在自動(dòng)駕駛汽車中實(shí)現(xiàn)5G和DSRC V2X
摘要
很顯然,車輛通信是實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)駕駛水平的重要推動(dòng)因素。但是,長(zhǎng)期以來(lái),汽車廠商一直在研究分析所需的無(wú)線接入技術(shù)應(yīng)基于蜂窩技術(shù)(也稱為C-V2X)還是基于直接接入技術(shù)(稱為DSRC)。在本文中,我們將展示未來(lái)的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景需要協(xié)調(diào)或組合使用這兩種技術(shù)。先進(jìn)的多無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備需要集成分別采用不同技術(shù)的單個(gè)模塊。因此,在缺乏無(wú)線互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)接口的情況下,實(shí)現(xiàn)這種協(xié)同系統(tǒng)顯得非常困難。我們使用最近發(fā)布的一款單芯片解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻、雙無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)車載通信系統(tǒng)。利用單芯片,可以在多個(gè)頻段內(nèi)同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)。雖然此設(shè)備未通過(guò)汽車應(yīng)用認(rèn)證,但所用的技術(shù)可以通過(guò)提供產(chǎn)品差異化和增強(qiáng)控制來(lái)提升服務(wù)質(zhì)量,為汽車制造商提供支持。
簡(jiǎn)介
本文將重點(diǎn)介紹車輛通信(V2X)設(shè)備的發(fā)展情況。將概述V2X應(yīng)用場(chǎng)景,并介紹可用于執(zhí)行V2X通信的兩種無(wú)線接入技術(shù)。通過(guò)簡(jiǎn)要介紹V2X,我們將了解由蜂窩網(wǎng)絡(luò)(也稱為蜂窩V2X或C-V2X)控制的V2X通信的無(wú)線接入可以在免許可頻段和專用頻譜范圍內(nèi)為其他無(wú)線接入備選技術(shù)提供補(bǔ)充,例如專用短距離通信(DSRC)或IEEE 802.11p。為此,需要將用例的要求和利用多接入技術(shù)優(yōu)勢(shì)的需求結(jié)合起來(lái)。當(dāng)涉及到實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)V2X設(shè)備時(shí),目前可使用多個(gè)模塊和各自獨(dú)立的軟件/固件。但是,這會(huì)限制接入技術(shù)的協(xié)作/協(xié)調(diào)功能的潛力。有關(guān)這些限制,可參閱“推出適用于未來(lái)的V2X系統(tǒng)的單個(gè)RF IC (ADRV9026)”一節(jié)。ADRV9026是ADI RadioVerse®產(chǎn)品組合中的一款射頻收發(fā)器(TRx),覆蓋6 GHz以下的頻率范圍。這種多通道、多頻段收發(fā)器技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多頻段V2X通信設(shè)備。
車對(duì)萬(wàn)物(V2X)通信
汽車行業(yè)正在快速創(chuàng)新,以便在所有可能的駕駛場(chǎng)景、操作條件和情況下實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化。事實(shí)證明,無(wú)線連接不僅是實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化,也是實(shí)現(xiàn)低階自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。特別是,自動(dòng)駕駛汽車的安全關(guān)鍵應(yīng)用將非常依賴無(wú)線連接。在其他實(shí)體共享駕駛空間或交通系統(tǒng)的情況下,以極高(99.999%)可靠性執(zhí)行安全操作將至關(guān)重要。這些實(shí)體可能包括其他車輛、人員、道路上的運(yùn)輸系統(tǒng)或交通管理網(wǎng)絡(luò)。因此,為了與系統(tǒng)中的其他實(shí)體進(jìn)行信息交換、合作和協(xié)調(diào),必須為每一輛車配備無(wú)線連接功能。
圖1.實(shí)體、基礎(chǔ)設(shè)施和V2X通信系統(tǒng)接口
為此,歐洲的管理機(jī)構(gòu)(如ETSI)已經(jīng)為汽車智能交通系統(tǒng)(ITS)奠定了基礎(chǔ)。全世界都開(kāi)發(fā)了類似的系統(tǒng),包括美國(guó)和亞太地區(qū)。ITS針對(duì)各種應(yīng)用和用例定義并指定了通信節(jié)點(diǎn)、架構(gòu)、協(xié)議和消息。此外,需要新的基礎(chǔ)設(shè)施以增強(qiáng)免許可頻段或?qū)S妙l段中基于DSRC的應(yīng)用。隨著踐行智能高速公路和智慧城市倡議,許多地區(qū)都在積極部署相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于C-V2X,可使用現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施。圖1顯示了ITS車輛與運(yùn)輸系統(tǒng)中的其他車輛或其他實(shí)體通信的接口。下面介紹各種接口:
? V2V(車對(duì)車)通信:最初它只用于廣播消息,但現(xiàn)在車輛也可執(zhí)行單播或多播消息。這種接口可用于在通信范圍內(nèi)直接從一輛車向另一輛車傳遞任何信息,例如,在緊急制動(dòng)時(shí)。
? V2P(車對(duì)人)通信:使用此接口,車輛和道路使用者可以通過(guò)裝有V2X應(yīng)用的智能手機(jī)通信。例如,弱勢(shì)道路使用者可收到警報(bào),提醒有車輛靠近。
? V2N/V2I(車對(duì)網(wǎng)絡(luò)或車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施)通信:此接口可用于傳輸有助于實(shí)現(xiàn)智能交通的任何信息。
適用于V2X的無(wú)線接入技術(shù)
圖2顯示了整個(gè)ITS的分層架構(gòu)。頂部應(yīng)用層包含用例定義,例如緊急制動(dòng)警告、十字路口避免碰撞和交通信號(hào)燈周期1.其他層提供信息和通信支持服務(wù),例如定位/位置信息、提醒消息和通知。最后,通過(guò)使用無(wú)線技術(shù)在空間傳送這些協(xié)議消息。
圖2.以通信層形式表示的ITS
美國(guó)已建立DSRC支持車輛通信,歐洲則建立了基于IEEE 802.11p的無(wú)線接入來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的目的。但是,這些無(wú)線技術(shù)是基于IEEE 802.11x Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)進(jìn)行專用通信2。因此其范圍有限,并且也面臨與其他基于Wi-Fi的系統(tǒng)類似的擁堵和服務(wù)質(zhì)量(QoS)問(wèn)題。此外,還需要投入大量資本來(lái)部署路邊基礎(chǔ)設(shè)施,以確保交通管理服務(wù)器的覆蓋范圍。另一方面,通過(guò)公共陸地移動(dòng)無(wú)線電(也稱為蜂窩通信系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入可以解決覆蓋范圍和QoS的問(wèn)題。蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了大部分道路,我們還提供由網(wǎng)絡(luò)控制的計(jì)劃性接入,通過(guò)避免擁堵或掉話來(lái)確保服務(wù)質(zhì)量。
第4代長(zhǎng)期演進(jìn)(4G LTE)蜂窩系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中已提供V2X服務(wù)3。但是,4G LTE的主要目標(biāo)是基本安全用例。第5代(5G)則針對(duì)更多安全關(guān)鍵型和高可靠性用例。蜂窩V2X (C-V2X)是指通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供的V2X服務(wù),無(wú)論是4G LTE還是5G。車載通信系統(tǒng)的整體情況使得我們不僅能在不同區(qū)域,還能夠在不同頻段內(nèi)使用多種技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)我們考慮適用于不同區(qū)域和不同標(biāo)準(zhǔn)的不同頻段時(shí),整體情況會(huì)更為復(fù)雜。
蜂窩V2X (C-V2X)
對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō),提供100%的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋是一個(gè)非常困難的挑戰(zhàn)。另一方面,對(duì)于互聯(lián)和自動(dòng)駕駛車輛來(lái)說(shuō),無(wú)線電覆蓋漏洞要比街道上的漏洞更糟糕。因此,C-V2X提供增強(qiáng)特性,使其在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下也可以正常工作。圖3a顯示的是車輛在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下進(jìn)行通信的場(chǎng)景。對(duì)于要通信的車輛,可以使用兩個(gè)選項(xiàng):
選項(xiàng)1:使用經(jīng)典的Uu接口(3GPP為終端用戶設(shè)備和無(wú)線電基站之間的無(wú)線電鏈路定義的名稱),兩個(gè)V2X通信節(jié)點(diǎn)之間會(huì)用到蜂窩網(wǎng)絡(luò)。
選項(xiàng)2:使用名為PC5的新接口,該接口在V2X節(jié)點(diǎn)之間提供直接通信。這也稱之為側(cè)鏈(SL)通信。
圖3b所示為沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場(chǎng)景。但是,在使用PC5接口時(shí),V2X節(jié)點(diǎn)之間仍可進(jìn)行通信。在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場(chǎng)景下,網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)使用分配的蜂窩頻段。下一節(jié)介紹在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下會(huì)使用什么頻段。
圖3.在有或沒(méi)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下進(jìn)行V2X通信使用蜂窩頻率資源的情況
表1.4G LTE和5G NR中進(jìn)行并發(fā)V2X操作使用的Uu-PC5頻段
V2X頻譜分配
歐洲已分配一個(gè)在5.9 GHz頻段內(nèi)帶寬為70 MHz的專用頻譜,用于進(jìn)行車輛通信4。目前正著手在全球范圍內(nèi)分配部署。此外,正在進(jìn)行協(xié)調(diào)工作,以便能在此頻段內(nèi)使用ITS-G5和C-V2X。在C-V2X環(huán)境下,該服務(wù)可能已經(jīng)通過(guò)組合使用PC5和Uu接口來(lái)使用多個(gè)蜂窩頻段。蜂窩標(biāo)準(zhǔn)正在研究V2X雙頻段并發(fā)操作。根據(jù)3GPP規(guī)范5,6,我們創(chuàng)建了表1,匯總列出V2X服務(wù)并發(fā)操作使用的頻段組合示例,其中分別使用4G LTE和5G新無(wú)線電(5G NR)接口蜂窩無(wú)線電接入技術(shù)。高亮顯示的行僅適用于5G NR。
雙頻段和雙RAT V2X系統(tǒng)
在可使用多種無(wú)線接入技術(shù)(RAT)且能夠在多個(gè)頻段內(nèi)通信時(shí),汽車OEM必須決定采用哪種。在美國(guó),F(xiàn)CC傾向于(在撰寫本文時(shí))使用基于DSRC的無(wú)線接入7,8,亞太地區(qū)則傾向于開(kāi)發(fā)和部署C-V2X9。歐洲對(duì)無(wú)線接入技術(shù)保持中立10。在這方面,目前已發(fā)布了多項(xiàng)研究結(jié)果,闡述了ITS-G5/DSRC相對(duì)于C-V2X的優(yōu)勢(shì)。類似研究也認(rèn)為C-V2X比ITS-G5更有優(yōu)勢(shì)。因此,汽車和電信行業(yè)的合作伙伴正在努力開(kāi)發(fā)一種解決方案,使V2X服務(wù)能夠利用無(wú)線接入技術(shù)在許可頻譜和免許可頻譜中提供的優(yōu)勢(shì)11。
圖4是對(duì)圖2的修改版,我們?cè)跓o(wú)線接入層和分組接入層之間加了一個(gè)新的子層,以詳細(xì)展示接入層。我們稱之為無(wú)線接入管理(WAM)。這個(gè)子層用于確保從網(wǎng)絡(luò)向無(wú)線電層級(jí)提供優(yōu)化的V2X服務(wù)。它可以基于用例(延遲要求、QoS等)、流量(擁堵)和鏈接(無(wú)線電質(zhì)量)條件通過(guò)協(xié)調(diào)多樣性或協(xié)作更高吞吐量選擇不同的無(wú)線接入技術(shù)。例如,如果檢測(cè)到ITS-G5無(wú)線接口中存在擁堵,則會(huì)使用C-V2X通過(guò)PC5發(fā)送相同的消息。這將提供多樣性差異化增益并確保可靠性。在車輛交換高密度地圖數(shù)據(jù)這個(gè)用例中,可以將Uu接口與PC5或ITS-G5組合使用,以滿足高吞吐量要求。
IEEE論文12,13利用分析和仿真方法,詳細(xì)介紹和探討了類似概念所具有的優(yōu)勢(shì)(如圖4所示)。如之前使用表1所述,在C-V2X框架內(nèi),蜂窩系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)已在探討研究通過(guò)5.9 GHz頻段內(nèi)的PC5和ITS-G5技術(shù)實(shí)現(xiàn)4G LTE Uu和5G NR Uu頻段的并發(fā)操作。因此,根據(jù)前面介紹的頻段并發(fā)操作和概念,我們可以說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和相關(guān)的工業(yè)研究社區(qū)已為雙頻段,甚至是雙RAT V2X系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)?,F(xiàn)在,汽車行業(yè)應(yīng)尋找最佳硬件裝置,以利用雙頻段和雙RAT V2X概念的優(yōu)勢(shì)。
圖4.在ITS接入層實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線電技術(shù)之間的協(xié)作與協(xié)調(diào)
推出適用于未來(lái)的V2X系統(tǒng)的單RF IC (ADRV9026)
當(dāng)今的無(wú)線設(shè)備已經(jīng)配備多種無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),每種標(biāo)準(zhǔn)都要求使用各自獨(dú)特的模塊或硬件。大多數(shù)情況下,這些模塊提供從RF層到應(yīng)用層的解決方案。在這種架構(gòu)中實(shí)施這種雙頻段V2X系統(tǒng)和提供協(xié)作和合作機(jī)制并不容易,因?yàn)檫@類模塊的制造商或供應(yīng)商并不提供自由訪問(wèn)中間層的權(quán)限,而在多種標(biāo)準(zhǔn)之間實(shí)現(xiàn)協(xié)作或合作需要這種權(quán)限。通過(guò)可用的無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)這些配置需要使用外部標(biāo)準(zhǔn)化接口。
因此,我們需要支持實(shí)現(xiàn)這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用軟件定義無(wú)線電(SDR)的無(wú)線電發(fā)射器和接收器設(shè)計(jì)讓我們能夠完全自由地在任何階段訪問(wèn)和處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。ADI RadioVerse產(chǎn)品系列包含許多可將RF轉(zhuǎn)化為比特,將比特轉(zhuǎn)化為位的寬帶無(wú)線電收發(fā)器。這種信號(hào)與RF頻段和基帶之間的轉(zhuǎn)換是基于零中頻(ZIF)架構(gòu)。從根本上說(shuō),與基于直接RF采樣的轉(zhuǎn)換相比,它要求的功率更低,因?yàn)樗须娐范荚诟膸捝瞎ぷ鳌4送?,由于ZIF放寬了對(duì)發(fā)送器和接收器的濾波要求,所以使得RF前端更簡(jiǎn)單、成本更低。
ADRV9026是對(duì)RadioVerse產(chǎn)品系列中雙頻段SDR產(chǎn)品的擴(kuò)展。這是一款單芯片全集成式RF IC。它有4個(gè)發(fā)射和4個(gè)接收通道,可以獨(dú)立編程和控制,用于發(fā)射和接收75 MHz和6 GHz之間的任何載波頻率。接收帶寬可高達(dá)200 MHz,而發(fā)射器合成帶寬可高達(dá)450 MHz。此外還提供片內(nèi)觀測(cè)路徑(每條通道的帶寬高達(dá)450 MHz),以支持高功率傳輸場(chǎng)景中功率放大器的線性化校正。圖5顯示整個(gè)收發(fā)器的功能框圖。
圖5.ADI提供的4通道發(fā)射器和4通道接收器ADRV9026 RF IC的功能框圖。14
圖6.ADRV9026可以同時(shí)在多個(gè)頻段中發(fā)送和接收
ADRV9026使用先進(jìn)的本地振蕩器架構(gòu),可以同時(shí)在多個(gè)6 GHz以下的頻段發(fā)送和接收。圖6顯示了使用單個(gè)RF IC ADRV9026在不同頻段或采用不同無(wú)線接入技術(shù)同時(shí)發(fā)送和接收的示例。在這個(gè)示例中,我們僅選擇三組頻段組合。重點(diǎn)突出ADRV9026能在75 MHz和6 GHz之間的任何頻段內(nèi)運(yùn)行。因?yàn)锳DRV9026中有4個(gè)獨(dú)立的RF通道,所以我們甚至能用各自獨(dú)立的頻段或技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)2 × 2 MIMO功能。在使用ADRV9026時(shí),我們能獲得多種優(yōu)勢(shì)。
?可以靈活選擇C-V2X中的任何頻段,且無(wú)需額外的認(rèn)證成本。
? 組合使用多個(gè)RAT要求更高的同步性能。使用ADRV9026能夠更容易地實(shí)現(xiàn)這種同步,因?yàn)閮蓚€(gè)頻段都由單個(gè)RF IC控制。在“雙頻段和雙RAT V2X系統(tǒng)”一節(jié)中,我們討論了雙頻段V2X系統(tǒng)的概念,以及如何使用單個(gè)RF IC來(lái)達(dá)成此目的。未來(lái),我們會(huì)提供有關(guān)這類雙頻段V2X設(shè)備的架構(gòu)和設(shè)計(jì)的更多細(xì)節(jié)。
? 通過(guò)使用ADRV9026,可在非??拷炀€的位置執(zhí)行RF-比特轉(zhuǎn)換。這可以避免同軸電纜中的RF信號(hào)損耗,在5.9 GHz V2X頻段中這種損耗相當(dāng)高。
? 至于RF性能方面,ADRV9026可以滿足無(wú)線基站要求?,F(xiàn)有的無(wú)線模塊基于針對(duì)終端用戶設(shè)備開(kāi)發(fā)的ASIC。所以,ADRV9026提供更高的RF性能,因此具有更低的延遲、更高的可靠性和更高的QoS。所有這些指標(biāo)可提供更高的數(shù)據(jù)速率和無(wú)線吞吐量,從而帶來(lái)更出色的駕乘體驗(yàn),以及更高的安全性。
? 高數(shù)據(jù)速率和低延遲使駕駛員或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠更快地做出反應(yīng),為安全相關(guān)用例提供更有力的支持。例如,在免許可/專用無(wú)線電資源將要達(dá)到擁堵限制的大流量場(chǎng)景中,與獨(dú)立式或單接入系統(tǒng)相比,協(xié)作/協(xié)調(diào)系統(tǒng)(如“雙頻段和雙RAT V2X系統(tǒng)”中所述)可以提供更高的可靠性和更好的安全標(biāo)準(zhǔn)。
所以,需要使用具有認(rèn)知智能和支持單個(gè)RF IC的協(xié)作/協(xié)調(diào)配置來(lái)滿足V2X用例的要求。ADI公司提供以單個(gè)設(shè)備(例如ADRV9026)實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的技術(shù)。
結(jié)論
在本文中,我們介紹了V2X通信當(dāng)前的發(fā)展情況,這是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車的關(guān)鍵因素。在這一領(lǐng)域,可以將兩種無(wú)線技術(shù)配合使用以滿足V2X服務(wù)的關(guān)鍵要求。這兩種技術(shù)分別是C-V2X和DSRC/ITS-G5,可在許可和免許可頻段內(nèi)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)/協(xié)作V2X系統(tǒng)有不同的選項(xiàng)可以選擇。ADI公司提供支持雙頻段和雙頻段無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù),具有更高的RF性能、更低的延遲、更高的數(shù)據(jù)速率和更高的可靠性。我們已討論了如何使用此RF IC來(lái)設(shè)計(jì)V2X通信設(shè)備,它可以在兩個(gè)不同的無(wú)線電頻段同時(shí)針對(duì)兩種V2X技術(shù)提供無(wú)線接入。
參考資料
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14 ADRV9026數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADI公司,2021年1月
作者簡(jiǎn)介
Danish Aziz是ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師和RF產(chǎn)品和系統(tǒng)學(xué)科問(wèn)題專家。身為技術(shù)銷售團(tuán)隊(duì)的一員,他積極參與推動(dòng)EMEA地區(qū)的增長(zhǎng)并為客戶提供技術(shù)支持。主要專注于汽車、工業(yè)、國(guó)防和蜂窩領(lǐng)域的無(wú)線連接應(yīng)用。他是ADI公司在5G汽車協(xié)會(huì)(5GAA)的代表。在2017年加入ADI公司之前,他曾擔(dān)任德國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)工程師;為3G、4G和5G系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化做出了貢獻(xiàn);曾代表貝爾實(shí)驗(yàn)室參加了幾個(gè)由歐洲和德國(guó)資助的旗艦研究項(xiàng)目。他編寫或參與編寫了超過(guò)25篇關(guān)于無(wú)線通信的技術(shù)論文,這些論文發(fā)表在國(guó)際同行可查看的IEEE平臺(tái)上;擁有20多項(xiàng)有效的和已發(fā)表的國(guó)際專利。Danish擁有斯圖加特大學(xué)的電氣工程博士和碩士學(xué)位,以及巴基斯坦卡拉奇的N.E.D.大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位。
Chris B?hm擁有德國(guó)雷根斯堡高等專業(yè)學(xué)院的電信學(xué)位,以及愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)的碩士學(xué)位。他于1995年加入ADI,曾擔(dān)任各種ASIC產(chǎn)品的數(shù)字設(shè)計(jì)工程師,包括視頻解碼器、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓鈧鬏攨⒖荚O(shè)計(jì),以及針對(duì)即將推出的5G標(biāo)準(zhǔn)的RF系統(tǒng)(最近)。他目前主要負(fù)責(zé)6 GHz以下無(wú)線電傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)處理和算法開(kāi)發(fā)。
Fionn Hurley是位于愛(ài)爾蘭利默里克的ADI公司汽車座艙電子業(yè)務(wù)部的營(yíng)銷經(jīng)理。他于2007年加入ADI公司。之前擔(dān)任RF設(shè)計(jì)工程師。他畢業(yè)于愛(ài)爾蘭科克大學(xué)(UCC),獲得電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位。