在自動駕駛汽車中實現(xiàn)5G和DSRC V2X

很顯然，車輛通信是實現(xiàn)更高的自動駕駛水平的重要推動因素。但是，長期以來，汽車廠商一直在研究分析所需的無線接入技術(shù)應(yīng)基于蜂窩技術(shù)（也稱為C-V2X）還是基于直接接入技術(shù)（稱為DSRC）。在本文中，我們將展示未來的自動駕駛場景需要協(xié)調(diào)或組合使用這兩種技術(shù)。先進的多無線標準設(shè)備需要集成分別采用不同技術(shù)的單個模塊。因此，在缺乏無線互聯(lián)的標準接口的情況下，實現(xiàn)這種協(xié)同系統(tǒng)顯得非常困難。我們使用最近發(fā)布的一款單芯片解決方案來實現(xiàn)雙頻、雙無線標準車載通信系統(tǒng)。利用單芯片，可以在多個頻段內(nèi)同時發(fā)送和接收信號。雖然此設(shè)備未通過汽車應(yīng)用認證，但所用的技術(shù)可以通過提供產(chǎn)品差異化和增強控制來提升服務(wù)質(zhì)量，為汽車制造商提供支持。

簡介

本文將重點介紹車輛通信(V2X)設(shè)備的發(fā)展情況。將概述V2X應(yīng)用場景，并介紹可用于執(zhí)行V2X通信的兩種無線接入技術(shù)。通過簡要介紹V2X，我們將了解由蜂窩網(wǎng)絡(luò)（也稱為蜂窩V2X或C-V2X）控制的V2X通信的無線接入可以在免許可頻段和專用頻譜范圍內(nèi)為其他無線接入備選技術(shù)提供補充，例如專用短距離通信(DSRC)或IEEE 802.11p。為此，需要將用例的要求和利用多接入技術(shù)優(yōu)勢的需求結(jié)合起來。當涉及到實現(xiàn)多標準V2X設(shè)備時，目前可使用多個模塊和各自獨立的軟件/固件。但是，這會限制接入技術(shù)的協(xié)作/協(xié)調(diào)功能的潛力。有關(guān)這些限制，可參閱“推出適用于未來的V2X系統(tǒng)的單個RF IC (ADRV9026)”一節(jié)。ADRV9026是ADI RadioVerse?產(chǎn)品組合中的一款射頻收發(fā)器(TRx)，覆蓋6 GHz以下的頻率范圍。這種多通道、多頻段收發(fā)器技術(shù)可實現(xiàn)多頻段V2X通信設(shè)備。

車對萬物(V2X)通信

汽車行業(yè)正在快速創(chuàng)新，以便在所有可能的駕駛場景、操作條件和情況下實現(xiàn)全面自動化。事實證明，無線連接不僅是實現(xiàn)全面自動化，也是實現(xiàn)低階自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。特別是，自動駕駛汽車的安全關(guān)鍵應(yīng)用將非常依賴無線連接。在其他實體共享駕駛空間或交通系統(tǒng)的情況下，以極高(99.999%)可靠性執(zhí)行安全操作將至關(guān)重要。這些實體可能包括其他車輛、人員、道路上的運輸系統(tǒng)或交通管理網(wǎng)絡(luò)。因此，為了與系統(tǒng)中的其他實體進行信息交換、合作和協(xié)調(diào)，必須為每一輛車配備無線連接功能。

圖1.實體、基礎(chǔ)設(shè)施和V2X通信系統(tǒng)接口

為此，歐洲的管理機構(gòu)（如ETSI）已經(jīng)為汽車智能交通系統(tǒng)(ITS)奠定了基礎(chǔ)。全世界都開發(fā)了類似的系統(tǒng)，包括美國和亞太地區(qū)。ITS針對各種應(yīng)用和用例定義并指定了通信節(jié)點、架構(gòu)、協(xié)議和消息。此外，需要新的基礎(chǔ)設(shè)施以增強免許可頻段或?qū)Ｓ妙l段中基于DSRC的應(yīng)用。隨著踐行智能高速公路和智慧城市倡議，許多地區(qū)都在積極部署相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。對于C-V2X，可使用現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施。圖1顯示了ITS車輛與運輸系統(tǒng)中的其他車輛或其他實體通信的接口。下面介紹各種接口：

●    V2V（車對車）通信：最初它只用于廣播消息，但現(xiàn)在車輛也可執(zhí)行單播或多播消息。這種接口可用于在通信范圍內(nèi)直接從一輛車向另一輛車傳遞任何信息，例如，在緊急制動時。

●    V2P（車對人）通信：使用此接口，車輛和道路使用者可以通過裝有V2X應(yīng)用的智能手機通信。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(wǎng)絡(luò)或車對基礎(chǔ)設(shè)施）通信：此接口可用于傳輸有助于實現(xiàn)智能交通的任何信息。

適用于V2X的無線接入技術(shù)

圖2顯示了整個ITS的分層架構(gòu)。頂部應(yīng)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信號燈周期1.其他層提供信息和通信支持服務(wù)，例如定位/位置信息、提醒消息和通知。最后，通過使用無線技術(shù)在空間傳送這些協(xié)議消息。

圖2.以通信層形式表示的ITS

美國已建立DSRC支持車輛通信，歐洲則建立了基于IEEE 802.11p的無線接入來實現(xiàn)同樣的目的。但是，這些無線技術(shù)是基于IEEE 802.11x Wi-Fi標準開發(fā)進行專用通信2。因此其范圍有限，并且也面臨與其他基于Wi-Fi的系統(tǒng)類似的擁堵和服務(wù)質(zhì)量(QoS)問題。此外，還需要投入大量資本來部署路邊基礎(chǔ)設(shè)施，以確保交通管理服務(wù)器的覆蓋范圍。另一方面，通過公共陸地移動無線電（也稱為蜂窩通信系統(tǒng)）實現(xiàn)無線接入可以解決覆蓋范圍和QoS的問題。蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了大部分道路，我們還提供由網(wǎng)絡(luò)控制的計劃性接入，通過避免擁堵或掉話來確保服務(wù)質(zhì)量。

第4代長期演進(4G LTE)蜂窩系統(tǒng)標準中已提供V2X服務(wù)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(guān)鍵型和高可靠性用例。蜂窩V2X (C-V2X)是指通過移動網(wǎng)絡(luò)提供的V2X服務(wù)，無論是4G LTE還是5G。車載通信系統(tǒng)的整體情況使得我們不僅能在不同區(qū)域，還能夠在不同頻段內(nèi)使用多種技術(shù)和標準。當我們考慮適用于不同區(qū)域和不同標準的不同頻段時，整體情況會更為復(fù)雜。

蜂窩V2X (C-V2X)

對移動網(wǎng)絡(luò)運營商來說，提供100%的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋是一個非常困難的挑戰(zhàn)。另一方面，對于互聯(lián)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(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下也可以正常工作。圖3a顯示的是車輛在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下進行通信的場景。對于要通信的車輛，可以使用兩個選項：

選項1：使用經(jīng)典的Uu接口（3GPP為終端用戶設(shè)備和無線電基站之間的無線電鏈路定義的名稱），兩個V2X通信節(jié)點之間會用到蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

選項2：使用名為PC5的新接口，該接口在V2X節(jié)點之間提供直接通信。這也稱之為側(cè)鏈(SL)通信。

圖3b所示為沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場景。但是，在使用PC5接口時，V2X節(jié)點之間仍可進行通信。在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場景下，網(wǎng)絡(luò)可能會使用分配的蜂窩頻段。下一節(jié)介紹在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下會使用什么頻段。

圖3.在有或沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下進行V2X通信使用蜂窩頻率資源的情況

表1.4G LTE和5G NR中進行并發(fā)V2X操作使用的Uu-PC5頻段

V2X頻譜分配

歐洲已分配一個在5.9 GHz頻段內(nèi)帶寬為70 MHz的專用頻譜，用于進行車輛通信4。目前正著手在全球范圍內(nèi)分配部署。此外，正在進行協(xié)調(diào)工作，以便能在此頻段內(nèi)使用ITS-G5和C-V2X。在C-V2X環(huán)境下，該服務(wù)可能已經(jīng)通過組合使用PC5和Uu接口來使用多個蜂窩頻段。蜂窩標準正在研究V2X雙頻段并發(fā)操作。根據(jù)3GPP規(guī)范5,6，我們創(chuàng)建了表1，匯總列出V2X服務(wù)并發(fā)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)接口蜂窩無線電接入技術(shù)。高亮顯示的行僅適用于5G NR。

雙頻段和雙RAT V2X系統(tǒng)

在可使用多種無線接入技術(shù)(RAT)且能夠在多個頻段內(nèi)通信時，汽車OEM必須決定采用哪種。在美國，F(xiàn)CC傾向于（在撰寫本文時）使用基于DSRC的無線接入7,8，亞太地區(qū)則傾向于開發(fā)和部署C-V2X9。歐洲對無線接入技術(shù)保持中立10。在這方面，目前已發(fā)布了多項研究結(jié)果，闡述了ITS-G5/DSRC相對于C-V2X的優(yōu)勢。類似研究也認為C-V2X比ITS-G5更有優(yōu)勢。因此，汽車和電信行業(yè)的合作伙伴正在努力開發(fā)一種解決方案，使V2X服務(wù)能夠利用無線接入技術(shù)在許可頻譜和免許可頻譜中提供的優(yōu)勢11。

圖4是對圖2的修改版，我們在無線接入層和分組接入層之間加了一個新的子層，以詳細展示接入層。我們稱之為無線接入管理(WAM)。這個子層用于確保從網(wǎng)絡(luò)向無線電層級提供優(yōu)化的V2X服務(wù)。它可以基于用例（延遲要求、QoS等）、流量（擁堵）和鏈接（無線電質(zhì)量）條件通過協(xié)調(diào)多樣性或協(xié)作更高吞吐量選擇不同的無線接入技術(shù)。例如，如果檢測到ITS-G5無線接口中存在擁堵，則會使用C-V2X通過PC5發(fā)送相同的消息。這將提供多樣性差異化增益并確?？煽啃?。在車輛交換高密度地圖數(shù)據(jù)這個用例中，可以將Uu接口與PC5或ITS-G5組合使用，以滿足高吞吐量要求。

IEEE論文12,13利用分析和仿真方法，詳細介紹和探討了類似概念所具有的優(yōu)勢（如圖4所示）。如之前使用表1所述，在C-V2X框架內(nèi)，蜂窩系統(tǒng)標準化機構(gòu)已在探討研究通過5.9 GHz頻段內(nèi)的PC5和ITS-G5技術(shù)實現(xiàn)4G LTE Uu和5G NR Uu頻段的并發(fā)操作。因此，根據(jù)前面介紹的頻段并發(fā)操作和概念，我們可以說標準化機構(gòu)和相關(guān)的工業(yè)研究社區(qū)已為雙頻段，甚至是雙RAT V2X系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)在，汽車行業(yè)應(yīng)尋找最佳硬件裝置，以利用雙頻段和雙RAT V2X概念的優(yōu)勢。

圖4.在ITS接入層實現(xiàn)多種無線電技術(shù)之間的協(xié)作與協(xié)調(diào)

推出適用于未來的V2X系統(tǒng)的單RF IC (ADRV9026)

當今的無線設(shè)備已經(jīng)配備多種無線技術(shù)標準，每種標準都要求使用各自獨特的模塊或硬件。大多數(shù)情況下，這些模塊提供從RF層到應(yīng)用層的解決方案。在這種架構(gòu)中實施這種雙頻段V2X系統(tǒng)和提供協(xié)作和合作機制并不容易，因為這類模塊的制造商或供應(yīng)商并不提供自由訪問中間層的權(quán)限，而在多種標準之間實現(xiàn)協(xié)作或合作需要這種權(quán)限。通過可用的無線模塊實現(xiàn)這些配置需要使用外部標準化接口。

因此，我們需要支持實現(xiàn)這類系統(tǒng)的設(shè)計。使用軟件定義無線電(SDR)的無線電發(fā)射器和接收器設(shè)計讓我們能夠完全自由地在任何階段訪問和處理數(shù)字數(shù)據(jù)。ADI RadioVerse產(chǎn)品系列包含許多可將RF轉(zhuǎn)化為比特，將比特轉(zhuǎn)化為位的寬帶無線電收發(fā)器。這種信號與RF頻段和基帶之間的轉(zhuǎn)換是基于零中頻(ZIF)架構(gòu)。從根本上說，與基于直接RF采樣的轉(zhuǎn)換相比，它要求的功率更低，因為所有電路都在更窄的帶寬上工作。此外，由于ZIF放寬了對發(fā)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(chǎn)品系列中雙頻段SDR產(chǎn)品的擴展。這是一款單芯片全集成式RF IC。它有4個發(fā)射和4個接收通道，可以獨立編程和控制，用于發(fā)射和接收75 MHz和6 GHz之間的任何載波頻率。接收帶寬可高達200 MHz，而發(fā)射器合成帶寬可高達450 MHz。此外還提供片內(nèi)觀測路徑（每條通道的帶寬高達450 MHz），以支持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(fā)器的功能框圖。

圖5.ADI提供的4通道發(fā)射器和4通道接收器ADRV9026 RF IC的功能框圖。14

圖6.ADRV9026可以同時在多個頻段中發(fā)送和接收

ADRV9026使用先進的本地振蕩器架構(gòu)，可以同時在多個6 GHz以下的頻段發(fā)送和接收。圖6顯示了使用單個RF IC ADRV9026在不同頻段或采用不同無線接入技術(shù)同時發(fā)送和接收的示例。在這個示例中，我們僅選擇三組頻段組合。重點突出ADRV9026能在75 MHz和6 GHz之間的任何頻段內(nèi)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(shù)來實現(xiàn)2 × 2 MIMO功能。在使用ADRV9026時，我們能獲得多種優(yōu)勢。

●    可以靈活選擇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能夠更容易地實現(xiàn)這種同步，因為兩個頻段都由單個RF IC控制。在“雙頻段和雙RAT V2X系統(tǒng)”一節(jié)中，我們討論了雙頻段V2X系統(tǒng)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(guān)這類雙頻段V2X設(shè)備的架構(gòu)和設(shè)計的更多細節(jié)。

●    通過使用ADRV9026，可在非常靠近天線的位置執(zhí)行RF-比特轉(zhuǎn)換。這可以避免同軸電纜中的RF信號損耗，在5.9 GHz V2X頻段中這種損耗相當高。

●    至于RF性能方面，ADRV9026可以滿足無線基站要求?，F(xiàn)有的無線模塊基于針對終端用戶設(shè)備開發(fā)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數(shù)據(jù)速率和無線吞吐量，從而帶來更出色的駕乘體驗，以及更高的安全性。

●    高數(shù)據(jù)速率和低延遲使駕駛員或自動駕駛系統(tǒng)能夠更快地做出反應(yīng)，為安全相關(guān)用例提供更有力的支持。例如，在免許可/專用無線電資源將要達到擁堵限制的大流量場景中，與獨立式或單接入系統(tǒng)相比，協(xié)作/協(xié)調(diào)系統(tǒng)（如“雙頻段和雙RAT V2X系統(tǒng)”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能和支持單個RF IC的協(xié)作/協(xié)調(diào)配置來滿足V2X用例的要求。ADI公司提供以單個設(shè)備（例如ADRV9026）實現(xiàn)此目標的技術(shù)。

結(jié)論

在本文中，我們介紹了V2X通信當前的發(fā)展情況，這是推動實現(xiàn)自動駕駛汽車的關(guān)鍵因素。在這一領(lǐng)域，可以將兩種無線技術(shù)配合使用以滿足V2X服務(wù)的關(guān)鍵要求。這兩種技術(shù)分別是C-V2X和DSRC/ITS-G5，可在許可和免許可頻段內(nèi)運行。實現(xiàn)協(xié)調(diào)/協(xié)作V2X系統(tǒng)有不同的選項可以選擇。ADI公司提供支持雙頻段和雙頻段無線標準的技術(shù)，具有更高的RF性能、更低的延遲、更高的數(shù)據(jù)速率和更高的可靠性。我們已討論了如何使用此RF IC來設(shè)計V2X通信設(shè)備，它可以在兩個不同的無線電頻段同時針對兩種V2X技術(shù)提供無線接入。

參考資料

1 ETSI TS 102 894-1 V1.1.1 (2013-08)： 智能交通系統(tǒng)(ITS)；用戶和應(yīng)用要求；第一部分：設(shè)備層結(jié)構(gòu)、功能要求和規(guī)格。ETSI，2013年8月。

2 Khadige Abboud、Hassan Aboubakr Omar、Weihua Zhuang。“適用于V2X通信的DSRC和蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互通：一項調(diào)查?！盜EEE Transactions on Vehicular Technology，第65卷，第12期，2016年12月。

3 3GPP TS 36.300 V15.7.0 (2019-09)：第3代合作伙伴計劃；技術(shù)規(guī)范組無線接入網(wǎng)；不斷演進的通用地面無線接入(E-UTRA)和不斷演進的通用地面無線接入網(wǎng)絡(luò)(E-UTRAN)；概述；第2階段（15版）。

4 ETSI EN 302 571 V2.1.1 (2017-02)智能交通系統(tǒng)(ITS)；

在5 855 MHz至5 925 MHz頻段內(nèi)工作的無線電通信設(shè)備；涵蓋2014/53/EU指令第3.2條基本要求的調(diào)諧標準。ETSI，2017年2月。

5 3GPP TR 36.786 V14.0.0 (2017-03)基于LTE的車對萬物(V2X)服務(wù)；用戶設(shè)備(UE)無線電發(fā)射和接收。

6 3GPP TR 38.886 V0.5.0 (2020-02)基于NR的V2X服務(wù)；用戶設(shè)備(UE)無線電發(fā)射和接收。

7 情況說明—使用5.850-5.925 GHz頻段： 規(guī)則建議通知—ET案卷編號19-138。聯(lián)邦通信委員會。2019年11月。

8 專用短距離通信(DSRC)服務(wù)： 規(guī)則（第47 C.F.R、90和95部分）。聯(lián)邦通信委員會。2019年4月。

9 亞太地區(qū)的ITS頻譜使用。5G汽車協(xié)會。

10 意見書： 歐洲在互聯(lián)和自動駕駛領(lǐng)域的領(lǐng)先地位取決于技術(shù)中立、以創(chuàng)新為導(dǎo)向的政策。5G汽車協(xié)會。2018年11月。

11 面向未來互聯(lián)移動的5G解決方案。5G NetMobil。

12 Richard Jacob、Norman Franchi、Gerhard Fettweis?！盎旌蟅2X通信：多RAT助力實現(xiàn)互聯(lián)自動駕駛?！?018年IEEE第29屆個人、室內(nèi)和移動無線電通信國際年會(PIMRC)，2018年9月。

13 Richard Jacob、Waqar Anwar、Gerhard Fettweis、Joshwa Pohlmann?！袄密囕v專用網(wǎng)絡(luò)中的多RAT多樣性提高協(xié)同自動駕駛應(yīng)用的可靠性?！?019年IEEE第90屆汽車技術(shù)大會（VTC2019-秋），2019年9月。

14 ADRV9026數(shù)據(jù)手冊。ADI公司，2021年1月

作者簡介

Danish Aziz是ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師和RF產(chǎn)品和系統(tǒng)學科問題專家。身為技術(shù)銷售團隊的一員，他積極參與推動EMEA地區(qū)的增長并為客戶提供技術(shù)支持。主要專注于汽車、工業(yè)、國防和蜂窩領(lǐng)域的無線連接應(yīng)用。他是ADI公司在5G汽車協(xié)會(5GAA)的代表。在2017年加入ADI公司之前，他曾擔任德國貝爾實驗室的研發(fā)工程師；為3G、4G和5G系統(tǒng)標準化做出了貢獻；曾代表貝爾實驗室參加了幾個由歐洲和德國資助的旗艦研究項目。他編寫或參與編寫了超過25篇關(guān)于無線通信的技術(shù)論文，這些論文發(fā)表在國際同行可查看的IEEE平臺上；擁有20多項有效的和已發(fā)表的國際專利。Danish擁有斯圖加特大學的電氣工程博士和碩士學位，以及巴基斯坦卡拉奇的N.E.D.大學的電氣工程學士學位。聯(lián)系方式：danish.aziz@analog.com。

Chris B?hm擁有德國雷根斯堡高等專業(yè)學院的電信學位，以及愛爾蘭利默里克大學的碩士學位。他于1995年加入ADI，曾擔任各種ASIC產(chǎn)品的數(shù)字設(shè)計工程師，包括視頻解碼器、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓鈧鬏攨⒖荚O(shè)計，以及針對即將推出的5G標準的RF系統(tǒng)（最近）。他目前主要負責6 GHz以下無線電傳輸?shù)臄?shù)字信號處理和算法開發(fā)。聯(lián)系方式：chris.bohm@analog.com。

Fionn Hurley是位于愛爾蘭利默里克的ADI公司汽車座艙電子業(yè)務(wù)部的營銷經(jīng)理。他于2007年加入ADI公司。之前擔任RF設(shè)計工程師。他畢業(yè)于愛爾蘭科克大學(UCC)，獲得電氣與電子工程學士學位。聯(lián)系方式：fionn.hurley@analog.com。