距的第一路径接受的方法，其特征在于，包括：
确定用于多个信道抽头的通信信道的信道脉冲响应(CIR)，每个信道抽头对应于所述CIR的多个时隙中的相应一个，其中所述CIR包括多个估计CIR值；
从所述信道抽头的时间范围内的所述估计CIR值中提取统计特性；以及
将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击。
10.一种系统，其特征在于，包括：
攻击检测器电路，所述攻击检测器电路被配置成从信道抽头的时间范围内的多个估计信道脉冲响应(CIR)值中提取统计特性，并将所述统计特性与参考值进行比较以检测距离减小的攻击；以及
第一路径检测器电路，所述第一路径检测器电路被配置成确定所述估计CIR值的第一路径，其中所述第一路径对应于包括超过检测阈值的相应估计CIR值的最早信道抽头，并且所述最早信道抽头不包括所述距离减小的攻击。
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