Carplay wireless认证

2023-11-15   •   orange

CarPlay是苹果公司为车载系统开发的一项功能,该功能将iOS设备的界面通过USB或wireless(蓝牙+Wi-Fi)投影显示在车载屏幕上,可以让驾驶员在车内通过车载屏幕直接方便地使用iOS设备上的功能。例如,在车载屏幕上直接使用iPhone或iPad上的地图、导航、Siri语音助手、音乐、电话、短信等各项iOS上的服务及功能。换句话说,就相当于是在自己的车载系统上安装了一个“iOS操作系统”。该功能在很大程度上减少了驾驶员在车内对iPhone或iPad的直接使用及操作,从而降低了对驾驶员在车辆驾驶过程中的干扰。

目前,在很多报道中将CarPlay理解成一套车载系统,这种解释是不完全正确的。CarPlay是苹果公司为车载系统开发的一项功能,也可以说是车载系统中的一项新的应用,并非是一套车载系统。

CarPlay有两种实现途径:

一种是通过wired(USB)连接iOS设备和车载系统设备,另一种是通过wireless(蓝牙+Wi-Fi)来连接iOS设备和车载系统设备。CarPlay的两种连接方案都是需要通过iAP2 (iOS Accessory Protocol,version 2)协议以及Bonjour服务来建立CarPlay会话(CarPlay Session)从而实现CarPlay功能的。在我接下来的博客中,我将分别介绍CarPlay的wired(USB)连接方案,CarPlay的wireless(蓝牙+Wi-Fi)连接方案,以及两种连接方案相互切换的实现。

另外,对于CarPlay的USB连接方案,在硬件上需要支持USB 2.0(含)以上版本。iOS设备需要支持闪电接口(Lightning接口),也就是说iPhone5之前的苹果设备不支持wired(USB)连接方式的CarPlay。在操作系统方面,苹果公司从iOS 7.1开始加入了CarPlay的功能,无论是wired还是wireless的连接方式,iOS设备的操作系统版本都需要在7.1及以上。

Carplay wireless bt+ wifi :bt:

在苹果公司推出基于wired(USB)的CarPlay连接方案后(在我的上一篇博客中已对CarPlay的USB的连接方案做过介绍,这里就不介绍了),接下来苹果公司又推出了基于wireless(蓝牙+WiFi)的CarPlay连接方案。

基于wireless的CarPlay连接,顾名思义,就是车载设备和Apple设备不需要连接任何数据线连接,直接通过无线的方式实现CarPlay的功能。在这种方案中,CarPlay的setup由蓝牙发起,在这篇博客中我将介绍CarPlay over wireless中的蓝牙部分。

首先,CarPlay的wireless连接方案要求车载设备能够提供蓝牙的连接(Bluetooth connection)、服务发现(service discovery)、配对(pairing)、以及iAP2 over Bluetooth。苹果公司在其协议规范中对蓝牙物理层要求车载设备支持蓝牙2.1+EDR(Enhanced Data Rate)以及定义在REF 8.2.6中定义的调制方式。在蓝牙连接setup之前,车载设备需要周期性的执行质询扫描(inquiry scans),若收到Apple设备的质询,车载设备会回一个带有BT EIR bit的FHS(Frequency Hoping Sequence:调频序列)的包来应答(respond)。Apple设备接收到车载设备的蓝牙EIR(Extended Inquiry Response)会检测其是否含有CapPlay UUID(Universal Unique Identifier),来确定该车载设备是否支持wireless CarPlay。支持wireless CarPlay的车载设备会在其应答包封装支持CarPlay服务的128bit的UUID(0xEC884348CD4140A29727575D50BF1FD3)。而支持CarPlay over wireless的Apple设备也需要在其服务(service)的广播数据中包含128 bit的UUID:0x2D8D2466E14D451C88BC7301ABEA291A。车载设备以此区别普通蓝牙设备和支持CarPlay的Apple设备。

接下来,就是蓝牙连接的setup、配对以及iAP2。配对过程要求车载设备必须支持使用数字比较(Numeric Comparison)的标准蓝牙安全简单配对(Secure ** Pairing)。当安全的蓝牙链路建立好后,车载设备需要协商iAP2 profile建立iAP2会话,用于交互Wi-Fi证书(Wi-Fi credentials,即Wi-Fi的BSSID,SSID,Security,WPA2 PSK,工作信道(Operating Channel))。其中该蓝牙链路中的iAP2 Client仅仅提供Wi-FI证书,当CapPlay会话建立完成后蓝牙链路会断开。

需要注意的是,iAP2 建立后,车载设备可能还协商其他蓝牙profiles,像HFP,A2DP,*RCP等。然而,一旦CarPlay会话建立完成,Apple设备将通知车载设备断开所有处于活动状态的profiles。其中协议还规定,如果Apple设备在蓝牙EIR中显示wireless CarPlay是可用的,车载设备必须首先开始协商iAP2 profile,接下来才是协商蓝牙的其他profiles。

在车载设备的Wi-Fi证书通过iAP2 over Bluetooth与Apple设备交互成功后,接下来就开始Apple设备与车载设备的Wi-Fi连接了,关于Wi-Fi部分我将在CarPlay over wireless方案的下一篇博客中做介绍。

下图是CarPlay over wireless中蓝牙部分的交互逻辑简图:


Carplay wireless认证(图1)


最后,当基于wireless的CarPlay会话成功建立后,考虑到同频干扰的影响,针对Wi-Fi工作在2.4GHz频段和5GHz频段的两种情况,苹果公司在其CarPlay协议上对蓝牙行为也有些不同。因为蓝牙也是工作在2.4GHz频段,对于Wi-Fi工作在2.4GHz频段的情况,在Carplay会话成功建立后的,与Apple设备的蓝牙链路必须被终止,车载设备的蓝牙子系统需要被禁用,与其他设备的所有蓝牙连接也都必须终止;而对于Wi-Fi工作在5GHz频段的情况,同样,在Carplay会话成功建立后的,车载设备与建立好CarPlay会话的Apple设备的蓝牙链路也必须被终止,但其蓝牙子系统不需要禁用,可以与其他没有建立CarPlay会话的蓝牙设备建立蓝牙连接和profiles。

  wireless bt+ wifi :wifi:

在Wi-Fi方面,车载设备工作在AP模式下,Apple设备作为STA连接到车载设备(AP)。首先,在蓝牙进行Carplay相关交互前,车载设备的Wi-Fi已经工作在AP模式下,车载设备的Wi-Fi证书(Wi-Fi credentials,即Wi-Fi(AP)的BSSID,SSID,Security,WPA2 PSK,工作信道(Operating Channel))通过iAP2 over Bluetooth与Apple设备交互成功后,接下来Apple设备作为STAt就开始与车载设备进行Wi-Fi连接了,该连接就是通常的基于Wi-Fi基础结构(Infrastructure)的WiFi连接,对于Wi-Fi及802.11、WFA协议部分,我将在我的另一个博客系列中做介绍,在这里就只针对CarPlay相关的Wi-Fi做介绍。当基于Wi-Fi的无线链路建立好后,接下来就是苹果的Bonjour服务来建立CarPlay会话。CarPlay会话建立完成后,接下来就是iAP2 profile的断开和蓝牙的断开。整个CarPlay over wireless的连接过程就完成了,下图是在2.4GHz下的CarPlay over wireless连接图:


Carplay wireless认证(图2)

  接下来,主要介绍CarPlay over wireless方案中对Wi-Fi的要求:

1.在硬件上要求支持802.11n 2.4GHz HT20或802.11n 5GHz HT20 or HT40,建议支持802.11ac VHT20,VHT40,VHT80。

2.在频段上要求工作在2.4GHz或5GHz,如果工作在2.4GHz频段,要求车载设备(AP)只能工作在信道1(2.412 GHz)、6(2.437 GHz)或11(2.462 GHz);如果工作在5GHz频段,要求车载设备(AP)工作在信道36(5.180 GHz)、40(5.200 GHz)、44(5.220 GHz)、48(5.240 GHz)、149(5.745 GHz)、153(5.765 GHz)、157(5.785 GHz)或161(5.805 GHz)(国内仅支持高频,即>=149)。建议工作在5GHz频段,此外,需要限制信道切换(channel switch)功能在CarPlay中使用。

3.基本的(Basic)Wi-Fi要求:

1)车载设备的Wi-Fi需要工作在Software Access Point(SWAP)模式,也就是我们通常说的AP模式;

2)车载设备的Wi-Fi需要支持DCF(Distributed Coordination Function);

3)车载设备的Wi-Fi需要支持下面基本类型的帧:

Association Request and Response

Re-association Request and Response

Probe Request and Response

- Broadcast Probe Requests

- Directed Probe Requests

Beacons

Disassociation

De-authentication

RTS/CTS

ACK

Data Frames

Null Frames

Public Action Frames

Receive Defragmentation(mandatory)

Transmit Fragmentation (optional)

4)车载设备的Wi-Fi需要支持电源管理和IEEE802.11定义的省电功能;

5)车载设备的Wi-Fi可以支持short guard interval(400 ns);

6)车载设备的Wi-Fi需要支持OFDM数据率:6,9,12,18,24,36,48和54Mbps。

4.高级的(Advanced)Wi-Fi要求:

1)车载设备的Wi-Fi需要支持WFA(Wi-Fi联盟)的WMM(WFA Wireless ****)的QoS(Quality of Service)机制;

2)CarPlay协议要求用AC_VO类型的QoS(WMM)Wi-Fi数据包传输音频数据流和控制数据流,用AC_VI类型的QoS(WMM)Wi-Fi数据包传输屏幕/视频数据流;

3)车载设备的Wi-Fi也可以支持U-APSD(Universal Advanced Power S*e Delivery);

4)当Apple设备要进入802.11省电模式时,它会发一个带有PM bit的null data包给车载设备(AP),车载设备必须ACK这个包并且必须flush其Tx 硬件队列(hardware queue)里的所有还未发送出去的数据包,而还未进入硬件队列的包将不会再发送。

5.Wi-Fi安全要求:

1)需要支持并使用WPA2个人安全模式(WiFi Protected Access version 2 Personal) ,也就是我们通常说WPA2-PSK安全模式;

2)所有支持的加密算法/功能都应该有硬件来完成。

6.性能要求:


Carplay wireless认证(图3)

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