人類是非常複雜的生物:我們的大腦透過神經系統將訊號傳送到肌肉;與此同時,我們的神經將感覺器官感知到的資訊傳送到大腦。這樣我們就能夠在所處的環境中進行溝通、有所行為並作出反應。自動駕駛的工作原理大致相同:汽車必須對外界的影響作出反應,同時同步的與環境進行溝通。

這類車輛主要需要的是以整台車中安裝的效能強大的電腦作為大腦、以感測器作為觸覺功能,還有車用乙太網路以及高效能的5G通訊系統。打個比方,車用乙太網路構成的是神經系統,而天線則是耳朵和嘴巴。在這一過程中,它們將會使未來的自動駕駛成為現實。

連網車輛的安全性源自內部

就像人一樣,自動駕駛車輛必須從內部來促進安全性,獨立執行。高度並且完全自動化的汽車必須能夠利用自身的感測與致動系統來獨立的管理各種安全問題。而且在這樣做的同時,不得依賴於行駛在路上的其他車輛或者基礎設施所產生的資料。因此車輛需要的是來自感測器的資料以及一個敏捷的神經系統,該系統會將資料傳送給整台車中安裝的所有運算單元。

車用乙太網路恰恰就在這方面發揮了作用。由於從 IT 中興起的技術已經證實了自身的能力,因此乙太網路可以作為車廠的神經系統,從傳送速率、容錯以及首要的安全性上來說,這些技術可以滿足汽車產業的需求。此外,乙太網路被認為是面向未來準備就緒的,而這一特點對於自動駕駛極其重要。

極高的資料速率與可靠性成為關鍵標準

車用乙太網路將可實現車內的極高速度資料傳輸。目前,車用資料網路的速度最高可達10Gbps。今年美國拉斯維加斯的國際消費性電子展(CES 2019)上已經展示了初期解決方案,高頻寬與快速的訊號處理對於自動駕駛具有至關重要的作用。

此外,乙太網路必須自動防故障,並且高度可靠。為了做到這一點,汽車會配備冗餘的線束,可以彌補局部故障的問題,並且便於整個系統的持續執行。提高乙太網路可靠性的另一條途徑就是採用環形的線纜排列方式,使用了這種系統後,即使環上有一個點完全失效,各個獨立的元件仍然可以繼續相互通訊。

乙太網路必須執行的一項至關重要的任務,就是迅速可靠的將車用感測器產生的安全相關資料提供給各運算單元。這樣將使車輛能夠在城市交通中自主行駛。自動駕駛還會需要其他的資料,尤其可以提高行駛舒適性的資料。這些資料將由汽車的天線生成。此外還必須滿足特定的要求,從而將外部資料快速的回饋給車輛的電腦。

5G 通訊系統提高無人駕駛汽車的舒適度

天線已經成為連網駕駛中的一個關鍵組成部分,可以用於提供透過乙太網路從其他車輛或者基礎設施處收到的訊號,並且為汽車中用於運算的大腦提供一個連接平台。這種所謂的預處理感測器系統有些類似於連網車輛發出的語音,透過這種語音,車輛可以與環境進行通訊,並且收發訊號。

接收到的訊號可以提高舒適度,例如當車輛比預期提前施行制動的情況下;而且因為在此之前車輛已經以無線的方式報告了煞車運作,煞車會更加的輕柔。還有,一輛救護車可以透過無線的方式將它的存在告知前面的車輛,這樣前面的車輛可以及時騰出一條過道。

由於缺少頻寬,當今的感測器資料是以一種經過高度預處理的狀態來發送的。每台車目前可用的頻寬只有幾百Kb。這種情況目前還算行得通,但是對於自動駕駛來說是不夠的。車輛以後必須能夠接收更多的感測器資料,而其中的一些資料並未經過處理。這類要求使得更大的頻寬成為一種不可避免的趨勢。

理想的願景是,車輛能夠接收資料量相當於其自身現有資料的[原始]感測器資料。每家 OEM 都會實施有利於自身品牌塑造的演算法,而這些演算法只有在造訪了原始感測器資料後才會起作用──包括自身的資料以及環境的資料,這樣就會需要遠遠超出目前水準的資料流程;一直拓展到Gb水準。傳送海量資料的其他場景對於自動駕駛來說也非常重要,其中就包括下載高解析度的最新地圖,從而表明目前的建築工地以及車輛必須應對的各種障礙物。

必須擴大頻率範圍

為了能夠提供這種頻寬,天線就必須覆蓋更大的頻率範圍。這就需要一個新的標準,而現在有幾家組織正在開發這種標準。這一新標準5G V2X應當便於使用數百Mbs的頻寬,理想情況下還應支援多Gbps的頻寬。如此一來,車輛將能夠收發有關的資料量,從而提高舒適度。由於各家標準化組織目前正在合作來定義各種應用案例,專家預計最早的產品將在下一個十年開始的時候在市場上出現,並且大約從 2025 年開始支援高度的並且完全的自動駕駛。

一個仍然必須回答的重要問題就是 5G V2X 應當使用的頻率範圍。畢竟,全球還沒有60GHz以下的免費頻率範圍可以承載這種資料量。在60GHz這一領域還存在著一個物理上的問題,這一問題涉及到氧分子的共振頻率,如果這種分子開始振盪,則將會從無線電波中吸取能量,將電波的範圍限制到只有幾公尺的水準,這樣一來,車輛和基礎設施間的通訊之類的應用將不可能實現。

天線技術提供了一條解決這一問題的途徑:不再使用以環狀來發出無線電波的全向天線,而是改用多條定向天線。這種天線可以持續的將電波向一個方向照射,並且在這一過程中擴大頻率範圍。這類天線需要用來接收行駛在路上的其他車輛發出的訊號,並且也會發出自己的訊號。此外,還必須相互之間連接起來,同時與車輛的電腦保持連接。這樣反過來又將需要車用乙太網路快速的傳輸資料。

未來從現在起步

汽車製造商正透過現場試驗來測試自動化汽車。比如說,戴姆勒(Daimler)最近獲得了一項授權,在北京的城市街道上測試自動駕駛車輛;與此同時,Volvo也在瑞典的道路上試驗自動駕駛車輛。最初的結果表明駕駛員可以接受自動駕駛汽車,並且願意將控制權交給汽車。自動駕駛汽車的行為與人類相像:感測器接收訊號,透過神經系統和通訊系統將其發送給大腦,並且透過(定向)天線來與道路上的其他車輛進行通訊。

(本文作者Guido Dornbusch為Molex車輛解決方案產品管理副總裁,Alex Bormuth為Molex互連行動解決方案業務發展總監)