UWB数字钥匙安全测距和场景应用

谈思实验室 2024-12-31 17:54

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CCC数字钥匙

2021年7月CCC将UWB定义为第三代数字钥匙的核心技术，并发布CCC R3（第三代数字钥匙）规范。

CCC R3是基于NFC/BLE/UWB作为基础的无线电技术的使用，该系统采用非对称密码技术对车辆和设备进行相互签名认证，且只对已知车辆显示身份，只有使用和车辆存储的公钥相对应的私钥签名计算，车辆才能进行解闭锁、启动发动机等功能。R3可以兼容R2（第二代数字钥匙），R1（第一代数字钥匙）是独立于R2、R3进行部署。

在成功完成车主配对后，车主每次携带设备靠近车辆前，应执行最低安全测距流程（UWB的工作内容），以建立安全测距，然后才能启动，如迎宾、Lock、Unlock功能；一旦建立了安全测距和设备本地化，车辆可以根据其策略或要求决定启动上述行动。在建立安全测距之前需要URSK（UWB测距密钥），车辆可以有一个预先派生的URSK或根据需要派生一个新的URSK。URSK的机密性和完整性应在URSK的整个生命周期内得到保护。

在数字钥匙中，低功耗蓝牙是用于车辆和和驾驶员智能手机之间的高层通信协议。当低功耗蓝牙与车辆连接后，这个过程就开始了。低功耗蓝牙将开始执行数字密钥消息传递。然后，这些堆栈将使用公钥交换数字密钥ID，并验证用户具有有效的ID。接下来，系统将初始化UWB收发器，告诉每个分配的时间来传输它们的打乱时间戳序列(STS)信号。在所有传输完成后，将计算距离。这个过程将重复进行，直到用户进入或离开车辆。

UWB技术概览

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。

UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。

UWB双向测距

双向测距(TWR)是确定两个超宽带收发器之间距离的方法。使用TWR时，每个收发器轮流发送STS。除了STS信息外，准确的传输时间和准确的接收时间可以通过数据链路进行通信，这些信息使用从初始会话密钥派生的不断发展的安全密钥进行加密。在两次接收到这些信息后，就可以计算出飞行时间，并将其转化为距离。此外，在接收到两次测量的信息后，可以消除由时钟不同步和变化引起的任何误差。

在数字密钥中，双向测距是一对多协议，这意味着支持UWB的智能手机或钥匙扣中的收发器发送信号，该信号被许多称为UWB锚点的接收器接收。在协议的应答部分，车辆上的每个UWB锚轮流应答。作为最后一步，智能手机或钥匙扣从车上的每个传感器传回STS到达的时间。然后，车内的超宽带传感器可以计算出与智能手机或钥匙扣之间的精确距离。最终，车辆内部和周围的传感器越多，位置测量就越准确。

安全距离测量

超宽带测距包括一个安全功能，旨在确保没有第三方可以欺骗传输并创建错误的距离测量。消息格式包括一个STS，它使用伪随机序列和加密技术来保护每帧中生成的时间戳数据的完整性。这个生成过程依赖于安全的高级加密标准(AES)协议。AES是一种用于保护信息的对称分组密码或确定性算法。STS的初始时间戳数据包使用安全元素生成，并派生自安全源。在初始化过程中，链路两端安全地交换这些代码。这可以利用来自链路两端的私钥和公钥来加密和交换初始STS密钥。初始化后，在每次传输后使用复杂的算法来更改此STS代码。有关详细信息，请参阅IEEE 802.15.4z-2020规范。

此外，这个会话密钥可以与几个UWB收发器共享，当然是加密的，并且允许这些设备并且只有这些设备才能正确接收传输。STS确定性随机位生成器（DRBG）。

数字钥匙安全和交换

数字密钥规范提供了私钥和公钥管理的方法。OEM管理数字密钥根认证，而当地经销商提供数字密钥中级认证并颁发数字密钥产品认证。数字钥匙还支持在丢失钥匙、车辆出售、代客泊车、钥匙共享等情况下使用一些额外的机制。通过钥匙共享，您可以发布一个二级钥匙，允许在有限制的情况下访问您的车辆。这些限制可以包括车辆何时可以操作的时间限制。

数字钥匙使用蓝牙作为主要的数据通信系统，在车辆和智能手机或钥匙扣之间交换信息。在此过程中，蓝牙交换必须传输初始 UWB STS 种子。这是使用私钥和公钥网络安全协议完成的。公钥在链路两端之间共享，用于对信息进行编码。这也可用于对 UWB 有效载荷中的数据进行编码。交换信息后，系统可使用私钥对数字钥匙进行解码。此外，可使用私钥对消息进行数字签名，确保没有人试图修改数据。

数字钥匙安全交换概述

数字钥匙物理布局-简单场景

最初，Digital Key是一种简单的方法，利用智能手机与用户车辆上或车内的蓝牙建立连接。这种方法提供了所需的功能和便利，允许人们在接近车辆时解锁。但是，很快就发现了这种方法的缺点，比如可以窃取个人信息并通过远程RF链路转发给车辆的中继攻击。通过将超宽带元件与安全距离测量相结合，解决了这个问题。现在，除了蓝牙交换数字密钥信息外，它还提供了一个安全的超宽带距离测量，以确保在解锁之前该人与车辆保持预期距离。超宽带安全测距提供了额外的保护，以确保小偷不能欺骗，中继攻击或以其他方式欺骗数字密钥信号。

这种超宽带距离测量在车辆周围形成了一个安全气泡，只有当智能手机在这个气泡内时，车辆才能解锁。所使用的安全级别就像在安全的金融交易中使用的信用卡，这意味着交易必须实际存在。

最简单的实现是在车辆上安装一个超宽带设备来测量与手机的距离。虽然距离测量在这种情况下非常精确，但方向是未知的。因此，车辆不知道智能手机是从驾驶员侧、乘客侧、前方还是后方靠近的。车辆上只有一个收发器传感器，这限制了准确显示驾驶员智能手机与车辆之间方向的能力。我们将在下一节讨论如何解决这个限制。

数字钥匙布局-稳健场景

前面的例子使用单个超宽带传感器来感知到车主/操作员的距离。这提供了一个低成本的解决方案。更强大的实现方法是在车辆外部使用几个超宽带传感器来精确测量与驾驶员智能手机的距离。由于传感器位于车辆外部的多个位置，因此路径损耗较低，允许超宽带测量更远的距离。此外，使用多个外部传感器可以准确地确定驾驶员相对于车辆的位置。在此应用程序中，车辆负责锁定/解锁车辆，因此计算距离。当司机靠近时，车辆会根据司机的距离和方向打开乘客门、司机门或后备箱。车内需要另一个超宽带传感器来确定数字钥匙(智能手机)是否在车内。如果车内没有检测到钥匙，车辆将无法启动。车辆内部的超宽带传感器还导致该传感器的其他可能用例，例如占用检测。

未来-UWB、位置和距离测量

起初，精确测量距离的能力似乎不是很重要。然而，经过深入的检查，这是使许多新的汽车安全，安全和便利应用的基本需要。低成本射频距离测量的用途之一是实物资产的安全性。对于这些应用，可以在每个设备中安装UWB收发器:密钥和资产。对于物理资产，钥匙需要在资产附近，以便解锁该资产(如车辆)。UWB测量两点之间的物理距离，因此可以确保密钥(用户)在解锁资产之前与相关资产(车辆)保持特定距离。这还有其他好处。当用户接近车辆时，与用户的距离可以划分为多个区域。当用户超出该区域时，什么也不会发生。当他们接近3区(见下图)时，车辆的闪光灯会闪烁。当他们接近2区时，欢迎灯可能会亮起。最后，当他们接近1区时，车辆将解锁，并可以配置高级功能，如启动车辆，将气候控制设置为驾驶员所需的设置，设置信息娱乐偏好，如音乐/播客和其他类型的舒适控制功能。

未来-乘客接送识别

通过车内的超宽带传感器和乘客的智能手机，车辆可以识别并确定要搭载的乘客的位置。虽然低功耗蓝牙可以用来启动超宽带会话，但另一种机制是使用车辆对行人(V2P)协议来建立超宽带链路并启动距离测量过程。然后，车辆可以确定与乘客的距离，反之亦然。通过多个传感器，车辆不仅可以确定乘客的位置，还可以确定距离。对于拼车服务，这将允许司机在人群中找到目标乘客。在这种情况下，手机和传感器都需要知道距离，因为乘客需要识别皮卡车，车辆也需要识别乘客。

拼车服务，这将允许司机在人群中找到目标乘客。在这种情况下，手机和传感器都需要知道距离，因为乘客需要识别皮卡车，车辆也需要识别乘客。