【導讀】很顯然，車輛通信是實現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應基于蜂窩技術（也稱為C-V2X）還是基于直接接入技術（稱為DSRC）。在本文中，我們將展示未來的自動駕駛場景需要協調或組合使用這兩種技術。先進的多無線標準設備需要集成分別采用不同技術的單個模塊。因此，在缺乏無線互聯的標準接口的情況下，實現這種協同系統顯得非常困難。我們使用最近發布的一款單芯片解決方案來實現雙頻、雙無線標準車載通信系統。利用單芯片，可以在多個頻段內同時發送和接收信號。雖然此設備未通過汽車應用認證，但所用的技術可以通過提供產品差異化和增強控制來提升服務質量，為汽車制造商提供支持。
簡介
本文將重點介紹車輛通信(V2X)設備的發展情況。將概述V2X應用場景，并介紹可用于執行V2X通信的兩種無線接入技術。通過簡要介紹V2X，我們將了解由蜂窩網絡（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為其他無線接入備選技術提供補充，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優勢的需求結合起來。當涉及到實現多標準V2X設備時，目前可使用多個模塊和各自獨立的軟件/固件。但是，這會限制接入技術的協作/協調功能的潛力。有關這些限制，可參閱“推出適用于未來的V2X系統的單個RF IC (ADRV9026)”一節。ADRV9026是ADI RadioVerse?產品組合中的一款射頻收發器(TRx)，覆蓋6 GHz以下的頻率范圍。這種多通道、多頻段收發器技術可實現多頻段V2X通信設備。
車對萬物(V2X)通信
汽車行業正在快速創新，以便在所有可能的駕駛場景、操作條件和情況下實現全面自動化。事實證明，無線連接不僅是實現全面自動化，也是實現低階自動化的基礎技術之一。特別是，自動駕駛汽車的安全關鍵應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的情況下，以極高(99.999%)可靠性執行安全操作將至關重要。這些實體可能包括其他車輛、人員、道路上的運輸系統或交通管理網絡。因此，為了與系統中的其他實體進行信息交換、合作和協調，必須為每一輛車配備無線連接功能。
圖1.實體、基礎設施和V2X通信系統接口
為此，歐洲的管理機構（如ETSI）已經為汽車智能交通系統(ITS)奠定了基礎。全世界都開發了類似的系統，包括美國和亞太地區。ITS針對各種應用和用例定義并指定了通信節點、架構、協議和消息。此外，需要新的基礎設施以增強免許可頻段或專用頻段中基于DSRC的應用。隨著踐行智能高速公路和智慧城市倡議，許多地區都在積極部署相關基礎設施。對于C-V2X，可使用現有的蜂窩基礎設施。圖1顯示了ITS車輛與運輸系統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，但現在車輛也可執行單播或多播消息。這種接口可用于在通信范圍內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（車對網絡或車對基礎設施）通信：此接口可用于傳輸有助于實現智能交通的任何信息。
適用于V2X的無線接入技術
圖2顯示了整個ITS的分層架構。頂部應用層包含用例定義，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，例如定位/位置信息、提醒消息和通知。最后，通過使用無線技術在空間傳送這些協議消息。
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的無線接入來實現同樣的目的。但是，這些無線技術是基于IEEE 802.11x Wi-Fi標準開發進行專用通信2。因此其范圍有限，并且也面臨與其他基于Wi-Fi的系統類似的擁堵和服務質量(QoS)問題。此外，還需要投入大量資本來部署路邊基礎設施，以確保交通管理服務器的覆蓋范圍。另一方面，通過公共陸地移動無線電（也稱為蜂窩通信系統）實現無線接入可以解決覆蓋范圍和QoS的問題。蜂窩網絡已經覆蓋了大部分道路，我們還提供由網絡控制的計劃性接入，通過避免擁堵或掉話來確保服務質量。
第4代長期演進(4G LTE)蜂窩系統標準中已提供V2X服務3。但是，4G LTE的主要目標是基本安全用例。第5代(5G)則針對更多安全關鍵型和高可靠性用例。蜂窩V2X (C-V2X)是指通過移動網絡提供的V2X服務，無論是4G LTE還是5G。車載通信系統的整體情況使得我們不僅能在不同區域，還能夠在不同頻段內使用多種技術和標準。當我們考慮適用于不同區域和不同標準的不同頻段時，整體情況會更為復雜。
蜂窩V2X (C-V2X)
對移動網絡運營商來說，提供100%的蜂窩網絡覆蓋是一個非常困難的挑戰。另一方面，對于互聯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，使其在沒有網絡覆蓋的情況下也可以正常工作。圖3a顯示的是車輛在有網絡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：使用經典的Uu接口（3GPP為終端用戶設備和無線電基站之間的無線電鏈路定義的名稱），兩個V2X通信節點之間會用到蜂窩網絡。
選項2：使用名為PC5的新接口，該接口在V2X節點之間提供直接通信。這也稱之為側鏈(SL)通信。
圖3b所示為沒有網絡覆蓋的場景。但是，在使用PC5接口時，V2X節點之間仍可進行通信。在有網絡覆蓋的場景下，網絡可能會使用分配的蜂窩頻段。下一節介紹在沒有網絡覆蓋的情況下會使用什么頻段。
圖3.在有或沒有蜂窩網絡覆蓋的情況下進行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分配部署。此外，正在進行協調工作，以便能在此頻段內使用ITS-G5和C-V2X。在C-V2X環境下，該服務可能已經通過組合使用PC5和Uu接口來使用多個蜂窩頻段。蜂窩標準正在研究V2X雙頻段并發操作。根據3GPP規范5,6，我們創建了表1，匯總列出V2X服務并發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。高亮顯示的行僅適用于5G NR。
雙頻段和雙RAT V2X系統
在可使用多種無線接入技術(RAT)且能夠在多個頻段內通信時，汽車OEM必須決定采用哪種。在美國，FCC傾向于（在撰寫本文時）使用基于DSRC的無線接入7,8，亞太地區則傾向于開發和部署C-V2X9。歐洲對無線接入技術保持中立10。在這方面，目前已發布了多項研究結果，闡述了ITS-G5/DSRC相對于C-V2X的優勢。類似研究也認為C-V2X比ITS-G5更有優勢。因此，汽車和電信行業的合作伙伴正在努力開發一種解決方案，使V2X服務能夠利用無線接入技術在許可頻譜和免許可頻譜中提供的優勢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絡向無線電層級提供優化的V2X服務。它可以基于用例（延遲要求、QoS等）、流量（擁堵）和鏈接（無線電質量）條件通過協調多樣性或協作更高吞吐量選擇不同的無線接入技術。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發送相同的消息。這將提供多樣性差異化增益并確保可靠性。在車輛交換高密度地圖數據這個用例中，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勢（如圖4所示）。如之前使用表1所述，在C-V2X框架內，蜂窩系統標準化機構已在探討研究通過5.9 GHz頻段內的PC5和ITS-G5技術實現4G LTE Uu和5G NR Uu頻段的并發操作。因此，根據前面介紹的頻段并發操作和概念，我們可以說標準化機構和相關的工業研究社區已為雙頻段，甚至是雙RAT V2X系統奠定了基礎。現在，汽車行業應尋找最佳硬件裝置，以利用雙頻段和雙RAT V2X概念的優勢。
圖4.在ITS接入層實現多種無線電技術之間的協作與協調
推出適用于未來的V2X系統的單RF IC (ADRV9026)
當今的無線設備已經配備多種無線技術標準，每種標準都要求使用各自獨特的模塊或硬件。大多數情況下，這些模塊提供從RF層到應用層的解決方案。在這種架構中實施這種雙頻段V2X系統和提供協作和合作機制并不容易，因為這類模塊的制造商或供應商并不提供自由訪問中間層的權限，而在多種標準之間實現協作或合作需要這種權限。通過可用的無線模塊實現這些配置需要使用外部標準化接口。
因此，我們需要支持實現這類系統的設計。使用軟件定義無線電(SDR)的無線電發射器和接收器設計讓我們能夠完全自由地在任何階段訪問和處理數字數據。ADI RadioVerse產品系列包含許多可將RF轉化為比特，將比特轉化為位的寬帶無線電收發器。這種信號與RF頻段和基帶之間的轉換是基于零中頻(ZIF)架構。從根本上說，與基于直接RF采樣的轉換相比，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產品系列中雙頻段SDR產品的擴展。這是一款單芯片全集成式RF IC。它有4個發射和4個接收通道，可以獨立編程和控制，用于發射和接收75 MHz和6 GHz之間的任何載波頻率。接收帶寬可高達200 MHz，而發射器合成帶寬可高達450 MHz。此外還提供片內觀測路徑（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顯示整個收發器的功能框圖。
圖5.ADI提供的4通道發射器和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送和接收
ADRV9026使用先進的本地振蕩器架構，可以同時在多個6 GHz以下的頻段發送和接收。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同時發送和接收的示例。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來實現2 × 2 MIMO功能。在使用ADRV9026時，我們能獲得多種優勢。
● 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”一節中，我們討論了雙頻段V2X系統的概念，以及如何使用單個RF IC來達成此目的。未來，我們會提供有關這類雙頻段V2X設備的架構和設計的更多細節。
● 通過使用ADRV9026，可在非常靠近天線的位置執行RF-比特轉換。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。現有的無線模塊基于針對終端用戶設備開發的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據速率和無線吞吐量，從而帶來更出色的駕乘體驗，以及更高的安全性。
● 高數據速率和低延遲使駕駛員或自動駕駛系統能夠更快地做出反應，為安全相關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相比，協作/協調系統（如“雙頻段和雙RAT V2X系統”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的協作/協調配置來滿足V2X用例的要求。ADI公司提供以單個設備（例如ADRV9026）實現此目標的技術。
結論
在本文中，我們介紹了V2X通信當前的發展情況，這是推動實現自動駕駛汽車的關鍵因素。在這一領域，可以將兩種無線技術配合使用以滿足V2X服務的關鍵要求。這兩種技術分別是C-V2X和DSRC/ITS-G5，可在許可和免許可頻段內運行。實現協調/協作V2X系統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，具有更高的RF性能、更低的延遲、更高的數據速率和更高的可靠性。我們已討論了如何使用此RF IC來設計V2X通信設備，它可以在兩個不同的無線電頻段同時針對兩種V2X技術提供無線接入。
參考資料
1 ETSI TS 102 894-1 V1.1.1 (2013-08)： 智能交通系統(ITS)；用戶和應用要求；第一部分：設備層結構、功能要求和規格。ETSI，2013年8月。
2 Khadige Abboud、Hassan Aboubakr Omar、Weihua Zhuang。“適用于V2X通信的DSRC和蜂窩網絡技術互通：一項調查。”IEEE 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；技術規范組無線接入網；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絡(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(ITS)；
在5 855 MHz至5 925 MHz頻段內工作的無線電通信設備；涵蓋2014/53/EU指令第3.2條基本要求的調諧標準。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；用戶設備(UE)無線電發射和接收。
6 3GPP TR 38.886 V0.5.0 (2020-02)基于NR的V2X服務；用戶設備(UE)無線電發射和接收。
7 情況說明—使用5.850-5.925 GHz頻段： 規則建議通知—ET案卷編號19-138。聯邦通信委員會。2019年11月。
8 專用短距離通信(DSRC)服務： 規則（第47 C.F.R、90和95部分）。聯邦通信委員會。2019年4月。
9 亞太地區的ITS頻譜使用。5G汽車協會。
10 意見書： 歐洲在互聯和自動駕駛領域的領先地位取決于技術中立、以創新為導向的政策。5G汽車協會。2018年11月。
11 面向未來互聯移動的5G解決方案。5G NetMobil。
12 Richard Jacob、Norman Franchi、Gerhard Fettweis。“混合V2X通信：多RAT助力實現互聯自動駕駛。”2018年IEEE第29屆個人、室內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。“利用車輛專用網絡中的多RAT多樣性提高協同自動駕駛應用的可靠性。”2019年IEEE第90屆汽車技術大會（VTC2019-秋），2019年9月。
14 ADRV9026數據手冊。ADI公司，2021年1月
作者簡介
Danish Aziz是ADI公司的現場應用工程師和RF產品和系統學科問題專家。身為技術銷售團隊的一員，他積極參與推動EMEA地區的增長并為客戶提供技術支持。主要專注于汽車、工業、國防和蜂窩領域的無線連接應用。他是ADI公司在5G汽車協會(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工程師；為3G、4G和5G系統標準化做出了貢獻；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篇關于無線通信的技術論文，這些論文發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。聯系方式：danish.aziz@analog.com。
Chris B?hm擁有德國雷根斯堡高等專業學院的電信學位，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產品的數字設計工程師，包括視頻解碼器、用于數據傳輸的光傳輸參考設計，以及針對即將推出的5G標準的RF系統（最近）。他目前主要負責6 GHz以下無線電傳輸的數字信號處理和算法開發。聯系方式：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務部的營銷經理。他于2007年加入ADI公司。之前擔任RF設計工程師。他畢業于愛爾蘭科克大學(UCC)，獲得電氣與電子工程學士學位。聯系方式：fionn.hurley@analog.com。
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