在自動(dòng)駕駛汽車中實(shí)現(xiàn)5G和DSRC V2X

Danish Aziz，Chris Bohm，F(xiàn)ionn Hurley

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。

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。

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。

圖2. 以通信層形式表示的ITS。

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。

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(xiě)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?？煽啃?。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?。此外，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。

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?a target="_blank">天線的位置執(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。在下一篇文章中，我們將更深入地探討如何使用基于ADRV9026的設(shè)計(jì)來(lái)展示對(duì)多頻段V2X通信的支持。

審核編輯：郭婷