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技術(shù)演變正在進(jìn)行:V2X架構(gòu)

發(fā)布時間:2023-04-06 來源:Qorvo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】3GPP 計(jì)劃在 V2X 中使用 5G 技術(shù)以及汽車級別的射頻前端模塊(FEM),相比于當(dāng)前專用短距離通信或其他 C-V2X 協(xié)議,該技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。


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新興車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(如 V2X)需要滿足延遲、數(shù)據(jù)速率、可靠性和通信范圍方面嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 要求。在開發(fā)自動駕駛汽車過程中,通常會使用以下三種傳感器技術(shù):攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)。然而,現(xiàn)有的另一種無線技術(shù),即車對萬物 (V2X),可大大提高自動駕駛汽車的價(jià)值。V2X 是指各種交通運(yùn)輸相關(guān)傳感器之間進(jìn)行的高帶寬、低延遲可靠通信。5G 移動網(wǎng)絡(luò)將提供適合車對車 (V2V) 以及車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 通信的連接。汽車前端模塊 (FEM) 將成為實(shí)現(xiàn)新一代技術(shù)的重要解決方案,并將推動基于蜂窩技術(shù)的 V2X 方案的整體成功部署。


接下來,我們將討論 3GPP 計(jì)劃如何在 V2X 應(yīng)用中使用 5G 技術(shù),較當(dāng)前專用短距離通信 (DSRC) 或其他蜂窩 V2X (C-V2X) 協(xié)議,該技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。


技術(shù)演變即將到來


從通信技術(shù)角度來看,未來智能交通系統(tǒng) (ITS) 服務(wù)將得到廣泛應(yīng)用。如此以來,自動駕駛會最終實(shí)現(xiàn),并要求通過先進(jìn)的通信技術(shù)(如 5G V2X)在車輛內(nèi)實(shí)現(xiàn)高互聯(lián)度。經(jīng)過學(xué)術(shù)界和業(yè)界多年的研究,推動 5G 發(fā)展的成熟技術(shù)落地后,3GPP 開始起草 5G V2X 標(biāo)準(zhǔn),從版本 16 開始實(shí)施。


首先,讓我們來了解一下 V2X 的定義。車對萬物技術(shù)是一種雙向通信技術(shù),可實(shí)現(xiàn)汽車、電動汽車以及周圍可能會對其產(chǎn)生影響的任何實(shí)體之間的信息傳輸。由于 V2X 應(yīng)用能夠緩解交通擁堵,減少環(huán)境影響并提高駕駛員和乘客的舒適性,所以在實(shí)現(xiàn)完全自動駕駛之前,這些應(yīng)用將對安全性和便利性產(chǎn)生巨大影響。


5G 配合 V2X 技術(shù),可提升車輛和行人的安全性。新增功能包括:針對正在靠近的急救車輛發(fā)出距離/方向信息;為穿過人行橫道的行人(為確保安全、在發(fā)生意外事件期間以及為便于識別,將控制或延長交通信號燈/信號顯示)以及回避沖進(jìn)車流中行人的車輛,提供通知和控制功能。發(fā)生事故時,發(fā)送車輛位置和距離通知。校車通知(包括該地區(qū)中小學(xué)生上下車)等功能將確保行人安全。


基于蜂窩通信技術(shù)的 V2X 從屬于 V2X 的大類。它將作為攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等視距 (LoS) 傳感器的補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)對提高駕駛安全至關(guān)重要的非視距感知力。C-V2X 還可實(shí)現(xiàn)比 LoS 傳感器更為廣泛的探測范圍,也是車輛相互通信以及與周圍萬物通信的基礎(chǔ)。2014 年,3GPP 以第 14 版開始 C-V2X 的標(biāo)準(zhǔn)化工作。它將 LTE 作為其根本技術(shù)。2017 年發(fā)布了相關(guān)規(guī)范。


使用的傳輸通信功能包括車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車對網(wǎng)絡(luò) (V2N)、車對車 (V2V)、車對行人 (V2P)、車對弱勢道路使用者(如自行車手)、車對設(shè)備 (V2D) 以及車對電網(wǎng) (V2G)(圖 1)。


汽車行業(yè)也在尋求各種方法,以降低支持 5G V2X 的車載單元 (OBU) 成本,同時避免/盡量減少車輛價(jià)格上漲。


5G 和 V2X


5G 將使 V2X 通信更易實(shí)現(xiàn),且更加快速和可靠。下面總結(jié)了 5G 和 V2X 框架之間的主要差異:


●   5G 與所有無線電移動服務(wù)一樣,使用一種稱為基站的基礎(chǔ)設(shè)施,其中劃分為獨(dú)立的單元,這些單元廣泛重疊,并由適當(dāng)?shù)奶炀€系統(tǒng)管理。

●   與所有無線服務(wù)一樣,V2X 的結(jié)構(gòu)更為靈活,其中的小型天線設(shè)備系統(tǒng)(稱為熱點(diǎn))通過使用可靠的交互方案,確保提供優(yōu)質(zhì)的連接服務(wù)。


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圖 1:主要的 C-V2X 用例:車對車 (V2V)、車對行人 (V2P)、車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 和車對網(wǎng)絡(luò) (V2N)。V2X 安全消息可能包括歐洲的協(xié)作意識消息 (CAM) 和分散環(huán)境通知信息 (DENM),以及美國的基本安全消息 (BSM)。(數(shù)據(jù)來源:《引入開源 C-V2X 模擬器的 C-V2X 模式 4 通信性能分析》(Performance Analysis of C-V2X Mode 4 Communication Introducing an Open-Source C-V2X Simulator),2019 年 7 月 23 日,作者:Fabian Eckermann 等人,多特蒙德工業(yè)大學(xué))


Qorvo 開發(fā)了一款對成功部署 V2X 技術(shù)至關(guān)重要的模塊


C-V2X 接收器


與其他無線通信技術(shù)一樣,C-V2X 技術(shù)也采用模擬和數(shù)字模塊設(shè)計(jì)。在 C-V2X 設(shè)計(jì)中,對于模擬和混合信號部分,射頻組件具有關(guān)鍵作用,接收鏈中配置了許多高頻模擬組件(圖 2)。


圖 2 展示了采樣接收器的三種不同架構(gòu):a) 基帶、b) IF 和 c) RF。RF 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 將根據(jù)輸入頻率決定選用的接收器類型(a、b 或 c)。


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圖 2:此框圖顯示了 C-V2X 采樣接收器的三種無線電架構(gòu)。(數(shù)據(jù)來源:IEEE)


汽車前端模塊(FEM)


Qorvo 已開發(fā)出對成功部署 V2X 技術(shù)至關(guān)重要的一款關(guān)鍵模塊,即前端模塊 (FEM)。此模塊屬于 Qorvo 車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品組合。


Qorvo 的 V2X 車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品組合包含兼容多種芯片的解決方案,適用于車對車 (V2V)、車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車對行人 (V2P) 和車對網(wǎng)絡(luò) (V2N) 通信。


該產(chǎn)品組合可提供現(xiàn)成的V2X 通信解決方案,包括 47 頻段/Wi-Fi 體聲波 (BAW) 共存濾波器,支持 Wi-Fi 與 V2X 5.9GHz 頻段共存。這種能力對于在車輛與周圍環(huán)境之間建立可靠的聯(lián)系至關(guān)重要。它還包括兩個支持 C-V2X(和 DSRC 系統(tǒng))的集成式前端模塊 (FEM)、一個數(shù)字步進(jìn)衰減器、發(fā)射/接收開關(guān)和低噪聲放大器 (LNA)。


設(shè)計(jì)解決方案如下:


●   QPF1002Q:一款經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的前端模塊,支持 C-V2X 系統(tǒng),集成了功率放大器 (PA)、低噪聲放大器 (LNA) 和開關(guān),采用 5.0mm x 4.0mm 封裝。

●   QPF1003Q:一款經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的前端模塊,支持 C-V2X 和 DSRC/11p 系統(tǒng),集成了功率放大器 (PA)、低噪聲放大器 (LNA) 和開關(guān),采用 5.0mm x 4.0mm 封裝。

●   QPQ2200Q:一款 B47 頻段V2X/Wi-Fi 體聲波 (BAW) 共存濾波器,在 Wi-Fi UNII-3 頻段中具有出色的帶外衰減性能,可防止 Wi-Fi 干擾 V2X 5.9GHz 頻段,并可為自動駕駛實(shí)現(xiàn)可靠的 V2X 鏈路,采用 1.1mm x 0.9mm 緊湊型封裝

●   QPC6713Q:7 位、0.25dB 步進(jìn)的數(shù)字衰減器:實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償器應(yīng)用所需的精細(xì)功率控制

●   QPC8019Q:具有 V2X 系統(tǒng)所需的快速發(fā)射/接收開關(guān)功能


讓我們來更深入地了解一下 Qorvo 的一款 FEM,即 QPF1002Q。


Qorvo QPF1002Q 汽車前端模塊是適合 C-V2X(蜂窩車對萬物)系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案。C-V2X 系統(tǒng)將能夠感知周圍環(huán)境,在互聯(lián)車輛中實(shí)現(xiàn)下一代自動駕駛和實(shí)時監(jiān)控。C-V2X 使用 5.9GHz 智能交通系統(tǒng) (ITS) 頻段中的低時延傳輸。


QPF1002Q 還在單個設(shè)備中集成了一個 5GHz 功率放大器 (PA)、Tx/Rx 天線開關(guān)和可旁路的低噪聲放大器 (LNA)。


此器件的頻率范圍為 5.77GHz 至 5.925GHz,Tx 增益為 28dB,Rx 增益為 13dB,噪聲系數(shù)為 2.6dB。該 PA 的性能優(yōu)化主要是采用 5V 電源供電以節(jié)省功耗,同時保持最高的線性輸出功率和出色的吞吐量。接收路徑的引腳分配靈活,支持外置濾波器或低噪放。


Qorvo 的 QPF1002Q 汽車 FEM 采用 5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 緊湊型層壓封裝,符合 AEC-Q100 2 級認(rèn)證的汽車系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。


以下是一些關(guān)鍵特性:


●   符合 AEC-Q100 2 級認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

●   工作頻率范圍:5.77GHz 至 5.925GHz

●   針對 +5V 工作電壓進(jìn)行了優(yōu)化;支持 +4.2V

●   POUT = +28dBm,10MHz 帶寬下的線性功率

●   Tx 增益:28dB

●   Tx 電流:580mA

●   Tx 高功率和低功率模式

●   24dB Tx 耦合器

●   Rx 噪聲系數(shù):2.6dB(包括開關(guān))

●   Rx 增益:13dB

●   Rx 電流:35mA

●   旁路 LNA 損耗:-6.5dB

●   無需外部匹配

●   5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 層壓封裝

●   無鹵且符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)


應(yīng)用:


●   ITS C-V2X

●   汽車前端

●   汽車遠(yuǎn)程通信

●   汽車信息娛樂


C-V2X 側(cè)行鏈路


第 16 版 5G 為采用 5G 新無線電 (NR) 的行業(yè) C-V2X 應(yīng)用帶來了側(cè)行鏈路。該版本推動了 C-V2X 應(yīng)用的發(fā)展,如車輛編隊(duì)、高級駕駛、擴(kuò)展傳感器和遠(yuǎn)程駕駛。由于在一些危險(xiǎn)駕駛情況下需要使用緊急制動和防碰撞功能,所以必須確保滿足嚴(yán)格的延遲和高可靠性要求。C-V2X 的最低傳輸延遲不超過 4ms,且有可能更低,具體取決于實(shí)現(xiàn)方案。雖然可靠性很難量化,但每個新版本都在一定程度上提高了性能和安全性,從而提升了可靠性。即將發(fā)布的版本將繼續(xù)提高安全性和可靠性。


通過短距離通信傳播大部分交通信息,尤其在 V2X 部署的第一階段,這些都是每輛車定期廣播的消息(傳遞其狀態(tài)和運(yùn)動信息)。


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V2X 和 5G 正迅速成為不可或缺的技術(shù)……


我們必須指出,V2X 應(yīng)用依賴于持續(xù)、詳細(xì)的位置信息,這會導(dǎo)致隱私問題。對于私家車,位置信息會透露駕駛員的運(yùn)動和活動,而駕駛員并不一定是車主。簡而言之,發(fā)送和傳播 V2X 用戶位置信息可能會涉及車主和駕駛員的隱私。


在交通擁擠區(qū)域,可用的信道資源將達(dá)到飽和,因此數(shù)據(jù)包丟失率會增加。這可能會危及駕駛員和乘客的安全。在這些條件達(dá)到臨界水平之前,對擁堵控制算法進(jìn)行分析和定義,以便修改特定參數(shù)。然而,研究人員并沒有研究具體的算法,而是對 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)方法 (IEEE 802.11p) 與標(biāo)準(zhǔn)蜂窩方法(C-V2X 第 14 版組成部分 3GPP 定義的側(cè)行鏈路 LTE-V2X)進(jìn)行了比較分析。


最終分析認(rèn)為,在信道負(fù)載較低的情況下,LTE-V2X 優(yōu)于 IEEE 802.11p,前提是它具有出色的物理層性能。當(dāng)信道負(fù)載水平較低時,MAC 對性能的影響低于物理層。因此,研究人員認(rèn)為,當(dāng)信道負(fù)載增加時,即使物理層性能更低,IEEE 802.11p 也優(yōu)于 LTE-V2X。


基于 3GPP 開發(fā)的 C-V2X 通信技術(shù)可通過側(cè)行鏈路(亦稱為 PC5 接口)實(shí)現(xiàn)車輛用戶設(shè)備 (VUE) 之間的直接通信。C-V2X 側(cè)行鏈路是第一個在物理層將距離作為維度使用的無線系統(tǒng)。這樣就可以在各種 LoS 和非 LoS 無線電環(huán)境下實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的通信范圍。


簡而言之,C-V2X 技術(shù)包含兩個通信鏈路。


1. 車對網(wǎng)絡(luò) (V2N),基于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò) (Uu)

2. 車對車 (V2V) 直接通信鏈路 (PC5)


●   直接通信鏈路 (PC5) 是用于確保安全的主要模式,它包含兩個傳輸調(diào)度模式:模式 3 和模式 4。模式 3:網(wǎng)絡(luò)輔助通信。C-V2X 依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度和資源管理。

●   模式 4:覆蓋范圍外/無 SIM 運(yùn)行。C-V2X 擁有完全自主性,且不依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。


請注意,所有的 C-V2X 部署僅支持模式 4。由于各種原因,模式 3 尚不可行。


V2X 通信過程中的安全和隱私


基于 LTE 的 V2X 通信使用容量大、蜂窩覆蓋范圍廣且部署廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施,支持各種車輛通信服務(wù),適合安全和非安全應(yīng)用。3GPP 和高通等技術(shù)組織已經(jīng)制定了基于 5G 的 V2X 服務(wù)路線圖。


3GPP 中定義的安全性主要包括保密性、完整性、真實(shí)性和抗回放攻擊能力。


在針對網(wǎng)絡(luò)攻擊的汽車安全保障解決方案中,推薦全面采用雙密鑰機(jī)制。


其他 V2X 應(yīng)用包括可增強(qiáng)現(xiàn)有方法的車輛間通信,從而有助于改進(jìn)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)輔助、緊急制動警告功能,并提高十字路口的態(tài)勢感知。擴(kuò)展 Waze 概念可以控制調(diào)速功能或提供調(diào)速建議,以便應(yīng)對交通擁堵,還可以利用車道封閉和高速公路施工活動的實(shí)時更新信息來更新 GPS 地圖。某種程度上,從地圖更新、漏洞修復(fù)到安全更新等,如需提供支持,以便汽車中廣泛的軟件驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行無線 (OTA) 軟件更新,V2X 則至關(guān)重要。


V2X 安全消息可包含美國標(biāo)準(zhǔn)中的基本安全消息 (BSM),或歐盟 (EU) 標(biāo)準(zhǔn)中的協(xié)作意識消息 (CAM) 和分散環(huán)境通知信息 (DENM)。BSM 包含位置、速度和加速度信息,傳輸速度高達(dá)每秒 10 次。通過使用此消息系統(tǒng),車輛接收單元還能夠進(jìn)行碰撞預(yù)測,并向駕駛員發(fā)出警告。


V2X 信息保護(hù)和安全


V2X 和 V2I 通信需要具備非常高的安全性,避免消息欺詐或誤導(dǎo),從而導(dǎo)致安全和隱私問題。另一種安全方法是使用公鑰證書對消息進(jìn)行簽名,防止未經(jīng)授權(quán)方干擾數(shù)據(jù)交換,并安全地使用化名進(jìn)行通信。


公鑰基礎(chǔ)設(shè)施 (PKI) 由創(chuàng)建、管理、使用、保存和調(diào)用數(shù)字安全證書的策略和流程組成。PKI 可實(shí)現(xiàn)電子信息的安全傳輸,它不僅需要進(jìn)行身份驗(yàn)證的密碼,還需要滿足更嚴(yán)格的身份確認(rèn)要求。


高速公路擁堵情況下的 C-V2X 性能


5G 汽車協(xié)會 (5GAA) 在《V2X 功能和性能測試報(bào)告》中進(jìn)行了 V2X 性能和功能測試。測試報(bào)告顯示,5GAA 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對 C-V2X 技術(shù)進(jìn)行了高度擁堵場景測試。即使在這種擁堵的情況下,C-V2X 延遲仍保持在預(yù)估范圍內(nèi),針對此類場景,我們配置了 100ms 的延遲范圍,這是一個非常不錯的結(jié)果。


結(jié)論


通過對 5.9GHz 頻段進(jìn)行重組,F(xiàn)CC 有效地改變了美國的車輛通信協(xié)作式智能交通系統(tǒng) (C-ITS) 市場。


汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展,必須使用窄頻譜和 C-V2X 技術(shù),而不是廣泛使用的專用短距離通信 (DSRC) 頻譜。這些變化有助于汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)發(fā)展,從而消除了競爭性技術(shù)導(dǎo)致的不確定性。


由于汽車制造商致力于在未來幾年實(shí)現(xiàn)全自動駕駛汽車技術(shù)商業(yè)化,所以 V2X 和 5G 正迅速成為不可或缺的技術(shù)。福特目前正在大力推廣互聯(lián)汽車,通過使用 C-V2X 技術(shù),將創(chuàng)造可觀的全新收入來源。目前,C-V2X 已應(yīng)用于六款車型:福特蒙迪歐、福特 F-150 Raptor、福特 Evos、福特電馬、福特銳界 Plus 以及福特探險(xiǎn)者。


更令人興奮的是,福特已成為中國市場首家生產(chǎn) C-V2X 汽車的制造商。在中國,此類采用先進(jìn)技術(shù)的車輛可向前方交通信號燈發(fā)送重要的交通信息。這樣就可以控制交通信號燈的時間,從而減少擁堵。V2X 汽車駕駛員還可以收到各種信息,包括綠燈優(yōu)化速度建議 (GLOSA)、交通信號燈信息、闖紅燈警告以及其他相關(guān)的道路基礎(chǔ)設(shè)施詳情。V2X 汽車的儀表盤將提醒駕駛員保持在特定的速度范圍內(nèi),避免在紅綠燈前進(jìn)行等待。這將節(jié)省燃油油耗,提高交通效率。


更多令人振奮的車輛技術(shù)發(fā)展即將到來,它們將顯著改進(jìn)人們的駕駛方式。


作者:Mouser Electronics 的 Steve Taranovich



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