技術(shù)演變正在進行：V2X 架構(gòu)

本文作者 Mouser Electronics 的 Steve Taranovich

3GPP 計劃在 V2X 中使用 5G 技術(shù)以及汽車級別的射頻前端模塊（FEM），相比于當前專用短距離通信或其他 C-V2X 協(xié)議，該技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。

新興車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如 V2X）需要滿足延遲、數(shù)據(jù)速率、可靠性和通信范圍方面嚴格的服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 要求。在開發(fā)自動駕駛汽車過程中，通常會使用以下三種傳感器技術(shù)：攝像頭、雷達和激光雷達。然而，現(xiàn)有的另一種無線技術(shù)，即車對萬物 (V2X)，可大大提高自動駕駛汽車的價值。V2X 是指各種交通運輸相關(guān)傳感器之間進行的高帶寬、低延遲可靠通信。5G 移動網(wǎng)絡(luò)將提供適合車對車 (V2V) 以及車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 通信的連接。汽車前端模塊 (FEM) 將成為實現(xiàn)新一代技術(shù)的重要解決方案，并將推動基于蜂窩技術(shù)的 V2X 方案的整體成功部署。

接下來，我們將討論3GPP 計劃如何在 V2X 應(yīng)用中使用 5G 技術(shù)，較當前專用短距離通信 (DSRC) 或其他蜂窩 V2X (C-V2X) 協(xié)議，該技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。

技術(shù)演變即將到來

從通信技術(shù)角度來看，未來智能交通系統(tǒng) (ITS) 服務(wù)將得到廣泛應(yīng)用。如此以來，自動駕駛會最終實現(xiàn)，并要求通過先進的通信技術(shù)（如 5G V2X）在車輛內(nèi)實現(xiàn)高互聯(lián)度。經(jīng)過學術(shù)界和業(yè)界多年的研究，推動 5G 發(fā)展的成熟技術(shù)落地后，3GPP 開始起草 5G V2X 標準，從版本 16 開始實施。

首先，讓我們來了解一下 V2X 的定義。車對萬物技術(shù)是一種雙向通信技術(shù)，可實現(xiàn)汽車、電動汽車以及周圍可能會對其產(chǎn)生影響的任何實體之間的信息傳輸。由于 V2X 應(yīng)用能夠緩解交通擁堵，減少環(huán)境影響并提高駕駛員和乘客的舒適性，所以在實現(xiàn)完全自動駕駛之前，這些應(yīng)用將對安全性和便利性產(chǎn)生巨大影響。

5G 配合 V2X 技術(shù)，可提升車輛和行人的安全性。新增功能包括：針對正在靠近的急救車輛發(fā)出距離/方向信息；為穿過人行橫道的行人（為確保安全、在發(fā)生意外事件期間以及為便于識別，將控制或延長交通信號燈/信號顯示）以及回避沖進車流中行人的車輛，提供通知和控制功能。發(fā)生事故時，發(fā)送車輛位置和距離通知。校車通知（包括該地區(qū)中小學生上下車）等功能將確保行人安全。

基于蜂窩通信技術(shù)的 V2X 從屬于 V2X 的大類。它將作為攝像頭、雷達和激光雷達等視距 (LoS) 傳感器的補充，實現(xiàn)對提高駕駛安全至關(guān)重要的非視距感知力。C-V2X 還可實現(xiàn)比 LoS 傳感器更為廣泛的探測范圍，也是車輛相互通信以及與周圍萬物通信的基礎(chǔ)。2014 年，3GPP 以第 14 版開始 C-V2X 的標準化工作。它將 LTE 作為其根本技術(shù)。2017 年發(fā)布了相關(guān)規(guī)范。

使用的傳輸通信功能包括車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車對網(wǎng)絡(luò) (V2N)、車對車 (V2V)、車對行人 (V2P)、車對弱勢道路使用者（如自行車手）、車對設(shè)備 (V2D) 以及車對電網(wǎng) (V2G)（圖 1）。

汽車行業(yè)也在尋求各種方法，以降低支持 5G V2X 的車載單元 (OBU) 成本，同時避免/盡量減少車輛價格上漲。

5G 和 V2X

5G 將使 V2X 通信更易實現(xiàn)，且更加快速和可靠。下面總結(jié)了 5G 和 V2X 框架之間的主要差異：

• 5G 與所有無線電移動服務(wù)一樣，使用一種稱為基站的基礎(chǔ)設(shè)施，其中劃分為獨立的單元，這些單元廣泛重疊，并由適當?shù)?a target="_blank">天線系統(tǒng)管理。

• 與所有無線服務(wù)一樣，V2X 的結(jié)構(gòu)更為靈活，其中的小型天線設(shè)備系統(tǒng)（稱為熱點）通過使用可靠的交互方案，確保提供優(yōu)質(zhì)的連接服務(wù)。

圖 1：主要的 C-V2X 用例：車對車 (V2V)、車對行人 (V2P)、車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 和車對網(wǎng)絡(luò) (V2N)。V2X 安全消息可能包括歐洲的協(xié)作意識消息 (CAM) 和分散環(huán)境通知信息 (DENM)，以及美國的基本安全消息 (BSM)。（數(shù)據(jù)來源：《引入開源 C-V2X 模擬器的 C-V2X 模式 4 通信性能分析》（Performance Analysis of C-V2X Mode 4 Communication Introducing an Open-Source C-V2X Simulator），2019 年 7 月 23 日，作者：Fabian Eckermann 等人，多特蒙德工業(yè)大學）

?Qorvo 開發(fā)了一款對成功部署 V2X 技術(shù)至關(guān)重要的模塊

C-V2X 接收器

與其他無線通信技術(shù)一樣，C-V2X 技術(shù)也采用模擬和數(shù)字模塊設(shè)計。在 C-V2X 設(shè)計中，對于模擬和混合信號部分，射頻組件具有關(guān)鍵作用，接收鏈中配置了許多高頻模擬組件（圖 2）。

圖 2 展示了采樣接收器的三種不同架構(gòu)：a) 基帶、b) IF 和 c) RF。RF 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 將根據(jù)輸入頻率決定選用的接收器類型（a、b 或 c）。

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圖 2：此框圖顯示了 C-V2X 采樣接收器的三種無線電架構(gòu)。（數(shù)據(jù)來源：IEEE）

汽車前端模塊(FEM)

Qorvo 已開發(fā)出對成功部署 V2X 技術(shù)至關(guān)重要的一款關(guān)鍵模塊，即前端模塊 (FEM)。此模塊屬于 Qorvo 車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品組合。

Qorvo 的 V2X 車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品組合包含兼容多種芯片的解決方案，適用于車對車 (V2V)、車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車對行人 (V2P) 和車對網(wǎng)絡(luò) (V2N) 通信。

該產(chǎn)品組合可提供現(xiàn)成的V2X 通信解決方案，包括 47 頻段/Wi-Fi 體聲波 (BAW) 共存濾波器，支持 Wi-Fi 與 V2X 5.9GHz 頻段共存。這種能力對于在車輛與周圍環(huán)境之間建立可靠的聯(lián)系至關(guān)重要。它還包括兩個支持 C-V2X（和 DSRC 系統(tǒng)）的集成式前端模塊 (FEM)、一個數(shù)字步進衰減器、發(fā)射/接收開關(guān)和低噪聲放大器 (LNA)。

設(shè)計解決方案如下：

• QPF1002Q：一款經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的前端模塊，支持 C-V2X 系統(tǒng)，集成了功率放大器 (PA)、低噪聲放大器 (LNA) 和開關(guān)，采用 5.0mm x 4.0mm 封裝。

• QPF1003Q：一款經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的前端模塊，支持 C-V2X 和 DSRC/11p 系統(tǒng)，集成了功率放大器 (PA)、低噪聲放大器 (LNA) 和開關(guān)，采用 5.0mm x 4.0mm 封裝。

• QPQ2200Q：一款 B47 頻段V2X/Wi-Fi 體聲波 (BAW) 共存濾波器，在 Wi-Fi UNII-3 頻段中具有出色的帶外衰減性能，可防止 Wi-Fi 干擾 V2X 5.9GHz 頻段，并可為自動駕駛實現(xiàn)可靠的 V2X 鏈路，采用 1.1mm x 0.9mm 緊湊型封裝

• QPC6713Q：7 位、0.25dB 步進的數(shù)字衰減器：實現(xiàn)補償器應(yīng)用所需的精細功率控制

• QPC8019Q：具有 V2X 系統(tǒng)所需的快速發(fā)射/接收開關(guān)功能

讓我們來更深入地了解一下 Qorvo 的一款 FEM，即 QPF1002Q。

Qorvo QPF1002Q 汽車前端模塊是適合 C-V2X（蜂窩車對萬物）系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案。C-V2X 系統(tǒng)將能夠感知周圍環(huán)境，在互聯(lián)車輛中實現(xiàn)下一代自動駕駛和實時監(jiān)控。C-V2X 使用 5.9GHz 智能交通系統(tǒng) (ITS) 頻段中的低時延傳輸。

QPF1002Q 還在單個設(shè)備中集成了一個 5GHz 功率放大器 (PA)、Tx/Rx 天線開關(guān)和可旁路的低噪聲放大器 (LNA)。

此器件的頻率范圍為 5.77GHz 至 5.925GHz，Tx 增益為 28dB，Rx 增益為 13dB，噪聲系數(shù)為 2.6dB。該 PA 的性能優(yōu)化主要是采用 5V 電源供電以節(jié)省功耗，同時保持最高的線性輸出功率和出色的吞吐量。接收路徑的引腳分配靈活，支持外置濾波器或低噪放。

Qorvo 的 QPF1002Q 汽車 FEM 采用 5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 緊湊型層壓封裝，符合 AEC-Q100 2 級認證的汽車系統(tǒng)應(yīng)用標準。

以下是一些關(guān)鍵特性：

• 符合 AEC-Q100 2 級認證標準

• 工作頻率范圍：5.77GHz 至 5.925GHz

• 針對 +5V 工作電壓進行了優(yōu)化；支持 +4.2V

• POUT = +28dBm，10MHz 帶寬下的線性功率

• Tx 增益：28dB

• Tx 電流：580mA

• Tx 高功率和低功率模式

• 24dB Tx 耦合器

• Rx 噪聲系數(shù)：2.6dB（包括開關(guān)）

• Rx 增益：13dB

• Rx 電流：35mA

• 旁路 LNA 損耗：-6.5dB

• 無需外部匹配

• 5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 層壓封裝

• 無鹵且符合 RoHS 標準

應(yīng)用：

• ITS C-V2X

• 汽車前端

• 汽車遠程通信

• 汽車信息娛樂

C-V2X 側(cè)行鏈路

第 16 版 5G 為采用 5G 新無線電 (NR) 的行業(yè) C-V2X 應(yīng)用帶來了側(cè)行鏈路。該版本推動了 C-V2X 應(yīng)用的發(fā)展，如車輛編隊、高級駕駛、擴展傳感器和遠程駕駛。由于在一些危險駕駛情況下需要使用緊急制動和防碰撞功能，所以必須確保滿足嚴格的延遲和高可靠性要求。C-V2X 的最低傳輸延遲不超過 4ms，且有可能更低，具體取決于實現(xiàn)方案。雖然可靠性很難量化，但每個新版本都在一定程度上提高了性能和安全性，從而提升了可靠性。即將發(fā)布的版本將繼續(xù)提高安全性和可靠性。

通過短距離通信傳播大部分交通信息，尤其在 V2X 部署的第一階段，這些都是每輛車定期廣播的消息（傳遞其狀態(tài)和運動信息）。

?V2X 和 5G 正迅速成為不可或缺的技術(shù)……

我們必須指出，V2X 應(yīng)用依賴于持續(xù)、詳細的位置信息，這會導致隱私問題。對于私家車，位置信息會透露駕駛員的運動和活動，而駕駛員并不一定是車主。簡而言之，發(fā)送和傳播 V2X 用戶位置信息可能會涉及車主和駕駛員的隱私。

在交通擁擠區(qū)域，可用的信道資源將達到飽和，因此數(shù)據(jù)包丟失率會增加。這可能會危及駕駛員和乘客的安全。在這些條件達到臨界水平之前，對擁堵控制算法進行分析和定義，以便修改特定參數(shù)。然而，研究人員并沒有研究具體的算法，而是對 Wi-Fi 標準方法 (IEEE 802.11p) 與標準蜂窩方法（C-V2X 第 14 版組成部分 3GPP 定義的側(cè)行鏈路 LTE-V2X）進行了比較分析。

最終分析認為，在信道負載較低的情況下，LTE-V2X 優(yōu)于 IEEE 802.11p，前提是它具有出色的物理層性能。當信道負載水平較低時，MAC 對性能的影響低于物理層。因此，研究人員認為，當信道負載增加時，即使物理層性能更低，IEEE 802.11p 也優(yōu)于 LTE-V2X。

基于3GPP開發(fā)的 C-V2X 通信技術(shù)可通過側(cè)行鏈路（亦稱為 PC5 接口）實現(xiàn)車輛用戶設(shè)備 (VUE) 之間的直接通信。C-V2X 側(cè)行鏈路是第一個在物理層將距離作為維度使用的無線系統(tǒng)。這樣就可以在各種 LoS 和非 LoS 無線電環(huán)境下實現(xiàn)統(tǒng)一的通信范圍。

簡而言之，C-V2X 技術(shù)包含兩個通信鏈路。

1. 車對網(wǎng)絡(luò) (V2N)，基于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò) (Uu)

2. 車對車 (V2V) 直接通信鏈路 (PC5)

• 直接通信鏈路 (PC5) 是用于確保安全的主要模式，它包含兩個傳輸調(diào)度模式：模式 3 和模式 4。模式 3：網(wǎng)絡(luò)輔助通信。C-V2X 依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)度和資源管理。

• 模式 4：覆蓋范圍外/無 SIM 運行。C-V2X 擁有完全自主性，且不依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

請注意，所有的 C-V2X 部署僅支持模式 4。由于各種原因，模式 3 尚不可行。

V2X 通信過程中的安全和隱私

基于 LTE 的 V2X 通信使用容量大、蜂窩覆蓋范圍廣且部署廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施，支持各種車輛通信服務(wù)，適合安全和非安全應(yīng)用。3GPP 和高通等技術(shù)組織已經(jīng)制定了基于 5G 的 V2X 服務(wù)路線圖。

3GPP 中定義的安全性主要包括保密性、完整性、真實性和抗回放攻擊能力。

在針對網(wǎng)絡(luò)攻擊的汽車安全保障解決方案中，推薦全面采用雙密鑰機制。

其他 V2X 應(yīng)用包括可增強現(xiàn)有方法的車輛間通信，從而有助于改進左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)輔助、緊急制動警告功能，并提高十字路口的態(tài)勢感知。擴展 Waze 概念可以控制調(diào)速功能或提供調(diào)速建議，以便應(yīng)對交通擁堵，還可以利用車道封閉和高速公路施工活動的實時更新信息來更新 GPS 地圖。某種程度上，從地圖更新、漏洞修復到安全更新等，如需提供支持，以便汽車中廣泛的軟件驅(qū)動系統(tǒng)進行無線 (OTA) 軟件更新，V2X 則至關(guān)重要。

V2X 安全消息可包含美國標準中的基本安全消息 (BSM)，或歐盟 (EU) 標準中的協(xié)作意識消息 (CAM) 和分散環(huán)境通知信息 (DENM)。BSM 包含位置、速度和加速度信息，傳輸速度高達每秒 10 次。通過使用此消息系統(tǒng)，車輛接收單元還能夠進行碰撞預測，并向駕駛員發(fā)出警告。

V2X 信息保護和安全

V2X 和 V2I 通信需要具備非常高的安全性，避免消息欺詐或誤導，從而導致安全和隱私問題。另一種安全方法是使用公鑰證書對消息進行簽名，防止未經(jīng)授權(quán)方干擾數(shù)據(jù)交換，并安全地使用化名進行通信。

公鑰基礎(chǔ)設(shè)施 (PKI) 由創(chuàng)建、管理、使用、保存和調(diào)用數(shù)字安全證書的策略和流程組成。PKI 可實現(xiàn)電子信息的安全傳輸，它不僅需要進行身份驗證的密碼，還需要滿足更嚴格的身份確認要求。

高速公路擁堵情況下的 C-V2X 性能

5G 汽車協(xié)會 (5GAA) 在《V2X 功能和性能測試報告》中進行了 V2X 性能和功能測試。測試報告顯示，5GAA 在實驗室環(huán)境下對 C-V2X 技術(shù)進行了高度擁堵場景測試。即使在這種擁堵的情況下，C-V2X 延遲仍保持在預估范圍內(nèi)，針對此類場景，我們配置了 100ms 的延遲范圍，這是一個非常不錯的結(jié)果。

結(jié)論

通過對 5.9GHz 頻段進行重組，F(xiàn)CC 有效地改變了美國的車輛通信協(xié)作式智能交通系統(tǒng) (C-ITS) 市場。

汽車行業(yè)實現(xiàn)進一步發(fā)展，必須使用窄頻譜和 C-V2X 技術(shù)，而不是廣泛使用的專用短距離通信 (DSRC) 頻譜。這些變化有助于汽車行業(yè)實現(xiàn)發(fā)展，從而消除了競爭性技術(shù)導致的不確定性。

由于汽車制造商致力于在未來幾年實現(xiàn)全自動駕駛汽車技術(shù)商業(yè)化，所以 V2X 和 5G 正迅速成為不可或缺的技術(shù)。福特目前正在大力推廣互聯(lián)汽車，通過使用 C-V2X 技術(shù)，將創(chuàng)造可觀的全新收入來源。目前，C-V2X 已應(yīng)用于六款車型：福特蒙迪歐、福特 F-150 Raptor、福特 Evos、福特電馬、福特銳界 Plus 以及福特探險者。

更令人興奮的是，福特已成為中國市場首家生產(chǎn) C-V2X 汽車的制造商。在中國，此類采用先進技術(shù)的車輛可向前方交通信號燈發(fā)送重要的交通信息。這樣就可以控制交通信號燈的時間，從而減少擁堵。V2X 汽車駕駛員還可以收到各種信息，包括綠燈優(yōu)化速度建議 (GLOSA)、交通信號燈信息、闖紅燈警告以及其他相關(guān)的道路基礎(chǔ)設(shè)施詳情。V2X 汽車的儀表盤將提醒駕駛員保持在特定的速度范圍內(nèi)，避免在紅綠燈前進行等待。這將節(jié)省燃油油耗，提高交通效率。

更多令人振奮的車輛技術(shù)發(fā)展即將到來，它們將顯著改進人們的駕駛方式。