PEPS的前世今生与未来

虽然车企们仍在经历缺芯的煎熬，汽车智能化的趋势却如江水东流不可阻遏。作为“开门见智”的首选体验，PEPS系统已经走下贵胄的神坛，不再为高端车型所独享。众多的新能源汽车厂商正在将这种优越的体验奉献给普罗大众。在中国市场，比亚迪、广汽、吉利汽车和蔚小理等几乎已全系配备PEPS。默默地，TA为您的新车驾乘绽放惊艳。回首间，你有没有那一念，想了解TA的前世与今生，以及未来的归处？

PEPS即Passive Entry & Passive Start，中文可以理解为无钥匙进入及启动系统，也有人将其表述为无感开门和启动系统。（为什么叫无感呢？我想应该是因为除了惊艳，驾乘者感觉不到TA存在，而实际上TA一直默默地在感知驾乘者。）这种体验简言之，就是当驾乘者步入指定范围时，系统即可识别出汽车授权的驾乘者，并自动开门。离开汽车时，门锁会自动锁上并进到防盗状态。通过PEPS系统，您还可以在上车前启动汽车，让爱车的空调和座椅提前进入舒适状态。TA让你这么爽，却让偷车贼很不爽。这可是一代代汽车电子工程师不懈努力的结果，随着我们对这项技术的了解，你会窥见他们还有哪些激动人心的追求。

昨天RKE和PKE

光在无线通信技术方面，如今主流的PEPS系统就集成了低功耗蓝牙技术、NFC技术、高频和低频RFID等技术。它们是怎么工作的呢？要是一开始就讲今天，那就容易囫囵吞枣了。我还是先讲讲TA的昨天吧。

大概到上世纪九十年代末，一些高端车型基于低频RFID（125KHz）的引擎防盗系统IMMO的思路，发展了RKE (remote keyless entry) “远程无钥匙进入”技术，以实现遥控开车门，它就是如今PEPS的前辈了。这个系统通过无线车钥（Key Fob）发射UHF（超高频）信号给车身控制模块所连接的无线接受器来完成验证，验证完成司机的操作即刻转化为车身控制模块驱动的开关门动作。这个机制如图1所示，是一种单向验证，就像谍战片中地下交通员事先设定接头暗号（密码），说出暗号的人就被放进门开会。这种机制的弊端是，一旦敌人窃取了暗号，交通站就会被攻破。

RKE方案采用的无线频率为315 MHz(美国、中国、日本)、433.92 Hz(欧洲、中国)和868 MHz（欧洲）。信号调制方面，各国通常采用ASK幅移键控调制模式，日本则采用FSK 移频键控调制模式。Silicon Labs、Maxim、Microchip、NXP等芯片厂商在这个领域一直都有布局。

进入本世纪初后，人们将RKE的单向验证机制升级为双向验证机制，便有了PKE, 即Passive Keyless Entry “被动无钥匙进入”技术。这里说到“被动”，大概主要是因为验证动作的发起端并非持有Key fob “钥匙牌”的司机，而是插接在汽车车身控制模块上的LF低频发射器。车门在关闭并且上锁以后，车载的无线模块会持续地发送低频（125KHZ）的编码，搜索并唤醒一定范围内的应答器（钥匙牌内）。如果长时间没有接收到响应信号，低频模块就会进入休眠状态降低功耗。一旦钥匙牌内的应答器接收到这个唤醒信号，就会发出一个高频（如433MHz）射频滚动编码报文。车载无线模块会对接收到的报文进行解码，识别成功以后会执行相应的动作。具体执行关门还是开门，就要依靠门把手传感器了。因为门把手传感器不同的信号，分别对应着关门动作和开门动作。由此可以看出，相对于RKE机制，PKE的验证实际上是双向验证的模式，如图2所示。

如果我们还以谍战片里的交通站为例子，那么这种模式就相当于在交通站不是坐等接头人上门，而是在附近发一些暗号，比如在某个柱子上标一个特殊符号，或者在窗户上放某一盆花，当接头人看到这些暗号，就知道交通站在找自己，于是再用另一套暗号过去交通站敲门接头。对移动站点而言，这种机制就有了主动权。当然，这样的双向验证机制，也给交通站的安全上了双保险。

在PKE世代，无钥匙开/关门机制也和前面提到的无线引擎防盗系统IMMO相结合，就实现了无钥匙进入和无钥匙启动的双重智能体验，这就是PEPS的早期形式了，TA是2003年开始走进人们的生活的。

今天蓝牙PEPS成为主流

然而智能化的脚步才刚刚开始。此后的十几年中，智能手机逐渐普及。如今，它已成为日常生活中身份认证的最方便的工具。于是，车企开始把智能手机的元素加入PEPS，逐步形成了今天的PEPS系统。

那么今天的PEPS系统都加入了哪些功能呢？当前主流的PEPS都加入了NFC和蓝牙元素。驾驶员可以将带有NFC功能的手机贴近汽车的B柱，实现刷手机进入。它免除了驾驶员同时在口袋内塞车钥匙和手机的不便。而将蓝牙引入PEPS，则更具革命性。首先，蓝牙在智能手机中的植入率是百分之一百，用户不需要为自己持有哪款机型而烦恼。蓝牙的高频率、跳频机制及其固有的加密机制，相比UHF/LF的保险加密机制更加安全。而蓝牙的测距精度和定位功能，也更方便用于确认开关门时机，大幅降低尾随进入的可能性。蓝牙功能还方便用户通过APP将车辆的使用权转授给其他用户，实现亲友间的远程共享授权。这种机制也方便了租车公司的业务管理和共享自驾出行模式的实现。

蓝牙PEPS的定位测距精度在半米级~米级。相对低端的蓝牙PEPS方案采用RSSI测距，最多实现1-5米级的定位精度, 而AoA技术，则可以实现半米级的定位。

RSSI技术实现入门级PEPS

RSSI依据无线电波在介质中传输，信号功率随传播距离衰减的衰减模型计算出节点间的距离。然后用三角计算完成定位计算。

由于信号传播的过程中，受到距离和障碍物的影响。信号的功率强度随之衰减，间接影响精度。所以RSSI在短距离内才能有较好的精度。但由于其部署成本低、低功耗，被用来实现入门级蓝牙PEPS。这种实现方法中最低配版，是只在汽车A柱上放置一个蓝牙基站，只用RSSI来计算用户所持蓝牙设备离A柱的距离，从而判断是否开/关门。

AOA定位技术实现主流级PEPS

蓝牙5.1版本中增加了对于BLE数字钥匙具有意义的AoA（Angle of Arrival 入射角算法）功能。这个功能支持更加精确的定位方法。AoA方案（如图4）中，发射设备例如手机定期发送特殊的信号，接收设备例如车辆通过一个天线阵列对特殊信号进行接收，并进行相位分析，进而计算出发射设备的方向角度。结合其它的测量方法和设备，该方案能够较为准确地判断发射设备的位置（距离和方向），精度可以达到0.5米左右。

显然，定位精度的提高是需要多个支持AOA算法的蓝牙基站支持的。于是，在中端以上车型中配备的蓝牙PEPS都是如图5所示的这样布局（各车型具体基站数量和摆放方式仍有所不同）。

目前用于蓝牙PEPS领域的芯片方案有TI CC2640、NXP KW36 以及Silicon Labs的EFR32BG22等。

未来UWB是趋势

然而，岁月并未止步，PEPS的创新更是如此。UWB技术以其更高的安全性、更快的响应速度和厘米级的定位精度，日益为车企产品创新团队所瞩目。2019 年，全球车联联盟（CCC）将UWB列为下一代车辆安全访问技术，由此UWB 开始大批量应用于出行设备领域。

2020年6月，IEEE 更新 UWB 的相关标准（802.15.4z），增强 UWB 安全功能（在 PHY/RF 级别），进一步为 UWB进入主流应用市场铺平道路。2021年7月，CCC联盟正式发布了CCC Digital Key 3.0规范，其中明确提出将UWB与BLE(蓝牙)无线技术相结合，能够实现通过兼容的移动设备进行被动无钥匙进入和引擎启动。

UWB 的定位算法

UWB目前有三种比较成熟的定位算法，TOA（Time of Arrival，到达时间）、TDOA （Time Difference of Arrival，到达时间差）和 AOA（Angel of Arrival，到达角度）。具体实现过程中，一般会采用融合三种定位方法的混合定位方案，实现最优定位性能。

TOA采用圆周定位法（如图7），通过测量移动终端与三个或更多UWB基站之间的距离来实现定位。通过三圆相交于一点可确定移动终端的位置。然而由于多径、噪声等现象存在，会造成多圆无法相交或相交不是一个点而是一个区域，因此实际上很少单独使用TOA定位。

TDOA基于TOA进行了改进，对基站进行精确时间同步，这是容易实现的，而不关心移动终端与基站之间的时间同步，如图8所示。首先计算出移动终端与基站A和基站B之间的距离差，则移动终端必定在以基站A和基站B为焦点，与焦点距离差恒定的双曲线上。再通过移动终端与基站A和基站C之间的距离差，可得另一组双曲线，而双曲线的交点就是移动终端的位置。在车辆空间范围内，通过距离差的方式还可以减少多径、噪声等的影响。

AOA定位基于相位差的原理计算到达角度，只需要两个基站即可实现定位。由于涉及到角度分辨率问题，因此定位精度随基站距离的增加而降低，多用于中短距离的定位。

UWB PEPS场景

当车主携带智能钥匙靠近车辆，在最远80米的位置，车辆BLE节点就可以探测到智能钥匙BLE信号。车辆BLE节点唤醒车身域控制器，车身域控制器控制迎宾灯缓缓亮起，从而进入迎宾状态。与此同时，车辆UWB节点被唤醒，在车主携带的智能钥匙与车辆的距离小于10m时，车辆UWB节点通过定位手段可以实时精准感知到车主的位置，此时车主只要拉动车门就能自动解锁。此外，车辆也会配备NFC近场通讯的功能，在智能钥匙没电等特殊情况下，可以采用NFC近场通信解锁、启动车辆。

在UWB芯片领域，当前公认成熟的厂家是苹果、NXP Trimension和QORVO DW系列，目前只有NXP Trimension NCJ29D5满足车规要求。

UWB PEPS延伸：生物雷达

UWB PEPS给司机的体验既贴心又安全，怎一个爽字了得？然而，车上的乘客是不是感受也一样呢？平时是一样的，但是不怕一万，就怕万一。如果司机下车了，车门自动锁上了。车里却不小心落下了稚气婴童，或者留下了甜心宠物，汽车是不是该向司机报警呢？完全有必要啊！幸好，这一切还是可以由UWB来搞定。

作为一种超宽带无线载波通信技术，UWB利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，这一技术让UWB成就了超凡的雷达功能。相比于普通雷达，UWB这种超宽带雷达具有多种优势，如功率低、毫米级分辨率、强穿透力、抗干扰能力强，以及适宜于近距离探测等，UWB超宽带雷达尤其适合应用在生命探测领域，作为超宽带生物雷达使用。

UWB超宽带生物雷达，可以在不需要任何电极或传感器接触生命体的情况下，实现非接触、远距离、无约束地检测到人体或动物的呼吸和心跳等生命体征。他不但可以帮助PEPS系统杜绝错关人或动物在车里的事故，还可以侦测司机的生理状态，在司机身体不适或疲倦时及时发出提醒甚至介入，防范驾驶中的人为不测。

除车内活体检测外，基于UWB雷达对于运动的感知，UWB还有一个巧妙的应用是跺脚开后备箱。当驾驶员身份到达车辆尾部，UWB高灵敏度雷达可精准检测跺脚动作，从而自动打开车辆后备箱。

以上描述的两项UWB雷达功能，包括UWB活体雷达以及UWB踢脚雷达，都无需额外的硬件，而只是通过复用车端UWB硬件实现，无需增加额外的成本。我们也可以把它们当成未来UWB PEPS功能的一部分。

UWB PEPS: 畅想AVP

AVP(Automated Valet Parking)即自主代客泊车功能，被称为是解决用户“最后一公里自由”的L4级自动驾驶技术，是目前最有希望实现商业落地的自动驾驶技术应用场景，如下图所示。用UWB实现PEPS体验的另一个巨大好处是，它为实现AVP在汽车一端提供了充分必要条件。

下图所示的是一种可行的车端UWB节点布局方案。前大灯和尾灯处共放置四个UWB PEPS节点，车顶放置第五个UWB PEPS+AVP节点。第五个节点既可以接收车内的UWB信号，也能接收车外的UWB信号，而且也是实现AVP功能的关键节点。

在PEPS模式下，第五个UWB节点和其它四个UWB节点一起，协同合作，完成智能钥匙位置的测量，并将测距信息发送给车身域控制器，完成智能钥匙位置的计算，从而决定后续的解锁和启动操作。

进入AVP模式时，第五个节点就开始不断地接收停车场里铺设的UWB节点播发的UWB定位报文，报文中包含有停车场停车位的信息，类似GNSS定位信号里的经纬度信息。车端UWB节点将收到的定位报文送入智驾域控制器中，从而实现车辆在车库内的坐标计算，并进一步输入给规划控制模块，用于AVP功能的实现。