在自動駕駛車輛中實現(xiàn)5G和DSRC V2X

作者：Danish Aziz，Chris Bohm,Fionn Hurley

很明顯，車輛通信是實現(xiàn)更高水平的自動駕駛的重要推動力。然而，長期以來，汽車行業(yè)參與者一直在調(diào)查所需的無線接入是否應(yīng)該依賴于蜂窩接入技術(shù)（也稱為C-V2X）或直接接入技術(shù)（稱為DSRC）。在這里，我們證明了自動駕駛的未來用例將需要兩種技術(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)或合作。最先進(jìn)的多無線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備采用用于不同技術(shù)的單獨模塊。因此，在沒有任何無線間標(biāo)準(zhǔn)接口的情況下，實現(xiàn)這種協(xié)作系統(tǒng)似乎很困難。我們提出了最近發(fā)布的單芯片解決方案，用于實現(xiàn)雙頻段、雙無線標(biāo)準(zhǔn)車載通信系統(tǒng)。使用單芯片，可以在多個頻段同時發(fā)送和接收。雖然該設(shè)備不符合汽車標(biāo)準(zhǔn)，但可以利用所使用的技術(shù)通過提供產(chǎn)品差異化和增強控制來提高服務(wù)質(zhì)量來支持汽車制造商。

介紹

本文的重點是車輛通信（V2X）設(shè)備的開發(fā)。將概述V2X應(yīng)用場景以及可用于執(zhí)行V2X通信的兩種無線接入技術(shù)。借助簡短的V2X介紹，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通信的無線接入可以補充未經(jīng)許可和專用頻譜范圍內(nèi)的其他無線接入候選者，例如專用短程通信（DSRC）或IEEE 802.11p。為此，有必要將用例的要求與利用多種訪問技術(shù)的優(yōu)勢的需求聯(lián)系起來。目前，在實現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)V2X器件時，可以使用具有單獨軟件/固件實現(xiàn)的多個模塊。然而，這限制了接入技術(shù)的合作/協(xié)調(diào)功能的潛力。這些限制將在“為未來的V2X系統(tǒng)引入單RF IC（ADRV9026）”一節(jié)中討論。ADRV9026是ADIRadioVerse產(chǎn)品組合中的射頻收發(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)可以實現(xiàn)多頻段V2X通信設(shè)備。?

車聯(lián)網(wǎng) （V2X） 通信

汽車世界正在迅速創(chuàng)新，以便在所有可能的駕駛場景、操作和情況下實現(xiàn)完全自動化。事實上，無線連接將需要作為基礎(chǔ)技術(shù)之一，不僅可以實現(xiàn)完全自動化，還可以實現(xiàn)較低級別的自動化。特別是，自動駕駛汽車的安全關(guān)鍵應(yīng)用將嚴(yán)重依賴無線連接。在共享駕駛空間或交通系統(tǒng)的實體存在的情況下，必須以最終 （99.999%） 的可靠性執(zhí)行安全機動。此類實體可能包括其他車輛、人員、道路上的運輸系統(tǒng)或交通管理網(wǎng)絡(luò)。因此，必須為每輛車配備無線連接，以便與系統(tǒng)中的其他實體進(jìn)行信息交換、合作和協(xié)調(diào)。

為此，歐洲的管理機構(gòu)（例如ETSI）已經(jīng)奠定了汽車智能交通系統(tǒng)（ITS）的基礎(chǔ)。類似的系統(tǒng)已經(jīng)在世界各地開發(fā)，包括美洲和亞太地區(qū)。ITS 為各種應(yīng)用程序和用例定義和指定了通信節(jié)點、架構(gòu)、協(xié)議和消息。需要新的基礎(chǔ)設(shè)施來增強未經(jīng)許可或?qū)Ｓ妙l段的基于DSRC的應(yīng)用。在智能高速公路和智慧城市計劃下，基礎(chǔ)設(shè)施部署過程已經(jīng)在許多地區(qū)活躍。在C-V2X的情況下，使用現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施。圖 1 顯示了 ITS 車輛可以與運輸系統(tǒng)中的其他車輛或其他實體通信的接口。以下是每個接口的說明：

V2V（車對車）通信：最初它僅用于廣播消息，但現(xiàn)在車輛也可以執(zhí)行單播或組播消息傳遞。該接口可用于在通信范圍內(nèi)直接從一輛車傳播到另一輛車的任何信息，例如，在緊急制動的情況下。

V2P（車對行人）通信：使用此接口，假設(shè)智能手機具有V2X應(yīng)用程序，車輛和路邊用戶可以進(jìn)行通信。例如，可以警告易受傷害的路邊使用者有接近的車輛。

V2N/V2I（車對網(wǎng)絡(luò)或車對基礎(chǔ)設(shè)施）通信：該接口可用于任何促進(jìn)智能交通的信息。

圖2.以通信層格式表示的 ITS。

蜂窩 V2X （C-V2X）

對于任何移動網(wǎng)絡(luò)運營商來說，提供100%的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋都是一個非常艱巨的挑戰(zhàn)。另一方面，無線電覆蓋孔可能比連接和自動駕駛的路孔更糟糕。因此，C-V2X提供了增強的功能，也可以在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下工作。在圖3a中，顯示了車輛在存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下進(jìn)行通信的場景。車輛有兩種通信方式：

選項 1是使用經(jīng)典的 Uu 接口（由 3GPP 命名為最終用戶設(shè)備和無線基站之間的無線電鏈路），其中蜂窩網(wǎng)絡(luò)涉及兩個通信 V2X 節(jié)點之間。

選項 2是使用稱為 PC5 的新接口，該接口在 V2X 節(jié)點之間提供直接通信。它也被稱為側(cè)鏈路 （SL） 通信。

圖 3b 中沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。但是，使用 PC5 接口，V2X 節(jié)點仍然可以通信。在覆蓋方案下，網(wǎng)絡(luò)可以使用任何分配的蜂窩頻段。下一節(jié)將介紹在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下將使用的頻段。

圖3.使用蜂窩頻率資源進(jìn)行有或沒有蜂窩覆蓋的V2X通信。

V2X 頻譜分配

歐洲已分配帶寬為70 MHz的專用頻譜，用于5.9 GHz頻段的車輛通信。4正在努力將其分配給全球。此外，目前正在開展協(xié)調(diào)工作，以便在該頻段使用ITS-G5和C-V2X。在C-V2X的背景下，該服務(wù)已經(jīng)可以使用多個蜂窩頻段以及PC5和Uu接口的組合。蜂窩標(biāo)準(zhǔn)正在研究V2X雙頻段的并發(fā)操作。基于 3GPP 規(guī)范，5,6我們創(chuàng)建了表1，總結(jié)了分別使用4G LTE和5G新無線電（5G NR）接口蜂窩無線電接入技術(shù)進(jìn)行V2X服務(wù)并發(fā)操作的一些頻段組合示例。突出顯示的行僅適用于 5G NR。

雙頻和雙RAT V2X系統(tǒng)

在存在多種無線接入技術(shù) （RAT） 和在多個頻段進(jìn)行通信的可能性的情況下，汽車 OEM 必須決定采用什么。在美國，F(xiàn)CC傾向于（在撰寫本文時）使用基于DSRC的無線接入，7,8而亞太地區(qū)則歡迎C-V2X的開發(fā)和部署。9在歐洲，我們的想法是保持無線接入技術(shù)的中立性。10在這方面，已經(jīng)提出了一些研究，概述了ITS-G5 / DSRC相對于C-V2X的優(yōu)勢。類似的研究也認(rèn)為C-V2X優(yōu)于ITS-G5。因此，汽車和電信行業(yè)的合作伙伴正在努力開發(fā)一種解決方案，使V2X服務(wù)可以利用無線接入技術(shù)在許可和非許可頻譜中提供的優(yōu)勢。11

圖4是圖2的修改版本，我們通過在無線接入和分組接入之間引入一個新的子層來詳細(xì)說明接入層。我們稱之為無線訪問管理（WAM）。該子層的功能是確保從網(wǎng)絡(luò)到無線電級別的優(yōu)化V2X服務(wù)交付。根據(jù)用例（延遲要求、QoS 等）、流量（擁塞）和鏈路（無線電質(zhì)量）條件，它可以協(xié)調(diào)（分集）或合作（更高的吞吐量）選擇不同的無線接入技術(shù)。例如，如果在 ITS-G5 空中接口上檢測到擁塞，則可以使用 C-V2X 通過 PC5 發(fā)送相同的消息。這將提供多樣性增益并確保可靠性。在車輛交換高密度地圖數(shù)據(jù)的用例中，Uu接口可以與PC5或ITS-G5配合使用，以滿足所需的高吞吐量。

IEEE的貢獻(xiàn)12,13借助分析和仿真方法，非常詳細(xì)地介紹和討論類似概念的好處，如圖 4 所示。如前所述，在C-V2X框架內(nèi)，蜂窩系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)已經(jīng)在研究4G LTE Uu和4G LTE Uu的并發(fā)操作。

5G NR Uu 頻段，5.9 GHz 頻段包含 PC5 和 ITS-G5。因此，通過前面解釋的頻段和概念的并行操作，我們可以說，標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)和應(yīng)用工業(yè)研究界已經(jīng)為雙頻段甚至雙RAT V2X系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，汽車行業(yè)是時候發(fā)現(xiàn)最佳的硬件實現(xiàn)方式了，通過這些實現(xiàn)，他們可以利用雙頻和雙RAT V2X概念的優(yōu)勢。

圖4.在ITS接入層實現(xiàn)多種無線電技術(shù)之間的合作與協(xié)調(diào)。

為未來的V2X系統(tǒng)推出單RF IC （ADRV9026）

當(dāng)今的無線設(shè)備已經(jīng)配備了多種無線標(biāo)準(zhǔn)，其中每個標(biāo)準(zhǔn)都使用其獨特的模塊或硬件來實現(xiàn)。大多數(shù)情況下，這些模塊提供從RF級到應(yīng)用層的解決方案。在這樣的架構(gòu)中實現(xiàn)這樣的雙頻V2X系統(tǒng)并提供協(xié)調(diào)合作機制并不容易，因為此類模塊的制造商或供應(yīng)商不提供訪問中間層的自由度，這是實現(xiàn)多個標(biāo)準(zhǔn)之間的協(xié)調(diào)或合作所必需的。需要使用可用的無線模塊實現(xiàn)這些實現(xiàn)，需要外部標(biāo)準(zhǔn)化接口。

因此，我們需要一種允許實施此類系統(tǒng)的設(shè)計。使用軟件定義無線電（SDR）的無線電發(fā)射器和接收器的設(shè)計為我們提供了在任何舞臺上訪問和處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的充分自由度。ADI RadioVerse產(chǎn)品組合包括許多寬帶無線電收發(fā)器，可將RF轉(zhuǎn)換為比特，并將比特轉(zhuǎn)換為RF。這種信號與RF頻段和基帶之間的轉(zhuǎn)換基于零中頻（ZIF）架構(gòu)。從根本上說，與基于直接RF采樣的轉(zhuǎn)換相比，它需要的功耗要低得多，因為所有電路的工作帶寬都要窄得多。此外，由于ZIF放寬了對發(fā)射器和接收器的濾波要求，因此它有助于實現(xiàn)更簡單、成本更低的RF前端。

ADRV9026是RadioVerse產(chǎn)品組合在雙頻SDR維度的最新擴(kuò)展。它是一款單芯片、完全集成的射頻 IC。它具有四個發(fā)射通道和四個接收通道，可以獨立編程和控制，以發(fā)送和接收 75 MHz 和 6 GHz 之間的任何載波頻率。接收帶寬最高為200 MHz，而發(fā)射器合成帶寬最高為450 MHz。 片上觀察路徑（每個帶寬高達(dá)450 MHz）也可用于支持高功率傳輸場景中功率放大器的線性化。整個收發(fā)器的功能框圖如圖5所示。

圖5.ADI公司的四通道發(fā)射器和四通道接收器ADRV9026 RF IC的功能框圖。

圖6.ADRV9026能夠在多個頻段內(nèi)同時發(fā)送和接收。

ADRV9026采用先進(jìn)的本振架構(gòu)，可以在6 GHz以下的多個頻段同時發(fā)送和接收。 圖6顯示了使用單個RF IC ADRV9026在不同頻段或不同無線接入中并發(fā)發(fā)送和接收的示例。在這里，我們只選擇了三種波段組合。我們強調(diào)ADRV9026能夠在75 MHz至6 GHz之間的任何頻段工作。 由于ADRV9026中存在四個獨立的RF通道，我們甚至可以為每個頻段或技術(shù)實現(xiàn)2×2 MIMO功能。我們看到使用ADRV9026時獲得了數(shù)倍的收益。

我們可以靈活地選擇C-V2X中的任何頻段，這種靈活性無需額外的認(rèn)證成本。

在合作中使用多個 RAT 將需要更高的同步性。與ADRV9026實現(xiàn)這種同步將更加簡單，因為兩個頻段均由單個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)的概念以及如何將單個RF IC用于此目的。將來，我們將詳細(xì)介紹這種雙頻V2X設(shè)備的架構(gòu)和設(shè)計。

使用ADRV9026，可以在非?？拷?a target="_blank">天線的地方執(zhí)行RF到位轉(zhuǎn)換。這可以避免同軸電纜中的射頻信號損耗，在5.9 GHz V2X頻段中，同軸電纜的射頻信號損耗要高得多。

在RF性能方面，ADRV9026滿足無線基站要求?，F(xiàn)有的無線模塊基于ASIC，這是為最終用戶設(shè)備開發(fā)的。因此，ADRV9026提供更高的RF性能，這意味著更低的延遲、更高的可靠性和更高的QoS。然后，所有這些指標(biāo)都提供更高的數(shù)據(jù)速率和無線吞吐量，從而轉(zhuǎn)化為增強的駕駛和乘客體驗，同時提高安全性。

憑借更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲，與安全相關(guān)的用例得到了更好的支持，因為它們?yōu)轳{駛員或自動駕駛系統(tǒng)提供了更短的反應(yīng)時間。例如，在未經(jīng)許可/專用無線電資源達(dá)到擁塞限制的繁忙流量場景中，與獨立或單接入系統(tǒng)相比，“雙頻和雙RAT V2X系統(tǒng)”中所述的合作/協(xié)調(diào)系統(tǒng)可以提供更高的可靠性和更好的安全標(biāo)準(zhǔn)。

因此，必須使用具有認(rèn)知智能和支持單個RF IC的協(xié)作/協(xié)調(diào)實現(xiàn)來滿足V2X用例的要求。ADI公司擁有在ADRV9026等單個器件上實現(xiàn)此目的的技術(shù)。

結(jié)論

在本文中，我們介紹了V2X通信的當(dāng)前發(fā)展，V2X通信是自動駕駛車輛的重要推動因素。在這個領(lǐng)域，有兩種無線技術(shù)可以相互補充，以滿足V2X服務(wù)的關(guān)鍵要求。這兩種技術(shù)是C-V2X和DSRC / ITS-G5，它們可以在許可和未許可頻段上運行。對于實現(xiàn)協(xié)調(diào)/協(xié)作的V2X系統(tǒng)有不同的選擇。ADI公司擁有支持雙頻段和雙無線標(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。我們已經(jīng)討論了如何使用這種RF IC設(shè)計V2X通信設(shè)備，該設(shè)備可以在兩個不同的無線電頻段中同時提供兩種V2X技術(shù)的無線接入。在下一篇文章中，我們將深入探討如何使用基于ADRV9026的設(shè)計來演示對多頻段V2X通信的支持。

審核編輯：郭婷