自動(dòng)駕駛的無線鏈路技術(shù)揭秘

自主駕駛車輛無線電鏈路一直在發(fā)展變化。 諸如5.9 GHz 專用短程通信技術(shù)(DSRC) 之類規(guī)范，起初作為收費(fèi)站的車輛至基礎(chǔ)設(shè)施(V2I) 系統(tǒng)規(guī)范，后來轉(zhuǎn)而運(yùn)用于其它基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，如提供限速信息，以使攝像頭無需探測(cè)道路標(biāo)記。

然而，由于全球的頻段分布已經(jīng)發(fā)生了變化，且V2I 基礎(chǔ)設(shè)施尚未廣泛分布，因此限制了自主操作的無線電技術(shù)的使用。 通過提供限速數(shù)據(jù)和其它有用信息，來自路邊裝置(RSU) 的數(shù)據(jù)能協(xié)助自主控制系統(tǒng)，這些信息如附近車輛的位置、速度和行駛方向，抑或是通過其它方式看不到的位于拐角的車輛。 但這些數(shù)據(jù)并不能總由RSU 提供，所以，車輛在無法提供這些數(shù)據(jù)的路上行駛時(shí)，必須配備攝像頭等其它檢測(cè)系統(tǒng)。 這就意味著增加開發(fā)成本和復(fù)雜性。

所以直到最近，在無線鏈路方面的要求才被視為自主駕駛車輛運(yùn)行的一個(gè)基本要素。 盡管最初的開發(fā)重點(diǎn)關(guān)注自主控制系統(tǒng)，但近來更多的設(shè)計(jì)則認(rèn)可需要采用無線鏈路來適應(yīng)大量不同的應(yīng)用。

這包括各種不同的應(yīng)用，從下載最新地圖數(shù)據(jù)讓車輛知道確切的含義，到從其它車輛接收交通信息。無線鏈路也可用于“列隊(duì)行駛”，讓車輛，尤其是卡車之間保持恒定車距。

圖1：通用汽車是率先使用車輛間數(shù)字近程通信鏈路的汽車制造商之一，從2016 年底開始便在其凱迪拉克CTS 上使用該技術(shù)。

雖然多家汽車制造商已采用DSCR 技術(shù)，如通用汽車在其2016 年底發(fā)布的凱迪拉克CTS 上采用了該技術(shù)，但LTE 蜂窩技術(shù)也在作為一種可能的無線連接技術(shù)處于檢測(cè)階段。

不過，LTE 網(wǎng)絡(luò)的延遲仍是一個(gè)問題，對(duì)于V2V 應(yīng)用時(shí)尤為嚴(yán)重。 來自車輛的數(shù)據(jù)從LTE 模塊流向基站，再通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)流回車輛附近的相同基站。DSRC 數(shù)據(jù)則直接在車輛間流動(dòng)。

圖2：自主駕駛車輛無線鏈路的DSRC 和蜂窩技術(shù)的不同用途（感謝NXP 提供資料）

因此，與之相反，基于LTE 的信息娛樂子系統(tǒng)用于向無人駕駛車輛的乘員提供信息娛樂服務(wù)，而基于DSCR 的V2X 子系統(tǒng)則用于提供安全數(shù)據(jù)。 信息娛樂子系統(tǒng)按價(jià)而定，而V2X 則要依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)將加密技術(shù)、更低的延遲和可靠性作為關(guān)鍵特性。

例如，沃爾沃曾使三輛卡車列隊(duì)橫跨歐洲，在此期間使用802.11p 無線技術(shù)在首車與其它兩輛車之間進(jìn)行直接通信。 通信系統(tǒng)與基于雷達(dá)的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)直接連接，使相鄰兩車之間保持1 秒的車距。 這樣即可讓這些車輛自主駕駛。

IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)采用5.9 GHz 頻段(5.850-5.925 GHz) 中的75 MHz 帶寬信道，而DRSC 則使用5.725 MHz 至5.875 MHz 頻段。 兩者均使用802.11a Wi-Fi 一半的帶寬或者雙倍傳輸時(shí)間，以使接收器能更可靠地處理由其它車輛或房屋反射的回波信號(hào)。

圖3：802.11a 和802.11p 標(biāo)準(zhǔn)的不同之處（感謝MathWorks 提供資料）

盡管802.11p 是DSRC 的基本協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但目前在歐洲還未實(shí)現(xiàn)完全兼容。 所以，為能確保在全歐洲范圍內(nèi)的互操作性，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化是根本要求。

DSRC 技術(shù)由現(xiàn)有的Wi-Fi 802.11ac 技術(shù)發(fā)展而來，具體器件如Cypress BCM89359。 該器件是首款Wi-Fi/智能藍(lán)牙2X2 MIMO 組合芯片，支持實(shí)時(shí)同步雙頻段(RSDB)，也是一個(gè)獨(dú)立的三模智能藍(lán)牙（4.2 版）片上系統(tǒng)(SoC)。 該器件經(jīng)過優(yōu)化，可滿足汽車行業(yè)的各種嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，并通過了AECQ100 汽車環(huán)境應(yīng)力要求測(cè)試，此外還支持完全生產(chǎn)零件批準(zhǔn)程序。

這款SoC 設(shè)計(jì)用于與Apple CarPlay 和Google Auto Link 一起使用，具有多頻段同步汽車信息娛樂和車載信息系統(tǒng)運(yùn)行功能，在2 x 2 MIMO 架構(gòu)中使用兩組天線，以獲得更高的鏈路性能。

為實(shí)現(xiàn)可靠鏈路，802.11p 無線器件還將需要一個(gè)前端。

如果工程師正為某個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目部署Wi-Fi 連接，則應(yīng)關(guān)注一下Skyworks 的SE5503A，這是一款完整的802.11a/b/g/n WLAN RF 前端模塊，具備功率放大器、濾波、功率檢測(cè)器、T/R 開關(guān)、多路復(fù)用器和相關(guān)匹配功能等全部功能。

圖4：Skyworks SE5503 為5 GHz DSRC 數(shù)據(jù)鏈提供了所有前端元件

SE5503A 外形超緊湊，是一個(gè)完整的、能覆蓋從收發(fā)器輸出到天線的2.4GHz 和5GHz WLAN RF 解決方案。 所有RF 端口均匹配50 Ω 電阻，從而簡(jiǎn)化了PCB 布局和收發(fā)器的RFIC 接口。SE5503A 還包括一個(gè)用于發(fā)射器功率檢測(cè)器，且每個(gè)發(fā)射鏈的動(dòng)態(tài)范圍均為20 dB。 每個(gè)功率放大器都具有獨(dú)立的數(shù)字使能控制功能，可用于發(fā)射器的開/關(guān)控制。 功率斜坡上升/下降時(shí)間小于0.7 μs，且在每個(gè)2.4 GHz 和5 GHz 功率放大器的輸入之前分別提供一個(gè)3.260-3.267 GHz 的和一個(gè)3.28-3.89 GHz 的陷波濾波器。 這些器件用來消除諧波干擾。

這一功能可用于提高接收器靈敏度和發(fā)射器性能，從而消除任何延遲問題并擴(kuò)大覆蓋范圍。 如果車輛從很遠(yuǎn)處的另一輛車獲取數(shù)據(jù)，那么在做出是否減速還是剎車等關(guān)鍵決定時(shí)，就需要更長的時(shí)間。 這一功能也可用于管理交通，通過使路上行駛的所有自主駕駛車輛緩慢減速，來緩解或消除走走停停的路況。

加密

為無線鏈路進(jìn)行加密得到了越來越多的認(rèn)可，但目前在實(shí)現(xiàn)中有多種不同的架構(gòu)可選。 對(duì)無線鏈路進(jìn)行保護(hù)可避免數(shù)據(jù)欺騙，也就是說，可以避免黑客向車輛發(fā)送虛假數(shù)據(jù)，例如讓車輛確信發(fā)生了事故且必須停車的虛假數(shù)據(jù)。LTE 系統(tǒng)從基站開始便已經(jīng)過加密，并由接收器進(jìn)行解密。

是否在DSRC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中進(jìn)行加密，對(duì)系統(tǒng)開發(fā)者來說是一個(gè)關(guān)鍵問題。 經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)包可在DSRC 接收器中解密，或者發(fā)送至中央控制器。 在接收器端解密會(huì)占用更多的處理能力，因?yàn)橐谝幻雰?nèi)處理數(shù)百萬個(gè)數(shù)據(jù)包且仍要保持低延遲。 這樣的優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)據(jù)包然后可以從接收器分配至不同的位置，例如將地圖更新信息直接發(fā)送至地圖子系統(tǒng)。

也可將數(shù)據(jù)包發(fā)送至中央處理單元進(jìn)行解密、評(píng)估和分配。 這樣，由于加密和未加密數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)，可能會(huì)在數(shù)據(jù)I/O 中以及總線連接上產(chǎn)生一個(gè)瓶頸。 那么就需要增加一個(gè)優(yōu)先級(jí)，但這將顯著增加系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜性。

另一種方法就是，識(shí)別出需要立即解密的高優(yōu)先級(jí)別的數(shù)據(jù)包，而時(shí)效性不太重要的數(shù)據(jù)包則延遲解碼。 不過，這是一個(gè)系統(tǒng)軟件方面的問題。

結(jié)論

在自主駕駛車輛上使用802.11p 無線標(biāo)準(zhǔn)基于已成熟的5 GHz Wi-Fi 和射頻前端設(shè)計(jì)。 能夠向附近的其它車輛和路邊裝置提供低延遲射頻連接，讓我們有大量機(jī)會(huì)來提升無人駕駛車輛的安全性。 來自其它車輛和路邊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可以及時(shí)高效地提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而提供更多的安全數(shù)據(jù)來支持其它傳感器。LTE 可用于一些數(shù)據(jù)應(yīng)用，而開發(fā)人員關(guān)注的是，在下一代5G 無線網(wǎng)絡(luò)中整合LTE 和Wi-Fi 低延遲技術(shù)，該網(wǎng)絡(luò)將從2020 年起在自主駕駛車輛中投入實(shí)際使用。

盡管這是一種成熟的技術(shù)，但仍在評(píng)估設(shè)計(jì)選項(xiàng)，尤其在安全方面。 確保所有在車輛和RSU 之間流動(dòng)的數(shù)據(jù)安全可靠是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼤?huì)很大程度上影響電子控制單元的設(shè)計(jì)和開發(fā)、車載控制器和網(wǎng)絡(luò)在功耗和性能方面的要求。 目前這些問題正在評(píng)估和解決當(dāng)中，對(duì)于將在2018 年至2020 年時(shí)間段內(nèi)發(fā)布的自主駕駛車輛相信一定會(huì)有所突破。