Explore UWB-based car keys

Highlight

iPhone 和 Apple Watch 的 U1 芯片支持 UWB（超宽带）车钥匙，实现被动进入体验——无需拿出设备，车辆自动识别用户位置并解锁、启动；同时支持远程无钥匙进入（RKE）控制和基于钥匙的车辆个性化。

核心内容

数字车钥匙的演进

WWDC2020 Apple 推出了数字车钥匙功能，允许用户用 iPhone 或 Apple Watch 解锁、锁闭和启动汽车，与家人朋友共享钥匙，甚至远程管理。整个系统设计为安全且私密。（00:20）

WWDC2021 扩展了车钥匙的能力：

被动进入。使用 UWB 技术，用户可以将 iPhone 留在包里或口袋中，Apple Watch 戴在手腕上，就能解锁、锁闭和启动汽车。（00:55）

远程无钥匙进入（RKE）控制。用户可以在蓝牙范围内使用 iPhone 或 Watch 锁车、解锁车或执行其他操作。（01:08）

个性化设置。车辆可以识别哪把数字钥匙通过哪个车门进入车辆，从而个性化设置。（01:15）

技术基础

这些功能由多项技术共同实现：

U1 芯片和 UWB 技术。允许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，提供更强的重放和 relay 攻击保护。（00:37）

安全元件（Secure Element）。集成在 Apple 设备中的受保护硬件单元。除了存储车钥匙和认证凭据外，现在还用于派生会话特定的 UWB 测距密钥。（00:51）

蓝牙低功耗（BLE）。作为汽车和 Apple 设备之间的通信通道，在认证期间交换数据并管理安全测距会话。BLE 也用作初始化安全测距时间网格的锚点。（02:06）

行业标准。Apple 与其他行业合作伙伴在汽车连接联盟（Car Connectivity Consortium）领导制定标准规范，确保跨平台支持的通用解决方案。（02:24）

安全和隐私设计

UWB 被动进入解决方案在设计时就考虑了安全和隐私。（02:38）

会话密钥。每次连接都会派生唯一的密钥。一些会话密钥用于加密链路层消息，另一些确保设备无法被 UWB 或 BLE 跟踪。

随机标识符。使用从会话密钥派生的随机标识符，并定期轮换。

安全测距协议。这是双向测距协议，通过三个数据包交换实现。可以想象为”ping-pong-ping”：

1. iPhone 发送 poll 消息
2. 汽车用 respond 消息回答
3. iPhone 发送另一个 poll 消息以提高精度

每个消息携带一个加扰时间戳（STS），这是加密生成的时间受限数据包，即使已验证的数据包也只能在接受它的时隙中被接受，提供额外的重放和 relay 攻击保护。（03:17）

详细内容

虚拟区域和被动进入

每辆汽车定义一系列虚拟区域。当带有有效且活动钥匙的设备被定位进入或退出这些区域时，可以触发相关功能。（03:57）

欢迎区域。激活欢迎功能，如打开灯光或预热车厢。

解锁区域。通常是最靠近汽车的区域，当用户接近时解锁车门。

锁车区域。当用户离开时锁定汽车。

定位设备的工作流程

汽车配备多个 UWB 和 BLE 收发器，确保 360 度覆盖，以定位配对设备在虚拟区域内。（04:35）

当用户第一次接近汽车时：

1. iPhone 或 Apple Watch 通过 BLE 被检测到
2. 建立与汽车的通信通道
3. 汽车认证设备，双方派生共享测距密钥
4. 派生的密钥用于启动与 UWB 收发器的安全测距会话
5. 汽车定位设备并映射其轨迹

汽车继续映射设备的轨迹。基于位置和轨迹，汽车可以决定触发欢迎功能，如打开灯光或调整座椅。当设备被定位在解锁区域内时，汽车可以在用户触摸门把手之前启动解锁操作。（05:35）

精确了解用户设备是否在车内：只有当检测到带有有效钥匙的设备在车内时，发动机才会启动。（05:53）

电量预留支持。即使手机在电量预留模式下，也能享受 UWB 体验。徒步或背包旅行一天后，如果手机需要充电，电池中可能仍有足够的电量让用户重新上路。（06:07）

远程无钥匙进入（RKE）控制

远程操作适用于距离汽车较远的情况。可以在冬季预热车厢，或通过鸣笛找到汽车。许多操作可以直接从 Wallet 应用触发。也可以使用设备查看汽车信息，如锁车状态、燃油水平或电池充电状态。（06:30）

RKE 控制的工作方式：

1. 设备为相关操作请求 challenge
2. Challenge 用于生成设备签名
3. 汽车根据 challenge、相关操作和其他信息验证设备签名
4. 如果验证成功，汽车执行操作并通知设备

远程操作通过 BLE 发送。由于独立于 UWB，它们即使在 UWB 范围外也能工作。远程操作在汽车连接联盟标准化，所有汽车和设备都有通用实现。（06:51）

车辆个性化

数字车钥匙现在可以自动个性化设置，如车厢温度、座椅位置、座椅加热等，通过观察哪把数字钥匙正在接近驾驶员车门。（07:42）

传统的车钥匙依赖驾驶员始终知道哪个钥匙遥控器有哪个用户设置。现在，有了 iPhone 或 Apple Watch 上的车钥匙，不需要担心这个。通过精确轨迹和个人设备与用户紧密关联的知识，汽车可以比以往任何时候都更有信心地个性化体验。即使多个用户接近汽车，这也能无缝工作。（08:04）

汽车制造商集成要点

系统架构。被动进入解决方案依赖可靠和准确的定位，系统必须有良好性能和低延迟。（09:00）

选择合适的收发器：

• 确保收发器提供足够的链路预算
• 评估 Tx 辐射功率和 Rx 灵敏度
• 通过微调天线方向性，确保收发器天线支持所需覆盖的整个视野
• 天线分集对实现良好工作范围至关重要

收发器放置：

• 识别汽车周围放置收发器的最佳位置
• 考虑高度和方向
• 验证系统 RF 性能
• 确保系统有足够的链路余量缓冲

系统延迟。接近汽车时，一系列复杂事件开始，必须在用户尝试打开门之前完成。需要高性能的加密处理器用于认证和密钥管理，连接 ECU 和每个收发器的总线系统必须是低延迟的。（11:45）

时间同步。通过实现精确的时间同步，每个收发器可以知道传入数据包的预期时间，精度达到几十微秒。只在时间窗口内扫描，节省功率并提高性能。（12:40）

收发器同步。成功与设备同步的收发器可以与其他收发器共享时序信息，帮助它们快速连接，甚至在未能完成完整测距循环时计算飞行时间。（13:30）

定位算法。这是在汽车 ECU 上运行的代码。收集设备与每个连接的 UWB 收发器的距离并处理，以在空间中定位 iPhone 或 Apple Watch。定位算法需要快速、准确，无论是跟踪用户接近汽车的轨迹，还是确定设备是在车厢内部还是外部。（14:02）

推荐的开发工作流

1. UWB 互操作性。确保遵循规范，使用 Apple 提供的工具测试
2. BLE 层集成。用于连接管理和车主配对
3. 安全测距管理。对被动进入至关重要
4. 远程操作支持。用于远程控制

对开发感兴趣的厂商应参与汽车连接联盟并加入 MFi 计划，获取与 iPhone 和 Apple Watch 合作的具体细节。（15:11）

核心启发

• 做什么：为汽车品牌构建数字钥匙体验

  • 为什么值得做：UWB 技术让车主无需拿出手机就能解锁车辆，提供真正无感的进入体验
  • 怎么开始：加入 MFi 计划和汽车连接联盟，按照推荐的工作流从 UWB 互操作性开始逐步开发

• 做什么：实现基于位置的个性化设置

  • 为什么值得做：通过识别哪把钥匙通过哪个车门进入，可以自动调整座椅位置、温度、音乐偏好等个性化设置
  • 怎么开始：在定位算法中跟踪设备轨迹，确定接近驾驶员侧的钥匙标识符

• 做什么：扩展 UWB 技术到其他智能设备

  • 为什么值得做：UWB 的精确定位能力不仅适用于汽车，还可以用于智能家居设备定位、房间级设备控制等
  • 怎么开始：研究 Nearby Interaction 框架，探索设备间测距和方向检测

• 做什么：构建安全的近距离通信系统

  • 为什么值得做：车钥匙的安全设计（会话密钥、随机标识符、安全测距）可以应用到其他需要安全近距离通信的场景
  • 怎么开始：参考车钥匙的安全架构，使用 Secure Element 存储敏感凭据，实现会话密钥派生

• 做什么：优化 BLE + UWB 混合定位方案

  • 为什么值得做：BLE 用于粗略检测和初始连接，UWB 用于精确定位，两者结合可以平衡功耗和精度
  • 怎么开始：先使用 BLE 扫描检测设备接近，然后启动 UWB 测距会话精确定位

关联 Session

• Introducing car keys — 学习数字车钥匙的基础知识，包括配对、密钥管理和 NFC
• What’s new in HomeKit — HomeKit 的新功能，包括 Matter 支持
• What’s new in privacy — iOS 15 隐私功能更新
• Meet Time Design with iOS 15 — iOS 15 时间设计相关的更新