在自駕車中實現5G和DSRC V2X

作者:ADI 現場應用工程師Danish Aziz , 數位設計工程師Chris Bohm , 行銷經理Fionn Hurley


摘要

很顯然的,車輛通訊是實現更高的自駕水準的重要推動因素。但是,長期以來,汽車廠商一直在研究分析所需的無線存取技術應基於行動通訊技術(也稱為C-V2X)還是基於直接存取技術(稱為DSRC)。在本文中,我們將展示未來的自動駕駛場景需要協調或組合使用這兩種技術。先進的多無線標準設備需要整合分別採用不同技術的單一模組。因此,在缺乏無線互聯的標準介面的情況下,實現這種協同系統顯得非常困難。我們使用最近發佈的一款單晶片解決方案來實現雙頻、雙無線標準車載通訊系統。利用單晶片,可以在多個頻段內同時發送和接收訊號。雖然此裝置未通過汽車應用認證,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,為汽車製造商提供支援。

簡介

本文將重點介紹車輛通訊(V2X)設備的發展情況。將概述V2X應用場景,並介紹可用於執行V2X通訊的兩種無線存取技術。透過簡要介紹V2X,我們將瞭解由蜂巢式網路(也稱為行動通訊V2X或C-V2X)控制的V2X通訊的無線存取可以在免許可頻段和專用頻譜範圍內為其他無線存取備選技術提供補充,例如專用短距離通訊(DSRC)或IEEE 802.11p。為此,需要將用例的要求和利用多存取技術優勢的需求結合起來。當涉及到實現多標準V2X裝置時,目前可使用多個模組和各自獨立的軟體/韌體。但是,這會限制存取技術的協作/協調功能的潛力。有關這些限制,可參閱「推出適用於未來的V2X系統的單一RF IC (ADRV9026)」一節。 ADRV9026 是ADI RadioVerse®產品組合中的一款射頻收發器(TRx),覆蓋6 GHz以下的頻率範圍。這種多通道、多頻段收發器技術可實現多頻段V2X通訊設備。

車聯網(V2X)通訊

汽車產業正在快速創新,以便在所有可能的駕駛場景、操作條件和情況下實現全面自動化。事實證明,無線連接不僅是實現全面自動化,也是實現低階自動化的基礎技術之一。特別是,自駕車的安全關鍵應用將非常依賴無線連接。在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將非常重要。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,歐洲的管理機構(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、協定和消息。此外,需要新的基礎設施以增強免許可頻段或專用頻段中基於DSRC的應用。隨著實踐智慧高速公路和智慧城市倡議,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。圖1顯示了ITS車輛與運輸系統中的其他車輛或其他實體通訊的介面。下面介紹各種介面:

V2V(車對車)通訊: 最初它只用於廣播消息,但現在車輛也可執行單播或多播消息。這種介面可用於在通訊範圍內直接從一輛車向另一輛車傳遞任何資訊,例如,在緊急制動時。

V2P(車對人)通訊: 使用此介面,車輛和道路使用者可以透過裝有V2X應用的智慧手機通訊。例如,弱勢道路使用者可收到警報,提醒有車輛靠近。

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.

圖1. 實體、基礎設施和V2X通訊系統介面。

適用於V2X的無線存取技術

圖2顯示了整個ITS的分層架構。頂部應用層包含用例定義,例如緊急制動警告、十字路口避免碰撞和交通訊號燈週期1。其他層提供資訊和通訊支援服務,例如定位/位置資訊、提醒消息和通知。最後,透過使用無線技術在空間傳送這些協定消息。

美國已建立DSRC支援車輛通訊,歐洲則建立了基於IEEE 802.11p的無線存取來實現同樣的目的。但是,這些無線技術是基於IEEE 802.11x Wi-Fi標準開發進行專用通訊2。因此其範圍有限,並且也面臨與其他基於Wi-Fi的系統類似的擁塞和服務品質(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(也稱為行動通訊系統)實現無線存取可以解決覆蓋範圍和QoS的問題。行動通訊網路已經覆蓋了大部分道路,我們還提供由網路控制的計劃性存取,透過避免擁塞或掉話來確保服務品質。

第4代長期演進(4G LTE)行動通訊系統標準中已提供V2X服務3。但是,4G LTE的主要目標是基本安全用例。第5代(5G)則針對更多安全關鍵型和高可靠性用例。行動通訊V2X (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得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,整體情況會更為複雜。

Figure 2. An ITS represented in communication layers format.

圖2. 以通訊層形式表示的ITS。

行動通訊V2X (C-V2X)

對行動網路營運商來說,提供100%的行動通訊網路覆蓋是一個非常困難的挑戰。另一方面,對於互聯和自動駕駛車輛來說,無線電覆蓋漏洞要比街道上的漏洞更糟糕。因此,C-V2X提供增強特性,使其在沒有網路覆蓋的情況下也可以正常工作。圖3a顯示的是車輛在有網路覆蓋的情況下進行通訊的場景。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為終端使用者設備和無線電基地台之間的無線電鏈路定義的名稱),兩個V2X通訊節點之間會用到行動通訊網路。

選項2: 使用名為PC5的新介面,該介面在V2X節點之間提供直接通訊。這也稱之為側鏈(SL)通訊。

圖3b所示為沒有網路覆蓋的場景。但是,在使用PC5介面時,V2X節點之間仍可進行通訊。在有網路覆蓋的場景下,網路可能會使用分配的行動通訊頻段。下一節介紹在沒有網路覆蓋的情況下會使用什麼頻段。

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

圖3. 在有或沒有行動通訊網路覆蓋的情況下進行V2X通訊使用行動通訊頻率資源的情況。

表1. 4G LTE和5G NR中進行併發V2X操作使用的Uu-PC5頻段
V2X 併發頻段配置 僅適用於5G NR LTE 4G/5G NR 或 V2X 工作頻段 介面 工作頻段 上行鏈路 (UL) BS 接收 – UE 發送 下行鏈路 (DL) BS 發送 – UE 接收 雙工模式
Flow Fhigh
V2X_34-47   34 Uu 2010 MHz 2025 MHz TDD
47 PC5 5855 MHz 5925 MHz HD
V2X_39-47   39 Uu 1880 MHz 1920 MHz TDD
47 PC5 5855 MHz 5925 MHz HD
V2X_41-47   41 Uu 2496 MHz 2690 MHz TDD
47 PC5 5855 MHz 5925 MHz HD
V2X_38-47 38 Uu 2570 MHz 2620 MHz TDD
47 PC5 5855 MHz 5925 MHz HD
V2X_48-47 48 Uu 3550 MHz 3700 MHz TDD
47 PC5 5855 MHz 5925 MHz HD
V2X_79-47 79 Uu 4400 MHz 5000 MHz TDD
47 PC5 5855 MHz 5925 MHz HD

V2X頻譜分配

歐洲已分配一個在5.9 GHz頻段內頻寬為70 MHz的專用頻譜,用於進行車輛通訊4。目前正著手在全球範圍內分配佈署。此外,正在進行協調工作,以便能在此頻段內使用ITS-G5和C-V2X。在C-V2X環境下,該服務可能已經透過組合使用PC5和Uu介面來使用多個行動通訊頻段。行動通訊標準正在研究V2X雙頻段併發操作。根據3GPP規範5,6,我們創建了表1,匯總列出V2X服務併發操作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)介面行動通訊無線電存取技術。重點顯示的列僅適用於5G NR。

雙頻段和雙RAT V2X系統

在可使用多種無線存取技術(RAT)且能夠在多個頻段內通訊時,汽車OEM必須決定採用哪種。在美國,FCC傾向於(在撰寫本文時)使用基於DSRC的無線存取7,8,亞太地區則傾向於開發和佈署C-V2X9。歐洲對無線存取技術保持中立10。在這方面,目前已發佈了多項研究結果來闡述ITS-G5/DSRC相對於C-V2X的優勢。類似研究也認為C-V2X比ITS-G5更有優勢。因此,汽車和電信產業的合作夥伴正在努力開發一種解決方案,使V2X服務能夠利用無線存取技術在許可頻譜和免許可頻譜中提供的優勢11

圖4是對圖2的修改版,我們在無線存取層和分組存取層之間加了一個新的子層,以詳細展示存取層。我們稱之為無線存取管理(WAM)。這個子層用於確保從網路向無線電層級提供優化的V2X服務。它可以基於用例(延遲要求、QoS等)、流量(擁塞)和連結(無線電品質)條件透過協調(多樣性)或協作(更高輸送量)選擇不同的無線存取技術。例如,如果檢測到ITS-G5無線介面中存在擁塞,則會使用C-V2X透過PC5發送相同的消息。這將提供多樣性差異化增益並確保可靠性。在車輛交換高密度地圖資料這個用例中,可以將Uu介面與PC5或ITS-G5組合使用,以滿足高輸送量要求。

IEEE論文12,13利用分析和模擬方法,詳細介紹和探討了類似概念所具有的優勢(如圖4所示)。如之前使用表1所述,在C-V2X框架內,行動通訊系統標準化機構已在探討研究透過5.9 GHz頻段內的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,我們可以說標準化機構和相關的工業研究社區已為雙頻段,甚至是雙RAT V2X系統奠定了基礎。現在,汽車產業應尋找最佳硬體裝置,以利用雙頻段和雙RAT V2X概念的優勢。

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

圖4. 在ITS存取層實現多種無線電技術之間的協作與協調。

推出適用於未來 V2X 系統的單射頻 IC (ADRV9026)

現今的無線設備已經配備多種無線技術標準,每種標準都要求使用各自獨特的模組或硬體。大多數情況下,這些模組提供從RF層到應用層的解決方案。在這種架構中進行這種雙頻段V2X系統和提供協作和合作機制並不容易,因為這類別模組的製造商或供應商並不提供自由存取中間層的許可權,而在多種標準之間實現協作或合作需要這種許可權。透過可用的無線模組實現這些配置需要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讓我們能夠完全自由地在任何階段存取和處理數位資料。ADI RadioVerse產品系列包含許多可將RF轉化為位元,將位元轉化為RF的寬頻無線電收發器。

這種訊號與RF頻段和基步之間的轉換是基於零中頻(ZIF)架構。從根本上說,相較於基於直接RF採樣的轉換,它要求的功率更低,因為所有電路都在更窄的頻寬上工作。此外,由於ZIF放寬了對發送器和接收器的濾波要求,所以使得RF前端更簡單、成本更低。

ADRV9026是對RadioVerse產品系列中雙頻段SDR產品的擴展。這是一款單晶片全整合式RF IC。它有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75 MHz和6 GHz之間的任何載波頻率。接收頻寬可高達200 MHz,而發射器合成頻寬可高達450 MHz。此外還提供晶片內觀測路徑(每條通道的頻寬高達450 MHz),以支援高功率傳輸場景中功率放大器的線性化校正。圖5顯示整個收發器的功能框圖。

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

圖5. ADI提供的4通道發射器和4通道接收器ADRV9026 RF IC的功能框圖。

The ADRV9026 is capable of concurrent transmission and reception in multiple bands.

圖6. ADRV9026可以同時在多個頻段中發送和接收。

ADRV9026使用先進的本地振盪器架構,可以同時在多個6 GHz以下的頻段發送和接收。圖6顯示了使用單一RF IC ADRV9026在不同頻段或採用不同無線存取技術同時發送和接收的示例。在這個示例中,我們僅選擇三組頻段組合。重點突顯ADRV9026能在75 MHz和6 GHz之間的任何頻段內運行。因為ADRV9026中有4個獨立的RF通道,所以我們甚至能用各自獨立的頻段或技術來實現2 × 2 MIMO功能。在使用ADRV9026時,我們能獲得多種優勢。

  • 可以彈性選擇C-V2X中的任何頻段,且無需額外的認證成本。
  • 組合使用多個RAT要求更高的同步性能。使用ADRV9026能夠更容易實現這種同步,因為兩個頻段都由單一RF IC控制。在「雙頻段和雙RAT V2X系統」一節中,我們討論了雙頻段V2X系統的概念,以及如何使用單個RF IC來達成此目的。未來,我們會提供有關這類雙頻段V2X設備的架構和設計的更多細節。
  • 透過使用ADRV9026,可在非常靠近天線的位置執行RF-位元轉換。這可以避免同軸電纜中的RF訊號損耗,在5.9 GHz V2X頻段中這種損耗相當高。
  • 至於RF性能方面,ADRV9026可以滿足無線基地台要求。現有的無線模組基於針對終端使用者設備開發的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。所有這些指標可提供更高的資料速率和無線輸送量,從而帶來更出色的駕駛體驗,以及更高的安全性。
  • 高資料速率和低延遲使駕駛員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援。例如,在免許可/專用無線電資源將要達到擁塞限制的大流量場景中,與獨立式或單存取系統相比,協作/協調系統(如「雙頻段和雙RAT V2X系統」中所述)可以提供更高的可靠性和更好的安全標準。

所以,需要使用具有認知智慧和支援單一RF IC的協作/協調配置來滿足V2X用例的要求。ADI提供以單一設備(例如ADRV9026)實現此目標的技術。

結論

在本文中,我們介紹了V2X通訊目前的發展情況,這是推動實現自動駕駛汽車的關鍵因素。在這一個領域中,可以將兩種無線技術配合使用以滿足V2X服務的關鍵要求。這兩種技術分別是C-V2X和DSRC/ITS-G5,可在許可和免許可頻段內運行。實現協調/協作V2X系統有不同的選項可以選擇。ADI提供支援雙頻段和雙頻段無線標準的技術,具有更高的RF性能、更低的延遲、更高的資料速率和更高的可靠性。我們已討論了如何使用此RF IC來設計V2X通訊設備,它可以在兩個不同的無線電頻段同時針對兩種V2X技術提供無線存取。在下一篇文章中,我們將更深入地探討如何使用基於ADRV9026的設計來展示對多頻段V2X通訊的支援。

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