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技術(shù)演變正在進(jìn)行:V2X架構

發(fā)布時(shí)間:2023-04-06 來(lái)源:Qorvo 責任編輯:wenwei

【導讀】3GPP 計劃在 V2X 中使用 5G 技術(shù)以及汽車(chē)級別的射頻前端模塊(FEM),相比于當前專(zhuān)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(chē)聯(lián)網(wǎng)應用(如 V2X)需要滿(mǎn)足延遲、數據速率、可靠性和通信范圍方面嚴格的服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 要求。在開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛汽車(chē)過(guò)程中,通常會(huì )使用以下三種傳感器技術(shù):攝像頭、雷達和激光雷達。然而,現有的另一種無(wú)線(xiàn)技術(shù),即車(chē)對萬(wàn)物 (V2X),可大大提高自動(dòng)駕駛汽車(chē)的價(jià)值。V2X 是指各種交通運輸相關(guān)傳感器之間進(jìn)行的高帶寬、低延遲可靠通信。5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )將提供適合車(chē)對車(chē) (V2V) 以及車(chē)對基礎設施 (V2I) 通信的連接。汽車(chē)前端模塊 (FEM) 將成為實(shí)現新一代技術(shù)的重要解決方案,并將推動(dòng)基于蜂窩技術(shù)的 V2X 方案的整體成功部署。


接下來(lái),我們將討論 3GPP 計劃如何在 V2X 應用中使用 5G 技術(shù),較當前專(zhuān)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(zhù)優(yōu)勢。


技術(shù)演變即將到來(lái)


從通信技術(shù)角度來(lái)看,未來(lái)智能交通系統 (ITS) 服務(wù)將得到廣泛應用。如此以來(lái),自動(dòng)駕駛會(huì )最終實(shí)現,并要求通過(guò)先進(jìn)的通信技術(shù)(如 5G V2X)在車(chē)輛內實(shí)現高互聯(lián)度。經(jīng)過(guò)學(xué)術(shù)界和業(yè)界多年的研究,推動(dòng) 5G 發(fā)展的成熟技術(shù)落地后,3GPP 開(kāi)始起草 5G V2X 標準,從版本 16 開(kāi)始實(shí)施。


首先,讓我們來(lái)了解一下 V2X 的定義。車(chē)對萬(wàn)物技術(shù)是一種雙向通信技術(shù),可實(shí)現汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)以及周?chē)赡軙?huì )對其產(chǎn)生影響的任何實(shí)體之間的信息傳輸。由于 V2X 應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)現完全自動(dòng)駕駛之前,這些應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(chē)輛和行人的安全性。新增功能包括:針對正在靠近的急救車(chē)輛發(fā)出距離/方向信息;為穿過(guò)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(cháng)交通信號燈/信號顯示)以及回避沖進(jìn)車(chē)流中行人的車(chē)輛,提供通知和控制功能。發(fā)生事故時(shí),發(fā)送車(chē)輛位置和距離通知。校車(chē)通知(包括該地區中小學(xué)生上下車(chē))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(lèi)。它將作為攝像頭、雷達和激光雷達等視距 (LoS) 傳感器的補充,實(shí)現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)現比 LoS 傳感器更為廣泛的探測范圍,也是車(chē)輛相互通信以及與周?chē)f(wàn)物通信的基礎。2014 年,3GPP 以第 14 版開(kāi)始 C-V2X 的標準化工作。它將 LTE 作為其根本技術(shù)。2017 年發(fā)布了相關(guān)規范。


使用的傳輸通信功能包括車(chē)對基礎設施 (V2I)、車(chē)對網(wǎng)絡(luò ) (V2N)、車(chē)對車(chē) (V2V)、車(chē)對行人 (V2P)、車(chē)對弱勢道路使用者(如自行車(chē)手)、車(chē)對設備 (V2D) 以及車(chē)對電網(wǎng) (V2G)(圖 1)。


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


5G 和 V2X


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


●   5G 與所有無(wú)線(xiàn)電移動(dòng)服務(wù)一樣,使用一種稱(chēng)為基站的基礎設施,其中劃分為獨立的單元,這些單元廣泛重疊,并由適當的天線(xiàn)系統管理。

●   與所有無(wú)線(xiàn)服務(wù)一樣,V2X 的結構更為靈活,其中的小型天線(xiàn)設備系統(稱(chēng)為熱點(diǎn))通過(guò)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(chē)對車(chē) (V2V)、車(chē)對行人 (V2P)、車(chē)對基礎設施 (V2I) 和車(chē)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)。(數據來(lái)源:《引入開(kāi)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(kāi)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)一樣,C-V2X 技術(shù)也采用模擬和數字模塊設計。在 C-V2X 設計中,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:a) 基帶、b) IF 和 c) RF。RF 模數轉換器 (ADC) 將根據輸入頻率決定選用的接收器類(lèi)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(wú)線(xiàn)電架構。(數據來(lái)源:IEEE)


汽車(chē)前端模塊(FEM)


Qorvo 已開(kāi)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(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品組合。


Qorvo 的 V2X 車(chē)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(chē)對車(chē) (V2V)、車(chē)對基礎設施 (V2I)、車(chē)對行人 (V2P) 和車(chē)對網(wǎng)絡(luò ) (V2N) 通信。


該產(chǎn)品組合可提供現成的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(chē)輛與周?chē)h(huán)境之間建立可靠的聯(lián)系至關(guān)重要。它還包括兩個(gè)支持 C-V2X(和 DSRC 系統)的集成式前端模塊 (FEM)、一個(gè)數字步進(jìn)衰減器、發(fā)射/接收開(kāi)關(guān)和低噪聲放大器 (LNA)。


設計解決方案如下:


●   QPF1002Q:一款經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計的前端模塊,支持 C-V2X 系統,集成了功率放大器 (PA)、低噪聲放大器 (LNA) 和開(kāi)關(guān),采用 5.0mm x 4.0mm 封裝。

●   QPF1003Q:一款經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計的前端模塊,支持 C-V2X 和 DSRC/11p 系統,集成了功率放大器 (PA)、低噪聲放大器 (LNA) 和開(kāi)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(dòng)駕駛實(shí)現可靠的 V2X 鏈路,采用 1.1mm x 0.9mm 緊湊型封裝

●   QPC6713Q:7 位、0.25dB 步進(jìn)的數字衰減器:實(shí)現補償器應用所需的精細功率控制

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


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


Qorvo QPF1002Q 汽車(chē)前端模塊是適合 C-V2X(蜂窩車(chē)對萬(wàn)物)系統的優(yōu)化解決方案。C-V2X 系統將能夠感知周?chē)h(huán)境,在互聯(lián)車(chē)輛中實(shí)現下一代自動(dòng)駕駛和實(shí)時(shí)監控。C-V2X 使用 5.9GHz 智能交通系統 (ITS) 頻段中的低時(shí)延傳輸。


QPF1002Q 還在單個(gè)設備中集成了一個(gè) 5GHz 功率放大器 (PA)、Tx/Rx 天線(xiàn)開(kāi)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,噪聲系數為 2.6dB。該 PA 的性能優(yōu)化主要是采用 5V 電源供電以節省功耗,同時(shí)保持最高的線(xiàn)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(chē) FEM 采用 5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 緊湊型層壓封裝,符合 AEC-Q100 2 級認證的汽車(chē)系統應用標準。


以下是一些關(guān)鍵特性:


●   符合 AEC-Q100 2 級認證標準

●   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(xiàn)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:2.6dB(包括開(kāi)關(guān))

●   Rx 增益:13dB

●   Rx 電流:35mA

●   旁路 LNA 損耗:-6.5dB

●   無(wú)需外部匹配

●   5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 層壓封裝

●   無(wú)鹵且符合 RoHS 標準


應用:


●   ITS C-V2X

●   汽車(chē)前端

●   汽車(chē)遠程通信

●   汽車(chē)信息娛樂(lè )


C-V2X 側行鏈路


第 16 版 5G 為采用 5G 新無(wú)線(xiàn)電 (NR) 的行業(yè) C-V2X 應用帶來(lái)了側行鏈路。該版本推動(dòng)了 C-V2X 應用的發(fā)展,如車(chē)輛編隊、高級駕駛、擴展傳感器和遠程駕駛。由于在一些危險駕駛情況下需要使用緊急制動(dòng)和防碰撞功能,所以必須確保滿(mǎn)足嚴格的延遲和高可靠性要求。C-V2X 的最低傳輸延遲不超過(guò) 4ms,且有可能更低,具體取決于實(shí)現方案。雖然可靠性很難量化,但每個(gè)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)布的版本將繼續提高安全性和可靠性。


通過(guò)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(chē)定期廣播的消息(傳遞其狀態(tài)和運動(dòng)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 應用依賴(lài)于持續、詳細的位置信息,這會(huì )導致隱私問(wèn)題。對于私家車(chē),位置信息會(huì )透露駕駛員的運動(dòng)和活動(dòng),而駕駛員并不一定是車(chē)主。簡(jiǎn)而言之,發(fā)送和傳播 V2X 用戶(hù)位置信息可能會(huì )涉及車(chē)主和駕駛員的隱私。


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


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


基于 3GPP 開(kāi)發(fā)的 C-V2X 通信技術(shù)可通過(guò)側行鏈路(亦稱(chēng)為 PC5 接口)實(shí)現車(chē)輛用戶(hù)設備 (VUE) 之間的直接通信。C-V2X 側行鏈路是第一個(gè)在物理層將距離作為維度使用的無(wú)線(xiàn)系統。這樣就可以在各種 LoS 和非 LoS 無(wú)線(xiàn)電環(huán)境下實(shí)現統一的通信范圍。


簡(jiǎn)而言之,C-V2X 技術(shù)包含兩個(gè)通信鏈路。


1. 車(chē)對網(wǎng)絡(luò ) (V2N),基于現有的蜂窩網(wǎng)絡(luò ) (Uu)

2. 車(chē)對車(chē) (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(gè)傳輸調度模式:模式 3 和模式 4。模式 3:網(wǎng)絡(luò )輔助通信。C-V2X 依賴(lài)于蜂窩網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行調度和資源管理。

●   模式 4:覆蓋范圍外/無(wú) SIM 運行。C-V2X 擁有完全自主性,且不依賴(lài)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(guò)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設施,支持各種車(chē)輛通信服務(wù),適合安全和非安全應用。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(xiàn)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(chē)安全保障解決方案中,推薦全面采用雙密鑰機制。


其他 V2X 應用包括可增強現有方法的車(chē)輛間通信,從而有助于改進(jìn)左轉或右轉輔助、緊急制動(dòng)警告功能,并提高十字路口的態(tài)勢感知。擴展 Waze 概念可以控制調速功能或提供調速建議,以便應對交通擁堵,還可以利用車(chē)道封閉和高速公路施工活動(dòng)的實(shí)時(shí)更新信息來(lái)更新 GPS 地圖。某種程度上,從地圖更新、漏洞修復到安全更新等,如需提供支持,以便汽車(chē)中廣泛的軟件驅動(dòng)系統進(jìn)行無(wú)線(xiàn) (OTA) 軟件更新,V2X 則至關(guān)重要。


V2X 安全消息可包含美國標準中的基本安全消息 (BSM),或歐盟 (EU) 標準中的協(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,傳輸速度高達每秒 10 次。通過(guò)使用此消息系統,車(chē)輛接收單元還能夠進(jìn)行碰撞預測,并向駕駛員發(fā)出警告。


V2X 信息保護和安全


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,從而導致安全和隱私問(wèn)題。另一種安全方法是使用公鑰證書(shū)對消息進(jìn)行簽名,防止未經(jīng)授權方干擾數據交換,并安全地使用化名進(jìn)行通信。


公鑰基礎設施 (PKI) 由創(chuàng )建、管理、使用、保存和調用數字安全證書(shū)的策略和流程組成。PKI 可實(shí)現電子信息的安全傳輸,它不僅需要進(jìn)行身份驗證的密碼,還需要滿(mǎn)足更嚴格的身份確認要求。


高速公路擁堵情況下的 C-V2X 性能


5G 汽車(chē)協(xié)會(huì ) (5GAA) 在《V2X 功能和性能測試報告》中進(jìn)行了 V2X 性能和功能測試。測試報告顯示,5GAA 在實(shí)驗室環(huán)境下對 C-V2X 技術(shù)進(jìn)行了高度擁堵場(chǎng)景測試。即使在這種擁堵的情況下,C-V2X 延遲仍保持在預估范圍內,針對此類(lèi)場(chǎng)景,我們配置了 100ms 的延遲范圍,這是一個(gè)非常不錯的結果。


結論


通過(guò)對 5.9GHz 頻段進(jìn)行重組,FCC 有效地改變了美國的車(chē)輛通信協(xié)作式智能交通系統 (C-ITS) 市場(chǎng)。


汽車(chē)行業(yè)實(shí)現進(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(zhuān)用短距離通信 (DSRC) 頻譜。這些變化有助于汽車(chē)行業(yè)實(shí)現發(fā)展,從而消除了競爭性技術(shù)導致的不確定性。


由于汽車(chē)制造商致力于在未來(lái)幾年實(shí)現全自動(dòng)駕駛汽車(chē)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(chē),通過(guò)使用 C-V2X 技術(shù),將創(chuàng )造可觀(guān)的全新收入來(lái)源。目前,C-V2X 已應用于六款車(chē)型:福特蒙迪歐、福特 F-150 Raptor、福特 Evos、福特電馬、福特銳界 Plus 以及福特探險者。


更令人興奮的是,福特已成為中國市場(chǎng)首家生產(chǎn) C-V2X 汽車(chē)的制造商。在中國,此類(lèi)采用先進(jìn)技術(shù)的車(chē)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(shí)間,從而減少擁堵。V2X 汽車(chē)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)的道路基礎設施詳情。V2X 汽車(chē)的儀表盤(pán)將提醒駕駛員保持在特定的速度范圍內,避免在紅綠燈前進(jìn)行等待。這將節省燃油油耗,提高交通效率。


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


作者:Mouser Electronics 的 Steve Taranovich



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