超高速低延遲——新一代Wi-Fi全面升級車聯網

作者 : Peter Karlsson、Fredrik Lönegård,U-blox

因應汽車產業日益增加的用例,Wi-Fi 6/6E由於提高了頻寬容量,每個接取點服務更多客戶並啟用新的高頻使用案例,同時擴大戶外覆蓋範圍,可望為日益擁擠的頻寬需求提供解決之道…

車輛中的無線網路連接技術始於十多年前,當時使用的是簡單的藍牙(Bluetooth)以及Wi-Fi功能,然而,這方面的應用在過去幾年來急劇增加。車用無線連網一開始使用簡單的藍牙免手持裝置協議(hands-free profile;HFP),也許還有Wi-Fi熱點等;隨後則有藍牙立體聲音訊傳輸規範(Advanced Audio Distribution Profile;A2DP),多用途、多目的的Wi-Fi,以及Wi-Fi驅動的螢幕共享。

近年來,更先進的功能已蔚為主流,包括無線感測器數據收集、無線傳輸(over-the-air;OTA)韌體更新、連續資料上傳、電動車(EV)充電控制以及區域網路(例如在停車場中)的連接功能等。

人們對於無線資料傳輸的依賴只會持續深化。隨著自動駕駛系統在不同階段進入市場,預期在車輛與不同雲端系統之間的資料傳輸需求將會增加,同樣地,車對車(vehicle-to-vehicle;V2V)無線互連的頻寬也會增加。車聯網通訊(Vehicle-to-everything;V2X)則由其本身專用的Wi-Fi解決方案(IEEE 802.11p/bd)專門處理,長遠來看,很可能與高速蜂巢式通訊V2X (C-V2X)相結合。

illustration of wireless technologies for the vehicle

圖1:當今車輛已使用多種無線技術,未來還會有更多技術出現。

其次還有廣受喜愛的車載娛樂系統。就頻寬需求而言,車載娛樂系統需求之高不容忽視。愛立信(Ericsson)行動趨勢報告(Mobile Report)預測,行動視訊流量在比重與流量方面將從2019年第三季的每月63%和38艾位元組(Exabytes;EB)增加到2025年佔所有行動數據流量的75%和每月160EB。隨著車用顯示器越來越普及且資訊娛樂系統的技術持續改善,預期在車內使用影音娛樂功能的機會也隨之提高。

根據市場研究公司TrendForce的資料顯示,目前各代Wi-Fi技術中,基於802.11ac的Wi-Fi 5仍為主流,Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E (在標準化社群中也稱之為802.11ax)則處於推廣階段。為了滿足元宇宙等產業的通訊需求,包括聯發科(MediaTek)、高通(Qualcomm)與博通(Broadcom)等多家大廠已經鎖定在速度更快、更穩定的下世代802.11be,亦即Wi-Fi 7。考量技術特性、成熟度以及產品認證現況,預計2022年Wi-Fi 6/6E將會超越Wi-Fi 5躍居主流技術,全球市佔率上看58%。

車內更形擁擠

隨著無線連網車輛的應用領域及其使用案例數量增加,訊號擁塞的風險也隨之提高,進而影響連網效能。而當大量的應用組合後,由於每種應用本身都有各自的一組特性與系統需求,使得減緩系統退化變得至關重要,對於Wi-Fi系統如何處理其資源的要求也就更高了。

新一代Wi-Fi技術——Wi-Fi 6/6E進入汽車領域後,可望藉由加速並簡化汽車無線連網技術以解決這些新的挑戰。預期在未來幾年,Wi-Fi 6/6E將成為促進許多汽車系統單元發展的重要推手,包括資訊娛樂單元、車載資訊控制單元以及先進駕駛輔助系統(ADAS)。市場研究單位ABI Research估計,到2023年,汽車Wi-Fi晶片組出貨量中約有50% (3,500萬套)都將會是Wi-Fi 6,到2024年的出貨量更將達到70% (5,000萬套)。

diagram of connectivity use cases in a vehicle

圖2:在車輛內部和周圍越來越多的使用案例爭相使用相同頻譜與資源,增加了訊號擁塞、干擾以及效能降低的可能性。

未來依然適用的解決方案

藍牙和原有的802.11b/g Wi-Fi都運作於2.4GHz頻段,競相在此頻段使用相同的頻譜資源。當新興Wi-Fi使用案例的頻寬需求增加,越來越多的使用案例在5GHz頻段和2.4GHz及5GHz頻段組合上定址,或者說,一旦Wi-Fi 6E可用時,這些使用案例將在新的6GHz頻段上定址。當越來越多的數據流量轉移到更高的頻率時,就會釋放2.4GHz頻段的資源,進而擴大低成本、低功率的藍牙連接能力。

除了依賴藍牙和Wi-Fi以外,可提供用戶體驗改善、安全和保護的使用案例應該能夠利用4G和5G的蜂巢式行動技術,達到更遠、更廣的覆蓋範圍,同時提高資料傳輸速率並降低延遲。在資料傳輸速率極高且許多汽車位於受限地理區域的情況下,蜂巢式技術和Wi-Fi可以同時運行。在Wi-Fi預期將成為主要載體的使用案例中(例如在車庫、加油站或充電站或停車場內),Wi-Fi也能自行處理高資料傳輸速率。

這些無線功能的代價及其促成效能與功能提升,連帶也增加了車輛的功率消耗。然而,最新無線標準的進展、晶片組的演進以及有效的軟體協議,共同為汽車產業鋪出一條坦途,使車輛提供的功能遠遠超越早期「裝上車輪的智慧型手機」(smartphone on wheels)概念。

Wi-Fi 6穩定適用

Wi-Fi 6預計將成為全連網汽車的實際無線介面。與其前身相較,Wi-Fi 6最顯著的改善是提高了頻譜效率、通道容量增加了4倍;而Wi-Fi 6E支援6GHz且擴增至少1200MHz頻寬,相較Wi-Fi 6具有更高效率、吞吐量及安全性。這樣的改善不僅能讓每一個接取點(AP)服務更多客戶,還可能促成新的高頻寬使用案例,例如串流超高解析度視訊。Wi-Fi 6/6E的靈活性使其更適於服務使用較少量資料的客戶,而無需保留不必要的額外負擔。

另外,儘管前幾版的Wi-Fi是針對幾家客戶的需求量身打造的,主要用於室內,然而Wi-Fi 6則聚焦於眾多客戶在更擁擠環境的體驗品質(QoE)。對於汽車使用案例特別有利的是Wi-Fi 6將會帶來距離更遠、戶外覆蓋範圍更廣的體驗。

Wi-Fi 6能有效支援低頻寬流量,因此非常適合用於為物聯網(IoT)領域提供低複雜度、低功耗的Wi-Fi解決方案。在此使用案例中,目標應用將會啟用低功耗、低成本且頻寬限制在20MHz的晶片。

引擎蓋下見真章

Wi-Fi 6/6E是如何做到的?其一,它在上行鏈路和下行鏈路中都使用「正交頻分多重接取」(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)數位調變機制;亦即將每個OFDMA傳輸通道劃分為數個小型子通道(資源單元),這些通道可以同時將封包從接取點傳送給多位用戶,增加了可以同時通訊的用戶數。此外,它還減少了資源爭用與前序標頭,尤其是許多網路中普遍存在的短封包。

其次,OFDMA使用更長的正交頻域多工訊號,在各個符號之間加入更長的循環前綴(cyclic prefix),改善了子通道的使用品質,並且更能抵抗無線多路徑衰減的現象。此外,再加上新的實體層(PHY)標頭,強化了其於戶外環境中的穩健性。

Wi-Fi 6在上行鏈路和下行鏈路中更進一步使用高達8×8的多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)技術,啟用更多的空間串流以提供更高的網路傳輸速率,而1024正交振幅調變(1024-QAM),在短距離時提供更高峰值的傳輸速率。

Wi-Fi 6的其他功能包括空間重用,也稱為BSS著色,這項技術能結合幾條具有相同「色碼」(color code)的通道以傳輸訊息。而目標喚醒時間(target wake time;TWT)技術容許客戶端在閒置時進入低功耗模式,更進一步省電。

illustration of an OFDMA digital modulation scheme

3Wi-Fi 6善用OFDMA數位調變機制,將每個傳輸通道劃分為更小的子通道以提高頻寬容量;這些子通道可以同時將封包從一個接取點傳送給多位用戶。(資料來源:Intel)

由於Wi-Fi 6/6E的容量增加且更有彈性,加上高頻寬、更廣覆蓋範圍等優勢,我們預期汽車產業將會擁抱這個新的無線標準。更具體來說,各家汽車原始設備製造商(OEM)和一線汽車供應商(Tier 1)是否決定使用還有待觀察。這些年來,我們看到不同製造商在劃分車輛內的多個Wi-Fi系統方面略有不同的發展:有的根據其功能或應用面(車載資訊控制單元、車載資訊娛樂、先進駕駛輔助系統、電動車充電控制等),採用成本最佳化的使用組合,有的則採取更實體有形的部署調配,例如車內或車外的通訊。這種多元化的做法並不令人意外,因為隨著使用案例與使用領域的數量增加,技術也在同步進化發展中。

如何實施Wi-Fi和藍牙解決方案的情況也是相同的。有些製造商更喜歡採用板載晶片的實現方式,其中,Wi-Fi晶片是由Tier 1或汽車OEM自行整合在印刷電路板(PCB)上。這是比較客製化甚至是更靈活的解決辦法,而且材料成本清單(BoM)的內容也大幅減少,但這種情況並不多見。最常見的情況是,來自第三方供應商的預認證模組,為汽車製造商提供了更多優勢,包括縮短開發時間、簡化PCB與裝置設計、更容易移轉至下一代技術等等。這些優勢可確保上市時間、改善整體的直接與間接成本並降低風險。

Wi-Fi 6/6E:頻寬擁擠的解方

汽車製造商持續在先進的安全性、舒適性與便利性等功能上求進展,Wi-Fi在實現可靠的無線網路連線功能上也持續成長,成為不可或缺的要角,以因應汽車產業日益增加的使用案例。在未來幾年,現有的幾代Wi-Fi技術仍將與汽車產業相關,但是終將無法滿足日益成長的車內、車外連網需求。

Wi-Fi 6、6E儘管仍處於推廣階段,但由於提高了頻寬容量,每個接取點服務更多客戶並啟用新的高頻使用案例,同時擴大戶外覆蓋範圍,可為日益擁擠的頻寬提供了解決之道。

本文作者:

Peter Karlsson,U-blox短距離無線電產品中心資深產品行銷經理
Fredrik Lönegård,U-blox短距離無線電產品中心資技術主管

(參考原文:Wi-Fi 6 will streamline automotive connectivity,by Peter Karlsson、Fredrik Lönegård)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年3月號雜誌

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