Les constructeurs automobiles ont été pris au piège de la pénurie de composants électroniques, même si la tendance des voitures intelligentes est irrésistible. En tant que preuve la plus instantanée et la plus impressionnante d'intelligence pour les utilisateurs, le système PEPS （Passive Entry and Passive Start） n'est plus une fonctionnalité de haut niveau réservée aux voitures haut de gamme. Il a été introduit sur des modèles milieu de gamme voire économiques par de nombreux constructeurs automobiles, notamment des marques émergentes. Sur le marché chinois, où les ventes de véhicules électriques connaissent une croissance de plus de 100 % au premier semestre 2022, les principaux constructeurs de voitures électriques tels que BYD, GAC Aion, Geely, Nio, Xpeng et Li Auto ont essentiellement équipé tous les modèles de PEPS .

Alors que cet ECU nous étourdit tranquillement, nous les automobilistes, avons-nous déjà pensé à sonder la piste de sa fabrication et la perspective de son avenir ? Prenons la route.

PEPS offre aux automobilistes l'expérience d'entrer en toute sécurité dans la voiture sans déverrouiller manuellement l'activité. Le moteur et le système CVC de la voiture peuvent être démarrés à distance avant que le conducteur ou les passagers n'entrent dans la voiture. Pendant que tous les passagers quittent la voiture, le PEPS verrouille automatiquement la voiture. De cette manière, les automobilistes bénéficient du confort d'un accès passif avec une sécurité renforcée. Cela doit être la raison pour laquelle nous l'appelons avec le mot "passif".

Hier : RKE et PKE

Actuellement, les solutions PEPS grand public intègrent des technologies sans fil telles que Bluetooth Low Energy (BLE), NFC, RFID (Haute Fréquence et Basse Fréquence) etc. Comment fonctionnent-elles ? Ce serait difficile à digérer si nous racontions une histoire à partir d'aujourd'hui. Alors, pourquoi ne revenons-nous pas en arrière ?

À la fin des années 1990, certains modèles de voitures haut de gamme ont progressivement introduit un système d'entrée sans clé à distance (RKE), une évolution par rapport à la solution IMMO (antidémarrage) antérieure basée sur la RFID basse fréquence (125KHz). En tant que prédécesseur du PEPS, le RKE a le porte-clés pour transmettre des signaux UHF (ultra-haute fréquence) à un récepteur RF connecté au BCM (module de contrôle du corps) de la voiture pour vérifier l'identité de l'utilisateur. Une fois l'ID vérifiée, le système exécutera une action d'ouverture/fermeture de porte pilotée par le BCM. Un tel mécanisme de vérification à sens unique comme illustré à la figure 1 peut être interprété comme un chiffrement préréglé dans un film d'espionnage. Lorsqu'un agent secret en visite se rend dans un lieu de réunion, il doit parler ou montrer un tel chiffre. Si le chiffrement est correct, il sera autorisé à entrer. L'inconvénient de ce mécanisme est qu'une fois que l'ennemi s'est infiltré et a obtenu le chiffrement,

Figure 1. Mécanisme de travail de RKE

La solution RKE adopte des bandes de fréquences de 315 MHz (aux États-Unis, en Chine et au Japon, etc.), 433,92 MHz (en Europe, en Chine) et 868 MHz (en Europe). En termes de modulation du signal, la plupart des pays adoptent l'ASK (modulation par déplacement d'amplitude ), tandis que le Japon adopte le mode FSK (modulation par déplacement de fréquence). Les fournisseurs de circuits intégrés tels que Silicon Labs, Maxim, Microchip et NXP, etc. proposent des offres dans ce domaine.

Au début du 21e siècle, les gens ont mis à niveau le mécanisme de vérification unidirectionnelle du RKE vers un mécanisme bidirectionnel appelé système PKE (entrée sans clé passive), où la vérification n'est plus initiée par le détenteur du porte-clés, c'est-à-dire le conducteur, à la place. est initié par un émetteur basse fréquence connecté au BCM. Une fois les portes d'une voiture fermées et verrouillées, un module sans fil intégré à la voiture diffusera en continu des signaux basse fréquence (125 KHz) à la recherche d'un répondeur (intégré dans un porte-clés) dans une certaine plage. Lorsque le module a trouvé un répondeur, son code va réveiller ce dernier. Si la partie LF du module n'a pas reçu de signaux de retour pendant une longue période, il entrera en mode veille pour réduire la consommation d'énergie. Chaque fois que le répondeur dans le porte-clés reçoit un signal de réveil, il enverra un datagramme codé en continu sur des signaux haute fréquence (c'est-à-dire 433 MHz). Une fois que le module intégré a décodé et compris le datagramme, il demandera à la voiture d'actionner certaines opérations. Ainsi, nous pouvons voir, par rapport à RKE, que le mécanisme de vérification adopté par la PKE est un mécanisme bidirectionnel, voir Figure 2.

Figure 2. Mécanisme de travail de PKE

Continuons à prendre comme exemple la rencontre d'agents secrets dans les films d'espionnage. Dans un mécanisme de vérification à double sens, un agent secret hôte n'attend pas la visite de son camarade, à la place, il place un chiffre à proximité (par exemple, marquer une colonne avec un symbole spécial, ou mettre une certaine plante sur le porche) , lorsque son camarade rendra visite à l'agent secret hôte après avoir remarqué ce chiffre. Lorsque le camarade frappe à la porte, ils utiliseront un autre chiffrement prédéfini pour vérifier l'identité de l'autre. Pour les points de rencontre de la mobilité, un tel mécanisme est proactif et plus sécurisé.

Alors que le mécanisme d'entrée passive sans clé de la génération PKE s'intègre à l'IMMO mentionné ci-dessus, nous réalisons l'expérience de l'entrée passive et du démarrage passif. Ainsi en 2003, un premier mode de PEPS est entré en scène.

Aujourd'hui : Bluetooth PEPS est grand public

Cependant, le rythme de la numérisation n'a jamais cessé. Dans la décennie qui a suivi l'avènement du premier mode de PEPS, les téléphones intelligents sont devenus largement adoptés. De nos jours, ils sont devenus un outil des plus pratiques pour la vérification d'identité dans notre vie quotidienne. Ainsi, les constructeurs automobiles ont introduit les téléphones intelligents dans le scénario PEPS. Ainsi, le PEPS que nous voyons aujourd'hui a vu le jour.

Quelles fonctionnalités ont été intégrées dans la solution PEPS contemporaine ? Fondamentalement, les PEPS traditionnels ont maintenant intégré NFC et Bluetooth. Le conducteur peut mettre un téléphone NFC près de la colonne B de la voiture pour entrer. Il a éliminé les tracas de coller à la fois un porte-clés et un téléphone intelligent dans la poche. Mais l'introduction de Bluetooth dans PEPS est plus révolutionnaire. Tout d'abord, Bluetooth a un taux de pénétration de 100 % dans les téléphones intelligents, de sorte que les utilisateurs n'ont pas à se soucier du modèle à sélectionner pour la compatibilité du PEPS. Deuxièmement, le mécanisme de saut de fréquence haute fréquence et le mécanisme de sécurité renforcé de Bluetooth offrent plus de sécurité et d'assurance par rapport au mécanisme de réassurance UHF/LF. De plus, la fonction de télémétrie et de positionnement du Bluetooth aide beaucoup pour le moment de l'ouverture/fermeture de la porte, réduisant considérablement la possibilité de détourner la voiture en suivant le conducteur. Bluetooth permet également au propriétaire d'utiliser une application pour autoriser d'autres personnes à accéder ou à utiliser la voiture, ce qui rend possible le partage de voiture à distance entre les membres de la famille et les amis. Un tel mécanisme aide également les services de location de voitures et les services d'auto-partage de masse.

Le niveau de précision de la télémétrie et du positionnement Bluetooth peut atteindre un demi-mètre ou un mètre. Il comprend la méthode RSSI et la méthode AoA. Le premier, moins précis, offre un niveau de précision de 1 à 5 mètres. Ce dernier qui est plus précis offre un niveau de précision d'un demi-mètre.

La technologie RSSI aide à réaliser le PEPS Bluetooth d'entrée
de gamme RSSI (Received Signal Strength Indication) est une technologie qui peut calculer la distance parcourue par le signal radio en fonction de son degré d'atténuation dans la plage. Le système peut donc déterminer l'emplacement avec un calcul trigonométrique.

Pendant que le signal radio se déplace, sa force s'atténuera après une certaine distance ou rencontrera divers obstacles. Une telle atténuation se produit à des degrés divers dans différentes situations. Cela a indirectement érodé le niveau de précision de l'algorithme. Pour cette raison, le RSSI ne fonctionne bien qu'à courte portée. Comme il offre toujours un déploiement peu coûteux et une faible consommation d'énergie, le RSSI est adopté pour le PEPS Bluetooth d'entrée de gamme. Une solution la plus économique ne déploie qu'une seule station de base Bluetooth à l'intérieur de la colonne A de la voiture. La solution calcule la distance entre le smartphone de l'utilisateur et la colonne A afin de juger s'il faut ouvrir ou fermer la porte. Voir figure 3.

Figure 3. Schéma PEPS Bluetooth d'entrée de gamme (station unique RSSI)

La technologie AOA pour réaliser le PEPS grand public

Une fonctionnalité appelée AoA (angle d'arrivée) introduite dans la version Bluetooth 5.1 a amélioré le niveau de précision du service de positionnement Bluetooth. Dans la solution AoA (voir figure 4), l'émetteur tel qu'un téléphone intelligent envoie périodiquement un signal spécial. Un réseau d'antennes dans la voiture est déployé pour recevoir le signal pour l'analyse de phase afin de calculer l'angle auquel l'émetteur envoie le signal. Avec le soutien d'autres méthodes et équipements d'enquête, la solution peut mieux juger de l'emplacement (distance et direction) d'un dispositif émetteur avec un niveau de précision d'environ 0,5 mètre.

Figure 4. Positionnement AOA Bluetooth

Évidemment, pour améliorer le niveau de précision du positionnement, nous avons besoin de la prise en charge de plusieurs stations de base Bluetooth dotées de l'algorithme AoA. Ainsi, dans les modèles de milieu de gamme, les constructeurs automobiles choisissent de déployer le PEPS Bluetooth multipoint, comme illustré à la figure 5, mais le nombre exact de stations de base et le modèle de disposition varient dans une certaine mesure pour différents modèles de voiture.

Figure 5．Solution PEPS Bluetooth grand public (positionnement AoA)

Les SoC les plus adoptés dans l'arène Bluetooth PEPS incluent TI CC2640, Silicon Labs EFR32BG22 et NXP KW36, etc.

Demain : UWB is Promising

Time ne cesse jamais son rythme, pas plus que l'innovation de PEPS. Avec sa sécurité accrue, sa vitesse de réponse plus rapide et sa précision de positionnement au centimètre près, la technologie UWB attire de plus en plus l'attention des équipes d'innovation produit des constructeurs automobiles. En 2019, le Car Connectivity Consortium (CCC) a répertorié l'UWB comme la technologie d'accès à la sécurité des véhicules de nouvelle génération, et l'UWB a commencé à être appliqué dans les voitures.

En juin 2020, l'IEEE a mis à jour les normes liées à l'UWB (802.15.4z) pour améliorer les fonctions de sécurité UWB (au niveau PHY/RF), ouvrant ainsi la voie à l'entrée de l'UWB sur le marché des applications grand public. En juillet 2021, l'Alliance CCC a officiellement publié la spécification CCC Digital Key 3.0, qui propose clairement la combinaison de la technologie sans fil UWB et BLE (Bluetooth) pour permettre l'entrée sans clé passive et le démarrage du moteur via des appareils mobiles compatibles.

Tableau 1. Comparaison des technologies de positionnement PEPS

Algorithmes de positionnement pour UWB

Il existe trois algorithmes de positionnement relativement matures adoptés pour les solutions UWB : TOA (heure d'arrivée, heure d'arrivée), TDOA (différence d'heure d'arrivée, différence d'heure d'arrivée) et AOA (ange d'arrivée, angle d'arrivée). . Dans le processus de mise en œuvre spécifique, un schéma de positionnement hybride qui intègre trois procédés de positionnement est généralement utilisé pour obtenir des performances de positionnement optimales.

TOA utilise une méthode de positionnement circulaire (voir Figure 6) pour réaliser le positionnement en mesurant la distance entre un terminal mobile et trois stations de base UWB ou plus. L'emplacement du terminal mobile peut être déterminé en croisant les trois cercles en un point. Cependant, en raison de l'existence de trajets multiples, de bruit et d'autres phénomènes, le multi-cercle ne peut pas se croiser ou l'intersection n'est pas un point mais une zone, donc en fait, le positionnement TOA est rarement utilisé seul.

Figure 6. Algorithme de positionnement TOA (méthode de positionnement circulaire)

Une amélioration par rapport à TOA, TDOA effectue une synchronisation précise entre les stations de base, ce qui est facile à réaliser. Aucune synchronisation temporelle entre le terminal mobile et les stations de base n'est concernée, comme le montre la figure 7. Calculez d'abord la différence de distance entre le terminal mobile et la station de base A et celle entre celle-ci et la station de base B. Le terminal mobile doit être sur une hyperbole avec la station de base A et la station de base B comme foyers. Un autre ensemble d'hyperboles peut être obtenu par les différences de distance entre le terminal mobile et la station de base A et la station de base C, et l'intersection des hyperboles est la position du terminal mobile. Dans la plage de l'espace du véhicule, l'influence des trajets multiples, du bruit, etc. peut également être réduite au moyen de la différence de distance.

Figure 7 Algorithme de positionnement TDOA

Le positionnement AOA calcule l'angle d'arrivée sur la base du principe de la différence de phase et n'a besoin que de deux stations de base pour réaliser le positionnement. En raison du problème de résolution angulaire, la précision de positionnement diminue avec l'augmentation de la distance par rapport à la station de base et est principalement utilisée pour le positionnement sur de courtes et moyennes distances.

Scénario PEPS UWB
Lorsque le propriétaire de la voiture rapproche la clé intelligente du véhicule, le nœud BLE du véhicule peut détecter le signal BLE de la clé intelligente à une distance allant jusqu'à 80 mètres. Le nœud BLE du véhicule réveille le contrôleur de domaine corporel, et le contrôleur de domaine corporel contrôle la lumière d'accueil pour qu'elle s'allume lentement, entrant ainsi dans l'état d'accueil. En même temps, le nœud UWB du véhicule est réveillé. Lorsque la distance entre la clé intelligente portée par le propriétaire de la voiture et la voiture est inférieure à 10 m, le nœud UWB du véhicule peut percevoir avec précision la position du propriétaire en temps réel grâce à des algorithmes de positionnement. A ce moment, le propriétaire peut automatiquement déverrouiller la porte et l'ouvrir simplement par une opération de traction. De plus, la voiture sera également équipée de la fonction NFC (near field communication). Dans des cas particuliers tels que la clé intelligente est hors tension, NFC peut être utilisé pour déverrouiller et démarrer le véhicule. Son architecture de mise en œuvre est illustrée à la figure 8.

Figure 8. Architecture de mise en œuvre du PEPS UWB spécifiée par CCC 3.0

Dans le domaine des puces UWB, les fabricants matures actuellement reconnus sont Apple, NXP Trimension et QORVO Decawave. Parmi leurs circuits intégrés commercialisés, seul le NXP Trimension NCJ29D5 répond aux exigences de la réglementation automobile.

Extension : Bio-Radar

L'expérience UWB PEPS pour les conducteurs est à la fois intime et sûre. Cependant, les passagers de la voiture ressentent-ils la même chose ? Habituellement oui, mais non dans certains cas particuliers. Parfois, c'est dur pour eux. Par exemple, si le conducteur descend de la voiture, les portes se verrouillent automatiquement. Un bébé ou un adorable animal de compagnie a été accidentellement laissé dans la voiture. La voiture doit-elle envoyer une alarme au conducteur ? Absolument nécessaire! Heureusement, il peut être bien traité par UWB.

En tant que technologie de communication porteuse sans fil ultra large bande, UWB utilise des impulsions étroites non sinusoïdales nanosecondes pour transmettre des données. Cette technologie permet à UWB d'obtenir des fonctions radar extraordinaires. Comparé au radar ordinaire, le radar UWB présente de nombreux avantages, tels qu'une faible consommation d'énergie, une résolution au millimètre près, une forte pénétration, une forte capacité anti-interférence, et étant adapté à la détection à courte portée, etc. UWB est particulièrement adapté à la détection de la vie comme un bio-radar.

Le bio-radar UWB peut détecter à distance des signes vitaux tels que la respiration et le rythme cardiaque d'humains ou d'animaux sans avoir à se soucier des électrodes ou des capteurs en contact avec le corps vivant. Il peut non seulement aider le système PEPS à prévenir les accidents d'enfermer des personnes ou des animaux dans la voiture, mais également détecter l'état physiologique du conducteur et émettre des rappels ou même intervenir en temps opportun lorsque le conducteur ne se sent pas bien pendant la conduite.

Figure 9. Détection de la vie avec UWB Bio-Radar

Coffre : coup de pied pour ouvrir

En plus de la détection de la vie dans le véhicule, basée sur la fonction de perception de mouvement du radar UWB, UWB a également une application intelligente de piétinement pour ouvrir le coffre. Lorsque l'identité du conducteur atteint l'arrière du véhicule, le radar UWB peut détecter avec précision l'action de piétinement, ouvrant ainsi automatiquement le coffre du véhicule.

Figure 10. UWB permet une solution Kick-to-Open

Les deux fonctions radar UWB décrites ci-dessus, y compris le bio-radar UWB et le radar à coup de pied UWB, ne nécessitent pas de matériel supplémentaire, mais ne sont mises en œuvre qu'en réutilisant le matériel UWB côté véhicule sans ajouter de coûts matériels supplémentaires. Nous pouvons également les considérer comme faisant partie de la future fonctionnalité UWB PEPS.

Service de voiturier automatisé activé par UWB

AVP (Automated Valet Parking) est la fonction de voiturier autonome. Il s'agit de la technologie de conduite autonome de niveau L4 qui offre aux utilisateurs la "liberté du dernier kilomètre". Il s'agit actuellement du scénario d'application de conduite autonome le plus prometteur pour la commercialisation, comme le montre la figure 11. Un autre énorme avantage de la mise en œuvre d'une expérience PEPS avec UWB est qu'il fournit les conditions nécessaires et suffisantes pour mettre en œuvre l'AVP sur le côté de la voiture.

Figure 11 Système de stationnement automatisé avec voiturier

La figure 12 montre un schéma de disposition de nœud UWB côté véhicule réalisable. Au total, quatre nœuds UWB PEPS sont placés au niveau des phares et des feux arrière, et un cinquième nœud UWB PEPS + AVP est placé sur le toit. Le cinquième nœud peut recevoir à la fois le signal UWB dans la voiture et le signal UWB à l'extérieur de la voiture, et est également le nœud clé pour réaliser la fonction AVP.

Figure 12 Architecture de PEPS + AVP

En mode PEPS, le cinquième nœud UWB coopère avec les quatre autres nœuds UWB pour terminer la mesure de la position de la clé intelligente et envoie les informations de télémétrie au contrôleur de domaine corporel (BCM) pour terminer le calcul de la position de la clé intelligente. clé, afin de décider du déverrouillage de suivi et des opérations de démarrage.

Lors de l'entrée en mode AVP, le cinquième nœud commence à recevoir en continu des messages de positionnement UWB annoncés par des nœuds UWB disposés dans le parking. Le nœud UWB côté véhicule envoie le message de positionnement reçu au contrôleur de domaine de conduite intelligent, afin de réaliser le calcul des coordonnées du véhicule dans le garage, puis de le transférer au module de contrôle de planification pour la réalisation des opérations AVP.

Conclusion

Au cours des vingt dernières années, PEPS a battu un chemin de croissance solide. Puisqu'il est de plus en plus populaire parmi les constructeurs automobiles, il continuera d'innover pour améliorer l'expérience des conducteurs de voitures et les normes de sécurité tandis que l'humanité se prépare à une conduite de plus en plus intelligente.