天線分集技術(shù)改善自遮罩效應(yīng)

車對(duì)車(Car-to-Car)通訊效能可望大幅精進(jìn)。由于汽車無線電效能極易受到周遭環(huán)境影響，因此車廠在導(dǎo)入IEEE 802.11p車對(duì)車通訊功能時(shí)，多會(huì)借力天線分集設(shè)計(jì)與高階數(shù)位訊號(hào)處理器，以降低天線自遮罩效應(yīng)，改善收發(fā)器訊號(hào)品質(zhì)。

在推出IEEE 802.11p Car2X應(yīng)用時(shí)，原始設(shè)備制造商(OEM)希望獲得更多擴(kuò)展性(Scalability)，以便為低階到高階市場(chǎng)提供服務(wù)；而天線的數(shù)目，以及天線拓?fù)渑c相應(yīng)的基頻處理是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性的關(guān)鍵考量。

智慧運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)的應(yīng)用場(chǎng)合要求接收端具備不同的可靠性，同樣影響天線拓?fù)涞倪x擇。雙IEEE 802.11p天線可促成分集接收與發(fā)射方案的改善，進(jìn)而提升服務(wù)品質(zhì)(QoS)。

由于OEM和一級(jí)汽車電子供應(yīng)商皆希望打造一個(gè)能涵蓋所有參數(shù)，且系統(tǒng)成本最低的設(shè)計(jì)，因此具備可擴(kuò)展性、可實(shí)現(xiàn)更短RF電纜，且同時(shí)支援單通道和雙通道分集的IEEE 802.11p解決方案，已日益受到市場(chǎng)矚目。

ITS為汽車產(chǎn)業(yè)帶來新契機(jī)

ITS是新興的應(yīng)用領(lǐng)域，為一系列工具開啟了新市場(chǎng)，提供更安全、更環(huán)保的駕駛體驗(yàn)。推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的因素之一是車對(duì)車(C2C)和車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(C2I)的無線通訊。廣播與接收汽車位置和速度資訊能讓汽車建立周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型。

車 對(duì)車通訊聯(lián)盟和防撞系統(tǒng)合作團(tuán)隊(duì)(CAMP)等產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的行動(dòng)，反映目前全球正致力朝向ITS發(fā)展，如展開各種專案計(jì)劃以及制定各種標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 1609和ETSI TC-ITS)。另外，荷蘭的SPITS荷蘭、德國(guó)的simTD、法國(guó)的Score@F與美國(guó)的Safety Pilot等ITS相關(guān)實(shí)地測(cè)試計(jì)劃，亦如火如荼進(jìn)行中。

但一個(gè)待解決的重要問題是：如何將ITS導(dǎo)入汽車中？要獲得一個(gè)有效的互聯(lián)汽車網(wǎng)路，至少有10%的汽車需要配備ITS模組。為在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到此目標(biāo)數(shù)字，低階、主流和高階汽車都須具備車對(duì)車通訊的連結(jié)能力，因此解決方案須要具備擴(kuò)展性，方能滿足不同的成本考量。

系統(tǒng)擴(kuò)展性是由多方面所決定，天線位置和無線電前端模組位置(調(diào)諧和基頻處理)是關(guān)鍵成本因素。弧形車頂會(huì)在一特定方向上造成自遮罩，而天線分集可大幅減少 該效應(yīng)。同樣地，天線分集亦可改善在玻璃車頂、行李架和雪橇架上的性能。另一方面，在低階和主流汽車中，天線模組可能會(huì)安裝在單一位置上。無線電前端模組 含有IEEE 802.11p/1609.x收發(fā)器，在空間許可的情況下可靠近天線安裝并連接，也可集中放置在箱內(nèi)，電纜的成本與性能將受到該選擇性影響。

差異化的另一方面在于同時(shí)接收的通道數(shù)，用戶可以使用雙通道接收器，以便保持同時(shí)接收控制通道和服務(wù)通道的訊號(hào)；也可使用單通道接收器，并在兩個(gè)通道間進(jìn)行 切換。通道間切換使所需資源減半，同時(shí)降低物料成本。雖然強(qiáng)烈建議在安全應(yīng)用中采用雙通道接收器以獲得最佳的接收品質(zhì)，但也可在單天線接收和雙天線(分 集)接收之間做出選擇。使用分集接收能夠良好地應(yīng)對(duì)車對(duì)車通訊中快速變化的多通道環(huán)境，使接收更穩(wěn)定。

從ITS面市的第一天起，眾所 關(guān)注的焦點(diǎn)即是整合應(yīng)用實(shí)例，如車輛緊急狀況警告、防碰撞支援、緊急制動(dòng)燈、危險(xiǎn)位置警告等。正如部分產(chǎn)業(yè)論壇所得出的結(jié)論，單安全通道(CCH)接收應(yīng) 足夠應(yīng)付初階應(yīng)用系統(tǒng)。未來會(huì)提供服務(wù)通道(SCH)，推出諸如交通資訊、網(wǎng)路可用性、收費(fèi)等各種應(yīng)用實(shí)例。

天線/收發(fā)器位置決定通訊效能

表 1分別顯示有/無天線分集情況下的接收/發(fā)送安全和服務(wù)通道。在無分集的情況下，藉由高階數(shù)位訊號(hào)處理應(yīng)對(duì)惡劣的車對(duì)車無線電環(huán)境，可以改善接收品質(zhì)。除 此之外，天線(或空間)分集是一種廣為人知的接收增強(qiáng)技術(shù)，可減少訊號(hào)衰減和都普勒效應(yīng)(Doppler)。OEM必須指定汽車是否只能操作安全通道，或 者可同時(shí)操作安全通道和服務(wù)通道。另外，使用分集技術(shù)結(jié)合適當(dāng)?shù)幕l接收器高階數(shù)位訊號(hào)處理，可提升品質(zhì)。如果安裝了兩個(gè)天線，則可實(shí)現(xiàn)發(fā)送分集，并使其 他汽車內(nèi)的接收器更佳地?cái)X取或接收802.11p訊號(hào)。

OEM 對(duì)ITS天線的位置以及所用天線的數(shù)量將會(huì)有不同的要求，主要考量為外觀美感、汽車類型及接收性能(如前文所述的分集應(yīng)用)等因素(表2)。若車頂相對(duì)較 為平整，則OEM可決定以鰭狀配置安裝一個(gè)或兩個(gè)天線，若ITS波長(zhǎng)夠短(約5公分)，兩個(gè)鰭狀天線毋須考量近場(chǎng)天線物理定律。若車頂呈弧形，則鰭狀配置 ITS天線會(huì)降低全向訊號(hào)強(qiáng)度，使天線的輻射訊號(hào)呈非對(duì)稱狀。解決方案之一是安裝兩個(gè)天線，一個(gè)靠近后照鏡，另一個(gè)安裝在車頂。又如敞篷車或無法進(jìn)行鰭狀 配置的車輛，也可將天線安裝于側(cè)后照鏡內(nèi)而非安裝于車頂上。通常，如果天線安裝在鏡子中，則須采用數(shù)位基頻處理器進(jìn)行分集接收。

ITS 收發(fā)器位置，以及相對(duì)于天線的ITS基頻處理器位置都會(huì)影響成本。在5.9GHz下，RF電纜具有相對(duì)較高的電纜損耗。為了滿足RX靈敏度要求以及TX發(fā) 送功率要求，發(fā)送器或基頻須安放在天線附近，或?qū)μ炀€模組進(jìn)行補(bǔ)償(如LNA和PA等主動(dòng)式天線)。當(dāng)天線相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)(如超過1公尺)，可能需要更長(zhǎng)的同 軸電纜才能實(shí)現(xiàn)分集。另一個(gè)方法是在模組間提供數(shù)位介面，可在元件之間實(shí)現(xiàn)分散式對(duì)稱處理。接下來將分析幾個(gè)分集情境。

未來OEM不 僅透過ITS，還會(huì)使用雷達(dá)、超音波、攝影裝置等增強(qiáng)汽車安全性。汽車中的中央微處理器(MPU)藉由將應(yīng)用軟體與不同應(yīng)用的上層軟體相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)某種 形式的感測(cè)融合。當(dāng)安全硬體和軟體位于中央微處理器層，而非位于基頻處理器上時(shí)，便產(chǎn)生了一個(gè)系統(tǒng)層面的定義。

上述所有要求將會(huì)產(chǎn)生 下列部署選擇：系統(tǒng)最多可同時(shí)支援多少通道(CCH和SCH)？可采用多少天線？接收是否具有分集特性，以改善性能？天線和ITS子系統(tǒng)安裝在哪里？(安 裝在左后照鏡中，還是采用鰭狀配置？安裝在車頂下方靠近天線的位置，或/和后視鏡中？安裝座位下方的箱子或行李箱中)另外，ITS做為感測(cè)器是否與其他 感測(cè)器組合(如雷達(dá)、行車攝影裝置等)

目前有廠商開發(fā)出的解決方案系奠基于WISPA收發(fā)器以及MARS-ITS基頻處理器。WISPA RF收發(fā)器中的兩個(gè)調(diào)諧器可調(diào)諧至不同的頻率，實(shí)現(xiàn)雙通道接收；也可調(diào)諧至相同的頻率，實(shí)現(xiàn)單通道分集接收。發(fā)送器可調(diào)諧至TX循環(huán)延遲分集(CDD)。 MARS-ITS基頻處理器是以數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)為基礎(chǔ)的引擎，并輔以專用硬體加速器。基頻處理器用于處理雙通道802.11p編碼和解碼，或單 通道分集(RX和TX)?；l處理器采用Cohda Wireless演算法，可處理行車視線外車對(duì)車通訊以及高行動(dòng)性的通道條件。該解決方案擴(kuò)展了通訊范圍，因而有更多的時(shí)間預(yù)測(cè)潛在事故，確保通訊連貫 性。

圖1表示資料從天線流入MAC層，上半部線條表示CCH通道，而下方線條代表SCH通道。使用解碼器輸出做為通道估算的一部分，藉由此技術(shù)改善接收品質(zhì)。這種方法在傳送資料封包期間采用逐一更新訓(xùn)練符號(hào)以適應(yīng)等化器，與開始發(fā)送資料封包時(shí)執(zhí)行單一訓(xùn)練符號(hào)有所不同。

圖1　單晶片、雙通道、無分集示意圖

為了實(shí)現(xiàn)單通道分集接收，必須在接收路徑上的某處以最優(yōu)化的方式組合兩個(gè)天線的訊號(hào)。這部分可在解調(diào)步驟中計(jì)算位元對(duì)數(shù)似然比(LLR)時(shí)達(dá)成。

MARS-ITS晶片設(shè)計(jì)用于單通道接收(分集或無分集)或雙通道無分集接收。對(duì)于雙通道分集接收而言，預(yù)計(jì)使用兩個(gè)MARS-ITS晶片以及一個(gè)數(shù)位介面，即可實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展式解決方案。

圖2顯示使用RF電纜的分集技術(shù)，該技術(shù)的劣勢(shì)是須要使用昂貴的同軸電纜和主動(dòng)式天線，以補(bǔ)償較高的電纜損耗，該配置未使用任何數(shù)位介面。

圖2　雙晶片，使用RF電纜的通道分集

圖 3中的雙通道天線分集使用數(shù)位介面，具有雙通道接收性能。如前面所述，接收路徑上的某些點(diǎn)可用于交換資料，以達(dá)成天線訊號(hào)的組合，如圖3中的箭頭所示。該 范例說明了三種方法：(1)在進(jìn)行任何解調(diào)之前先交換資料，基頻樣本也同時(shí)進(jìn)行交換；(2)最佳組合(LLR一個(gè)方向，訓(xùn)練符號(hào)另一個(gè)方向)；(3)可基 于CRC結(jié)果選擇接收資料封包。這三種介面選項(xiàng)各自具有不同的頻寬和時(shí)延要求。

圖3　雙晶片，使用數(shù)位介面的通道分集

但請(qǐng)注意，當(dāng)ITS上層軟體層集中在單個(gè)處理器時(shí)，第三種方法可能不需要額外的數(shù)位介面，因?yàn)樵搶蛹纯烧_選擇資料封包。

圖4是針對(duì)16-QAM和R=1/2回旋編碼模式(12Mbit/s)進(jìn)行模擬與計(jì)算，適用于獨(dú)立、分布相同的Rayleigh衰退通道模型。位元錯(cuò)誤率在Viterbi解碼之前(如軟解映射之后)或之后確定。

圖4　Rayleigh衰退通道的單天線和雙天線接收性能

前文中的圖形著重在接收路徑，數(shù)位連結(jié)必須要能以較低的時(shí)延傳輸大量資料。服務(wù)通道中的單點(diǎn)傳播操作要求較短的回饋循環(huán)。在傳輸路徑上，最主要的技術(shù)問題是確保分開的兩個(gè)基頻晶片之間具有固定時(shí)延，發(fā)送回圈分集技術(shù)要求輸出訊號(hào)時(shí)間保持一致。

在所有汽車中導(dǎo)入C2X通訊，可擴(kuò)展性在技術(shù)上將是一大挑戰(zhàn)。性能、天線位置、收發(fā)器和服務(wù)數(shù)量為互相牽制的參數(shù)，致使無法達(dá)成一可行的解決方案。

基于Cohda軟體和量產(chǎn)IC的原型產(chǎn)品，能滿足前述OEM要求，可支援所有天線配置，并支援分集和非分集模式下的單通道與雙通道訊號(hào)處理。透過軟體方式，實(shí)現(xiàn)有/無天線分集情況下的雙通道接收或單通道接收的靈活部署，且支援運(yùn)行時(shí)模式切換。

分集模式部署可透過同軸電纜或數(shù)位連結(jié)電纜達(dá)成。使用數(shù)位電纜時(shí)，必須注意所用的數(shù)位介面類別。原型中使用的是非標(biāo)準(zhǔn)介面，以進(jìn)行概念驗(yàn)證。有鑒于EMC、 汽車認(rèn)證等原因，建議使用標(biāo)準(zhǔn)介面，以執(zhí)行大吞吐量負(fù)載(如乙太網(wǎng)、USB)。更重要的是數(shù)位介面上的時(shí)延是固定的，且數(shù)值較小。