汽车玻璃集成UWB数字钥匙发展研究白皮书.pdf
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1、 汽车玻璃集成汽车玻璃集成 UWBUWB 数字钥匙数字钥匙发展研究发展研究白皮书白皮书 2023 年 12 月 中国智能网联汽车产业创新联盟 目目 录录 第一章第一章 汽车数字钥匙概况汽车数字钥匙概况.4 1.1 汽车数字钥匙国内外研究现状.4 1.2 汽车数字钥匙软件系统架构介绍.5 1.3 汽车数字钥匙硬件系统架构介绍.6 第二章第二章 汽车数字钥匙政策标准与认证情况汽车数字钥匙政策标准与认证情况.9 2.1 汽车数字钥匙标准法规及政策.9 2.2 汽车数字钥匙国内外行业认证情况.11 第三章第三章 UWB 超宽带定位技术超宽带定位技术.15 3.1 UWB 超宽带信号及特点.15 3.2
2、 UWB 定位技术发展.16 第四章第四章 汽车数字钥匙汽车数字钥匙 UWB 应用场景分析应用场景分析.18 4.1 汽车数字钥匙 UWB 核心应用场景.19 4.2 汽车数字钥匙 UWB 扩展应用场景.20 第五章第五章 汽车玻璃集成汽车玻璃集成 UWB 的必要性和充分性的必要性和充分性.23 5.1 汽车数字钥匙 UWB 模组布局常见方案.23 5.2 汽车玻璃集成 UWB 的必要性分析.24 5.3 汽车玻璃集成 UWB 的充分性分析.25 第六章第六章 汽车玻璃集成汽车玻璃集成 UWB 的产业生态研究的产业生态研究.27 6.1 汽车玻璃集成 UWB 产业链分析.27 6.2 产业链上
3、游:芯片环节.28 6.3 产业链中游:解决方案.30 6.4 产业链下游:汽车厂商.32 第七章第七章 福耀集团关于汽车玻璃集成福耀集团关于汽车玻璃集成 UWB 的最佳实践的最佳实践.35 7.1 UWB 数字钥匙模块布局方案.35 7.2 汽车玻璃集成 UWB 系统测试数据分析.36 第八章第八章 总结与展望总结与展望.40 8.1 汽车玻璃集成 UWB 的共性挑战.40 8.2 汽车玻璃集成 UWB 的发展趋势.40 8.3 汽车玻璃集成 UWB 的发展建议.41 参考文献参考文献.42 第一章第一章 汽车汽车数字数字钥匙钥匙概况概况 1.1 汽车数字钥匙国内外研究现状汽车数字钥匙国内外
4、研究现状 随着汽车技术的发展,智能化的电子模块和其他复杂功能也在汽车领域得到了广泛应用。汽车电子技术的发展也带来了汽车钥匙的革新,汽车钥匙经历了机械式钥匙、芯片钥匙、遥控钥匙、智能钥匙等发展阶段,每个发展阶段都是在朝着用户使用便捷与智能方向发展(如图 1-1 所示)。其中,基于汽车电子的遥控钥匙、智能进入和智能启动系统、数字钥匙等使得车辆的使用越来越便捷,越来越智能。图 1-1 汽车钥匙的发展 当前,汽车数字钥匙的研究与应用在国内外都得到了广泛关注和发展。据统计,2021 年中国乘用车数字钥匙装配量超过 200 万,同比增长 243%,装配率 10.9%,比上年增加 7.5 个百分点。受芯片供
5、应影响,2021 年汽车数字钥匙装配量比预期要少,未来随着芯片供应趋稳,数字钥匙装配量也会快速上涨。预计到 2025 年汽车数字钥匙装配量达到 784 万,平均增长 38%;装配率达到 30%,平均每年保持 5 个百分点的增长。2022 年,宝马在其旗舰车型 iX 之上,展示了基于苹果 UWB 技术的全新超宽带(UWB)数字钥匙。同年,蔚来在 2022 年交付的 ET7 和 ET5 装备 UWB 数字钥匙,以实现厘米级高精定位。此外,三星也正在与宝马、奥迪、现代、福特等多家车企进行基于 UWB 技术的合作。与传统汽车钥匙不同,数字钥匙是指通过手机或智能穿戴设备,将开锁从“手动”变为“遥控”。由
6、此,汽车数字钥匙可以简单定义为通过精确的蓝牙定位、NFC、UWB等近场通讯技术将手机、智能手表、智能手环等可穿戴设备转化为汽车钥匙,从而实现无钥匙进入和启动车辆、钥匙分享等舒适便捷的用车体验1。1.2 汽车数汽车数字字钥匙钥匙软件软件系统架构介绍系统架构介绍 在汽车数字钥匙软件系统架构之中,手机、服务平台、车辆构成了一个紧密的系统如图 1-2 所示。手机端对服务器发送的数字钥匙进行存储,并通过签名和证书的方式对信息进行加解密并验证接收到的消息。服务端接收手机端的信息后进行验证、存储,生成数字证书、数字钥匙、为车主提供服务等。车主通过注册、登录,在服务器对用户的身份与数字钥匙进行认证后,为用户提
7、供与车辆相关的功能。图 1-2 汽车数字钥匙软件系统架构 1.2.1 智能移动设备端数字钥匙智能移动设备端数字钥匙 数字钥匙通常以用户随身智能设备为载体,目前主流的主要分为智能手机设备和可穿戴设备。在两大类别下会细分出不同的用户视觉可感知的形态。手机,常规的如APP、小程序、手机快捷操作按键等;可穿戴设备,如智能手表、手环等。钥匙被数字化之后所存在的形态即为数字状态下可被车端读卡器所识别的数据,数据里至少应包括使用者的身份以及具备的操作权限等。智能移动设备数字钥匙是面向 C 端用户的车联网服务应用,其通过集成数字钥匙 SDK 组建实现向用户提供数字钥匙服务功能。数字钥匙 SDK 组建内包含了短
8、距离通信控制模块、数字钥匙业务服务模块、辅助测距定位模块、手机车钥匙框架对接模块以及安全中间件模块等。1.2.2 智能设备端智能设备端数字钥匙服务平台数字钥匙服务平台 智能设备端数字钥匙服务平台,是指智能设备厂商数字钥匙业务的管理平台,其核心业务包括用户管理、钥匙管理、车辆接入、设备管理、验证、数据安全服务、通信安全服务等。当用户注册数字钥匙时,需要在数字钥匙服务平台申请,通过后传送到手机应用,并安全存储,当每次使用时,使用近场通信即可开启完成相关操作。1.2.3 车车端端数字钥匙设备数字钥匙设备 车端硬件设备主要包括车辆控制器(MCU)、通信元件、SE 安全元件等,这些硬件设备是实现车辆与数
9、字钥匙之间的连接与通信,以及相应的车控功能的基础。例如:车主的“数字钥匙”与车辆通过通信元件建立连接之后,车主通过数字发出解锁车辆的指令,则相应的控制器会执行解锁车辆的指令。1.2.4 车端数字钥匙服务平台车端数字钥匙服务平台 汽车钥匙的数字化与相应车控功能的实现,除了需要基础硬件设施的支持,还需要软件层面的协同。车辆服务平台,作为连接车辆和智能设备&服务平台之间的桥梁,在整个数字钥匙系统中扮演着重要角色,主要负责与智能设备侧、车辆端的数据交互与指令下发,其核心业务包括用户管理、车辆管理、智能设备管理、钥匙数字化、钥匙生命周期管理、车控、数据安全等。1.3 汽车数汽车数字字钥匙钥匙硬件硬件系统
10、架构介绍系统架构介绍 汽车数字钥匙联盟规定了数字钥匙主要分为 UWB、BLE 以及 NFC 三个部分,UWB 主要负责车身附近 10 米左右的定位以及车内定位、BLE 主要负责连接车身主模块,NFC 主要负责刷卡解锁车辆。数字钥匙主模块分为:BLE 和 BLE+UWB 两种情况。(1)只有 BLE 的主模块硬件架构,如图 1-3 所示。图 1-3 只有 BLE 的主模块硬件电路架构(2)具备 BLE+UWB 的主模块硬件架构,如图 1-4 所示。图 1-4 具备 BLE+UWB 的主模块硬件架构 数字钥匙从模块分为:BLE、BLE+UWB、UWB 和 NFC 四种情况。(1)只有 BLE 的从
11、模块硬件架构,如图 1-5 所示。图 1-5 只有 BLE 的从模块硬件架构 注意:图中 MCU 可以根据产品性能要求不大,有些情况可以省略;图中 CAN_FD可以改为 LIN。(2)只有 UWB 的从模块硬件架构,如图 1-6 所示。图 1-6 只有 BLE 的从模块硬件架构 注意:图中 MCU 可以根据产品性能要求不大,有些情况可以省略;图中 CAN_FD可以改为 LIN。(3)有 UWB+BLE 的从模块硬件架构,如图 1-7 所示。图 1-7 有 UWB+BLE 的从模块硬件架构 注意:图中 MCU 可以根据产品性能要求不大,有些情况可以省略;图中 CAN_FD可以改为 LIN。(4)
12、NFC 的电路架构如图 1-8 所示。图 1-8 NFC 的电路架构 第二章第二章 汽车数字钥匙政策标准与认证情况汽车数字钥匙政策标准与认证情况 2.1 汽车数字钥匙汽车数字钥匙标准法规及标准法规及政策政策 2.1.1 国外政策标准现状国外政策标准现状 CCC(Car Connectivity Consortium)车联网联盟是一个致力于制定智能手机到汽车连接解决方案标准的全球跨行业组织。CCC 着力发展汽车数字钥匙,消费者用智能手机等设备就能锁车、解锁、启动引擎或分享车辆的访问权,因此 CCC 定义了一套数字钥匙规范,即 CCC 数字钥匙标准 1.0、CCC 数字钥匙标准 2.0、CCC 数
13、字钥匙标准 3.0。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 数字钥匙标准 3.0。CCC 数字钥匙标准 3.0 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。CCC 数字钥匙标准 2.0 标准中,利用 NFC 近场非接触通信技术,提供手机数字钥匙与车辆端的安全模块(Secure Element)进行数据交互的通道,以实现车主认证(Owner Pairing)、标准传输(S
14、tand Transaction),快速传输(Fast Transaction)等流程。CCC 数字钥匙标准 3.0 标准作为 CCC 数字钥匙标准 2.0 标准的补充,强制保留对NFC 技术的支持作为向 CCC 数字钥匙标准 2.0 兼容备份的解决方案,除此外还增加了以下功能:(1)增加 BLE 无线通信技术,BLE 可替代 NFC 作为安全模块数据交互的通道,同时承担协商UWB安全测距的会话参数,提供UWB首次安全测距时间同步机制,可以提供 RKE 远程控制,启动/闭锁引擎等功能实现。(2)增加 UWB 安全测距功能,通过实施 UWB 连接来增加无钥匙进入和位置感知功能,可以带来更好的用户
15、友好体验。CCC 数字钥匙标准 3.0 通过 BLE 将端到端安全性从手机的安全元素扩展到汽车的安全元素。通过加入 UWB 无线连接技术,建立安全测距会话,测距密钥来源于安全地 存储在 Secure Element 中的数字密钥,测距密钥具有有限的生命周期,缩短攻击者可用时间窗口进而提供安全的测距。2.1.2 国内政策标准现状国内政策标准现状 国外有 CCC(Car Connectivity Consortium)车联网联盟,致力于推动全球智能手机和汽车连接解决方案技术规范;国内,则有 ICCE(汽车智慧车联产业生态联盟),IIFAA(蚂蚁集团牵头的互联网身份认证产业联盟)、ICCOA(智慧车
16、联开放联盟)等多个机构也在寻求产业协同。智慧车联产业生态联盟(ICCE,Intelligent Car Connectivity Industry Ecosystem Alliance)先后发布 7 项汽车数字钥匙相关的联盟标准,分别是:(1)ICCE/T 001-2020智慧车联产业生态联盟数字车钥匙系统第 1 部分:总体要求(2)ICCE/T 001-2021 智慧车联产业生态联盟数字车钥匙系统第 2 部分:蓝牙系统规范(3)ICCE/T002-2021移动终端与车载设备互联技术规范第 1 部分:系统架构(4)ICCE/T 003-2021移动终端与车载设备互联 技术规范第 2 部分:发现
17、连接 (5)ICCE/T 001-2022 移动终端与车载设备互联测试规程第 1 部分:性能符合性测试(6)ICCE/T 003-2022智慧车联产业生态联盟数字车钥匙系统第 3 部分:NFC 系统要求(7)ICCE/T 002-2022移动终端与车载设备互联技术规范第 4 部分:应用服务协议 该系列标准包括总体技术要求、技术规范以及性能符合性测试等,适配多种底层通信技术的分册及帮助产业链各环节更便捷开发的指南,为车企、终端厂商和方案商在对接车钥匙业务方面提供了相关依据。此外,数字钥匙的国家标准编制工作也在有序推进,由比亚迪、中汽中心共同牵头的推荐性国家标准汽车数字钥匙系统技术规范已完成标准初
18、稿编制。标准主要分为 4 部分:汽车数字钥匙系统结构、汽车数字钥匙系统及车辆要求、零部件要求、试验方法。其中零部件要求部分对 UWB 射频特性进行了规范并适度参考了国际标准IEEE 802.15.4-2020 的内容。2.2 汽车数字钥匙国内外行业认证情况汽车数字钥匙国内外行业认证情况 2.2.1 国际国际 G GSMASMA 的认证情况的认证情况 GSMA(全球移动通信系统协会)是一个全球性的通信行业组织,代表了世界范围内的移动运营商和相关企业。GSMA 在其认证框架下为汽车数字钥匙提供了一系列认证服务,以确保产品符合行业标准和最佳实践。汽车数字钥匙允许用户通过智能手机或其他移动设备来锁定、
19、解锁、启动和管理车辆。(1)GSMA SGP.24:这是 GSMA 框架下的一个关键认证标准,称为“远程 SIM 配置管理(RSP)”。这项认证主要关注安全地远程配置和管理汽车数字钥匙中的嵌入式 SIM(eSIM)卡。通过 GSMA SGP.24 认证的产品能够确保与各种移动网络运营商的兼容性,并提供一种安全可靠的方式来管理数字钥匙服务。(2)GSMA SGP.25:这项认证关注的是“基于消费者设备的 eSIM 配置和管理”。GSMA SGP.25 认证确保了数字钥匙与各种智能手机和移动设备的兼容性。这意味着获得此认证的汽车数字钥匙产品能够在多种设备上安全可靠地工作,为用户提供便捷的车辆控制和
20、管理功能。(3)GSMA IoT SAFE:这是 GSMA 为物联网(IoT)设备提供的一项安全认证,简称为“物联网安全应用框架环境(IoT SAFE)”。这项认证确保汽车数字钥匙在物联网环境中能够安全地存储、处理和传输数据。GSMA IoT SAFE 认证的产品能够保护用户的隐私和数据安全,同时降低潜在的网络安全风险。(4)GSMA SAS-UP:这项认证称为“SIM 应用安全制造过程(SAS-UP)”,主要关注嵌入式 SIM 卡的安全制造和个人化过程。通过 GSMA SAS-UP 认证的汽车数字钥匙产品能够确保 eSIM 卡在制造和个人化阶段具有足够的安全措施,防止未经授权的访问和篡改。(
21、5)GSMA NFC:这项认证涉及到汽车数字钥匙中的近场通信(NFC)技术。GSMA NFC 认证确保了产品与各种 NFC 设备的兼容性,允许用户通过 NFC 功能轻松地 锁定、解锁和启动汽车。此外,这项认证还确保了 NFC 技术在汽车数字钥匙中的安全性能。通过获得上述GSMA认证,汽车数字钥匙产品可以向市场和用户展示其在安全性、兼容性和可靠性方面的优势,提高产品在市场上的竞争力,为用户提供一种安全、便捷的车辆控制方式。2.2.2 国际国际 CCCCCC 的认证情况的认证情况 Car Connectivity Consortium(CCC)是一个跨行业组织,致力于推动车辆与智能手机的互操作性和
22、安全性。为了实现这一目标,CCC 制定了一套名为“Digital Key”的标准,旨在规范汽车数字钥匙的技术要求、功能需求和安全要求。汽车数字钥匙允许用户通过智能手机或其他移动设备远程锁定/解锁、启动和管理车辆。CCC 的 Digital Key 标准目前已经发布了多个版本,每个版本都进一步完善了汽车数字钥匙的规范。以下是根据 CCC 的 Digital Key 标准的一些关键方面:(1)设备兼容性:Digital Key 标准要求汽车数字钥匙能够在各种智能手机和移动设备上运行,确保广泛的用户可以使用数字钥匙来控制和管理他们的车辆。(2)无线技术:该标准规定了汽车数字钥匙中使用的无线技术,如蓝
23、牙低功耗(BLE)和近场通信(NFC)。这些技术使得用户可以通过智能手机在一定距离内远程锁定、解锁和启动汽车。(3)安全性:Digital Key 标准强调了汽车数字钥匙的安全性能,包括数据加密、认证和授权等方面。这些安全要求旨在保护用户的隐私和数据安全,防止未经授权的访问和使用。(4)用户界面和体验:该标准还关注用户界面和体验,要求汽车数字钥匙提供简单、直观的操作方式,使用户能够轻松地控制和管理他们的车辆。(5)互操作性:为了确保汽车数字钥匙能够在不同品牌和型号的汽车上使用,Digital Key 标准要求产品具有良好的互操作性。这意味着经 CCC 认证的汽车数字钥匙产品应能够在满足标准要求
24、的各种汽车上正常工作。(6)生命周期管理:Digital Key 标准还涵盖了数字钥匙的生命周期管理,包括钥匙的创建、分发、激活、共享、吊销和删除等过程。这些要求旨在确保数字钥匙在整个使用过程中始终保持安全和可控。(7)车辆接口:为了实现汽车与智能手机的互操作性,Digital Key 标准定义了车辆端的通信接口,确保车辆可以正确识别和响应数字钥匙的指令。(8)测试和认证:CCC 要求汽车数字钥匙产品在投放市场之前进行严格的测试和认证,以确保产品符合 Digital Key 标准的要求。CCC 合作的认证实验室会对产品进行一系列的测试,包括功能性能、安全性能和互操作性等方面,具体内容如下:功能
25、性能测试:这一测试阶段主要关注汽车数字钥匙在实际应用中的性能表现。测试人员将对产品的各项功能进行详细检查,如远程锁定/解锁、启动汽车、共享数字钥匙、解除激活等。此外,测试人员还将评估产品在不同环境条件下的性能,如温度、湿度和无线信号干扰等。这些测试旨在确保汽车数字钥匙在各种使用场景中都能正常工作,为用户提供稳定可靠的体验。安全性能测试:汽车数字钥匙的安全性能对用户的隐私和数据安全至关重要。在这一阶段,认证实验室将对产品的加密算法、认证机制和授权策略等进行深入分析,确保产品能够抵御潜在的安全威胁。此外,测试人员还将尝试利用各种攻击手段,如欺骗攻击、中间人攻击和重放攻击等,评估产品的安全防护能力。
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