PEPS的前世今生和未來

雖然車企們仍在經歷缺芯的煎熬，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，PEPS系統已經走下貴胄的神壇，不再為高端車型所獨享。眾多的新能源汽車廠商正在將這種優越的體驗奉獻給普羅大眾。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?；厥组g，你有沒有那一念，想了解TA的前世與今生，以及未來的歸處？

因為業務的緣故，紫楊惡補了幾天PEPS系統的知識。今晨幸得黃大律師提點，頓感“沒有輸出的學習，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入及啟動系統，也有人將其表述為無感開門和啟動系統。（為什么叫無感呢？我想應該是因為除了驚艷，駕乘者感覺不到TA存在，而實際上TA一直默默地在感知駕乘者。）這種體驗簡言之，就是當駕乘者步入指定范圍時，系統即可識別出汽車授權的駕乘者，并自動開門。離開汽車時，門鎖會自動鎖上并進到防盜狀態。通過PEPS系統，您還可以在上車前啟動汽車，讓愛車的空調和座椅提前進入舒適狀態。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果，隨著我們對這項技術的了解，你會窺見他們還有哪些激動人心的追求。

昨天：RKE和PKE

光在無線通信技術方面，如今主流的PEPS系統就集成了低功耗藍牙技術、NFC技術、高頻和低頻RFID等技術。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。

大概到上世紀九十年代末，一些高端車型基于低頻RFID（125KHz）的引擎防盜系統IMMO的思路，發展了RKE (remote keyless entry) “遠程無鑰匙進入”技術，以實現遙控開車門，它就是如今PEPS的前輩了。這個系統通過無線車鑰（Key Fob）發射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證，驗證完成司機的操作即刻轉化為車身控制模塊驅動的開關門動作。這個機制如圖1所示，是一種單向驗證，就像諜戰片中地下交通員事先設定接頭暗號（密碼），說出暗號的人就被放進門開會。這種機制的弊端是，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）。信號調制方面，各國通常采用ASK幅移鍵控調制模式，日本則采用FSK 移頻鍵控調制模式。Silicon Labs、Maxim、Microchip、NXP等芯片廠商在這個領域一直都有布局。

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

圖2 PKE工作原理

如果我們還以諜戰片里的交通站為例子，那么這種模式就相當于在交通站不是坐等接頭人上門，而是在附近發一些暗號，比如在某個柱子上標一個特殊符號，或者在窗戶上放某一盆花，當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。對移動站點而言，這種機制就有了主動權。當然，這樣的雙向驗證機制，也給交通站的安全上了雙保險。

在PKE世代，無鑰匙開/關門機制也和前面提到的無線引擎防盜系統IMMO相結合，就實現了無鑰匙進入和無鑰匙啟動的雙重智能體驗，這就是PEPS的早期形式了，TA是2003年開始走進人們的生活的。

今天：藍牙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，智能手機逐漸普及。如今，它已成為日常生活中身份認證的最方便的工具。于是，車企開始把智能手機的元素加入PEPS，逐步形成了今天的PEPS系統。

那么今天的PEPS系統都加入了哪些功能呢？當前主流的PEPS都加入了NFC和藍牙元素。駕駛員可以將帶有NFC功能的手機貼近汽車的B柱，實現刷手機進入。它免除了駕駛員同時在口袋內塞車鑰匙和手機的不便。而將藍牙引入PEPS，則更具革命性。首先，藍牙在智能手機中的植入率是百分之一百，用戶不需要為自己持有那款機型而煩惱。藍牙的高頻率、跳頻機制及其固有的加密機制，相比UHF/LF的保險加密機制更加安全。而藍牙的測距精度和定位功能，也更方便用于確認開關門時機，大幅降低尾隨進入的可能性。藍牙功能還方便用戶通過APP將車輛的使用權轉授給其他用戶，實現親友間的遠程共享授權。這種機制也方便了租車公司的業務管理和共享自駕出行模式的實現。

藍牙PEPS的定位測距精度在半米級~米級。相對低端的藍牙PEPS方案采用RSSI測距，最多實現1-5米級的定位精度, 而AoA技術，則可以實現半米級的定位。

RSSI技術實現入門級PEPS

RSSI依據無線電波在介質中傳輸，信號功率隨傳播距離衰減的衰減模型計算出節點間的距離。然后用三邊計算完成定位計算。

由于信號傳播的過程中，受到距離和障礙物的影響。信號的功率強度隨之衰減，間接影響精度。所以RSSI在短距離內才能有較好的精度。但由于其部署成本低、低功耗，被用來實現入門級藍牙PEPS。這種實現方法中最低配版，是只在汽車A柱上放置一個藍牙基站，只用RSSI來計算用戶所持藍牙設備離A柱的距離，從而判斷是否開/關門，如圖3所示。

圖3： 入門級藍牙PEPS方案配置（RSSI 單站）

AOA定位技術實現主流級PEPS

藍牙5.1版本中增加了對于BLE數字鑰匙具有意義的AoA（Angle of Arrival 入射角算法）功能。這個功能支持更加精確的定位方法。AoA方案（如圖4）中，發射設備例如手機定期發送特殊的信號，接收設備例如車輛通過一個天線陣列對特殊信號進行接收，并進行相位分析，進而計算出發射設備的方向角度。結合其它的測量方法和設備，該方案能夠較為準確地判斷發射設備的位置（距離和方向），精度可以達到0.5米左右。

圖4. 藍牙AOA 定位

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

圖5： 主流級藍牙PEPS方案配置（AoA定位）

目前用于藍牙PEPS領域的芯片方案有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的創新更是如此。UWB技術以其更高的安全性、更快的響應速度和厘米級的定位精度，日益為車企產品創新團隊所矚目。2019 年，全球車聯聯盟（CCC）將UWB 列為下一代車輛安全訪問技術，由此UWB 開始大批量應用于出行設備領域。

2020年6月，IEEE 更新 UWB 的相關標準（802.15.4z），增強 UWB 安全功能（在 PHY/RF 級別），進一步為 UWB進入主流應用市場鋪平道路。2021年7月，CCC聯盟正式發布了CCC Digital Key 3.0規范，其中明確提出將UWB與BLE(藍牙)無線技術相結合，能夠實現通過兼容的移動設備進行被動無鑰匙進入和引擎啟動。

圖6. PEPS所采用的定位技術的比較

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，到達時間）、TDOA （Time Difference of Arrival，到達時間差）和 AOA（Angel of Arrival，到達角度）。具體實現過程中，一般會采用融合三種定位方法的混合定位方案，實現最優定位性能。

TOA采用圓周定位法（如圖7），通過測量移動終端與三個或更多UWB基站之間的距離來實現定位。通過三圓相交于一點可確定移動終端的位置。然而由于多徑、噪聲等現象存在，會造成多圓無法相交或相交不是一個點而是一個區域，因此實際上很少單獨使用TOA定位。

圖7： TOA定位算法(圓周定位法)

TDOA基于TOA進行了改進，對基站進行精確時間同步，這是容易實現的，而不關心移動終端與基站之間的時間同步，如圖8所示。首先計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，與焦點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，而雙曲線的交點就是移動終端的位置。在車輛空間范圍內，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算到達角度，只需要兩個基站即可實現定位。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

當車主攜帶智能鑰匙靠近車輛，在最遠80米的位置，車輛BLE節點就可以探測到智能鑰匙BLE信號。車輛BLE節點喚醒車身域控制器，車身域控制器控制迎賓燈緩緩亮起，從而進入迎賓狀態。于此同時，車輛UWB節點被喚醒，在車主攜帶的智能鑰匙與車輛的距離小于10m時，車輛UWB節點通過定位手段可以實時精準感知到車主的位置，此時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。其實現架構如圖9所示。

圖9. CCC3.0 規范下UWB-PEPS實現架構

在UWB芯片領域，當前公認成熟的廠家是蘋果、NXP Trimension和QORVO DW系列，目前只有NXP Trimension NCJ29D5滿足車規要求。

UWB PEPS延伸：生物雷達

UWB PEPS給司機的體驗既貼心又安全，怎一個爽字了得？然而，車上的乘客是不是感受也一樣呢？平時是一樣的，但是不怕一萬，就怕萬一。如果司機下車了，車門自動鎖上了。車里卻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報警呢？完全有必要??！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，UWB利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，這一技術讓UWB成就了超凡的雷達功能。相比于普通雷達，UWB這種超寬帶雷達具有多種優勢，如功率低、毫米級分辨率、強穿透力、抗干擾能力強，以及適宜于近距離探測等，UWB超寬帶雷達尤其適合應用在生命探測領域，作為超寬帶生物雷達使用。

UWB超寬帶生物雷達，可以在不需要任何電極或傳感器接觸生命體的情況下，實現非接觸、遠距離、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系統杜絕錯關人或動物在車里的事故，還可以偵測司機的生理狀態，在司機身體不適或疲倦時及時發出提醒甚至介入，防范駕駛中的認為不測。

圖10. UWB 生物雷達活體檢測

除車內活體檢測外，基于UWB雷達對于運動的感知，UWB還有一個巧妙的應用是跺腳開后備箱。當駕駛員身份到達車輛尾部，UWB高靈敏度雷達可精準檢測跺腳動作，從而自動打開車輛后備箱。

圖11. UWB 踢腳雷達圖示

以上描述的兩項UWB雷達功能，包括UWB活體雷達以及UWB踢腳雷達，都無需額外的硬件，而只是通過復用車端UWB硬件實現，無需增加額外的成本。我們也可以把它們當成未來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，是目前最有希望實現商業落地的自動駕駛技術應用場景，如圖10所示。用UWB實現PEPS體驗的另一個巨大好處是，它為實現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

圖11所示的是一種可行的車端UWB節點布局方案。前大燈和尾燈處共放置四個UWB PEPS節點，車頂放置第五個UWB PEPS+AVP節點。第五個節點既可以接收車內的UWB信號，也能接收車外的UWB信號，而且也是實現AVP功能的關鍵節點。

圖13. UWB PEPS+AVP實現架構

在PEPS模式下，第五個UWB節點和其它四個UWB節點一起，協同合作，完成智能鑰匙位置的測量，并將測距信息發送給車身域控制器，完成智能鑰匙位置的計算，從而決定后續的解鎖和啟動操作。

進入AVP模式時，第五個節點就開始不斷地接收停車場里鋪設的UWB節點播發的UWB定位報文，報文中包含有停車場停車位的信息，類似GNSS定位信號里的經緯度信息。車端UWB節點將收到的定位報文送入智駕域控制器中，從而實現車輛在車庫內的坐標計算，并進一步輸入給規劃控制模塊，用于AVP功能的實現。

結語

此時此刻，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康總提供在技術理解上給予的點撥。此時，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，鯤鵬直上。