PEPS的前世今生和未來

雖然車企們?nèi)栽诮?jīng)歷缺芯的煎熬，汽車智能化的趨勢卻如江水東流不可阻遏。作為“開門見智”的首選體驗(yàn)，PEPS系統(tǒng)已經(jīng)走下貴胄的神壇，不再為高端車型所獨(dú)享。眾多的新能源汽車廠商正在將這種優(yōu)越的體驗(yàn)奉獻(xiàn)給普羅大眾。在中國市場，比亞迪、廣汽、吉利汽車和蔚小理等幾乎已全系配備PEPS。默默地，TA為您的新車駕乘綻放驚艷。回首間，你有沒有那一念，想了解TA的前世與今生，以及未來的歸處？

因?yàn)闃I(yè)務(wù)的緣故，紫楊惡補(bǔ)了幾天PEPS系統(tǒng)的知識。今晨幸得黃大律師提點(diǎn)，頓感“沒有輸出的學(xué)習(xí)，對不起浪擲的良辰美景。” 那就把自己對TA的理解記下來，希望能幫您打開一扇窗，窺見TA的機(jī)巧之美，暢想您的智駕未來。

PEPS即Passive Entry & Passive Start，中文可以理解為無鑰匙進(jìn)入及啟動系統(tǒng)，也有人將其表述為無感開門和啟動系統(tǒng)。（為什么叫無感呢？我想應(yīng)該是因?yàn)槌梭@艷，駕乘者感覺不到TA存在，而實(shí)際上TA一直默默地在感知駕乘者。）這種體驗(yàn)簡言之，就是當(dāng)駕乘者步入指定范圍時(shí)，系統(tǒng)即可識別出汽車授權(quán)的駕乘者，并自動開門。離開汽車時(shí)，門鎖會自動鎖上并進(jìn)到防盜狀態(tài)。通過PEPS系統(tǒng)，您還可以在上車前啟動汽車，讓愛車的空調(diào)和座椅提前進(jìn)入舒適狀態(tài)。TA讓你這么爽，卻讓偷車賊很不爽。這可是一代代汽車電子工程師不懈努力的結(jié)果，隨著我們對這項(xiàng)技術(shù)的了解，你會窺見他們還有哪些激動人心的追求。

昨天：RKE和PKE

光在無線通信技術(shù)方面，如今主流的PEPS系統(tǒng)就集成了低功耗藍(lán)牙技術(shù)、NFC技術(shù)、高頻和低頻RFID等技術(shù)。它們是怎么工作的呢？要是一開始就講今天，那就容易囫圇吞棗了。我還是先講講TA的昨天吧。

大概到上世紀(jì)九十年代末，一些高端車型基于低頻RFID（125KHz）的引擎防盜系統(tǒng)IMMO的思路，發(fā)展了RKE (remote keyless entry) “遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入”技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)遙控開車門，它就是如今PEPS的前輩了。這個(gè)系統(tǒng)通過無線車鑰（Key Fob）發(fā)射UHF（超高頻）信號給車身控制模塊所連接的無線接受器來完成驗(yàn)證，驗(yàn)證完成司機(jī)的操作即刻轉(zhuǎn)化為車身控制模塊驅(qū)動的開關(guān)門動作。這個(gè)機(jī)制如圖1所示，是一種單向驗(yàn)證，就像諜戰(zhàn)片中地下交通員事先設(shè)定接頭暗號（密碼），說出暗號的人就被放進(jìn)門開會。這種機(jī)制的弊端是，一旦敵人竊取了暗號，交通站就會被攻破。

圖1： RKE 工作原理

RKE方案采用的無線頻率為315 MHz(美國、中國、日本)、433.92 Hz(歐洲、中國)和868 MHz（歐洲）。信號調(diào)制方面，各國通常采用ASK幅移鍵控調(diào)制模式，日本則采用FSK 移頻鍵控調(diào)制模式。Silicon Labs、Maxim、Microchip、NXP等芯片廠商在這個(gè)領(lǐng)域一直都有布局。

進(jìn)入本世紀(jì)初后，人們將RKE的單向驗(yàn)證機(jī)制升級為雙向驗(yàn)證機(jī)制，便有了PKE, 即Passive Keyless Entry “被動無鑰匙進(jìn)入”技術(shù)。這里說到“被動”，大概主要是因?yàn)轵?yàn)證動作的發(fā)起端并非持有Key fob “鑰匙牌”的司機(jī)，而是插接在汽車車身控制模塊上的LF低頻發(fā)射器。車門在關(guān)閉并且上鎖以后，車載的無線模塊會持續(xù)的發(fā)送低頻（125KHZ）的編碼，搜索并喚醒一定范圍內(nèi)的應(yīng)答器（鑰匙牌內(nèi)）。如果長時(shí)間沒有接收到響應(yīng)信號，低頻模塊就會進(jìn)入休眠狀態(tài)降低功耗。一旦鑰匙牌內(nèi)的應(yīng)答器接收到這個(gè)喚醒信號，就會發(fā)出一個(gè)高頻（如433MHz）射頻滾動編碼報(bào)文。車載無線模塊會對接收到的報(bào)文進(jìn)行解碼，識別成功以后會執(zhí)行相應(yīng)的動作。具體執(zhí)行關(guān)門還是開門，就要依靠門把手傳感器了。因?yàn)殚T把手傳感器不同的信號，分別對應(yīng)著關(guān)門動作和開門動作。由此可以看出，相對于RKE機(jī)制，PKE的驗(yàn)證實(shí)際上是雙向驗(yàn)證的模式，如圖2所示。

圖2 PKE工作原理

如果我們還以諜戰(zhàn)片里的交通站為例子，那么這種模式就相當(dāng)于在交通站不是坐等接頭人上門，而是在附近發(fā)一些暗號，比如在某個(gè)柱子上標(biāo)一個(gè)特殊符號，或者在窗戶上放某一盆花，當(dāng)接頭人看到這些暗號，就知道交通站在找自己，于是再用另一套暗號過去交通站敲門接頭。對移動站點(diǎn)而言，這種機(jī)制就有了主動權(quán)。當(dāng)然，這樣的雙向驗(yàn)證機(jī)制，也給交通站的安全上了雙保險(xiǎn)。

在PKE世代，無鑰匙開/關(guān)門機(jī)制也和前面提到的無線引擎防盜系統(tǒng)IMMO相結(jié)合，就實(shí)現(xiàn)了無鑰匙進(jìn)入和無鑰匙啟動的雙重智能體驗(yàn)，這就是PEPS的早期形式了，TA是2003年開始走進(jìn)人們的生活的。

今天：藍(lán)牙PEPS成為主流

然而智能化的腳步才剛剛開始。此后的十幾年中，智能手機(jī)逐漸普及。如今，它已成為日常生活中身份認(rèn)證的最方便的工具。于是，車企開始把智能手機(jī)的元素加入PEPS，逐步形成了今天的PEPS系統(tǒng)。

那么今天的PEPS系統(tǒng)都加入了哪些功能呢？當(dāng)前主流的PEPS都加入了NFC和藍(lán)牙元素。駕駛員可以將帶有NFC功能的手機(jī)貼近汽車的B柱，實(shí)現(xiàn)刷手機(jī)進(jìn)入。它免除了駕駛員同時(shí)在口袋內(nèi)塞車鑰匙和手機(jī)的不便。而將藍(lán)牙引入PEPS，則更具革命性。首先，藍(lán)牙在智能手機(jī)中的植入率是百分之一百，用戶不需要為自己持有那款機(jī)型而煩惱。藍(lán)牙的高頻率、跳頻機(jī)制及其固有的加密機(jī)制，相比UHF/LF的保險(xiǎn)加密機(jī)制更加安全。而藍(lán)牙的測距精度和定位功能，也更方便用于確認(rèn)開關(guān)門時(shí)機(jī)，大幅降低尾隨進(jìn)入的可能性。藍(lán)牙功能還方便用戶通過APP將車輛的使用權(quán)轉(zhuǎn)授給其他用戶，實(shí)現(xiàn)親友間的遠(yuǎn)程共享授權(quán)。這種機(jī)制也方便了租車公司的業(yè)務(wù)管理和共享自駕出行模式的實(shí)現(xiàn)。

藍(lán)牙PEPS的定位測距精度在半米級~米級。相對低端的藍(lán)牙PEPS方案采用RSSI測距，最多實(shí)現(xiàn)1-5米級的定位精度, 而AoA技術(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)半米級的定位。

RSSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)入門級PEPS

RSSI依據(jù)無線電波在介質(zhì)中傳輸，信號功率隨傳播距離衰減的衰減模型計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離。然后用三邊計(jì)算完成定位計(jì)算。

由于信號傳播的過程中，受到距離和障礙物的影響。信號的功率強(qiáng)度隨之衰減，間接影響精度。所以RSSI在短距離內(nèi)才能有較好的精度。但由于其部署成本低、低功耗，被用來實(shí)現(xiàn)入門級藍(lán)牙PEPS。這種實(shí)現(xiàn)方法中最低配版，是只在汽車A柱上放置一個(gè)藍(lán)牙基站，只用RSSI來計(jì)算用戶所持藍(lán)牙設(shè)備離A柱的距離，從而判斷是否開/關(guān)門，如圖3所示。

圖3： 入門級藍(lán)牙PEPS方案配置（RSSI 單站）

AOA定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)主流級PEPS

藍(lán)牙5.1版本中增加了對于BLE數(shù)字鑰匙具有意義的AoA（Angle of Arrival 入射角算法）功能。這個(gè)功能支持更加精確的定位方法。AoA方案（如圖4）中，發(fā)射設(shè)備例如手機(jī)定期發(fā)送特殊的信號，接收設(shè)備例如車輛通過一個(gè)天線陣列對特殊信號進(jìn)行接收，并進(jìn)行相位分析，進(jìn)而計(jì)算出發(fā)射設(shè)備的方向角度。結(jié)合其它的測量方法和設(shè)備，該方案能夠較為準(zhǔn)確地判斷發(fā)射設(shè)備的位置（距離和方向），精度可以達(dá)到0.5米左右。

圖4. 藍(lán)牙AOA 定位

顯然，定位精度的提高是需要多個(gè)支持AOA算法的藍(lán)牙基站支持的。于是，在中端以上車型中配備的藍(lán)牙PEPS都是如圖5所示的這樣布局（各車型具體基站數(shù)量和擺放方式仍有所不同）。

圖5： 主流級藍(lán)牙PEPS方案配置（AoA定位）

目前用于藍(lán)牙PEPS領(lǐng)域的芯片方案有TI CC2640、NXP KW36 以及Silicon Labs的EFR32BG22等。

未來：UWB是趨勢

然而，歲月并未止步，PEPS的創(chuàng)新更是如此。UWB技術(shù)以其更高的安全性、更快的響應(yīng)速度和厘米級的定位精度，日益為車企產(chǎn)品創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)所矚目。2019 年，全球車聯(lián)聯(lián)盟（CCC）將UWB 列為下一代車輛安全訪問技術(shù)，由此UWB 開始大批量應(yīng)用于出行設(shè)備領(lǐng)域。

2020年6月，IEEE 更新 UWB 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（802.15.4z），增強(qiáng) UWB 安全功能（在 PHY/RF 級別），進(jìn)一步為 UWB進(jìn)入主流應(yīng)用市場鋪平道路。2021年7月，CCC聯(lián)盟正式發(fā)布了CCC Digital Key 3.0規(guī)范，其中明確提出將UWB與BLE(藍(lán)牙)無線技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)通過兼容的移動設(shè)備進(jìn)行被動無鑰匙進(jìn)入和引擎啟動。

圖6. PEPS所采用的定位技術(shù)的比較

UWB 的定位算法

UWB目前有三種比較成熟的定位算法，TOA（Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間）、TDOA （Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）和 AOA（Angel of Arrival，到達(dá)角度）。具體實(shí)現(xiàn)過程中，一般會采用融合三種定位方法的混合定位方案，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)定位性能。

TOA采用圓周定位法（如圖7），通過測量移動終端與三個(gè)或更多UWB基站之間的距離來實(shí)現(xiàn)定位。通過三圓相交于一點(diǎn)可確定移動終端的位置。然而由于多徑、噪聲等現(xiàn)象存在，會造成多圓無法相交或相交不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域，因此實(shí)際上很少單獨(dú)使用TOA定位。

圖7： TOA定位算法(圓周定位法)

TDOA基于TOA進(jìn)行了改進(jìn)，對基站進(jìn)行精確時(shí)間同步，這是容易實(shí)現(xiàn)的，而不關(guān)心移動終端與基站之間的時(shí)間同步，如圖8所示。首先計(jì)算出移動終端與基站A和基站B之間的距離差，則移動終端必定在以基站A和基站B為焦點(diǎn)，與焦點(diǎn)距離差恒定的雙曲線上。再通過移動終端與基站A和基站C之間的距離差，可得另一組雙曲線，而雙曲線的交點(diǎn)就是移動終端的位置。在車輛空間范圍內(nèi)，通過距離差的方式還可以減少多徑、噪聲等的影響。

圖8. TDOA定位算法

AOA定位基于相位差的原理計(jì)算到達(dá)角度，只需要兩個(gè)基站即可實(shí)現(xiàn)定位。由于涉及到角度分辨率問題，因此定位精度隨基站距離的增加而降低，多用于中短距離的定位。

UWB PEPS場景

當(dāng)車主攜帶智能鑰匙靠近車輛，在最遠(yuǎn)80米的位置，車輛BLE節(jié)點(diǎn)就可以探測到智能鑰匙BLE信號。車輛BLE節(jié)點(diǎn)喚醒車身域控制器，車身域控制器控制迎賓燈緩緩亮起，從而進(jìn)入迎賓狀態(tài)。于此同時(shí)，車輛UWB節(jié)點(diǎn)被喚醒，在車主攜帶的智能鑰匙與車輛的距離小于10m時(shí)，車輛UWB節(jié)點(diǎn)通過定位手段可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)感知到車主的位置，此時(shí)車主只要拉動車門就能自動解鎖。此外，車輛也會配備NFC近場通訊的功能，在智能鑰匙沒電等特殊情況下，可以采用NFC近場通信解鎖、啟動車輛。其實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖9所示。

圖9. CCC3.0 規(guī)范下UWB-PEPS實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

在UWB芯片領(lǐng)域，當(dāng)前公認(rèn)成熟的廠家是蘋果、NXP Trimension和QORVO DW系列，目前只有NXP Trimension NCJ29D5滿足車規(guī)要求。

UWB PEPS延伸：生物雷達(dá)

UWB PEPS給司機(jī)的體驗(yàn)既貼心又安全，怎一個(gè)爽字了得？然而，車上的乘客是不是感受也一樣呢？平時(shí)是一樣的，但是不怕一萬，就怕萬一。如果司機(jī)下車了，車門自動鎖上了。車?yán)飬s不小心落下了稚氣嬰童，或者留下了甜心寵物，汽車是不是該向司機(jī)報(bào)警呢？完全有必要啊！幸好，這一切還是可以由UWB來搞定。

作為一種超寬帶無線載波通信技術(shù)，UWB利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，這一技術(shù)讓UWB成就了超凡的雷達(dá)功能。相比于普通雷達(dá)，UWB這種超寬帶雷達(dá)具有多種優(yōu)勢，如功率低、毫米級分辨率、強(qiáng)穿透力、抗干擾能力強(qiáng)，以及適宜于近距離探測等，UWB超寬帶雷達(dá)尤其適合應(yīng)用在生命探測領(lǐng)域，作為超寬帶生物雷達(dá)使用。

UWB超寬帶生物雷達(dá)，可以在不需要任何電極或傳感器接觸生命體的情況下，實(shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離、無約束的檢測到人體或動物的呼吸和心跳等生命體征。他不但可以幫助PEPS系統(tǒng)杜絕錯(cuò)關(guān)人或動物在車?yán)锏氖鹿剩€可以偵測司機(jī)的生理狀態(tài)，在司機(jī)身體不適或疲倦時(shí)及時(shí)發(fā)出提醒甚至介入，防范駕駛中的認(rèn)為不測。

圖10. UWB 生物雷達(dá)活體檢測

除車內(nèi)活體檢測外，基于UWB雷達(dá)對于運(yùn)動的感知，UWB還有一個(gè)巧妙的應(yīng)用是跺腳開后備箱。當(dāng)駕駛員身份到達(dá)車輛尾部，UWB高靈敏度雷達(dá)可精準(zhǔn)檢測跺腳動作，從而自動打開車輛后備箱。

圖11. UWB 踢腳雷達(dá)圖示

以上描述的兩項(xiàng)UWB雷達(dá)功能，包括UWB活體雷達(dá)以及UWB踢腳雷達(dá)，都無需額外的硬件，而只是通過復(fù)用車端UWB硬件實(shí)現(xiàn)，無需增加額外的成本。我們也可以把它們當(dāng)成未來UWB PEPS功能的一部分。

UWB PEPS: 暢想AVP

AVP(Automated Valet Parking)即自主代客泊車功能，被稱為是解決用戶“最后一公里自由”的L4級自動駕駛技術(shù)，是目前最有希望實(shí)現(xiàn)商業(yè)落地的自動駕駛技術(shù)應(yīng)用場景，如圖10所示。用UWB實(shí)現(xiàn)PEPS體驗(yàn)的另一個(gè)巨大好處是，它為實(shí)現(xiàn)AVP在汽車一端提供了充分必要條件。

圖12. AVP 自主代客泊車系統(tǒng)

圖11所示的是一種可行的車端UWB節(jié)點(diǎn)布局方案。前大燈和尾燈處共放置四個(gè)UWB PEPS節(jié)點(diǎn)，車頂放置第五個(gè)UWB PEPS+AVP節(jié)點(diǎn)。第五個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以接收車內(nèi)的UWB信號，也能接收車外的UWB信號，而且也是實(shí)現(xiàn)AVP功能的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖13. UWB PEPS+AVP實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

在PEPS模式下，第五個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)和其它四個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)一起，協(xié)同合作，完成智能鑰匙位置的測量，并將測距信息發(fā)送給車身域控制器，完成智能鑰匙位置的計(jì)算，從而決定后續(xù)的解鎖和啟動操作。

進(jìn)入AVP模式時(shí)，第五個(gè)節(jié)點(diǎn)就開始不斷地接收停車場里鋪設(shè)的UWB節(jié)點(diǎn)播發(fā)的UWB定位報(bào)文，報(bào)文中包含有停車場停車位的信息，類似GNSS定位信號里的經(jīng)緯度信息。車端UWB節(jié)點(diǎn)將收到的定位報(bào)文送入智駕域控制器中，從而實(shí)現(xiàn)車輛在車庫內(nèi)的坐標(biāo)計(jì)算，并進(jìn)一步輸入給規(guī)劃控制模塊，用于AVP功能的實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語

此時(shí)此刻，明月裝飾了我的窗子，PEPS是否裝飾了你的夢？感謝深圳老友信馳達(dá)康總提供在技術(shù)理解上給予的點(diǎn)撥。此時(shí)，比亞迪的市值才到貴州茅臺的40%、特斯拉的20%。海上明月共潮生，愿中國車企馭新能源和智能駕駛之風(fēng)，鯤鵬直上。