Các nhà sản xuất ô tô đã rơi vào tình trạng khan hiếm linh kiện điện tử, mặc dù xu hướng ô tô thông minh là không thể cưỡng lại. Là bằng chứng tức thời và ấn tượng nhất về sự thông minh đối với người dùng, hệ thống PEPS （Nhập cảnh bị động và Khởi động bị động） không còn là một tính năng cao cấp chỉ dành cho những chiếc xe cao cấp. Nó đã được nhiều nhà sản xuất ô tô, các thương hiệu mới nổi nói chung giới thiệu đến các mẫu xe hạng trung hoặc thậm chí tiết kiệm. Tại thị trường Trung Quốc, nơi doanh số bán xe điện tăng trưởng hơn 100% trong nửa đầu năm 2022, các nhà sản xuất ô tô điện lớn như BYD, GAC Aion, Geely, Nio, Xpeng và Li Auto về cơ bản đã trang bị PEPS cho tất cả các mẫu xe .

Trong khi ECU đó lặng lẽ gây choáng váng cho những người lái xe chúng ta, chúng ta đã bao giờ nghĩ đến việc thăm dò dấu vết chế tạo nó và viễn cảnh tương lai của nó chưa? Lên đường thôi.

PEPS cung cấp cho người lái xe trải nghiệm vào xe một cách an toàn mà không cần hoạt động mở khóa thủ công. Động cơ và hệ thống HVAC của xe có thể được khởi động từ xa trước khi người lái hoặc hành khách bước vào xe. Trong khi tất cả hành khách rời khỏi xe, PEPS sẽ tự động khóa xe. Bằng cách này, người sử dụng xe hơi được hưởng sự tiện lợi khi ra vào thụ động với sự đảm bảo về an ninh. Đó hẳn là lý do tại sao chúng tôi đặt tên cho nó bằng từ “bị động”.

Hôm qua: RKE và PKE

Hiện tại, các giải pháp PEPS chủ đạo tích hợp các công nghệ không dây như Bluetooth Low Energy (BLE), NFC, RFID (Tần số cao và Tần số thấp), v.v. Vậy, chúng hoạt động như thế nào? Sẽ thật khó để tiêu hóa nếu chúng ta kể câu chuyện vào ngày hôm nay. Vì vậy, tại sao chúng ta không quay lại ngày hôm qua？

Vào cuối những năm 1990, một số mẫu ô tô cao cấp đã sử dụng hệ thống nhập cảnh không cần chìa khóa từ xa (RKE), một sự tiến hóa so với giải pháp IMMO (bộ cố định) trước đó dựa trên RFID tần số thấp (125KHz). Là phiên bản tiền nhiệm của PEPS, RKE có chìa khóa để truyền tín hiệu UHF （tần số siêu cao） tới một bộ thu RF được kết nối với BCM (mô-đun kiểm soát thân xe) của ô tô để xác minh danh tính người dùng. Sau khi ID được xác minh, hệ thống sẽ thực hiện hành động đóng / mở cửa do BCM điều khiển. Cơ chế xác minh một chiều như thể hiện trong Hình 1 có thể được hiểu như một mật mã được thiết lập trước trong một bộ phim gián điệp. Khi một mật vụ đến thăm địa điểm họp, anh ta hoặc cô ta phải nói hoặc hiển thị một mật mã như vậy. Nếu mật mã chính xác, người đó sẽ được phép vào. Hạn chế của cơ chế này là một khi kẻ thù xâm nhập và lấy được mật mã,

Hình 1. Cơ chế làm việc của RKE

Giải pháp RKE sử dụng các dải tần số 315 MHz (ở Mỹ, Trung Quốc và Nhật Bản, v.v.), 433,92 MHz (ở châu Âu, Trung Quốc) và 868MHz (ở châu Âu）. Về điều chế tín hiệu, hầu hết các quốc gia áp dụng ASK (khóa dịch chuyển biên độ ), trong khi Nhật Bản áp dụng chế độ FSK (khóa dịch chuyển tần số). Các nhà cung cấp vi mạch như Silicon Labs, Maxim, Microchip và NXP, v.v. có các dịch vụ trong lĩnh vực này.

Vào đầu thế kỷ 21, người ta đã nâng cấp cơ chế xác minh một chiều của RKE thành cơ chế hai chiều được gọi là hệ thống PKE (mục nhập không cần khóa thụ động), trong đó việc xác minh không còn được khởi tạo bởi người giữ key fob tức là trình điều khiển, thay vào đó được khởi tạo bởi một máy phát tần số thấp kết nối với BCM. Khi cửa xe đóng và khóa, một mô-đun không dây được tích hợp trong xe sẽ liên tục phát tín hiệu tần số thấp (125KHz) để tìm kiếm người phản hồi (được tích hợp trong key fob) trong một phạm vi nhất định. Khi mô-đun tìm thấy một phản hồi, mã của nó sẽ đánh thức mô-đun sau. Nếu phần LF của mô-đun không nhận được tín hiệu phản hồi trong một thời gian dài, nó sẽ chuyển sang chế độ nghỉ để giảm mức tiêu thụ điện năng. Bất cứ khi nào người trả lời trong fob chính nhận được tín hiệu đánh thức, nó sẽ gửi ra một gói dữ liệu được mã hóa cuộn qua các tín hiệu tần số cao (tức là 433MHz). Sau khi mô-đun tích hợp giải mã và hiểu được sơ đồ, nó sẽ hướng dẫn chiếc xe thực hiện một số hoạt động nhất định. Như vậy, chúng ta có thể thấy, so với RKE, cơ chế xác minh được PKE áp dụng là cơ chế hai chiều, xem Hình 2.

Hình 2. Cơ chế làm việc của PKE

Hãy tiếp tục lấy cuộc gặp gỡ của các mật vụ trong phim điệp viên làm ví dụ. Trong cơ chế xác minh hai chiều, một mật vụ chủ nhà không đợi đồng đội của mình đến thăm, thay vào đó, anh ta hoặc cô ta đặt một số mật mã gần đó (ví dụ: đánh dấu một cột bằng một ký hiệu đặc biệt hoặc đặt một loại cây nào đó trên hiên nhà) , khi đồng đội của anh ta hoặc cô ta sẽ đến thăm mật vụ chủ nhà sau khi nhận thấy mật mã đó. Khi đồng đội gõ cửa, họ sẽ sử dụng một mật mã khác được thiết lập trước để xác minh danh tính của nhau. Đối với các điểm gặp gỡ di động, cơ chế như vậy là chủ động và an toàn hơn.

Trong khi cơ chế nhập thụ động không cần khóa của PKE thế hệ tích hợp với IMMO được đề cập ở trên, chúng tôi nhận ra trải nghiệm của việc nhập bị động và khởi động bị động. Vì vậy, vào năm 2003, một phương thức PEPS sơ khai đã ra đời.

Ngày nay: Bluetooth PEPS là dòng chính

Tuy nhiên, tốc độ số hóa chưa bao giờ ngừng lại. Trong thập kỷ sau khi chế độ PEPS ban đầu ra đời, điện thoại thông minh trở nên phổ biến rộng rãi. Ngày nay, chúng đã trở thành một công cụ tiện dụng nhất để xác minh danh tính trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Vì vậy, các nhà sản xuất ô tô đã đưa điện thoại thông minh vào kịch bản PEPS. Do đó, PEPS mà chúng ta thấy ngày nay đã ra đời.

Những tính năng nào đã được tích hợp trong giải pháp PEPS hiện đại? Về cơ bản, PEPS chính thống hiện đã kết hợp NFC và Bluetooth. Tài xế có thể đặt điện thoại NFC gần cột B của ô tô để vào. Nó giúp loại bỏ rắc rối khi mắc kẹt cả chìa khóa và điện thoại thông minh vào túi. Nhưng việc đưa Bluetooth vào PEPS mang tính cách mạng hơn. Trước hết, Bluetooth có tỷ lệ thâm nhập 100% trong điện thoại thông minh, vì vậy người dùng không phải bận tâm chọn kiểu máy nào để tương thích với PEPS. Thứ hai, tần số cao, cơ chế nhảy tần và cơ chế bảo mật được tăng cường của Bluetooth mang lại sự an toàn và đảm bảo hơn so với cơ chế trấn an UHF / LF. Hơn nữa, tính năng định vị và đa dạng của Bluetooth giúp ích rất nhiều cho việc xác định thời điểm đóng / mở cửa, giảm đáng kể khả năng bị cướp xe do bám theo người lái. Bluetooth cũng tạo sự thuận tiện cho chủ sở hữu sử dụng Ứng dụng để cho phép người khác truy cập hoặc sử dụng xe, giúp cho việc chia sẻ xe từ xa giữa các thành viên trong gia đình và bạn bè có thể thực hiện được. Cơ chế như vậy cũng giúp các dịch vụ cho thuê xe hơi và dịch vụ chia sẻ xe tự lái phát triển rộng rãi.

Mức độ chính xác của phạm vi và định vị Bluetooth có thể đạt đến nửa mét hoặc một mét. Nó bao gồm phương pháp RSSI và phương pháp AoA. Loại trước đây kém chính xác hơn cung cấp cấp độ chính xác từ 1 ~ 5 mét. Loại thứ hai chính xác hơn cung cấp mức độ chính xác là nửa mét.

Công nghệ RSSI giúp nhận ra mức độ đầu vào Bluetooth PEPS
RSSI (Chỉ báo cường độ tín hiệu đã nhận) là công nghệ có thể tính toán khoảng cách mà tín hiệu vô tuyến truyền đi theo mức độ suy giảm của nó trong phạm vi. Do đó, hệ thống có thể tìm ra vị trí bằng phép tính lượng giác.

Trong khi tín hiệu vô tuyến truyền đi, cường độ của nó sẽ suy giảm sau một khoảng cách nhất định hoặc gặp phải nhiều rào cản khác nhau. Sự suy giảm như vậy xảy ra ở mức độ khác nhau trong các tình huống khác nhau. Nó gián tiếp làm xói mòn mức độ chính xác của thuật toán. Vì lý do đó, RSSI chỉ hoạt động tốt trong phạm vi ngắn. Vì nó vẫn có tính năng triển khai không tốn kém và tiêu thụ điện năng thấp, RSSI được chấp nhận cho Bluetooth PEPS cấp nhập cảnh. Một giải pháp rẻ tiền nhất chỉ triển khai một trạm gốc Bluetooth bên trong cột A của ô tô. Giải pháp tính toán khoảng cách giữa điện thoại thông minh của người dùng và cột A để đánh giá xem có nên mở hay đóng cửa hay không. Xem hình 3.

Hình 3. Sơ đồ PEPS Bluetooth ở mức đầu vào (Trạm đơn RSSI)

AOA Technology to Realize Mainstream PEPS

Một tính năng được gọi là AoA (Góc đến) được giới thiệu trong bản phát hành Bluetooth 5.1 đã cải thiện mức độ chính xác của dịch vụ định vị Bluetooth. Trong giải pháp AoA (xem hình 4), thiết bị phát như điện thoại thông minh định kỳ gửi tín hiệu đặc biệt. Một mảng ăng-ten trong xe được triển khai để nhận tín hiệu phân tích pha để tính toán góc mà máy phát phát ra tín hiệu. Với sự hỗ trợ của các phương pháp và thiết bị khảo sát khác, giải pháp có thể đánh giá tốt hơn vị trí (khoảng cách và hướng) của thiết bị phát với cấp chính xác khoảng 0,5 mét.

Hình 4. Định vị Bluetooth AOA

Rõ ràng, để cải thiện mức độ chính xác của định vị, chúng tôi cần hỗ trợ của nhiều trạm gốc Bluetooth có thuật toán AoA. Vì vậy, ở các mẫu xe hạng trung, các nhà sản xuất ô tô chọn triển khai Bluetooth PEPS đa điểm như minh họa trong Hình 5, số lượng chính xác các trạm gốc và mô hình bố trí khác nhau ở một mức độ nào đó đối với các mẫu ô tô khác nhau.

Hình 5．Giải pháp PEPS Bluetooth chính thống (Định vị AoA)

Hầu hết các SoC được thông qua trong lĩnh vực Bluetooth PEPS bao gồm TI CC2640, Silicon Labs EFR32BG22 và NXP KW36, v.v.

Ngày mai: UWB là

Thời gian đầy hứa hẹn không bao giờ ngừng phát triển, cũng như sự đổi mới của PEPS. Với độ an toàn cao hơn, tốc độ phản hồi nhanh hơn và độ chính xác định vị đến từng centimet, công nghệ UWB ngày càng thu hút sự chú ý của các nhóm đổi mới sản phẩm của các nhà sản xuất xe hơi. Vào năm 2019, Car Connectivity Consortium (CCC) đã liệt kê UWB là công nghệ truy cập bảo mật phương tiện thế hệ tiếp theo và UWB bắt đầu được áp dụng trên ô tô.

Vào tháng 6 năm 2020, IEEE đã cập nhật các tiêu chuẩn liên quan đến UWB (802.15.4z) để tăng cường các chức năng bảo mật của UWB (ở mức PHY / RF), mở đường hơn nữa cho UWB gia nhập thị trường ứng dụng chính thống. Vào tháng 7 năm 2021, Liên minh CCC chính thức phát hành thông số kỹ thuật CCC Digital Key 3.0, trong đó đề xuất rõ ràng sự kết hợp của công nghệ không dây UWB và BLE (Bluetooth) để cho phép truy cập thụ động không cần chìa khóa và khởi động động cơ thông qua các thiết bị di động tương thích.

Bảng 1. So sánh các công nghệ định vị PEPS

Các thuật toán định vị cho UWB

Có ba thuật toán định vị tương đối hoàn thiện được áp dụng cho các giải pháp UWB: TOA (Thời gian đến, thời gian đến), TDOA (Chênh lệch thời gian đến, chênh lệch thời gian đến) và AOA (Thiên thần đến, góc đến) . Trong quá trình thực hiện cụ thể, một sơ đồ định vị kết hợp tích hợp ba phương pháp định vị thường được sử dụng để đạt được hiệu suất định vị tối ưu.

TOA sử dụng phương pháp định vị vòng tròn (xem Hình 6) để đạt được định vị bằng cách đo khoảng cách giữa thiết bị đầu cuối di động và ba hoặc nhiều trạm gốc UWB. Vị trí của thiết bị đầu cuối di động có thể được xác định bằng cách giao ba vòng tròn tại một điểm. Tuy nhiên, do sự tồn tại của đa đường, nhiễu và các hiện tượng khác, đa đường tròn không thể cắt nhau hoặc giao điểm không phải là một điểm mà là một khu vực, nên trên thực tế, định vị TOA ít được sử dụng một mình.

Hình 6. Thuật toán Định vị TOA (Phương pháp Định vị Hình tròn)

Một cải tiến so với TOA, TDOA tiến hành đồng bộ hóa chính xác giữa các trạm gốc, điều này rất dễ nhận ra. Không liên quan đến đồng bộ hóa thời gian giữa thiết bị đầu cuối di động và các trạm gốc, như thể hiện trong Hình 7. Đầu tiên hãy tính toán chênh lệch khoảng cách giữa thiết bị đầu cuối di động và trạm gốc A và một giữa nó và trạm gốc B. Thiết bị đầu cuối di động phải nằm trên một hyperbol với trạm gốc A và trạm gốc B làm tiêu điểm. Một tập hợp các hypebol khác có thể thu được bằng sự chênh lệch khoảng cách giữa thiết bị đầu cuối di động và trạm gốc A và trạm cơ sở C, và giao điểm của các hypebol là vị trí của thiết bị đầu cuối di động. Trong phạm vi không gian của xe, ảnh hưởng của đa đường, tiếng ồn, v.v. cũng có thể được giảm thiểu bằng cách chênh lệch khoảng cách.

Hình 7 Thuật toán định vị TDOA

Định vị AOA tính toán góc tới dựa trên nguyên tắc lệch pha, và chỉ cần hai trạm gốc để đạt được định vị. Do vấn đề về độ phân giải góc, độ chính xác định vị giảm khi khoảng cách từ trạm gốc tăng lên, và chủ yếu được sử dụng để định vị trong khoảng cách ngắn và trung bình.

Kịch bản UWB PEPS
Khi chủ xe đưa chìa khóa thông minh lại gần xe, nút BLE của xe có thể phát hiện ra tín hiệu BLE của chìa khóa thông minh ở khoảng cách lên đến 80 mét. Nút BLE trên xe đánh thức bộ điều khiển vùng thân và bộ điều khiển vùng thân điều khiển đèn chào mừng bật từ từ, do đó sẽ chuyển sang trạng thái chào mừng. Đồng thời, nút UWB của xe được đánh thức. Khi khoảng cách giữa chìa khóa thông minh mà chủ xe mang theo và xe nhỏ hơn 10m, nút UWB trên xe có thể nhận biết chính xác vị trí của chủ xe trong thời gian thực bằng các thuật toán định vị. Lúc này, chủ nhân có thể tự động mở khóa cửa và mở một cách đơn giản chỉ bằng một thao tác kéo. Ngoài ra, xe cũng sẽ được trang bị chức năng NFC (giao tiếp trường gần). Trong những trường hợp đặc biệt như chìa khóa thông minh bị mất điện, NFC có thể được sử dụng để mở khóa và khởi động xe. Kiến trúc triển khai của nó được thể hiện trong Hình 8.

Hình 8. Kiến trúc triển khai của UWB PEPS do CCC 3.0 chỉ định

Trong lĩnh vực chip UWB, các nhà sản xuất trưởng thành được công nhận hiện nay là Apple, NXP Trimension và QORVO Decawave. Trong số các IC được phát hành của họ, chỉ có NXP Trimension NCJ29D5 đáp ứng các yêu cầu của quy định về xe.

Phần mở rộng: Bio-Radar

Trải nghiệm của UWB PEPS cho người lái xe vừa thân mật vừa an toàn. Tuy nhiên, những hành khách trên xe có cảm thấy như vậy không? Thường là có, nhưng không trong một số trường hợp đặc biệt. Đôi khi điều đó thật khắc nghiệt đối với họ. Ví dụ, nếu người lái xe ra khỏi xe, cửa sẽ tự động khóa lại. Một em bé hoặc một con vật cưng ngọt ngào đã vô tình bị bỏ lại trên xe. Xe có nên gửi báo động cho người lái xe không? Hoàn toàn cần thiết! May mắn thay, nó có thể được giải quyết tốt bởi UWB.

Là công nghệ truyền thông sóng mang không dây băng thông cực rộng, UWB sử dụng các xung hẹp không hình sin nano giây để truyền dữ liệu. Công nghệ này cho phép UWB đạt được các chức năng đặc biệt của radar. So với radar thông thường, radar UWB có nhiều ưu điểm như tiêu thụ điện năng thấp, độ phân giải từng milimet, khả năng xuyên phá mạnh, khả năng chống nhiễu mạnh và thích hợp để phát hiện trong phạm vi ngắn, v.v. UWB đặc biệt thích hợp để phát hiện sự sống như một radar sinh học.

Radar sinh học UWB có thể phát hiện từ xa các dấu hiệu quan trọng như nhịp thở và nhịp tim của con người hoặc động vật mà không gặp rắc rối với bất kỳ điện cực hoặc cảm biến nào tiếp xúc với cơ thể sống. Nó không chỉ có thể giúp hệ thống PEPS ngăn ngừa tai nạn nhốt người hoặc động vật trong xe, mà còn phát hiện trạng thái sinh lý của người lái xe, đưa ra lời nhắc hoặc thậm chí can thiệp kịp thời khi người lái xe không khỏe.

Hình 9. Phát hiện sự sống với UWB Bio-Radar

Thân cây: Kick-to-Open

Ngoài khả năng phát hiện sự sống trong xe, dựa trên tính năng nhận biết chuyển động của radar UWB, UWB còn có một ứng dụng thông minh là dậm chân để mở cốp. Khi danh tính người lái đến đuôi xe, radar UWB có thể phát hiện chính xác hành động dậm chân, từ đó tự động mở cốp xe.

Hình 10. UWB cho phép giải pháp Kick-to-Open

Hai chức năng của radar UWB được mô tả ở trên, bao gồm radar sinh học UWB và radar đá UWB, không yêu cầu phần cứng bổ sung mà chỉ được thực hiện bằng cách tái sử dụng phần cứng UWB phía xe mà không cần thêm chi phí phần cứng bổ sung. Chúng tôi cũng có thể coi chúng là một phần của chức năng UWB PEPS trong tương lai.

Dịch vụ đỗ xe tự động được kích hoạt bởi UWB

AVP (Automated Valet Parking) là chức năng đỗ xe tự động. Nó được biết đến như là công nghệ lái xe tự động cấp độ L4 cung cấp cho người dùng "sự tự do trong quãng đường cuối cùng". Đây hiện là kịch bản ứng dụng lái xe tự hành hứa hẹn nhất để thương mại hóa, như trong Hình 11. Một lợi ích to lớn khác của việc triển khai trải nghiệm PEPS với UWB là nó cung cấp các điều kiện cần và đủ để triển khai AVP bên hông xe.

Hình 11 Hệ thống đỗ xe có người phục vụ tự động

Hình 12 cho thấy một sơ đồ bố trí nút UWB cuối xe khả thi. Tổng cộng có bốn nút UWB PEPS được đặt ở đèn pha và đèn hậu, và nút UWB PEPS + AVP thứ năm được đặt trên nóc xe. Nút thứ năm có thể nhận cả tín hiệu UWB trong xe và tín hiệu UWB bên ngoài xe, đồng thời cũng là nút quan trọng để thực hiện chức năng AVP.

Hình 12 Kiến trúc của PEPS + AVP

Trong chế độ PEPS, nút UWB thứ năm hợp tác với bốn nút UWB khác để hoàn thành việc đo vị trí của chìa khóa thông minh và gửi thông tin khác nhau đến bộ điều khiển miền cơ thể (BCM) để hoàn thành việc tính toán vị trí của chìa khóa thông minh. để quyết định việc mở khóa và bắt đầu các thao tác tiếp theo.

Khi vào chế độ AVP, nút thứ năm bắt đầu liên tục nhận các thông báo định vị UWB được quảng cáo bởi các nút UWB được bố trí trong bãi đậu xe. Nút UWB cuối xe sẽ gửi thông điệp định vị đã nhận đến bộ điều khiển miền lái xe thông minh, để nhận ra tính toán tọa độ của xe trong ga ra, sau đó chuyển nó đến mô-đun điều khiển lập kế hoạch để thực hiện các hoạt động AVP.

Kết luận

Trong hai mươi năm qua, PEPS đã đánh bại một con đường tăng trưởng vững chắc. Vì nó ngày càng phổ biến trong các nhà sản xuất ô tô, nó sẽ tiếp tục mở ra nhiều đổi mới hơn nữa để cải thiện trải nghiệm của người lái ô tô và tiêu chuẩn an ninh trong khi nhân loại đang ngày càng phát triển khả năng lái xe thông minh hơn.