探索基于 UWB 的车钥匙

你好 我是艾朗 我是无线部门的系统工程师 今天 我要带你踏上一段 超宽屏（UWB）车钥匙的探索之旅

去年 我们推出了能够使用 iPhone或Apple Watch作为 车钥匙的功能 能解锁、锁定 并启动你的汽车 与家人和朋友 分享你的钥匙 甚至还能远程管理 并且你也是在知道该系统的设计 是安全和隐私的状况下使用 今年 我们很高兴能够 扩展汽车钥匙的功能 在本次讲座中 我们将研究新功能 以及如何进行整合 如果你想先了解汽车钥匙的基础概念 包括配置、钥匙管理 和近距离无线通信（NFC） 可以看看去年的演讲《车钥匙介绍》 我们今年启用的 主要功能之一是 无钥匙进入（PKE） 使用UWB技术 你现在可以 将iPhone放在包里或口袋里 或将Apple Watch戴在手腕上时 就能锁定、解锁和启动汽车 远程无钥匙进入（RKE） 允许你在汽车的蓝牙范围内时 使用iPhone或手表来锁定 解锁并执行其他操作 汽车现在可以通过识别 哪个数字钥匙从哪个门进入汽车 来进行个性化设置 还有一些其他功能 我们无法在本次会议中 全部涵盖到 例如将你的设备配对为 车钥匙和朋友优先 但这些功能的体验也有升级 现在 让我们来看看 支持这些功能的技术 采用UWB技术的U1芯片 可以让汽车确定 附近车钥匙的精确位置 UWB也是安全测距协议的基础 给予更强大的保护 防止重播和中继攻击 安全元件是整合到Apple设备中的 受保护硬件单元 除了储存车钥匙和验证凭证外 我们还扩展了安全元件的使用 导出会议特定的UWB测距密钥 蓝牙低功耗（BLE） 用作汽车和Apple设备之间的 通信通道 在身份验证期间交换数据 并管理安全范围的对话 BLE也用作锚点 初始化一个安全范围的时间网格 最后 为了确保通用的解决方案 具跨平台支持 Apple与其他行业合作伙伴一起 一直在努力创造 车联网联盟（CCC）的标准规范 Apple一直以 安全和隐私为核心价值 这种UWB被动进入的设计 便考虑到了这两者 密钥对于每次对话都是唯一的 并且在每次连接上衍生出来 其中一些对话密钥 用于在链路层加密消息 而另一些则用于确保 没有被UWB或BLE跟踪你的设备 我们使用这些 从对话密钥衍生的随机标识符 然后这些标识符会定期轮换 最重要的是我们通过 构建安全测距协议加强了 基于UWB定位的安全性 这种安全测距协议是一种 以三次封包交换的双向测距协议 可以想象成乒乓球 iPhone发送一条轮询消息 汽车用响应消息回答 而iPhone发送 另一条轮询消息以提高准确性 每一个消息中 都带有混码时间戳（STS） 它是一个加密 有时间限制生成的数据包 这意味着即使是经过验证的数据包 也只能在用于 生成此STS的时间槽中被接受 从而提供额外防止重播 和中继攻击的安全性 那么 我们如何 把他们都整合在一起呢？ 每辆车都定义了一系列虚拟区域 这些区域具有相关联的功能 当具有有效活动密钥的设备 本地化进入或退出这些区域时 便可以触发这些功能 有着更宽广的感应区域 可以激活迎宾功能 例如在你靠近汽车时 打开灯或预热车厢 最靠近汽车的区域功能 通常是在你靠近时解锁车门 当你离开时 进入上锁区域可以使汽车上锁

那么 汽车是如何 在这些区域检测到你的呢？ 为了在这些虚拟区域内定位配对设备 汽车配备了 多个UWB和BLE收发器 以确保360度覆盖 当用户第一次接近汽车时 会使用BLE 检测到你的iPhone或AppleWatch 在接近侦测区时 建立与汽车的通信通道 连接后 汽车对设备进行身份验证 双向导出共享测距密钥 此操作在安全元件内部进行 并生成每个对话唯一的密钥 导出密钥用于启动安全测距对话 使用UWB收发器 允许汽车定位设备并绘制其轨迹图 这是由在汽车内部运行的 定位算法计算的 这部分我们稍后再谈 当用户接近汽车时 汽车会继续绘制设备的轨迹图 根据设备的位置和轨迹 汽车可以决定触发迎宾功能 例如开灯或调整座椅 并且当设备定位在解锁区域内时 汽车可以在用户接触门把手之前 发起解锁操作 通过准确定位用户的设备 是在车内还是车外 只有在车内检测到带有 有效钥匙的设备时 引擎才会启动 然后是我最喜欢的功能之一 即使你的手机处于省电模式 也可以享受这种UWB的体验 所以 经过一整天的健行或踏青 如果你发现你的手机需要充电 那么电池中或许仍有足够的电量 让你重新上路 现在你已经了解了 无钥匙进入的工作原理 让我们来看看远程无钥匙进入控制 当你离汽车较远时 远程操作就派上用场 像是可以在冬天预热车厢 或者按喇叭来找你的车 许多操作可以直接从 “钱包”中触发 你还可以使用设备 查看有关汽车的信息 例如锁定状态、汽油油位 或电池充电状态 远程操作通过BLE发送 由于它们独立于UWB 甚至可以在 UWB范围之外工作 最后 远程操作 在CCC进行了标准化 所以所有的汽车和设备 都有一个通用措施 不仅仅是远程锁定和解锁 为了获得最佳体验 我们建议汽车制造商 实施所有适用的远程操作 我们来看看远程无钥匙进入控制 是如何运作的 为了触发远程命令 设备请求相关操作的质询 该质询用作生成设备签名的输入 汽车证设备签名 以进行相关的操作和其他信息 如果验证成功 汽车会执行操作并通知设备 使用数字车钥匙 汽车现在可以 自动个性化设置 例如车厢温度 座椅位置、座椅加热等 通过观察接近驾驶座车门的数字钥匙 车钥匙目前支持的个性化 还需依赖驾驶知道 每一个遥控钥匙做了哪个用户设置 现在有了iPhone或Apple Watch 当车钥匙 上述的问题就不存在了 凭借精确的轨迹 以及个人设备 与个人用户密切相关的知识 我们可以很有信心地为你实现 目前最佳汽车个人化体验 比以往任何时候都更有信心 即使有多个用户靠近汽车 也能无缝运行 总而言之 我们对这些新功能感到非常兴奋 并期待汽车制造商 推出UWB支持的汽车 我们的用户 便可以开始在配备U1芯片的 iPhone和AppleWatch上 享受这些功能 现在 让我们换个角度谈谈 汽车制造商如何加入Apple平台 以及你在设计车钥匙解决方案时 需要关注的一些领域 作为本次讨论的一部分 我们将介绍系统架构 时间同步、收发器同步 以及建立一个好的定位算法 让我们先从系统架构开始 由于无钥匙进入解决方案 依赖于可靠和准确的定位 因此你的系统必须 具有良好的性能和低延迟 正如我们之前看到的 每辆车都配备了多个收发器 你要做的第一个决定 是选择一个合适的收发器 首先 你需要确保收发器 可以提供足够的链接量能 由于车钥匙通讯协议是双向的 这意味着评估Tx辐射功率 也就是说要评估 Tx辐射功率和Rx灵敏度 以获得良好的上下行链接性能

通过微调天线方向性 你可以确保收发器的天线 支持所需覆盖范围的整个视场 天线分集对于提供 良好的工作范围至关重要 例如 使用两个或更多 具有不同极化或分离的天线 有助于提高接收信号强度 最后 你要确定 3D飞时测距高度准确 无钥匙进入和本地化功能的计算 依赖的是飞时测距 因此 无论接近角如何 精度都必须在定义的范围内 因为即使是设计精良的单个收发器 也可能导致汽车周围覆盖不足 或者如果安装不当 也可能会覆盖不需要的区域 因此你需要将收发器 放置在汽车周围的最佳位置 以提供必要的覆盖 与此同时 也需要将收发器的数量 限制在最低数量以降低成本 一定要考虑高度和方向 一般来说 安装高度越高 衰落点越远 范围越好 这当然也需要 考虑到汽车的设计 同样 定位不当会导致覆盖范围 出现间隙或覆盖不需要的区域 例如汽车上方 一旦你拥有合适的收发器 和适合安装的位置 下一步是验证系统射频性能 检查安装在 汽车周围收发器的辐射模式 以确保所有方面的对称覆盖 你还需要注意 系统覆盖的最大范围 这对于远距功能很重要 例如迎宾灯或对车厢 进行预冷或预热处理 最重要的是 你需要确保 系统有足够的链接余量缓冲区 以确保可以进行解锁操作 而不受人体 通道阴影、信号衰落 或其他变量引起的阻尼影响 你需要考虑的另一个部分是系统延迟 当你靠近汽车时 一系列复杂的活动就开始了 首先是BLE连接的设置 身份验证和密钥产生 然后是安全测距对话设置 其中每个UWB收发器开始扫描 因此汽车便可以确定设备的位置 所有这些任务都必须 在用户尝试开门之前完成 为了将系统延迟 保持在所需的范围内 你将需要一个高性能的加密处理器 用于身份验证和密钥管理 将你的引擎控制单元（ECU） 连接到每个收发器的 总线系统必须具有低延迟 慢速总线确实会影响系统操作性能 最后 你将需要一个灵活的软件架构 来支持优化技术 无论是多线程应用程序 还是时间同步整合 现在 让我们快速谈谈时间同步 UWB收发器需要主动扫描 以检测测距数据包 如果没有良好的时间同步 就需要长扫描窗口 才能可靠捕获传入的数据包 这会消耗功率和处理时间 通过在整个系统中 实现精确的时间同步 每个收发器 传入数据包的准确度 可达数十微秒 仅在这些时间窗口内进行扫描 不仅可以节省电量 提高多会话和拥塞环境中的性能 而且还可以帮助你更快定位设备 它通过保持收发器紧密同步 来确保 从第一个检测到的周期开始成功测距 另一项重要技术是收发器同步 有时 某些收发器 可能无法连接或变得不同步 通过实现收发器同步 与设备成功同步的收发器 可以与车内其他收发器共享定时信息 帮助它们快速连接 甚至进行飞时测距 即使它们最后 未能完成全范围循环 最后是 定位算法 设计无钥匙进入解决方案时 最重要的任务之一是开发定位算法 该算法可以精确定位 接近设备相对于汽车的位置 定位算法是在汽车ECU 上运行的一段代码 它收集设备与每个连接的 UWB收发器的距离并进行处理 来定位iPhone或AppleWatch 有很多方法可以做到这一点 一个简单的例子是真实距离多点定位 定位算法是你需要开发的解决方案中 最关键的部分之一 因此 你需要确保 你的定位算法快速准确 无论是在用户靠近汽车时 跟随用户的轨迹 还是确定设备是在车内还是车外 即使你要添加的是对 单个基于收发器解锁系统的支持 速度、准确性和精确度 还是良好定位解决方案的关键 你可能还需要针对汽车的 不同车厢类型和物理特性 调整你的定位算法 现在 你已经了解到 汽车钥匙功能的工作原理 如果你对这项技术感兴趣 我们建议你使用以下工作流程 来了解软件开发 和认证的进展 首先 关注UWB相互操作性 并确保其遵循规范 我们创建了一个工具 来帮助你进行测试 还可以让你逐步启用加密操作 这样你就可以逐步开发你的系统 接下来 整合用于连接管理 和所有者配对的BLE 然后专注于安全范围管理 这对于无钥匙进入至关重要 最后则是 支持远程操作 以进行远距离控制 如果你有兴趣了解更多 我们鼓励你 加入CCC 注册MFi计划以了解 使用iPhone和AppleWatch的 具体细节 通过MFi计划 你可以获得额外的文件和工具 来协助你的开发 谢谢 祝你有美好的一天！ [音乐]