UWB: Autoschlüssel gegen Diebstahl und fürs Smart Home

UWB: Autoschlüssel gegen Diebstahl und fürs Smart Home

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Die Technik des Ultra-Breitbandfunks hat nicht nur das Potenzial, die Zahl der Autodiebstähle zu senken, sondern könnte auch etablierten Smart-Home-Anwendungen Konkurrenz machen.

Die Chip-Schmiede NXP und der Autokonzern VW haben in Hamburg Ende August ein Prototypauto auf Basis des Arteon vorgestellt, das sich per Funkschlüssel und Gestensteuerung öffnen lässt. Dafür setzt VW die unter anderem von NXP vorangetriebene Ultra-Wideband-Technik ein (UWB, Ultra-Breitband). Das Schlüsselsystem gilt als so gut abgesichert, dass es vor dem berüchtigten Autodiebstahl per Relay-Attacke effektiv schützen soll und überdies generell zur Authentifizierung eingesetzt werden kann – das kann man prima im Smart-Home-Bereich nutzen.

Ein mit UWB ausgerüstetes Auto soll nicht mehr mittels einfacher Funk-Relays von Dieben zu stehlen sein. Das kommt seit Jahren immer wieder bei höherpreisigen Modellen vor, die mit der komfortablen Funkschlüsseltechnik Keyless Go ausgestattet sind.

Beim herkömmlichen Keyless Go kann der Besitzer das Fahrzeug öffnen, ohne dazu den Schlüssel aus der Tasche zu nehmen. Dafür misst das Auto fortlaufend den Empfangspegel des Schlüsselfunksignals. Ist es ausreichend hoch, geht es davon aus, dass sich der Schlüssel in einem Umkreis von maximal zehn Metern befindet und entriegelt die Türen, wenn man an einer der Klinken zieht.

Damit das Auto nur auf den richtigen Schlüssel hört, haben Chip-Schmieden die Kommunikation mittels gängiger Kryptografieverfahren abgesichert. Einige davon lassen sich zwar knacken, aber nur mit erheblichem Aufwand. Der weit größere Schwachpunkt besteht darin, dass das Auto nicht prüfen kann, ob der gemessene Empfangspegel plausibel ist.

Deshalb lassen sich Autos mit Keyless-Go-Technik verblüffend einfach öffnen und auch entführen: Diebespaare übertragen dafür das Signal eines entfernten Schlüssels mittels einer simplen analogen Funkbrücke über Dutzende Meter zum Auto: Der erste Dieb nähert sich dem Autobesitzer bis auf einige Meter und nimmt das komplette Schlüsselsignal mit seinem zum Beispiel in einem Aktenkoffer versteckten Relay auf. Das Relay gibt es lediglich verstärkt weiter, sodass es mehrere Dutzend Meter zum zweiten Relay und von dort zum Auto überbrücken kann. Zieht der zweite Dieb die Türklinke, entriegelt sich das Auto.

Der Ultra-Breitbandfunk erscheint gegen solche Angriffe immun, weil er sich sehr gut für Positionsbestimmungen eignet. Damit kann das Auto die Entfernung zum Schlüssel nicht nur anhand des Signalpegels prüfen, sondern auch mittels einer sehr genauen Distanzmessung per UWB. Ist die ermittelte Distanz größer als etwa zehn Meter, bleibt das Auto verschlossen.

Im Prinzip lässt sich die Distanz mit diversen Methoden messen, etwa per Infrarot, RFID, WLAN oder Bluetooth. Beispielsweise nutzen Geräte mit dem billigen und stromsparenden Bluetooth 5.1 Antennen-Arrays, um anhand von Phasenverschiebungen die Richtung des Senders zu ermitteln und messen die Signalamplitude, um die Distanz zu berechnen. So erzielt Bluetooth eine Genauigkeit von maximal zehn Zentimetern und eine zeitliche Auflösung von zehn Nanosekunden. Aber diese Werte gelten nur in einem Umkreis von zehn bis zwanzig Metern.

UWB dürfte sich für die Zwecke der Autoindustrie besser eignen. Es erreicht eine Genauigkeit von ein bis zwei Zentimetern auf Entfernungen von rund hundert Metern und liefert eine zeitliche Auflösung von ein bis zwei Nanosekunden.

Dabei wird die Distanz zwischen Sender und Empfänger anhand der Signallaufzeit ermittelt (siehe Grafik). Vereinfacht dargestellt misst der Initiator die Zeit (Tloop), die zwischen dem Versenden seines Signals (Poll) bis zum Empfang der Antwort (Reply) des Responders verstreicht subtrahiert Treply von Tloop. Multipliziert man das Ergebnis (Time of Flight, ToF) mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funkwellen (Lichtgeschwindigkeit), bekommt man die Distanz. Zum Beispiel muss der Responder rund drei Meter entfernt sein, wenn die ToF zehn Nanosekunden beträgt.

Um die relative Position im Raum zu bestimmen, nutzt man ähnlich wie bei GPS die Trilaterationstechnik mit mindestens drei Empfängern. NXP verwendet bis zu 500 MHz breite Funkkanäle, die Impulsdauer beträgt etwa 2 ns. So erzielt das System eine Genauigkeit im Zentimeterbereich. Die Standortbestimmung startet automatisch, sobald der Schlüssel in einem Umkreis von etwa zehn Metern auftaucht.

Um gegen Keyless-Go-Attacken gewappnet zu sein, sollte das Auto nach Adam Riese nur dann entriegeln, wenn die ToF etwa bis zu 33 Nanosekunden beträgt (rund zehn Meter). Werte darüber hinaus deuten darauf hin, dass der Schlüssel weiter weg ist als der vorgesehene Zutrittsradius, sodass das Auto von einer Attacke ausgehen sollte.

Auf dieser Platine gründen die ersten Prototypen des Funkschlüssels, der per Ultra-Breitbandfunk mit einem speziell entwickelten VW Arteon kommuniziert. Auf die miniaturisierte Breitbandantenne (rechter Rand, Mitte) ist man bei NXP und VW besonders stolz. (Bild: Dušan Živadinović)

UWB eignet sich für solche Anwendungen auch deshalb sehr gut, weil es für Messungen mit nur wenigen Funkimpulsen auskommt und die Systeme daher wenig Strom benötigen. Typischerweise wenden UWB-Systeme Sendeleistungen von weniger als 1 mW auf und überbrücken je nach Anwendung zehn bis 150 Meter.

Laut Lars Reger, Chief Technology Officer bei NXP Semiconductors, ist der Prototypschlüssel für Reichweiten bis zehn Metern ausgelegt und nimmt pro Positionsbestimmung rund 200 mW auf. Diesen Wert wollen NXP und VW noch drücken, um mit einer Knopfzelle ähnliche Laufzeiten wie mit herkömmlichen Funkschlüsseln zu erzielen.

Das ConceptCar hat VW mit fünf fest montierten UWB-Tags ausgerüstet. Sie bestimmen den Standort des Schlüssels eine Weile lang fortlaufend und ermitteln dabei auch dessen Lage im Raum. Die Auflösung ist hinreichend genau für Gestensteuerungen, gibt aber auch Anhaltspunkte über Atem- oder Herzfrequenz von Insassen, sodass sie künftig vielleicht auch zur Müdigkeitserkennung des Fahrers genutzt werden könnte.

Einstweilen führte VW in der Demo vier Anwendungen vor: Fahrzeugentriegelung, automatische Aktivierung und Positionierung der Anhängerkupplung, Unterstützung beim Anbringen von Kindersitzen und die Erkennung des Bewegungsmusters von Personen – also Gestensteuerung. Für Schlüssel, Tags und bisherige Anwendungen hat VW rund zwölf Monate Entwicklungszeit aufgewendet.

Die Gestensteuerung läuft KI-gestützt, sodass man dem Auto beibringen kann, den Kofferraum zu öffnen, wenn man mit dem Schlüssel in der Hand wedelt oder den Fuß in die Nähe des Kofferraums führt – das Prinzip kennt man zwar schon, aber bisherige Implementierungen gründen auf zusätzlichen Sensoren in der Nähe der hinteren Stoßstange und zugehörigen Leitungen. Das UWB-basierte Schließsystem erspart beides, Sensoren und Leitungen.

Weitere Anwendungsbeispiele, die man bald implementieren könnte, sind laut VW und NXP automatisiertes Valet-Parking, Zugangskontrolle zu Parkplätzen oder auch automatische Bezahlung bei der Durchfahrt. Laut Maik Rohde, Leiter Karosserie, Elektronik, Komponenten bei VW, will der Konzern seinen ersten Volkswagen mit UWB bereits auf der Frankfurter IAA 2019 vorstellen. Die Produktion soll gegen Ende des Jahres starten.

Die UWB-basierte Distanzmessung ist nicht neu. Beispielsweise hat der Chip-Hersteller BeSpoon bereits 2014 einen Handy-Prototypen mit UWB-Chip vorgestellt. Chips und Module von BeSpoon werden bisher hauptsächlich als UWB-Tags im industriellen Umfeld etwa in der Lagerhaltung eingesetzt. Sie gründen ebenso wie die Module von Decawave auf der älteren Spezifikation IEEE 802.15.4a (auch als 802.15.4-2011 bezeichnet).

Das Decawave-Modul DW1000 hat unter anderem Interesse bei Bastlern geweckt. Es lässt sich mittels einer quelloffenen Bibliothek mit dem kostengünstigen Arduino-Chip steuern und kostet nur rund 30 Euro.

NXP und VW stellen auf Basis des Funkschlüssels noch diverse weitere Anwendungen vor. Grundlage dafür ist, dass ein Funkschlüssel mit anderen UWB-Geräten kommuniziert. Das kann ein Smartphone sein, ein Armband oder eine Plakette (engl. Tag), die man etwa an einem Laptop anbringen kann.

So könnte ein Smartphone montags bis freitags alarmieren, wenn man sich ohne Laptop ans Lenkrad setzt, um zur Arbeit zu fahren. Auch sind mittels fest montierter UWB-Tags Indoor-Navigationsdienste vorstellbar und der Autoschlüssel könnte den Haustürschlüssel ersetzen, Drohnen den Weg zum Besitzer weisen, die Gepäckposition an einer Ausgabe anzeigen, bestimmte Maschinen anhalten, wenn Arbeiter einen Gefahrenumkreis betreten oder auch Musikanlagen die optimale Beschallungsrichtung vorgeben – an Ideen mangelt es den UWB-Entwicklern nicht.

Derweil wird UWB-Technik bereits in diversen Industrieanwendungen eingesetzt. An der Spezifikation arbeitet vorneweg die IEEE in der Arbeitsgruppe 802.15.4z. Zu den Mitgliedern gehören die Smartphone-Hersteller Apple und Samsung, aber auch BMW, Continental, Daimler, Huawei, NXP, Toyota und VW.

VW kombiniert UWB für die Gestensteuerung mit einem Gyroskop, um etwa Autotür oder Kofferraum zu öffnen. (Bild: Dušan Živadinović)

Daneben haben einige Unternehmen die UWB Alliance gegründet, um die Technik gemeinsam voranzutreiben und zu vermarkten. Die ersten Anläufe, UWB für ein Personal Area Network als „Wireless USB“ zu verwenden, endeten erfolglos vor rund zehn Jahren. Die 2018 gegründete Alliance interessiert sich nicht mehr für die Vernetzung und hat auch nicht den klangvollen Mentor wie damals die WiMedia Alliance mit Intel, aber mit Hyundai und Kia zählen zu den Gründungsmitgliedern zwei bedeutsame Mitspieler der Autobranche.

Um die speziellen Belange der Unternehmen, die die UWB-Positionsbestimmung nutzen wollen, kümmert sich zusätzlich das FiRa-Consortium (Fine Ranging, Feinmessung). Die FiRa-Mitglieder wollen die Technik gemeinsam vorantreiben und einen Markt für interoperable Geräte entwickeln. Zu den Mitspielern gehören Bosch, NXP, Samsung und Sony.

Allerdings wird sich UWB wiederum gegen andere Funktechniken behaupten müssen. Zumindest bisher sind die UWB-Baken etwa für den Betrieb in Gebäuden bis zu zehn Mal so teuer wie Bluetooth-Systeme und für die Positionsbestimmung sind mindestens drei Empfänger erforderlich. Je nach Anwendung müssen die Empfänger für die Zeitsynchronisierung verkabelt werden, was die Kosten erhöht.

Wenn es nicht auf die hohe Genauigkeit ankommt, sondern eine grobe Positionsangabe mit ein bis zwei Metern Abweichung genügt, wird man also aus Kostengründen eher zu Bluetooth greifen.

Das FiRa-Consortium steigt jedenfalls spät in den Kampf um Smart-Home-Marktanteile ein und wird Geld und Überzeugungskraft brauchen, um sich gegen etablierte Smart-Home-Systeme durchzusetzen. Die Authentifizierungstechnik hat aber Charme und Potenzial. Auf erste Mitspieler könnte ein UWB-Schlüssel ab 2020 treffen – dann erwarten Fachleute erste Smartphones mit UWB auf dem Markt. (dz)

Dieser Artikel stammt aus c't 20/2019.

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