Automobilhersteller sind von der Verknappung elektronischer Komponenten betroffen, obwohl der Trend zu intelligenten Autos unaufhaltsam ist. Als der unmittelbarste und eindrucksvollste Beweis für die Intelligenz für die Benutzer ist das PEPS -System (Passive Entry and Passive Start) nicht mehr nur für High-End-Autos ein hochkarätiges Merkmal. Es wurde von vielen Autoherstellern, insbesondere aufstrebenden Marken, in Mittelklasse- oder sogar sparsame Modelle eingeführt. Auf dem chinesischen Markt, wo die Verkäufe von Elektrofahrzeugen in der ersten Hälfte des Jahres 2022 ein Wachstum von mehr als 100 Prozent verzeichnen, haben große Elektroautohersteller wie BYD, GAC Aion, Geely, Nio, Xpeng und Li Auto im Grunde alle Modelle mit PEPS ausgestattet .

Während dieses ECU uns Autofahrer leise verblüfft, haben wir jemals daran gedacht, die Spur seiner Herstellung und die Aussicht auf seine Zukunft zu untersuchen? Lasst uns los fahren.

PEPS bietet Autofahrern die Möglichkeit, sicher in das Auto einzusteigen, ohne die Aktivität manuell zu entsperren. Der Motor und das HVAC-System des Autos können ferngesteuert gestartet werden, bevor der Fahrer oder die Passagiere in das Auto einsteigen. Während alle Passagiere das Auto verlassen, verriegelt das PEPS automatisch das Auto. Auf diese Weise genießen Autofahrer den Komfort des passiven Zugangs bei gleichzeitiger Sicherheit. Das muss der Grund sein, warum wir es mit dem Wort „passiv“ bezeichnen.

Gestern: RKE und PKE

Derzeit integrieren Mainstream-PEPS-Lösungen drahtlose Technologien wie Bluetooth Low Energy (BLE), NFC, RFID (High Frequency und Low Frequency) usw. Nun, wie funktionieren sie? Es wäre schwer zu verdauen, wenn wir die Geschichte heute erzählen würden. Also, warum blitzen wir nicht auf gestern zurück?

Ende der 1990er Jahre führten einige High-End-Automodelle schrittweise ein Remote Keyless Entry (RKE)-System ein, eine Weiterentwicklung der früheren IMMO-Lösung (Wegfahrsperre) auf Basis von Niederfrequenz-RFID (125 kHz). Als Vorgänger des PEPS verfügt das RKE über einen Schlüsselanhänger zur Übertragung von UHF-Signalen (Ultrahochfrequenz) an einen HF-Empfänger, der mit dem BCM (Body Control Module) des Fahrzeugs verbunden ist, um die Benutzeridentität zu überprüfen. Sobald die ID verifiziert ist, führt das System eine Aktion zum Öffnen/Schließen der Tür durch, die vom BCM gesteuert wird. Ein solcher unidirektionaler Verifizierungsmechanismus, wie er in Abbildung 1 gezeigt wird, kann als voreingestellte Chiffre in einem Spionagefilm interpretiert werden. Wenn ein besuchender Geheimagent zu einem Versammlungsort kommt, muss er oder sie eine solche Chiffre sprechen oder zeigen. Wenn die Chiffre korrekt ist, wird er oder sie eingelassen. Der Nachteil dieses Mechanismus besteht darin, dass, sobald der Feind infiltriert ist und die Chiffre erlangt hat,

Abbildung 1. Arbeitsmechanismus von RKE

Die RKE-Lösung verwendet Frequenzbänder von 315 MHz (in den USA, China und Japan usw.), 433,92 MHz (in Europa, China) und 868 MHz (in Europa). In Bezug auf die Signalmodulation verwenden die meisten Länder das ASK (Amplitude Shift Keying). )-Modus, während Japan den FSK-Modus (Frequency Shift Keying) übernimmt.IC-Anbieter wie Silicon Labs, Maxim, Microchip und NXP usw. haben Angebote in diesem Bereich.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurde der Einweg-Verifizierungsmechanismus des RKE zu einem Zwei-Wege-Mechanismus namens PKE (Passive Keyless Entry) System aufgerüstet, bei dem die Verifizierung nicht mehr vom Schlüsselanhängerhalter, dh dem Fahrer, initiiert wird, sondern von ihm wird von einem Niederfrequenzsender ausgelöst, der mit dem BCM verbunden ist. Sobald die Türen eines Autos geschlossen und verriegelt werden, sendet ein im Auto eingebautes drahtloses Modul kontinuierlich Niederfrequenzsignale (125 KHz) auf der Suche nach einem Responder (eingebaut in einen Schlüsselanhänger) innerhalb einer bestimmten Reichweite. Wenn das Modul einen Responder gefunden hat, weckt sein Code diesen auf. Wenn der NF-Teil des Moduls längere Zeit keine Rückmeldungen empfangen hat, wechselt er in den Schlafmodus, um den Stromverbrauch zu senken. Immer wenn der Responder im Schlüsselanhänger ein Wecksignal empfängt, Es sendet ein fortlaufend codiertes Datagramm über Hochfrequenzsignale (dh 433 MHz) aus. Nachdem das eingebaute Modul das Datagramm decodiert und versteht, weist es das Auto an, bestimmte Operationen auszuführen. Daher können wir im Vergleich zu RKE sehen, dass der von der PKE übernommene Verifizierungsmechanismus ein Zwei-Wege-Mechanismus ist, siehe Abbildung 2.

Abbildung 2. Arbeitsmechanismus von PKE

Nehmen wir als Beispiel weiter das Treffen von Geheimagenten in Spionagefilmen. Bei einem Zwei-Wege-Verifizierungsmechanismus wartet ein Geheimagent des Gastgebers nicht auf den Besuch seines Kameraden, sondern platziert stattdessen eine Chiffre in der Nähe (markiert beispielsweise eine Säule mit einem speziellen Symbol oder stellt eine bestimmte Pflanze auf die Veranda). , wenn sein oder ihr Kamerad den Geheimagenten des Gastgebers besucht, nachdem er diese Chiffre bemerkt hat. Wenn der Kamerad an die Tür klopft, verwenden sie eine andere voreingestellte Chiffre, um die Identität des anderen zu überprüfen. Für Treffpunkte der Mobilität ist ein solcher Mechanismus proaktiv und sicherer.

Während sich der passive schlüssellose Zugangsmechanismus der Generation PKE in das oben erwähnte IMMO integriert, realisieren wir die Erfahrung des passiven Zugangs und des passiven Starts. So betrat 2003 ein früher Modus von PEPS die Bühne.

Heute: Bluetooth PEPS ist Mainstream

Das Tempo der Digitalisierung hat jedoch nie nachgelassen. In den zehn Jahren nach dem Aufkommen des frühen Modus von PEPS werden Smartphones weit verbreitet. Heutzutage sind sie zu einem äußerst praktischen Werkzeug zur Identitätsprüfung in unserem täglichen Leben geworden. Also führten Autohersteller Smartphones in das PEPS-Szenario ein. So entstand das PEPS, das wir heute sehen.

Welche Funktionen wurden in die moderne PEPS-Lösung integriert? Grundsätzlich haben Mainstream-PEPS jetzt NFC und Bluetooth integriert. Der Fahrer kann ein NFC-Telefon in die Nähe der Säule B des Autos legen, um einzusteigen. Es beseitigt den Aufwand, sowohl einen Schlüsselanhänger als auch ein Smartphone in die Tasche zu stecken. Aber die Einführung von Bluetooth in PEPS ist revolutionärer. Zunächst einmal hat Bluetooth eine 100%ige Penetrationsrate in Smartphones, sodass Benutzer sich nicht die Mühe machen müssen, welches Modell sie für die Kompatibilität des PEPS auswählen müssen. Zweitens bieten die Hochfrequenz, der Frequenzsprungmechanismus und der verstärkte Sicherheitsmechanismus von Bluetooth mehr Sicherheit und Sicherheit im Vergleich zum UHF/LF-Beruhigungsmechanismus. Darüber hinaus hilft die Reichweiten- und Positionierungsfunktion von Bluetooth sehr beim Timing des Öffnens/Schließens der Tür, die Möglichkeit, das Auto zu entführen, indem man dem Fahrer folgt, wird drastisch reduziert. Bluetooth macht es dem Besitzer auch bequem, eine App zu verwenden, um andere für den Zugang oder die Nutzung des Autos zu autorisieren, wodurch das Remote-Car-Sharing zwischen Familienmitgliedern und Freunden möglich wird. Ein solcher Mechanismus hilft auch Autovermietungen und massenhaften selbstfahrenden Carsharing-Diensten.

Die Genauigkeit der Bluetooth-Entfernungsmessung und -Positionierung kann einen halben oder einen Meter erreichen. Es umfasst das RSSI-Verfahren und das AoA-Verfahren. Ersteres, das weniger genau ist, bietet eine Genauigkeit von 1 bis 5 Metern. Letzteres, das genauer ist, bietet eine Genauigkeit von einem halben Meter.

RSSI-Technologie hilft bei der Realisierung von Bluetooth-PEPS
der Einstiegsklasse RSSI (Received Signal Strength Indication) ist eine Technologie, die die Entfernung berechnen kann, die das Funksignal gemäß seinem Dämpfungsgrad in der Reichweite zurücklegt. Das System kann daher den Ort mit trigonometrischer Berechnung errechnen.

Während sich das Funksignal ausbreitet, wird seine Stärke nach einer bestimmten Entfernung oder beim Auftreffen auf verschiedene Barrieren schwächer. Eine solche Dämpfung tritt in unterschiedlichen Situationen in unterschiedlichem Ausmaß auf. Es hat indirekt die Genauigkeit des Algorithmus untergraben. Aus diesem Grund funktioniert der RSSI nur im Nahbereich gut. Da es immer noch eine kostengünstige Bereitstellung und einen geringen Stromverbrauch aufweist, wird das RSSI für Bluetooth-PEPS der Einstiegsklasse übernommen. Eine kostengünstigste Lösung setzt nur eine Bluetooth-Basisstation in der Säule A des Autos ein. Die Lösung berechnet den Abstand zwischen dem Smartphone des Benutzers und der Säule A, um zu beurteilen, ob die Tür geöffnet oder geschlossen werden soll. Siehe Abbildung 3.

Abbildung 3. Bluetooth-PEPS-Einstiegsschema (RSSI-Einzelstation)

AOA-Technologie zur Realisierung von Mainstream-PEPS

Eine Funktion namens AoA (Angle of Arrival), die in der Bluetooth-Version 5.1 eingeführt wurde, verbesserte die Genauigkeit des Bluetooth-Ortungsdienstes. Bei der AoA-Lösung (siehe Abbildung 4) sendet der Sender, beispielsweise ein Smartphone, periodisch ein spezielles Signal aus. Ein Antennenarray im Auto wird zum Empfang des Signals zur Phasenanalyse eingesetzt, um den Winkel zu berechnen, in dem der Sender das Signal aussendet. Mit Unterstützung anderer Vermessungsmethoden und -geräte kann die Lösung den Standort (Entfernung und Richtung) eines Sendegeräts mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 Metern besser beurteilen.

Abbildung 4. Bluetooth-AOA-Positionierung

Um die Genauigkeit der Positionierung zu verbessern, benötigen wir natürlich die Unterstützung mehrerer Bluetooth-Basisstationen mit AoA-Algorithmus. Daher entscheiden sich die Autohersteller bei Modellen der mittleren Klasse für den Einsatz von Mehrpunkt-Bluetooth-PEPS, wie in Abbildung 5 dargestellt, die genaue Anzahl der Basisstationen und das Layoutmuster variieren jedoch in gewissem Maße für verschiedene Automodelle.

Abbildung 5．Mainstream-Bluetooth-PEPS-Lösung (AoA-Positionierung)

Zu den am häufigsten verwendeten SoCs im Bluetooth-PEPS-Bereich gehören TI CC2640, Silicon Labs EFR32BG22 und NXP KW36 usw.

Morgen: UWB ist

viel versprechend Die Zeit hört niemals auf, genau wie die Innovation von PEPS. Mit ihrer höheren Sicherheit, schnelleren Reaktionsgeschwindigkeit und zentimetergenauen Positionierungsgenauigkeit hat die UWB-Technologie zunehmend die Aufmerksamkeit der Produktinnovationsteams der Automobilhersteller auf sich gezogen. Im Jahr 2019 listete das Car Connectivity Consortium (CCC) UWB als Sicherheitszugangstechnologie für Fahrzeuge der nächsten Generation auf, und UWB begann mit der Anwendung in Autos.

Im Juni 2020 aktualisierte IEEE die UWB-bezogenen Standards (802.15.4z), um die UWB-Sicherheitsfunktionen (auf PHY/RF-Ebene) zu verbessern, und ebnet damit den Weg für UWB zum Eintritt in den Mainstream-Anwendungsmarkt. Im Juli 2021 veröffentlichte die CCC Alliance offiziell die CCC Digital Key 3.0-Spezifikation, die eindeutig die Kombination von UWB- und BLE-Funktechnologie (Bluetooth) vorschlägt, um einen passiven schlüssellosen Zugang und Motorstart über kompatible Mobilgeräte zu ermöglichen.

Tabelle 1. Vergleich der PEPS-Positionierungstechnologien

Positionierungsalgorithmen für UWB

Es gibt drei relativ ausgereifte Positionierungsalgorithmen für UWB-Lösungen: TOA (Ankunftszeit, Ankunftszeit), TDOA (Ankunftszeitdifferenz, Ankunftszeitdifferenz) und AOA (Ankunftswinkel, Ankunftswinkel) . In dem spezifischen Implementierungsprozess wird im Allgemeinen ein hybrides Positionierungsschema verwendet, das drei Positionierungsverfahren integriert, um eine optimale Positionierungsleistung zu erreichen.

TOA verwendet ein kreisförmiges Positionierungsverfahren (siehe Fig. 6), um eine Positionierung zu erreichen, indem der Abstand zwischen einem mobilen Endgerät und drei oder mehr UWB-Basisstationen gemessen wird. Der Standort des mobilen Endgeräts kann bestimmt werden, indem die drei Kreise an einem Punkt geschnitten werden. Aufgrund des Vorhandenseins von Mehrwege-, Rausch- und anderen Phänomenen kann sich der Mehrkreis jedoch nicht schneiden oder der Schnittpunkt ist kein Punkt, sondern ein Bereich, so dass die TOA-Positionierung tatsächlich selten allein verwendet wird.

Abbildung 6. TOA-Positionierungsalgorithmus (Kreispositionierungsmethode)

Als Verbesserung gegenüber TOA führt TDOA eine präzise Synchronisation zwischen Basisstationen durch, was einfach zu realisieren ist. Es ist keine Zeitsynchronisation zwischen dem mobilen Endgerät und den Basisstationen betroffen, wie in 7 gezeigt. Berechnen Sie zuerst die Entfernungsdifferenz zwischen dem mobilen Endgerät und der Basisstation A und eine zwischen ihr und der Basisstation B. Das mobile Endgerät muss sich auf einer Hyperbel befinden mit Basisstation A und Basisstation B als Fokusse. Ein anderer Satz von Hyperbeln kann durch die Abstandsdifferenzen zwischen dem mobilen Endgerät und der Basisstation A und der Basisstation C erhalten werden, und der Schnittpunkt der Hyperbeln ist die Position des mobilen Endgeräts. Im Bereich des Fahrzeugraums kann auch der Einfluss von Mehrwegeausbreitung, Rauschen etc. durch Abstandsdifferenz reduziert werden.

Abbildung 7 TDOA-Positionierungsalgorithmus

Die AOA-Ortung berechnet den Ankunftswinkel nach dem Prinzip der Phasendifferenz und benötigt nur zwei Basisstationen, um eine Ortung zu erreichen. Aufgrund der Frage der Winkelauflösung nimmt die Positionsgenauigkeit mit zunehmender Entfernung von der Basisstation ab und wird hauptsächlich zur Positionsbestimmung auf kurze und mittlere Entfernungen verwendet.

UWB-PEPS-Szenario
Wenn der Autobesitzer den Smart Key in die Nähe des Fahrzeugs bringt, kann der BLE-Knoten des Fahrzeugs das BLE-Signal des Smart Keys in einer Entfernung von bis zu 80 Metern erkennen. Der BLE-Knoten des Fahrzeugs weckt den Body-Domain-Controller auf, und der Body-Domain-Controller steuert das Begrüßungslicht so, dass es sich langsam einschaltet, wodurch es in den Begrüßungszustand eintritt. Gleichzeitig wird der Fahrzeug-UWB-Knoten geweckt. Wenn der Abstand zwischen dem vom Autobesitzer getragenen Smart Key und dem Auto weniger als 10 m beträgt, kann der UWB-Knoten des Fahrzeugs die Position des Besitzers in Echtzeit mit Positionierungsalgorithmen genau erkennen. Zu diesem Zeitpunkt kann der Besitzer die Tür automatisch entriegeln und sie einfach durch einen Ziehvorgang öffnen. Darüber hinaus wird das Auto auch mit der Funktion von NFC (Near Field Communication) ausgestattet. In besonderen Fällen, z. B. wenn der Smart Key ohne Strom ist, NFC kann zum Entriegeln und Starten des Fahrzeugs verwendet werden. Seine Implementierungsarchitektur ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8. Implementierungsarchitektur von UWB PEPS, spezifiziert durch CCC 3.0

Im Bereich der UWB-Chips sind die derzeit anerkannten reifen Hersteller Apple, NXP Trimension und QORVO Decawave. Unter den freigegebenen ICs von NXP erfüllt nur der Trimension NCJ29D5 die Anforderungen der Fahrzeugvorschriften.

Erweiterung: Bio-Radar

Die Erfahrung von UWB PEPS für Fahrer ist sowohl intim als auch sicher. Doch geht es den Passagieren im Auto genauso? Normalerweise ja, aber in einigen Sonderfällen nein. Manchmal ist es hart für sie. Steigt der Fahrer zum Beispiel aus dem Auto, verriegeln sich die Türen automatisch. Ein Baby oder ein süßes Haustier wurde versehentlich im Auto gelassen. Soll das Auto Alarm an den Fahrer senden? Absolut notwendig! Glücklicherweise kann es von UWB gut angegangen werden.

Als drahtlose Ultrabreitband-Trägerkommunikationstechnologie verwendet UWB nicht sinusförmige, schmale Impulse im Nanosekundenbereich, um Daten zu übertragen. Diese Technologie ermöglicht es UWB, außergewöhnliche Radarfunktionen zu erreichen. Verglichen mit gewöhnlichem Radar hat UWB-Radar viele Vorteile, wie z. B. geringer Stromverbrauch, Auflösung im Millimeterbereich, starke Durchdringung, starke Anti-Interferenz-Fähigkeit und Eignung für die Nahbereichserkennung usw. UWB eignet sich besonders für die Lebenserkennung als ein Bioradar.

UWB-Bioradar kann Vitalfunktionen wie Atmung und Herzschlag von Menschen oder Tieren aus der Ferne erkennen, ohne dass Elektroden oder Sensoren den lebenden Körper berühren müssen. Es kann dem PEPS-System nicht nur helfen, Unfälle durch das Einschließen von Personen oder Tieren im Auto zu verhindern, sondern auch den physiologischen Zustand des Fahrers erkennen und Erinnerungen ausgeben oder sogar rechtzeitig eingreifen, wenn der Fahrer sich beim Fahren unwohl fühlt.

Abbildung 9. Lebenserkennung mit UWB-Bioradar

Kofferraum: Kick-to-Open

Zusätzlich zur Lebenserkennung im Fahrzeug, basierend auf der Bewegungswahrnehmung des UWB-Radars, verfügt UWB auch über eine clevere Anwendung des Stampfens zum Öffnen des Kofferraums. Wenn die Identität des Fahrers das Heck des Fahrzeugs erreicht, kann das UWB-Radar die Stampfaktion genau erkennen und dadurch automatisch den Kofferraum des Fahrzeugs öffnen.

Abbildung 10. UWB ermöglicht Kick-to-Open-Lösung

Die beiden oben beschriebenen UWB-Radarfunktionen, einschließlich UWB-Bioradar und UWB-Kicking-Radar, erfordern keine zusätzliche Hardware, sondern werden nur durch Wiederverwendung von fahrzeugseitiger UWB-Hardware implementiert, ohne zusätzliche Hardwarekosten hinzuzufügen. Wir können sie auch als Teile zukünftiger UWB-PEPS-Funktionalität betrachten.

UWB-fähiges automatisches Valet-Parken

AVP (Automated Valet Parking) ist die autonome Valet-Parking-Funktion. Es ist als autonome Fahrtechnologie auf L4-Niveau bekannt, die den Benutzern die „Letzte-Meile-Freiheit“ bietet. Es ist derzeit das vielversprechendste Anwendungsszenario für autonomes Fahren für die Kommerzialisierung, wie in Abbildung 11 gezeigt. Ein weiterer großer Vorteil der Implementierung einer PEPS-Erfahrung mit UWB besteht darin, dass es die notwendigen und ausreichenden Bedingungen bietet, um AVP an der Seite des Autos zu implementieren.

Abbildung 11 Automatisches Valet-Parksystem

Fig. 12 zeigt ein mögliches fahrzeugseitiges UWB-Knotenlayoutschema. Insgesamt vier UWB-PEPS-Knoten werden an den Scheinwerfern und Rücklichtern platziert, und ein fünfter UWB-PEPS+AVP-Knoten wird auf dem Dach platziert. Der fünfte Knoten kann sowohl das UWB-Signal im Auto als auch das UWB-Signal außerhalb des Autos empfangen und ist auch der Schlüsselknoten zum Realisieren der AVP-Funktion.

Abbildung 12 Architektur von PEPS + AVP

Im PEPS-Modus arbeitet der fünfte UWB-Knoten mit den anderen vier UWB-Knoten zusammen, um die Messung der Position des Smart Key abzuschließen, und sendet die Entfernungsinformationen an den Body Domain Controller (BCM), um die Berechnung der Position des Smart abzuschließen Schlüssel, um die Folgeoperationen zu entriegeln und zu starten.

Beim Eintritt in den AVP-Modus beginnt der fünfte Knoten damit, kontinuierlich UWB-Positionierungsnachrichten zu empfangen, die von auf dem Parkplatz ausgelegten UWB-Knoten angekündigt werden. Der fahrzeugseitige UWB-Knoten sendet die empfangene Positionierungsnachricht an die intelligente Fahrdomänensteuerung, um die Koordinatenberechnung des Fahrzeugs in der Garage zu realisieren, und überträgt sie dann an das Planungssteuermodul zur Durchführung der AVP-Operationen.

Fazit

In den letzten zwanzig Jahren hat PEPS einen soliden Wachstumspfad eingeschlagen. Da es bei Autoherstellern immer beliebter wird, wird es weiterhin zu mehr Innovationen führen, um die Erfahrung von Autofahrern und den Sicherheitsstandard zu verbessern, während die Menschheit immer intelligenteres Fahren unterstützt.