技術(shù)演變正在進(jìn)行：V2X 架構(gòu)

本文作者 Mouser Electronics 的 Steve Taranovich

3GPP 計(jì)劃在 V2X 中使用 5G 技術(shù)以及汽車(chē)級(jí)別的射頻前端模塊（FEM），相比于當(dāng)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(shì)。

新興車(chē)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(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(dá)和激光雷達(dá)。然而，現(xiàn)有的另一種無(wú)線技術(shù)，即車(chē)對(duì)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(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(dòng)網(wǎng)絡(luò)將提供適合車(chē)對(duì)車(chē) (V2V) 以及車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 通信的連接。汽車(chē)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(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(jì)劃如何在 V2X 應(yīng)用中使用 5G 技術(shù)，較當(dāng)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)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

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(tǒng) (ITS) 服務(wù)將得到廣泛應(yīng)用。如此以來(lái)，自動(dòng)駕駛會(huì)最終實(shí)現(xiàn)，并要求通過(guò)先進(jìn)的通信技術(shù)（如 5G V2X）在車(chē)輛內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)，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(duì)萬(wàn)物技術(shù)是一種雙向通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)以及周?chē)赡軙?huì)對(duì)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(dòng)駕駛之前，這些應(yīng)用將對(duì)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(duì)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(shí)別，將控制或延長(zhǎng)交通信號(hào)燈/信號(hào)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(qū)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(dá)和激光雷達(dá)等視距 (LoS) 傳感器的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)范圍，也是車(chē)輛相互通信以及與周?chē)f(wàn)物通信的基礎(chǔ)。2014 年，3GPP 以第 14 版開(kāi)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(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車(chē)對(duì)網(wǎng)絡(luò) (V2N)、車(chē)對(duì)車(chē) (V2V)、車(chē)對(duì)行人 (V2P)、車(chē)對(duì)弱勢(shì)道路使用者（如自行車(chē)手）、車(chē)對(duì)設(shè)備 (V2D) 以及車(chē)對(duì)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(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(wú)線電移動(dòng)服務(wù)一樣，使用一種稱(chēng)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)?a target="_blank">天線系統(tǒng)管理。

• 與所有無(wú)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(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)。

圖 1：主要的 C-V2X 用例：車(chē)對(duì)車(chē) (V2V)、車(chē)對(duì)行人 (V2P)、車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 和車(chē)對(duì)網(wǎng)絡(luò) (V2N)。V2X 安全消息可能包括歐洲的協(xié)作意識(shí)消息 (CAM) 和分散環(huán)境通知信息 (DENM)，以及美國(guó)的基本安全消息 (BSM)。（數(shù)據(jù)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(duì)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(duì)于模擬和混合信號(hào)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(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)線電架構(gòu)。（數(shù)據(jù)來(lái)源：IEEE）

汽車(chē)前端模塊(FEM)

Qorvo 已開(kāi)發(fā)出對(duì)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(duì)車(chē) (V2V)、車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車(chē)對(duì)行人 (V2P) 和車(chē)對(duì)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(duì)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(tǒng)）的集成式前端模塊 (FEM)、一個(gè)數(shù)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(shè)計(jì)解決方案如下：

• QPF1002Q：一款經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)，采用 5.0mm x 4.0mm 封裝。

• QPF1003Q：一款經(jīng)過(guò)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(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(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(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(duì)萬(wàn)物）系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案。C-V2X 系統(tǒng)將能夠感知周?chē)h(huán)境，在互聯(lián)車(chē)輛中實(shí)現(xiàn)下一代自動(dòng)駕駛和實(shí)時(shí)監(jiān)控。C-V2X 使用 5.9GHz 智能交通系統(tǒng) (ITS) 頻段中的低時(shí)延傳輸。

QPF1002Q 還在單個(gè)設(shè)備中集成了一個(gè) 5GHz 功率放大器 (PA)、Tx/Rx 天線開(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(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(shí)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(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(jí)認(rèn)證的汽車(chē)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(jí)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

• 工作頻率范圍：5.77GHz 至 5.925GHz

• 針對(duì) +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(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(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用：

• ITS C-V2X

• 汽車(chē)前端

• 汽車(chē)遠(yuǎn)程通信

• 汽車(chē)信息娛樂(lè)

C-V2X 側(cè)行鏈路

第 16 版 5G 為采用 5G 新無(wú)線電 (NR) 的行業(yè) C-V2X 應(yīng)用帶來(lái)了側(cè)行鏈路。該版本推動(dòng)了 C-V2X 應(yīng)用的發(fā)展，如車(chē)輛編隊(duì)、高級(jí)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(dòng)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(guò) 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(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(xù)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(yùn)動(dòng)信息）。

?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(lài)于持續(xù)、詳細(xì)的位置信息，這會(huì)導(dǎo)致隱私問(wèn)題。對(duì)于私家車(chē)，位置信息會(huì)透露駕駛員的運(yùn)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(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(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(dá)到臨界水平之前，對(duì)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(méi)有研究具體的算法，而是對(duì) 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(shí)，MAC 對(duì)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(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(cè)行鏈路（亦稱(chēng)為 PC5 接口）實(shí)現(xiàn)車(chē)輛用戶(hù)設(shè)備 (VUE) 之間的直接通信。C-V2X 側(cè)行鏈路是第一個(gè)在物理層將距離作為維度使用的無(wú)線系統(tǒng)。這樣就可以在各種 LoS 和非 LoS 無(wú)線電環(huán)境下實(shí)現(xiàn)統(tǒng)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(duì)網(wǎng)絡(luò) (V2N)，基于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò) (Uu)

2. 車(chē)對(duì)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(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(lài)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(wú) SIM 運(yùn)行。C-V2X 擁有完全自主性，且不依賴(lài)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

請(qǐng)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(chǔ)設(shè)施，支持各種車(chē)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(duì)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(jī)制。

其他 V2X 應(yīng)用包括可增強(qiáng)現(xiàn)有方法的車(chē)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(dòng)警告功能，并提高十字路口的態(tài)勢(shì)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(duì)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(fù)到安全更新等，如需提供支持，以便汽車(chē)中廣泛的軟件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線 (OTA) 軟件更新，V2X 則至關(guān)重要。

V2X 安全消息可包含美國(guó)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(shí)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(guò)使用此消息系統(tǒng)，車(chē)輛接收單元還能夠進(jìn)行碰撞預(yù)測(cè)，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(wèn)題。另一種安全方法是使用公鑰證書(shū)對(duì)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(shū)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(chē)協(xié)會(huì) (5GAA) 在《V2X 功能和性能測(cè)試報(bào)告》中進(jìn)行了 V2X 性能和功能測(cè)試。測(cè)試報(bào)告顯示，5GAA 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì) C-V2X 技術(shù)進(jìn)行了高度擁堵場(chǎng)景測(cè)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(duì)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(cuò)的結(jié)果。

結(jié)論

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

汽車(chē)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(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(xiàn)發(fā)展，從而消除了競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)導(dǎo)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(xiàn)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)造可觀的全新收入來(lái)源。目前，C-V2X 已應(yīng)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(xiǎn)者。

更令人興奮的是，福特已成為中國(guó)市場(chǎng)首家生產(chǎn) C-V2X 汽車(chē)的制造商。在中國(guó)，此類(lèi)采用先進(jìn)技術(shù)的車(chē)輛可向前方交通信號(hào)燈發(fā)送重要的交通信息。這樣就可以控制交通信號(hào)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(hào)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(chē)的儀表盤(pán)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(chē)輛技術(shù)發(fā)展即將到來(lái)，它們將顯著改進(jìn)人們的駕駛方式。