將TS-ITS100射頻測(cè)試系統(tǒng)用于V2X汽車(chē)

只有對(duì)環(huán)境和交通狀況有準(zhǔn)確的了解，自動(dòng)駕駛汽車(chē)才能安全地在道路上行駛。各種各樣的傳感器和相機(jī)已經(jīng)提供了其中的一些信息。通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)連接車(chē)輛來(lái)提供附加信息。為了確保即使在較差的傳輸條件下也能接收到與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)消息，發(fā)射器和接收器必須遵守最低標(biāo)準(zhǔn)。可以使用射頻測(cè)試來(lái)驗(yàn)證遵守情況。

由于許多發(fā)明，道路安全穩(wěn)步提高。幾十年來(lái)，安全帶和安全氣囊等機(jī)械系統(tǒng)以及防抱死制動(dòng)系統(tǒng) （ABS） 或電子穩(wěn)定程序 （ESP） 等電子安全設(shè)備減少了事故數(shù)量及其后果。然而，在過(guò)去幾年中，涉及事故的人數(shù)并沒(méi)有進(jìn)一步顯著減少。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)字每年保持在 390，000 左右。

為了進(jìn)一步顯著減少事故數(shù)量，需要新技術(shù)。通過(guò)車(chē)輛之間的無(wú)線(xiàn)信息交換（車(chē)對(duì)車(chē) （V2V） 通信）以及與交通基礎(chǔ)設(shè)施和所有交通參與者（車(chē)對(duì)一切 （V2X） 通信），可以在關(guān)鍵交通情況發(fā)生之前檢測(cè)到它們）。例如，所有通過(guò)十字路口的車(chē)輛都可以交換有關(guān)速度和方向的信息。這使得檢測(cè)潛在碰撞、發(fā)出適當(dāng)警告和自主啟動(dòng)早期對(duì)策成為可能。

然而，這種情況只有在車(chē)輛之間存在可靠的無(wú)線(xiàn)信息交換時(shí)才能成為現(xiàn)實(shí)，即使在傳輸條件差且沒(méi)有視線(xiàn)的情況下也是如此。如果遺漏了一條信息，那么一輛或多輛汽車(chē)將無(wú)法準(zhǔn)確了解實(shí)際情況，可能會(huì)產(chǎn)生致命的后果。

可能的干擾

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)會(huì)受到不同類(lèi)型的干擾的影響。其中許多統(tǒng)稱(chēng)為衰落。這包括由散射、衍射、折射和反射等物理效應(yīng)引起的陰影和干擾，它們會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的多徑傳播（圖 1）。換言之，同一信號(hào)的多個(gè)版本在不同時(shí)間在天線(xiàn)處接收到，并且具有不同的信號(hào)電平和干擾。接收天線(xiàn)上各個(gè)信號(hào)的疊加會(huì)使接收到的信號(hào)失真、衰減甚至抵消。

【圖1 | 由于沒(méi)有視線(xiàn)路徑的多徑傳播而導(dǎo)致的衰落示例。］

交通參與者也在不斷移動(dòng)，這為衰落場(chǎng)景增加了時(shí)間變化。車(chē)輛內(nèi)的所有接收器都面臨著不斷變化的條件和信號(hào)質(zhì)量。安全關(guān)鍵型應(yīng)用必須在這些條件下可靠運(yùn)行。如果接收器無(wú)法處理隨時(shí)間變化的衰落，那么它將無(wú)法在天線(xiàn)處檢測(cè)和處理接收到的信號(hào)。強(qiáng)編碼和專(zhuān)用協(xié)議無(wú)法彌補(bǔ)接收信號(hào)的損失。安全相關(guān)信息丟失。這可能會(huì)帶來(lái)相當(dāng)大的安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其是當(dāng)駕駛員開(kāi)始依賴(lài) V2X 系統(tǒng)的警告并且不期望它會(huì)失敗時(shí)。

測(cè)試物理傳輸

為了最大限度地降低因傳輸條件差而導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)，通信系統(tǒng)的車(chē)載單元 （OBU） 和路邊單元 （RSU） 中的射頻發(fā)射器和接收器必須具有某些特性。想要將 V2X 組件集成到他們的系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)人員和用戶(hù)可以使用射頻測(cè)試來(lái)驗(yàn)證這些要求。開(kāi)放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型的兩個(gè)最低層會(huì)影響這些測(cè)試，因?yàn)樗鼈冐?fù)責(zé)數(shù)據(jù)消息的物理傳輸（圖 2）：

【圖2 | 開(kāi)放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型的物理層和邏輯鏈路控制層對(duì)于 V2X 組件的射頻測(cè)試至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冐?fù)責(zé)數(shù)據(jù)消息的物理傳輸。］

物理層（第 1 層）負(fù)責(zé)通過(guò)傳輸介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行物理傳輸。在 V2X 通信的情況下，數(shù)據(jù)通過(guò)空中接口無(wú)線(xiàn)傳輸。該層使用特定的調(diào)制模式、載波頻率和比特率。通常還要考慮傳輸數(shù)據(jù)的信道的質(zhì)量。

數(shù)據(jù)鏈路層（第 2 層）由兩部分組成：介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制 （MAC） 層和邏輯鏈路控制 （LLC） 層。MAC 層管理多個(gè)用戶(hù)對(duì)傳輸介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)（這與 RF 測(cè)量有關(guān)）。LLC 層處理協(xié)議級(jí)別的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正等任務(wù)。

相反，協(xié)議級(jí)別的測(cè)試（即從 LLC 層到應(yīng)用層（第 7 層））不適合驗(yàn)證 RF 特性。這些測(cè)試檢查在 LLC 層中從接收信號(hào)生成的比特流是否得到正確處理。接收天線(xiàn)處的射頻信號(hào)被忽略。因此，協(xié)議級(jí)別的所有測(cè)試都依賴(lài)于一個(gè)重要的先決條件：車(chē)輛天線(xiàn)已接收到帶有消息的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為比特流。比特流包含比特錯(cuò)誤是可以接受的，但只能使用信道編碼來(lái)糾正。對(duì)于比特流的無(wú)差錯(cuò)處理，消息必須準(zhǔn)確地出現(xiàn)在應(yīng)用層中，因?yàn)樗窃?OBU 天線(xiàn)上接收到的。這會(huì)觸發(fā)其他操作，

因此，OBU 中的 RF 模塊（即 MAC 層和物理層）必須滿(mǎn)足有關(guān)功率和頻率精度以及數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率 （PER） 的某些最低要求。此外，傳輸?shù)男盘?hào)不得干擾相鄰頻率的任何傳輸技術(shù)。這些特性只能通過(guò)射頻測(cè)試來(lái)驗(yàn)證，協(xié)議測(cè)試無(wú)法驗(yàn)證，因?yàn)閭鬏斝盘?hào)中的任何干擾都會(huì)通過(guò) OBU 的射頻模塊傳導(dǎo)到接收器。

但是如何測(cè)試射頻模塊的要求呢？以及如何確保實(shí)際接收到傳輸?shù)南?？?duì)移動(dòng)通信行業(yè)的研究表明，三種不同類(lèi)型的射頻測(cè)試用于驗(yàn)證和認(rèn)證智能手機(jī)：

監(jiān)管測(cè)試檢查發(fā)射信號(hào)在其他頻率中引起的干擾，以確保它保持在指定的限制范圍內(nèi)。通常，國(guó)家監(jiān)管機(jī)構(gòu)會(huì)指定這些限制，并且遵守具有法律約束力。這些類(lèi)型的規(guī)范已經(jīng)可用于 V2X 單元。

一致性測(cè)試確定智能手機(jī)是否符合其用于傳輸?shù)募夹g(shù)的射頻規(guī)范。例如，智能手機(jī)不得超過(guò)指定的最大 PER 或最大發(fā)射功率。單獨(dú)的測(cè)試規(guī)范通常描述如何執(zhí)行和評(píng)估這些測(cè)試。

一些移動(dòng)通信提供商要求進(jìn)行比此處描述的更嚴(yán)格或額外的測(cè)試，以通過(guò)提供更好的傳輸質(zhì)量和更好的網(wǎng)絡(luò)可靠性來(lái)從競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。移動(dòng)設(shè)備必須滿(mǎn)足這些特殊要求才能被允許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)電

汽車(chē)行業(yè)在實(shí)驗(yàn)室、測(cè)試場(chǎng)地甚至公共道路上測(cè)試汽車(chē)零部件和電子控制單元 （ECU）。對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信，這相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，為射頻測(cè)試提供了一個(gè)真實(shí)的環(huán)境。然而，諸如天氣之類(lèi)的其他影響可能會(huì)不可預(yù)測(cè)地改變無(wú)線(xiàn)電鏈路的射頻特性。測(cè)試設(shè)置和測(cè)試順序取決于所涉及的車(chē)輛和天線(xiàn)位置，并且通常只能通過(guò)相當(dāng)大的努力才能更改。

這對(duì)于測(cè)試仍處于開(kāi)發(fā)階段的新設(shè)備是不切實(shí)際的。相反，需要的是允許在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際測(cè)試的替代方案。在無(wú)線(xiàn)通信中，傳導(dǎo)測(cè)試代表了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的替代方案。測(cè)試系統(tǒng)模擬傳輸通道，而電纜取代了實(shí)際的無(wú)線(xiàn)電鏈路。這些類(lèi)型的 RF 測(cè)試可以在每個(gè)原型以及每次更改軟件或硬件時(shí)執(zhí)行。這具有許多優(yōu)點(diǎn)，可以使開(kāi)發(fā)更快、成本更低并減少錯(cuò)誤：

測(cè)試可以在任何時(shí)間以低成本進(jìn)行。

測(cè)試條件在任何時(shí)候都有明確的定義，并且可以隨時(shí)更改而不受外部影響。

當(dāng)在相同條件下執(zhí)行時(shí)，明確定義的測(cè)試序列會(huì)產(chǎn)生可比較的結(jié)果。

可重現(xiàn)和可比較的結(jié)果有助于調(diào)試。

參數(shù)可以很容易地修改。這與例如在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中修改衰落輪廓所需的大量努力形成對(duì)比。

多個(gè)測(cè)試可以組合成測(cè)試序列，然后自動(dòng)執(zhí)行。這使得進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試以研究原型的可靠性成為可能。

某些 RF 測(cè)試，例如誤差矢量幅度 （EVM） 或接收器 （RX） 靈敏度測(cè)試，僅作為傳導(dǎo)測(cè)試才有意義。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，不受控制的噪聲和來(lái)自外部源的干擾會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真。

根據(jù)選擇的場(chǎng)景，信道仿真準(zhǔn)確地模擬了無(wú)線(xiàn)電鏈路的物理屬性。今天的信號(hào)發(fā)生器還可以實(shí)時(shí)模擬特殊的 V2X 衰落曲線(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試仍然有意義，特別是對(duì)于天線(xiàn)測(cè)量（例如，確定天線(xiàn)特性或波束成形測(cè)試）。盡管進(jìn)行的測(cè)試不能完全取代現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但通道模擬可以簡(jiǎn)化測(cè)試，輕松且經(jīng)濟(jì)高效地支持實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)。

檢測(cè)射頻問(wèn)題

為了能夠比較 V2X 單元的各種硬件和軟件版本的測(cè)試結(jié)果，必須明確定義所有測(cè)試程序。因此，一些國(guó)家為 V2X 系統(tǒng)定義了測(cè)試規(guī)范，其中包括四類(lèi)測(cè)試用例（圖 3 和圖 4）：

【圖3 | 射頻發(fā)射測(cè)試規(guī)范包括帶內(nèi)和帶外測(cè)試。］

【圖4 | 射頻接收測(cè)試規(guī)范包括帶內(nèi)和帶外測(cè)試。］

TX 帶內(nèi)：該組中的測(cè)試用例測(cè)試發(fā)射機(jī) （TX） 特性，例如最大和最小發(fā)射功率、頻率精度和調(diào)制精度。

TX 帶外：允許頻帶之外的不需要的發(fā)射功率不得干擾其他技術(shù)。因此，TX 帶外測(cè)試用例測(cè)量此發(fā)射功率并將其與允許的限制進(jìn)行比較。

RX 帶內(nèi)：此類(lèi)別測(cè)試接收器 （RX），例如通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)仍可解碼的最低接收功率或通過(guò)測(cè)量衰落性能。圖 5 顯示了 R&S SMW200A 矢量信號(hào)發(fā)生器的屏幕截圖，其中配置了 V2X 衰落配置文件。

RX 帶外：專(zhuān)門(mén)的測(cè)試用例測(cè)量 OBU 或 RSU 是否在發(fā)射器關(guān)閉時(shí)無(wú)意發(fā)射其他頻段的發(fā)射功率。

【圖5 | 羅德與施瓦茨 SMW 信號(hào)發(fā)生器顯示了 V2X 在 5.9 GHz 的衰落曲線(xiàn)。］

V2X 的各種插頭測(cè)試表明，TX 帶外和衰落測(cè)試對(duì)于許多被測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)尤其成問(wèn)題（圖 6）。但是，可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試儀器在開(kāi)發(fā)階段檢測(cè)到這些 RF 問(wèn)題。RX 測(cè)試可以使用能夠生成 V2X 信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器來(lái)執(zhí)行。信號(hào)分析儀涵蓋了 TX 測(cè)試用例。根據(jù)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，需要 V2X 信號(hào)濾波器來(lái)覆蓋帶外測(cè)量的寬頻率范圍。

【圖6 | TX 帶外測(cè)試：802.11p 單元的發(fā)射功率（藍(lán)線(xiàn)）多點(diǎn)超過(guò)允許限值（紅線(xiàn)）。5855 MHz 和 5925 MHz 之間的頻率范圍為歐洲和美國(guó)的 V2X 保留］

目前，各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)正在討論用于實(shí)現(xiàn) V2X 通信，特別是 WLAN 802.11p、LTE 和 5G，這些技術(shù)將在幾年后推出。無(wú)論使用哪種技術(shù)，羅德與施瓦茨等測(cè)試和測(cè)量設(shè)備制造商都已經(jīng)提供了 V2X 所需的測(cè)試解決方案。例如，基于廣泛分布的 LTE 技術(shù)的解決方案可以使用 TS8980 射頻測(cè)試系統(tǒng)系列進(jìn)行測(cè)試。可用的測(cè)試會(huì)根據(jù)每個(gè) LTE 開(kāi)發(fā)不斷更新，使其也適用于 V2X。

例如，對(duì)于 802.11p，TS-ITS100 射頻測(cè)試系統(tǒng)包含完整的全球 802.11p 測(cè)試用例包，用于：

歐洲 5.9 GHz （ETSI EN 302 571）

美國(guó) 5.9 GHz （IEEE 802.11-2012）

日本，760 MHz（TELEC T257 和 ARIB STD-T109）

對(duì)于帶外測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)允許進(jìn)行高達(dá) 18 GHz 的測(cè)量，并且可以根據(jù)不同地區(qū)的需要接受各種濾波器。系統(tǒng)硬件已設(shè)置為處理分集和多輸入多輸出 （MIMO）。802.11p 測(cè)試提出了一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)闆](méi)有定義到 802.11p 單元的統(tǒng)一接口。為了為測(cè)試用例配置單元，測(cè)試軟件必須使用單獨(dú)的命令對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行尋址。測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)包含許多單元的插件，以允許完全自動(dòng)化測(cè)試。

概括

交通參與者之間的無(wú)線(xiàn)、自動(dòng)化通信將繼續(xù)發(fā)展，以改善道路安全。必須在每種環(huán)境和每種交通情況下可靠、快速地傳輸安全關(guān)鍵信息。僅協(xié)議測(cè)試是不夠的，因?yàn)樗鼈儾荒軠y(cè)試傳輸信號(hào)到達(dá)接收器的環(huán)境。只有射頻測(cè)試才能確保 OBU 和 RSU 滿(mǎn)足最低物理要求，從而挽救生命。

審核編輯：郭婷