자동차 제조업체는 전자 부품 부족의 위기에 빠졌지만 지능형 자동차의 추세는 거스를 수 없습니다. 사용자에게 가장 즉각적이고 인상적인 현명함의 증거인 PEPS (Passive Entry and Passive Start) 시스템은 더 이상 하이엔드 자동차 전용의 유명한 기능이 아닙니다. 많은 자동차 제조업체, 특히 신흥 브랜드에서 중형 또는 심지어 경제적인 모델에 도입되었습니다. 2022년 상반기 전기차 판매가 100% 이상 성장하는 중국 시장에서 BYD, GAC Aion, Geely, Nio, Xpeng, Li Auto 등 주요 전기차 제조사들은 기본적으로 모든 모델에 PEPS 를 탑재했다 .

그 ECU가 우리 운전자들을 조용히 놀라게 하는 동안, 우리는 그 제작의 흔적과 미래의 전망을 조사할 생각을 해본 적이 있습니까? 길을 가자.

PEPS는 운전자에게 수동으로 잠금 해제 활동 없이 안전하게 차에 들어가는 경험을 제공합니다. 자동차의 엔진 및 HVAC 시스템은 운전자나 승객이 차에 탑승하기 전에 원격으로 시동할 수 있습니다. 모든 승객이 차에서 내리는 동안 PEPS는 자동으로 차를 잠급니다. 이러한 방식으로 자동차 사용자는 보안이 보장된 수동 진입의 편리함을 누리게 됩니다. 그래서 우리는 그것을 "수동적"이라는 단어로 명명해야 합니다.

어제: RKE 및 PKE

현재 주류 PEPS 솔루션은 BLE(Bluetooth Low Energy), NFC, RFID(고주파 및 저주파) 등과 같은 무선 기술을 통합합니다. 음, 어떻게 작동합니까? 오늘의 이야기를 하자면 소화하기 어려울 것이다. 그럼 어제로 돌아가보는 건 어떨까요?

1990년대 말 일부 고급형 자동차 모델은 저주파 RFID(125KHz)를 기반으로 하는 이전 IMMO(이모빌라이저) 솔루션보다 진화한 RKE(Remote Keyless Entry) 시스템을 단계적으로 도입했습니다. PEPS의 전신인 RKE는 UHF(초고주파) 신호를 차량의 BCM(Body Control Module)과 연결된 RF 수신기로 전송하여 사용자 신원을 확인하는 열쇠 고리를 가지고 있습니다. ID가 확인되면 시스템은 BCM에 의해 구동되는 문 열기/닫기 작업을 실행합니다. 그림 1과 같은 단방향 검증 메커니즘은 첩보 영화에서 미리 설정된 암호로 해석할 수 있다. 방문 비밀 요원이 회의장에 오면 그러한 암호를 말하거나 보여주어야 합니다. 암호가 맞으면 들어갈 수 있습니다. 이 메커니즘의 단점은 적이 침투하여 암호를 얻은 후

그림 1. RKE의 작동 메커니즘

RKE 솔루션은 315MHz(미국, 중국, 일본 등), 433.92MHz(유럽, 중국) 및 868MHz(유럽)의 주파수 대역을 채택하고 있으며, 신호 변조 측면에서 대부분의 국가에서 ASK(진폭 편이 변조) 방식을 채택하고 있습니다. ) 모드인 반면 일본은 FSK(주파수 편이 방식) 모드를 채택하고 있으며 Silicon Labs, Maxim, Microchip 및 NXP 등과 같은 IC 공급업체가 이 분야에서 제품을 제공하고 있습니다.

21세기 초에 사람들은 RKE의 단방향 확인 메커니즘을 PKE(passive keyless entry) 시스템이라는 양방향 메커니즘으로 업그레이드했습니다. BCM에 연결된 저주파 송신기에 의해 시작됩니다. 자동차의 문이 닫히고 잠기면 자동차에 내장된 무선 모듈이 일정 범위 내에서 응답기(열쇠고리에 내장)를 찾아 지속적으로 저주파(125KHz) 신호를 브로드캐스트합니다. 모듈이 응답자를 찾으면 해당 코드는 응답기를 깨울 것입니다. 모듈의 LF 부분이 오랫동안 피드백 신호를 수신하지 않으면 절전 모드로 전환되어 전력 소비를 줄입니다. 열쇠 고리에 있는 응답자가 기상 신호를 수신할 때마다, 그것은 고주파(즉, 433MHz) 신호를 통해 롤링 인코딩된 데이터그램을 보낼 것입니다. 내장 모듈이 데이터그램을 해독하고 이해한 후, 차량에 특정 작업을 실행하도록 지시합니다. 따라서 RKE와 비교하여 PKE가 채택한 검증 메커니즘이 양방향 메커니즘임을 알 수 있습니다(그림 2 참조).

그림 2. PKE의 작동 메커니즘

계속해서 첩보영화 속 비밀요원들의 만남을 예로 들어보자. 양방향 검증 메커니즘에서 호스트 비밀 요원은 동료가 방문하기를 기다리지 않고 근처에 암호를 넣습니다(예: 열에 특수 기호를 표시하거나 특정 식물을 베란다에 놓기). , 그 또는 그녀의 동료가 그 암호를 알아차리고 호스트 비밀 요원을 방문할 때. 동지가 문을 두드리면 서로의 신원을 확인하기 위해 미리 설정된 다른 암호를 사용합니다. 이동성 회의 지점의 경우 이러한 메커니즘은 사전 예방적이며 더 안전합니다.

PKE 세대의 수동 키리스 진입 메커니즘이 위에서 언급한 IMMO와 통합되는 동안 우리는 수동 진입 및 수동 시작의 경험을 실현합니다. 따라서 2003년에는 PEPS의 초기 모드가 무대에 올랐습니다.

오늘날: Bluetooth PEPS가 주류이지만

디지털화의 속도는 결코 멈추지 않습니다. PEPS의 초기 모드가 도래한 후 10년 동안 스마트폰이 널리 채택되었습니다. 요즘은 일상 생활에서 가장 편리한 본인 확인 도구가 되었습니다. 그래서 자동차 제조사들은 PEPS 시나리오에 스마트폰을 도입했습니다. 그래서 오늘날 우리가 보는 PEPS가 탄생하게 된 것입니다.

현대 PEPS 솔루션에 어떤 기능이 통합되었습니까? 기본적으로 주류 PEPS는 이제 NFC와 Bluetooth를 통합했습니다. 운전자는 진입하려는 차량의 B열 가까이에 NFC 전화기를 놓을 수 있습니다. 열쇠고리와 스마트폰을 주머니에 넣어야 하는 번거로움을 없앴습니다. 그러나 PEPS에 Bluetooth를 도입하는 것은 더 혁신적입니다. 우선 블루투스는 스마트폰에서 100% 보급률을 자랑하기 때문에 사용자는 PEPS의 호환성을 위해 어떤 모델을 선택해야 할지 고민할 필요가 없다. 둘째, 고주파, 주파수 호핑 메커니즘 및 Bluetooth의 강화된 보안 메커니즘은 UHF/LF 안심 메커니즘에 비해 더 많은 안전성과 보증을 제공합니다. 또한 블루투스의 레인징 및 포지셔닝 기능은 도어 개폐 타이밍에 많은 도움이 되며, 운전자를 따라 차량을 납치할 가능성을 크게 줄입니다. 또한 블루투스는 소유자가 앱을 사용하여 다른 사람이 자동차에 액세스하거나 사용하도록 승인하는 것을 편리하게 하여 가족 및 친구 간의 원격 자동차 공유를 가능하게 합니다. 이러한 메커니즘은 자동차 렌탈 서비스 및 대규모 자율 주행 카셰어링 서비스에도 도움이 됩니다.

Bluetooth 범위 및 위치 지정의 정밀도 수준은 0.5미터 또는 1미터에 도달할 수 있습니다. RSSI 방식과 AoA 방식으로 구성됩니다. 덜 정확한 전자는 1~5미터의 정밀도 수준을 제공합니다. 더 정확한 후자는 0.5미터의 정밀도 수준을 제공합니다.

RSSI 기술로 보급형 Bluetooth 실현 PEPS
RSSI(수신 신호 강도 표시)는 해당 범위의 감쇠 정도에 따라 무선 신호가 이동하는 거리를 계산할 수 있는 기술입니다. 따라서 시스템은 삼각 계산으로 위치를 계산할 수 있습니다.

무선 신호가 이동하는 동안 특정 거리를 지나거나 다양한 장벽에 부딪치면 그 강도가 약해집니다. 이러한 감쇠는 상황에 따라 다른 정도로 발생합니다. 알고리즘의 정밀도 수준을 간접적으로 침식했습니다. 이러한 이유로 RSSI는 단거리에서만 잘 작동합니다. 여전히 저렴한 배포와 낮은 전력 소비를 특징으로 하므로 RSSI는 보급형 Bluetooth PEPS에 채택됩니다. 가장 저렴한 솔루션은 차량의 A열 내부에 하나의 Bluetooth 기지국만 배치합니다. 솔루션은 사용자의 스마트폰과 A열 사이의 거리를 계산해 문을 열지 닫을지 판단한다. 그림 3을 참조하십시오.

그림 3. 보급형 Bluetooth PEPS 체계(RSSI 단일 스테이션)

주류 PEPS 구현을 위한 AOA 기술

Bluetooth 5.1 릴리스에서 도입된 AoA(Angle of Arrival)라는 기능은 Bluetooth 측위 서비스의 정밀도 수준을 향상시켰습니다. AoA 솔루션(그림 4 참조)에서는 스마트폰과 같은 송신기가 주기적으로 특수 신호를 보냅니다. 차량의 안테나 어레이는 송신기가 신호를 보내는 각도를 계산하기 위해 위상 분석을 위한 신호를 수신하도록 배치됩니다. 다른 측량 방법 및 장비의 지원으로 솔루션은 약 0.5미터의 정밀도 수준으로 송신기 장치의 위치(거리 및 방향)를 더 잘 판단할 수 있습니다.

그림 4. 블루투스 AOA 포지셔닝

분명히 포지셔닝의 정밀도 수준을 개선하려면 AoA 알고리즘을 특징으로 하는 여러 Bluetooth 기지국을 지원해야 합니다. 따라서 중간 계층 모델에서 자동차 제조업체는 그림 5와 같이 다중 지점 Bluetooth PEPS를 배포하기로 선택하지만 정확한 기지국 수와 레이아웃 패턴은 자동차 모델마다 다소 다릅니다.

그림 5．주류 블루투스 PEPS 솔루션(AoA 포지셔닝)

Bluetooth PEPS 분야에서 가장 많이 채택된 SoC에는 TI CC2640, Silicon Labs EFR32BG22 및 NXP KW36 등이 있습니다.

내일: UWB is Promising

Time은 그 속도를 멈추지 않으며 PEPS의 혁신도 멈추지 않습니다. 더 높은 안전성, 더 빠른 응답 속도 및 센티미터 수준의 위치 정확도로 UWB 기술은 자동차 제조업체의 제품 혁신 팀의 관심을 점점 더 끌고 있습니다. 2019년 CCC(Car Connectivity Consortium)는 UWB를 차세대 차량 보안 접근 기술로 등재했으며 UWB는 자동차에 적용되기 시작했다.

2020년 6월 IEEE는 UWB 보안 기능(PHY/RF 수준)을 향상시키기 위해 UWB 관련 표준(802.15.4z)을 업데이트하여 UWB가 주류 애플리케이션 시장에 진입할 수 있는 길을 더욱 열었습니다. 2021년 7월 CCC Alliance는 UWB와 BLE(Bluetooth) 무선 기술의 조합을 명확하게 제안하는 CCC Digital Key 3.0 사양을 공식 발표했습니다.

표 1. PEPS 포지셔닝 기술 비교

UWB를 위한 포지셔닝 알고리즘

UWB 솔루션에 채택된 비교적 성숙한 포지셔닝 알고리즘에는 TOA(도착 시간, 도착 시간), TDOA(도착 시간 차이, 도착 시간 차이) 및 AOA(도착 천사, 도착 각도)가 있습니다. . 특정 구현 프로세스에서 일반적으로 3가지 측위 방법을 통합한 하이브리드 측위 방식을 사용하여 최적의 측위 성능을 달성합니다.

TOA는 원형 측위 방법(그림 6 참조)을 사용하여 이동 단말기와 3개 이상의 UWB 기지국 사이의 거리를 측정하여 측위를 달성합니다. 세 개의 원을 한 지점에서 교차시켜 이동 단말기의 위치를 ​​결정할 수 있습니다. 그러나 다중경로, 잡음 등의 현상이 존재하기 때문에 다중원이 교차할 수 없거나 교차점이 점이 아니라 영역이기 때문에 실제로 TOA 측위는 단독으로 사용되는 경우는 거의 없다.

그림 6. TOA 측위 알고리즘(원형 측위 방식)

TOA에 비해 개선된 TDOA는 기지국 간에 정확한 동기화를 수행하므로 구현하기 쉽습니다. 그림 7과 같이 이동 단말기와 기지국 간의 시간 동기화는 관련되지 않습니다. 먼저 이동 단말기와 기지국 A 사이의 거리 차이와 기지국 B와 이동 단말기 간의 거리 차이를 계산합니다. 이동 단말기는 쌍곡선 위에 있어야 합니다. 기지국 A와 기지국 B를 초점으로 합니다. 또 다른 쌍곡선 집합은 이동 단말기와 기지국 A와 기지국 C 사이의 거리 차이로 얻을 수 있으며 쌍곡선의 교점은 이동 단말기의 위치이다. 차량 공간의 범위에서 다중 경로, 소음 등의 영향도 거리 차이를 통해 줄일 수 있습니다.

그림 7 TDOA 포지셔닝 알고리즘

AOA 측위는 위상차의 원리에 따라 도달각을 계산하며 측위를 달성하기 위해 두 개의 기지국만 있으면 됩니다. 각도 분해능의 문제로 인해 기지국과의 거리가 멀어질수록 측위 정확도가 떨어지며, 주로 근거리 및 중거리 측위를 위해 사용된다.

UWB PEPS 시나리오
차량 소유자가 스마트 키를 차량에 가까이 가져가면 차량 BLE 노드는 최대 80m 거리에서 스마트 키의 BLE 신호를 감지할 수 있습니다. 차량 BLE 노드는 본체 도메인 컨트롤러를 깨우고 본체 도메인 컨트롤러는 환영 표시등이 천천히 켜지도록 제어하여 환영 상태로 진입합니다. 동시에 차량 UWB 노드가 깨어납니다. 자동차 소유자가 휴대한 스마트 키와 자동차 사이의 거리가 10m 미만인 경우 차량 UWB 노드는 위치 확인 알고리즘을 통해 실시간으로 소유자의 위치를 ​​정확하게 인식할 수 있습니다. 이때, 소유자는 자동으로 도어의 잠금을 해제하고 당기는 동작으로 간단히 열 수 있습니다. 또한 NFC(근거리 무선통신) 기능도 탑재될 예정이다. 스마트키의 전원이 꺼지는 등 특별한 경우에는 NFC를 사용하여 차량의 잠금을 해제하고 시동할 수 있습니다. 구현 아키텍처는 그림 8에 나와 있습니다.

그림 8. CCC 3.0에서 지정한 UWB PEPS의 구현 아키텍처

UWB 칩 분야에서 현재 인정받는 성숙한 제조업체는 Apple, NXP Trimension 및 QORVO Decawave입니다. 출시된 IC 중 NXP Trimension NCJ29D5만 차량 규정 요구 사항을 충족합니다.

확장: 바이오 레이더

운전자를 위한 UWB PEPS의 경험은 친밀하고 안전합니다. 하지만 차에 탄 승객들도 같은 마음일까? 일반적으로 예, 그러나 일부 특별한 경우에는 아니오입니다. 때로는 그들에게 가혹합니다. 예를 들어 운전자가 차에서 내리면 문이 자동으로 잠깁니다. 아기나 귀여운 애완동물이 실수로 차에 남겨졌습니다. 자동차가 운전자에게 경보를 보내야 합니까? 꼭 필요한! 다행히도 UWB에서 잘 해결할 수 있습니다.

초광대역 무선 캐리어 통신 기술인 UWB는 나노초의 비정현파 좁은 펄스를 사용하여 데이터를 전송합니다. 이 기술을 통해 UWB는 탁월한 레이더 기능을 달성할 수 있습니다. UWB 레이더는 일반 레이더와 비교하여 저전력 소비, 밀리미터 수준의 분해능, 강력한 침투력, 강력한 간섭 방지 기능 및 단거리 탐지에 적합한 등 많은 장점이 있습니다. UWB는 특히 생명 탐지에 적합합니다. 바이오 레이더.

UWB 바이오 레이더는 생체에 접촉하는 전극이나 센서의 번거로움 없이 사람이나 동물의 호흡, 심장 박동과 같은 생체 신호를 원격으로 감지할 수 있습니다. PEPS 시스템이 사람이나 동물을 차에 가두는 사고를 방지할 뿐만 아니라 운전자의 생리적 상태를 감지하고 운전자가 승차 중 몸이 좋지 않을 때 알림을 보내거나 적시에 개입할 수 있습니다.

그림 9. UWB Bio-Radar로 생명 감지

트렁크: 킥투오픈

UWB 레이더의 동작 인식 기능을 기반으로 하는 차량 내 수명 감지 외에도 UWB는 트렁크를 열기 위해 쿵쿵 거리는 영리한 응용 프로그램을 가지고 있습니다. 운전자의 신원이 차량 후방에 도달하면 UWB 레이더가 쿵쿵거리는 동작을 정확하게 감지하여 자동으로 차량 트렁크를 엽니다.

그림 10. UWB를 통한 Kick-to-Open 솔루션

UWB 바이오 레이더와 UWB 킥 레이더를 포함하여 위에서 설명한 두 가지 UWB 레이더 기능은 추가 하드웨어가 필요하지 않으며 추가 하드웨어 비용을 추가하지 않고 차량 측 UWB 하드웨어를 재사용함으로써만 구현됩니다. 미래의 UWB PEPS 기능의 일부로 고려할 수도 있습니다.

UWB 지원 자동 발렛 파킹

AVP(Automated Valet Parking)는 자동 발렛 주차 기능입니다. 사용자에게 "라스트 마일 자유"를 제공하는 L4 수준의 자율 주행 기술로 알려져 있습니다. 그림 11과 같이 현재 상용화를 위한 가장 유망한 자율 주행 응용 프로그램 시나리오입니다. UWB로 PEPS 경험을 구현하는 또 다른 큰 이점은 자동차 측면에서 AVP를 구현하는 데 필요하고 충분한 조건을 제공한다는 것입니다.

그림 11 자동 주차 대행 시스템

그림 12는 실현 가능한 차량 종단 UWB 노드 레이아웃 방식을 보여줍니다. 총 4개의 UWB PEPS 노드가 헤드라이트와 테일라이트에 배치되고 다섯 번째 UWB PEPS+AVP 노드가 루프에 배치됩니다. 다섯 번째 노드는 차량 내부의 UWB 신호와 차량 외부의 UWB 신호를 모두 수신할 수 있으며 AVP 기능을 구현하는 핵심 노드이기도 합니다.

그림 12 PEPS + AVP의 아키텍처

PEPS 모드에서 다섯 번째 UWB 노드는 다른 4개의 UWB 노드와 협력하여 스마트 키의 위치 측정을 완료하고 레인징 정보를 BCM(Body Domain Controller)에 전송하여 스마트 키의 위치 계산을 완료합니다. 키를 눌러 후속 잠금 해제를 결정하고 작업을 시작합니다.

AVP 모드에 진입하면 다섯 번째 노드는 주차장에 배치된 UWB 노드가 알리는 UWB 측위 메시지를 지속적으로 수신하기 시작합니다. 차량 측 UWB 노드는 수신된 위치 메시지를 지능형 운전 도메인 컨트롤러에 전송하여 차고에서 차량의 좌표 계산을 실현한 다음 AVP 작동을 실현하기 위해 계획 제어 모듈로 전송합니다.

결론

지난 20년 동안 PEPS는 견실한 성장의 길을 이겼습니다. 자동차 제조업체들 사이에서 점점 더 인기를 얻고 있기 때문에 인류가 점점 더 지능적인 운전에 대비하는 동안 자동차 라이더의 경험과 보안 표준을 개선하기 위해 더 많은 혁신을 계속 안내할 것입니다.