為自駕車實現5G和DSRC V2X

作者 : Danish Aziz、Chris Bohm、Fionn Hurley,ADI

為了滿足V2X通訊服務的關鍵要求,目前有兩種可以相互搭配使用的無線技術,分別是C-V2X和DSRC,可在授權和免授權頻段運行…

車輛通訊顯然是實現更高度自動駕駛的重要推動因素。但是,長期以來,汽車廠商一直在探索所需要的無線接取技術應該基於蜂巢式接取技術(即C-V2X)還是基於直接接取技術(即DSRC)。

未來的自動駕駛場景需要協調或組合使用這兩種技術。先進的多重無線標準裝置分別為這兩種不同技術採用個別的模組。因此,在缺乏無線互連標準介面的情況下,實現這種協同系統顯得非常困難。為此,本文介紹可實現雙頻、雙無線標準車載通訊系統的單晶片解決方案。利用該單晶片方案,可以在多個頻段內同時發送和接收訊號。雖然此裝置尚未經車規認證,但所用的技術可以透過提供產品差異化和增強控制來提升服務品質(QoS),為汽車製造商提供支援。

本文將重點介紹車輛通訊(V2X)裝置的發展,除了綜述V2X應用場景,並介紹可用於執行V2X通訊的兩種無線接取技術。透過簡要介紹V2X,將有助於瞭解由蜂巢式網路(也稱為蜂巢式V2X或C-V2X)控制的V2X通訊之無線接取技術可以在免授權頻段和專用頻譜範圍內補強其他無線接取備選技術,例如專用短距離通訊(DSRC)或IEEE 802.11p。

為此,必須將用例的要求和利用多重接取技術優勢的需求結合起來。為了實現多標準V2X裝置,目前可使用多個模組和個別的軟體/韌體。但是,這限制了接取技術之間合作/協調功能的潛力。為了實現多頻段V2X通訊裝置,業界開發多通道、多頻段的收發器技術。例如ADI RadioVerse產品組合中一款可覆蓋6GHz以下頻率範圍的ADRV9026 射頻(RF)收發器(TRx)。

車聯網(V2X)通訊

汽車產業正快速創新,以便為所有可能的駕駛場景、操作條件和情況實現全面自動化。事實證明,無線連接不僅是實現全自動化,也是實現低階自動化的基礎技術之一。特別是,自駕車的安全攸關應用將高度依賴無線連接。在與其他實體共用駕駛空間或交通系統的情況下,以極高(99.999%)可靠性執行安全操作至關重要。這些實體可能包括其他車輛、人員、道路上的運輸系統或交通管理網路。因此,為了與系統中的其他實體進行資訊交換、合作和協調,必須為每一輛車配備無線連接功能。

為此,歐洲管理機構(如ETSI)已經為汽車智慧交通系統(ITS)奠定了基礎。全世界都開發了類似的系統,包括美國和亞太地區。ITS針對各種應用和用例定義並指定了通訊節點、架構、協議和訊息。此外,需要新的基礎設施以增強免授權頻段或專用頻段中基於DSRC的應用。為了落實智慧高速公路和智慧城市等行動,許多地區都在積極佈署相關基礎設施。對於C-V2X,可使用現有的行動通訊基礎設施。1顯示ITS車輛能與運輸系統中其他車輛或實體進行通訊的介面。以下分別介紹各種介面:

V2V (車對車)通訊:最初僅用於廣播訊息,但現在車輛也可執行單播或多播訊息。該介面可用於通訊範圍內直接從一輛車向另一輛車傳遞資訊,例如緊急煞車時。

V2P (車對人)通訊:使用此介面,車輛和道路使用者可以透過支援V2X應用的智慧型手機通訊。例如,弱勢的道路使用者可在車輛靠近時收到提醒警示。

V2N/V2I (車對網路或車對基礎設施)通訊:此介面可用於傳輸有助於實現智慧交通的任何資訊。

Figure 1. Entities, infrastructure, and interfaces for a V2X communication system.

1V2X通訊系統中的實體、基礎設施和介面。

適用於V2X的無線接取技術

2顯示完整的ITS分層架構。頂部應用層包含用例定義,例如緊急煞車警告、十字路口避免碰撞以及交通號誌週期。其他層提供資訊和通訊支援服務,例如定位/位置資訊、提醒訊息和通知。最後,透過使用無線技術以空中下載(OTA)更新的方式來傳送這些協議訊息。

美國已經建立DSRC支援車輛通訊,歐洲則採用基於IEEE 802.11p的無線接取來實現同樣的目的。但是,這些無線技術是為了專用通訊而基於IEEE 802.11x Wi-Fi標準開發的,因此其範圍有限,而且也面臨與其他基於Wi-Fi系統類似的擁塞和QoS問題。此外,還需要投入大量資本來佈署路邊基礎設施,以確保交通管理伺服器的覆蓋範圍。另一方面,透過公共陸地行動無線電(也稱為蜂巢式通訊系統)實現無線接取可以解決覆蓋範圍和QoS的問題。蜂巢式網路已經覆蓋了大部份道路,因此還必須提供由網路控制的計劃性接取,透過避免擁塞或通話中斷來確保QoS。

第4代長期演進(4G LTE)行動通訊系統標準已提供V2X服務。但是,4G LTE的主要目標是基本安全用例。第5代(5G)行動通訊則針對更多安全關鍵和高可靠性用例。C-V2X是指透過行動網路提供的V2X服務,無論是4G LTE還是5G。車載通訊系統的整體情況使我們不僅能在不同區域,還能夠在不同頻段內使用多種技術和標準。當我們考慮適用於不同區域和不同標準的不同頻段時,整體情況還會更複雜。

Figure 2. An ITS represented in communication layers format.

2:以通訊層形式呈現的ITS

蜂巢式V2X (C-V2X)

對任何行動網路營運商來說,提供100%的蜂巢式網路覆蓋是一個非常困難的挑戰。另一方面,對於連網和自動駕駛車輛來說,無線電覆蓋漏洞要比街道上的「坑坑洞洞」更糟糕。因此,C-V2X提供增強特性,使其在沒有網路覆蓋的情況下也可以正常運作。3a顯示車輛在網路覆蓋下進行通訊的場景。對於要通訊的車輛,可以使用兩個選項:

選項1使用經典的Uu介面(3GPP為終端用戶裝置和無線電基地台之間無線電鏈路定義的名稱),兩個V2X通訊節點之間會用到蜂巢式網路。

選項2使用名為PC5的新介面,在V2X節點之間提供直接通訊。這也被稱為側鏈(Sidelink:SL)通訊。

3b所示為沒有網路覆蓋的場景。但是,使用PC5介面,V2X節點之間仍可進行通訊。在具有網路覆蓋的場景下,網路可能使用分配的蜂巢式頻段。接下來介紹在沒有網路覆蓋時會使用什麼頻段。

Figure 3. Usage of cellular frequency resources for V2X communication with or without cellular coverage.

3:存在或不存在蜂巢式網路覆蓋下進行V2X通訊所使用的蜂巢式頻率資源。

表1:Uu-PC5頻段用於4G LTE和5G NR進行V2X併發作業。

V2X頻譜分配

歐洲已在5.9GHz頻段中分配了一個70MHz頻寬的專用頻譜,用於車輛通訊。目前正著手在全球分配佈署,並展開協調工作,以便能在此頻段內使用ITS-G5和C-V2X。在C-V2X環境下,該服務可能已經搭配PC5和Uu介面以使用多個蜂巢式頻段。蜂巢式標準現正研究V2X雙頻併發操作。1是根據3GPP規範匯整列出V2X服務併發操作所使用的頻段組合示例,其中分別使用4G LTE和5G新無線電(5G NR)介面蜂巢式無線電接取技術。重點顯示的列僅適用於5G NR。

雙頻和雙RAT V2X系統

在可使用多種無線接取技術(RAT)且能在多個頻段內通訊時,汽車OEM必須決定採用哪一種。在美國,FCC傾向於(在撰寫本文時)使用基於DSRC的無線接取,亞太地區則更看好C-V2X的開發和佈署。歐洲則對無線接取技術保持中立。在這方面,目前已有多項研究結果闡述ITS-G5/DSRC相對於C-V2X的優勢。類似研究則認為C-V2X比ITS-G5更有優勢。因此,汽車和電信產業的合作夥伴正致力於開發一種解決方案,讓V2X服務能夠利用無線接取技術在授權頻譜和免授權頻譜所提供的優勢。

4是對2的修改版,在無線接取層和封包接取層之間增加了一個新的子層,稱為無線接取管理(WAM)。這個子層用於確保從網路向無線電層級提供最佳化的V2X服務。它可以基於用例(延遲要求、QoS等)、流量(擁塞)和連接(無線電品質)條件,透過協調(多樣性)或協作(更高傳輸速率)選擇不同的無線接取技術。

例如,如果檢測到ITS-G5無線介面中存在擁塞,則會使用C-V2X經由PC5發送相同的訊息。這將提供多樣性增益並確保可靠性。在車輛交換高密度地圖資料的用例中,可以將Uu介面與PC5或ITS-G5組合使用,以滿足更高傳輸速率的要求。

IEEE論文利用分析和模擬方法,詳細介紹並探討類似概念所具有的優勢(如4所示)。如之前1所示,在C-V2X架構,蜂巢式系統標準化組織已在研究5.9GHz頻段內以PC5和ITS-G5技術實現4G LTE Uu和5G NR Uu頻段的併發操作。

因此,根據前面介紹的頻段併發操作和概念,標準化組織和相關產業研究社群可以說已經為雙頻段和甚至是雙RAT V2X系統奠定了基礎。為了利用雙頻段和雙RAT V2X概念的優勢,如今正是汽車產業尋找最佳硬體裝置的時候了!

Figure 4. The realization of cooperation and coordination among multiple radio technologies in the ITS access layer.

4:在ITS接取層實現多種無線電技術之間的協作與協調。

適用於未來V2X系統的RF IC

現今的無線裝置已經配備多種無線技術標準,每一種標準都使用各自獨特的模組或硬體進行建置。大多數情況下,這些模組提供從RF層到應用層的解決方案。在此架構中進行雙頻V2X系統和提供協作和合作機制並不容易,因為這類模組的製造商或供應商並不提供存取中間層的自由度,但這卻是在多種標準之間實現協作或合作所必備的。透過可用的無線模組實現這些配置,必須使用外部標準化介面。

因此,我們需要支援實現這類系統的設計。使用軟體定義無線電(SDR)的無線電發射器和接收器設計,就能夠完全自由地在任何階段存取和處理數位資料。例如ADI RadioVerse產品系列包含許多寬頻無線電收發器,可將RF轉化為位元、將位元轉換為RF。

這種訊號與RF頻段和基頻之間的轉換基於零中頻(ZIF)架構。基本上,相較於基於直接RF採樣的轉換,它要求的功率更低,因為所有電路都作業於更窄的頻寬。此外,由於ZIF放寬了對發送器和接收器的濾波要求,使得RF前端更簡單、成本更低。

RadioVerse系列中的ADRV9026進一步擴展了雙頻SDR組合。這款單晶片全整合型RF IC有4個發射和4個接收通道,可以獨立編程和控制,用於發射和接收75MHz和6GHz之間的任何載波頻率。其接收頻寬高達200MHz,而發射器合成頻寬高達450MHz。此外還提供晶片觀測路徑(每條通道頻寬高達450MHz),以支援高功率傳輸場景中功率放大器(PA)的線性化。5是整個收發器的功能方塊圖。

A functional block diagram of quad transmitter and quad receiver ADRV9026 RF IC from Analog Devices.

5ADI提供4通道發射器和4通道接收器ADRV9026 RF IC的功能方塊圖。

The ADRV9026 is capable of concurrent transmission and reception in multiple bands.6ADRV9026可同時在多個頻段中發送和接收。

這款RF IC採用先進的本地振盪器架構,可以同時在多個6GHz以下頻段發送和接收。6顯示使用單個RF IC ADRV9026在不同頻段或採用不同無線接取技術同時發送和接收的示例。在此示例中,我們僅選擇三組頻段組合,重點突顯該RF IC能在75MHz和6GHz之間的任何頻段運行。由於ADRV9026中有4個獨立的RF通道,所以甚至能用各自獨立的頻段或技術來實現2 × 2 MIMO特性。使用這種適用於未來 V2X 系統的RF IC擁有多種優勢。

  • 可以彈性選擇C-V2X中的任何頻段,而無需額外的認證成本。
  • 組合使用多種RAT需要更高的同步性能。使用ADRV9026更容易實現這種同步,因為兩個頻段都由單一RF IC控制。
  • 使用這款RF IC就能在非常靠近天線的位置執行RF-位元轉換。這有助於避免同軸電纜中的RF訊號損耗——尤其是在9GHz V2X頻段中的損耗相當高。
  • 至於RF性能方面,ADRV9026能滿足無線基地台的要求。現有的無線模組基於為終端用戶設備開發的ASIC。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。這些指標均提供更高的資料傳輸速率和OTA傳輸速率,從而帶來更出色的駕駛體驗以及更高度安全性。
  • 更高資料傳輸速率和更低的延遲,讓駕駛人或自動駕駛系統能夠更快速做出反應,為安全相關用例提供更有力的支持。例如,在免授權/專用無線電資源將要達到擁塞限制的巨大流量場景中,與獨立式或單接取系統相比,協作/協調系統可以提供更高可靠性和更好的安全標準。

因此,為了滿足V2X用例的要求,必須使用具有認知智慧以及支援單個RF IC (例如ADRV9026)的協作/協調配置。

結論

本文介紹目前在V2X通訊的發展情況,這是實現自動駕駛車示願景的關鍵因素。在這此領域中,有兩種可以相互搭配使用的無線技術,以滿足V2X服務的關鍵要求。這兩種技術分別是C-V2X和DSRC/ITS-G5,可在授權和免授權頻段運行。實現協調/協作V2X系統有不同的選項。

為了支援雙頻和雙無線標準,ADI提供具有更高RF性能、更低延遲、更高資料速率和更高可靠的RF IC解決方案。使用該RF IC設計V2X通訊裝置,能夠在兩種不同的無線電頻段同時針對兩種V2X技術提供無線接取。

本文作者:

Danish Aziz,ADI現場應用工程師
Chris Bohm,ADI系統與軟體工程經理
Fionn Hurley,ADI車用技術部行銷經理

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年3月號雜誌

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