適用于5G-V2X和DSRC的高級連接架構(gòu)

作者：Danish Aziz， Chris Bohm， and Fionn Hurley

商用車中的當(dāng)今無線連接架構(gòu) 可能適用于自動駕駛的標(biāo)準(zhǔn) 2 級。然而 它是否能滿足 3 級的性能要求仍然值得懷疑 及以上。在此背景下，我們提出了未來的連接架構(gòu) 自動駕駛汽車。它基于遠(yuǎn)程無線電頭（RRH）概念 使用軟件定義無線電 （SDR）。新架構(gòu)可以提供兩倍的增益。一方面，它可以滿足未來的性能要求 用例，另一方面，它通過促進(jìn)使用 給定服務(wù)的多個無線訪問。我們提供了一個示例，說明如何 使用此體系結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)兩種無線接入技術(shù)。 總體方法是利用軟件化的力量，這符合 隨著車載計算技術(shù)的未來。

介紹

本文的重點(diǎn)是不斷發(fā)展的互聯(lián)汽車中的無線連接架構(gòu)。為此，我們選擇了相關(guān)服務(wù) 并提供了他們的簡要說明。這些服務(wù)中的大多數(shù)都有雙向的 通信和依賴多/混合無線通信標(biāo)準(zhǔn) 或多個頻段，主要是為了保證可靠性和服務(wù)質(zhì)量。 設(shè)計用于覆蓋多個頻段和多個無線的射頻系統(tǒng) 車輛連接標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。首先，我們將討論 使用傳統(tǒng)射頻設(shè)計車輛連接單元的挑戰(zhàn) 方法。這有助于我們理解一些 這些服務(wù)在許多方面（例如，無線電性能）都不是最佳的。從傳統(tǒng)射頻設(shè)計的缺點(diǎn)中吸取教訓(xùn)，使我們 商用車無線電連接單元的新架構(gòu)。這個新的 架構(gòu)基于 RRH 概念。在文章“啟用 5G 和 DSRC 自動駕駛車輛中的V2X，”1我們推出了低于 6 GHz 的 4 通道 基于多頻段SDR的收發(fā)器RF IC，ADRV9026。在這里，我們擴(kuò)展 該文章中的討論，其中包含一個使用 RRH 概念的示例和 單SDR RF IC，我們可以從中構(gòu)建雙頻V2X連接單元 5G和DSRC。該裝置不僅將提供增強(qiáng)的無線電性能，而且 它還將實(shí)現(xiàn)V2X無線接入的高級協(xié)調(diào)和合作算法。

無線系統(tǒng)和 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

現(xiàn)代車輛中的服務(wù)，例如信息娛樂、導(dǎo)航、通信、 和廣播需要無線接入系統(tǒng)。射頻頻譜范圍為 提供這些服務(wù)的系統(tǒng)非常廣泛，從90 MHz（廣播無線電）開始 到 5.9 GHz（V2X 和 Wi-Fi）。未來的系統(tǒng)的目標(biāo)是與毫米波相對應(yīng)的頻率（例如，5G 毫米波，24 GHz至29 GHz）。圖1 說明了用于提供單個服務(wù)的多個無線系統(tǒng)。

圖1.車輛中的主要無線系統(tǒng)。

商用無線電連接單元提供 應(yīng)用空間和相應(yīng)的無線系統(tǒng)。以下列表 重點(diǎn)介紹其中一些的功能和工作頻段 無線系統(tǒng)：

GNSS/GPS：提供定位服務(wù)和定位信息。它經(jīng)常 為其他無線系統(tǒng)提供服務(wù)以進(jìn)行同步。有 多個區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)和分配的頻段，范圍從 1176 兆赫至 1602 兆赫。

蜂窩 2G、3G、4G 和 5G：用于語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，例如 遠(yuǎn)程信息處理、信息娛樂、無線更新和 V2X 通信。 它涵蓋了從 300 MHz 到 5.9千兆赫。

Wi-Fi：適用于多種應(yīng)用，包括無線更新、診斷、 和數(shù)據(jù)下載。不同區(qū)域具有不同的波段分配和 指定供內(nèi)部和外部使用的通道。最常見的是 2.4 GHz 和 5.8 GHz 頻段的信道。在日本，分配了一些頻道 在 5 GHz 頻段。

ITS-G5/DSRC：對于V2X通信，70 MHz頻譜分配在 世界上大多數(shù)地區(qū)為 5.9 GHz。

無線電廣播：從90 MHz到240 MHz，有不同的頻道和 不同地區(qū)的波段。請注意，廣播系統(tǒng)也可以 由無線電連接單元覆蓋，但通常它們被實(shí)施 與雙向通信系統(tǒng)分開。

復(fù)數(shù)的經(jīng)典實(shí)現(xiàn) 射頻系統(tǒng)

由于車輛中存在所有無線系統(tǒng)，它正在像 車輪上的智能手機(jī)。但是，在實(shí)施方面，智能手機(jī)和車輛用戶設(shè)備（UE）之間存在巨大差異。 的功能?？紤] 4G 蜂窩系統(tǒng)實(shí)施的示例 商用車中的架構(gòu)。在圖2a中，寬帶天線覆蓋 4G頻段放在車身的外側(cè)，通常在車頂上。 天線連接到貫穿的同軸傳輸線電纜 車輛主體到托管4G模塊的控制單元。

圖2.蜂窩無線連接和其他無線系統(tǒng)的經(jīng)典架構(gòu)。

現(xiàn)在，讓我們關(guān)注接收器RF路徑中的RF前端（RFFE）。過濾后 頻段、低噪聲放大器 （LNA） — 具有極低噪聲系數(shù) （NF） 和 高增益 — 放大輸入的 RF 信號，包括電纜引入的額外噪聲。擴(kuò)增可能有多個階段，然后 信號被饋送到4G模塊進(jìn)行基帶和更高層的處理。后 4G協(xié)議棧，數(shù)據(jù)進(jìn)入應(yīng)用處理器?，F(xiàn)在，如果我們這樣做 通過對這種架構(gòu)的簡化射頻分析，我們發(fā)現(xiàn)整個射頻鏈 具有非常差的噪聲性能。同軸電纜的噪聲系數(shù)高于LNA， 信號損耗與電纜的頻率和長度成正比。 我們從噪聲級聯(lián)分析中得知，整個射頻鏈的NF為 被RF信號鏈中第一個分量的NF加權(quán)。因此 即使是LNA也無法克服這個問題。為了節(jié)省成本和減輕重量， 通常選擇較輕的電纜，不幸的是，這增加了射頻問題。 通過引入RF前端可以改善整體噪聲性能 組件離天線更近，但仍然會受到同軸電纜的影響 存在于系統(tǒng)中。

我們跳過了發(fā)射RF路徑的細(xì)節(jié)，您必須在傳輸前對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆５?，我們?qiáng)調(diào)這樣一個事實(shí)，即任何 連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸設(shè)備也必須獲得批準(zhǔn) 的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商。因此，在接收和 傳輸射頻路徑。

在圖2b中，我們概述了其他無線系統(tǒng)通常是如何實(shí)現(xiàn)的。 這是為了演示使用多少同軸電纜來連接相對 天線以及每個系統(tǒng)中發(fā)生的射頻信號損失（以 dBM 為單位的衰減）的程度。 如果我們?yōu)閱蝹€系統(tǒng)有多個天線，這種損耗會迅速增加。在 除此之外，在多個天線上的信號之間實(shí)現(xiàn)同步并通過同軸電纜運(yùn)行它們并非易事。此外 在 5G 毫米波頻率（24 GHz 至 29 GHz）的情況下，RF 信號損耗為 同軸電纜將高于低于 6 GHz 的頻率。

遠(yuǎn)程射頻頭 （RRH） 架構(gòu)，用于 車輛連接

RRH的概念已經(jīng)確立，并用于基站實(shí)施，以克服同軸傳輸線電纜引起的問題。 策略是傳輸數(shù)字信號而不是RF信號。為此 目的，RFFE和收發(fā)器（RF IC）靠近天線。 RF信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字I/Q位，使用高電平傳輸 加快數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的進(jìn)一步處理在通用基帶處理池中完成。我們建議類似的射頻架構(gòu)可以 用于車輛。圖 3 描述了同軸電纜的這種架構(gòu) 被高速鏈路取代。此外，用于射頻信號的轉(zhuǎn)換 對于數(shù)字I/Q樣本，我們建議使用將RF轉(zhuǎn)換為位的RF IC 反之亦然。這些位在RF IC和基帶之間傳輸 處理器通過數(shù)字鏈路（例如，千兆以太網(wǎng)）。進(jìn)一步加工 由應(yīng)用處理器完成。這些處理器可以由 無線連接單元或由集中式計算平臺組成。計算 車輛中的資源和集中計算的趨勢正在增加 一個偉大的步伐，2因此，向這種架構(gòu)的逐漸變化是很好的對齊 隨著車輛的未來計算架構(gòu)。

圖3.未來的連接架構(gòu)。

僅將RF至位功能保持在天線附近具有兩倍增益。 首先，只需進(jìn)行所需的最小轉(zhuǎn)換以避免RF信號損失 靠近天線，空間和功率已經(jīng)是一個問題。二、 在數(shù)據(jù)速率方面，對數(shù)字高速鏈路的要求將放寬。

基于 RRH 和 SDR 的 V2X 實(shí)施

我們可以通過使用多頻段RF IC來增強(qiáng)RRH架構(gòu)的優(yōu)勢。這 V2X通信服務(wù)是利用這種組合的完美例子。 如文章“啟用 5G 和 DSRC ”中所述 自動駕駛車輛中的V2X，“V2X服務(wù)可以使用兩種不同的無線接入技術(shù)：一種是 基于DSRC / ITS-G5（IEEE 802.11p），另一個基于蜂窩技術(shù) （C-V2X），無論是4G-LTE還是5G。它可以以協(xié)調(diào)/合作的方式使用這兩種訪問類型，以保證所需的可靠性和安全性。單芯片多頻段 V2X系統(tǒng)可以在新推出的RF IC的幫助下進(jìn)行設(shè)計，ADI的 ADRV9026.圖4顯示，ADRV9026可以集成到RRH中， 可以放置在屋頂天線盒上。它包含四個主要傳輸 和四個主接收通道，每個通道最多可以有四個獨(dú)立的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑到基帶處理器。使用高級本地 振蕩器架構(gòu)，ADRV9026可以同時發(fā)送和接收 使用V2X無線接入管理（WAM）功能，兩種無線接入類型都可以有效地共享70 MHz 為V2X服務(wù)分配的5.9 GHz頻段（在世界大多數(shù)地區(qū)）。

圖4.使用基于 SDR 的 RRH 架構(gòu)的高級 5G 和 V2X 連接。

為了符合未來的趨勢，我們假設(shè)集中式計算 車輛中提供資源（見圖 4）。基帶處理， 調(diào)制解調(diào)器協(xié)議棧和應(yīng)用程序處理可以使用 集中式平臺。ADRV9026符合JESD204B和JESD204C3用于串行數(shù)據(jù)傳輸和接收的協(xié)議。現(xiàn)成的電纜是 可用4可用于在最遠(yuǎn) 10 m 處傳輸 1 Gbps。萬一更多 需要靈活性和數(shù)據(jù)速率，可以使用任何處理硬件來 將基于JESD的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為任何其他合適的格式，例如： 千兆以太網(wǎng)或 PCIe。

如圖 4 所示，我們分配了兩個發(fā)送通道和兩個接收通道 每個用于DSRC V2X和5G蜂窩。5G可以使用兩個通道進(jìn)行全面 5G通信，包括蜂窩V2X服務(wù)。具有兩個通道，一個 還可以實(shí)現(xiàn) 2 × 2 MIMO 場景。與當(dāng)前架構(gòu)不同， 它要求每個無線標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器在 集中式計算平臺。各個無線的 I/Q 樣本 標(biāo)準(zhǔn)由其軟件調(diào)制解調(diào)器處理。我們預(yù)計這樣的 對于當(dāng)代人來說，采用變革可能具有挑戰(zhàn)性。但是，隨著 軟件化和虛擬化的出現(xiàn)，我們看到了它的到來。5

結(jié)論

我們重點(diǎn)介紹了經(jīng)典的車輛連接架構(gòu)，其中每個 無線系統(tǒng)通過安裝天線、電纜、射頻單獨(dú)實(shí)現(xiàn) 處理硬件和軟件處理硬件。基于定性分析，經(jīng)典對服務(wù)性能的負(fù)面影響 介紹了建筑。借助 RRH 概念和雙頻射頻 IC，提出了一種新的車輛連接架構(gòu)方法。我們看到 此體系結(jié)構(gòu)具有多重優(yōu)勢，例如：

減少同軸電纜的使用，從而提高射頻性能和 無線電鏈路可靠性。

符合未來車輛的軟件架構(gòu)。

通過軟件更新管理某些新功能的能力。

單個RF IC可以實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)。

加強(qiáng)對服務(wù)質(zhì)量保證的控制。

為應(yīng)用多個無線的服務(wù)提供更好的協(xié)調(diào)可能性 標(biāo)準(zhǔn)。

準(zhǔn)備在未來的車輛中采用新的無線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施 比如5G毫米波。

我們的方法提供了更高的性能（這是自動化所要求的 駕駛場景）以及使用通用硬件實(shí)現(xiàn)多個無線系統(tǒng)的可能性。我們已經(jīng)展示了V2X服務(wù)，即 對于隊列行駛和遠(yuǎn)程操作等自動駕駛用例至關(guān)重要 駕駛（兩者都需要高可靠性的無線連接）可以利用 此體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

審核編輯：郭婷