适用于5G-V2X和DSRC的高级连接架构

作者：Danish Aziz， Chris Bohm， and Fionn Hurley

商用车中的当今无线连接架构 可能适用于自动驾驶的标准 2 级。然而 它是否能满足 3 级的性能要求仍然值得怀疑 及以上。在此背景下，我们提出了未来的连接架构 自动驾驶汽车。它基于远程无线电头（RRH）概念 使用软件定义无线电 （SDR）。新架构可以提供两倍的增益。一方面，它可以满足未来的性能要求 用例，另一方面，它通过促进使用 给定服务的多个无线访问。我们提供了一个示例，说明如何 使用此体系结构可以实现两种无线接入技术。 总体方法是利用软件化的力量，这符合 随着车载计算技术的未来。

介绍

本文的重点是不断发展的互联汽车中的无线连接架构。为此，我们选择了相关服务 并提供了他们的简要说明。这些服务中的大多数都有双向的 通信和依赖多/混合无线通信标准 或多个频段，主要是为了保证可靠性和服务质量。 设计用于覆盖多个频段和多个无线的射频系统 车辆连接标准是一项非常具有挑战性的任务。首先，我们将讨论 使用传统射频设计车辆连接单元的挑战 方法。这有助于我们理解一些 这些服务在许多方面（例如，无线电性能）都不是最佳的。从传统射频设计的缺点中吸取教训，使我们 商用车无线电连接单元的新架构。这个新的 架构基于 RRH 概念。在文章“启用 5G 和 DSRC 自动驾驶车辆中的V2X，”1我们推出了低于 6 GHz 的 4 通道 基于多频段SDR的收发器RF IC，ADRV9026。在这里，我们扩展 该文章中的讨论，其中包含一个使用 RRH 概念的示例和 单SDR RF IC，我们可以从中构建双频V2X连接单元 5G和DSRC。该装置不仅将提供增强的无线电性能，而且 它还将实现V2X无线接入的高级协调和合作算法。

无线系统和 车联网技术

现代车辆中的服务，例如信息娱乐、导航、通信、 和广播需要无线接入系统。射频频谱范围为 提供这些服务的系统非常广泛，从90 MHz（广播无线电）开始 到 5.9 GHz（V2X 和 Wi-Fi）。未来的系统的目标是与毫米波相对应的频率（例如，5G 毫米波，24 GHz至29 GHz）。图1 说明了用于提供单个服务的多个无线系统。

图1.车辆中的主要无线系统。

商用无线电连接单元提供 应用空间和相应的无线系统。以下列表 重点介绍其中一些的功能和工作频段 无线系统：

GNSS/GPS：提供定位服务和定位信息。它经常 为其他无线系统提供服务以进行同步。有 多个区域标准和分配的频段，范围从 1176 兆赫至 1602 兆赫。

蜂窝 2G、3G、4G 和 5G：用于语音和数据服务，例如 远程信息处理、信息娱乐、无线更新和 V2X 通信。 它涵盖了从 300 MHz 到 5.9千兆赫。

Wi-Fi：适用于多种应用，包括无线更新、诊断、 和数据下载。不同区域具有不同的波段分配和 指定供内部和外部使用的通道。最常见的是 2.4 GHz 和 5.8 GHz 频段的信道。在日本，分配了一些频道 在 5 GHz 频段。

ITS-G5/DSRC：对于V2X通信，70 MHz频谱分配在 世界上大多数地区为 5.9 GHz。

无线电广播：从90 MHz到240 MHz，有不同的频道和 不同地区的波段。请注意，广播系统也可以 由无线电连接单元覆盖，但通常它们被实施 与双向通信系统分开。

复数的经典实现 射频系统

由于车辆中存在所有无线系统，它正在像 车轮上的智能手机。但是，在实施方面，智能手机和车辆用户设备（UE）之间存在巨大差异。 的功能。考虑 4G 蜂窝系统实施的示例 商用车中的架构。在图2a中，宽带天线覆盖 4G频段放在车身的外侧，通常在车顶上。 天线连接到贯穿的同轴传输线电缆 车辆主体到托管4G模块的控制单元。

图2.蜂窝无线连接和其他无线系统的经典架构。

现在，让我们关注接收器RF路径中的RF前端（RFFE）。过滤后 频段、低噪声放大器 （LNA） — 具有极低噪声系数 （NF） 和 高增益 — 放大输入的 RF 信号，包括电缆引入的额外噪声。扩增可能有多个阶段，然后 信号被馈送到4G模块进行基带和更高层的处理。后 4G协议栈，数据进入应用处理器。现在，如果我们这样做 通过对这种架构的简化射频分析，我们发现整个射频链 具有非常差的噪声性能。同轴电缆的噪声系数高于LNA， 信号损耗与电缆的频率和长度成正比。 我们从噪声级联分析中得知，整个射频链的NF为 被RF信号链中第一个分量的NF加权。因此 即使是LNA也无法克服这个问题。为了节省成本和减轻重量， 通常选择较轻的电缆，不幸的是，这增加了射频问题。 通过引入RF前端可以改善整体噪声性能 组件离天线更近，但仍然会受到同轴电缆的影响 存在于系统中。

我们跳过了发射RF路径的细节，您必须在传输前对信号进行适当的放大。但是，我们强调这样一个事实，即任何 连接到蜂窝网络的传输设备也必须获得批准 的网络运营商。因此，在接收和 传输射频路径。

在图2b中，我们概述了其他无线系统通常是如何实现的。 这是为了演示使用多少同轴电缆来连接相对 天线以及每个系统中发生的射频信号损失（以 dBM 为单位的衰减）的程度。 如果我们为单个系统有多个天线，这种损耗会迅速增加。在 除此之外，在多个天线上的信号之间实现同步并通过同轴电缆运行它们并非易事。此外 在 5G 毫米波频率（24 GHz 至 29 GHz）的情况下，RF 信号损耗为 同轴电缆将高于低于 6 GHz 的频率。

远程射频头 （RRH） 架构，用于 车辆连接

RRH的概念已经确立，并用于基站实施，以克服同轴传输线电缆引起的问题。 策略是传输数字信号而不是RF信号。为此 目的，RFFE和收发器（RF IC）靠近天线。 RF信号被转换为数字I/Q位，使用高电平传输 加快数字数据链路。数字数据的进一步处理在通用基带处理池中完成。我们建议类似的射频架构可以 用于车辆。图 3 描述了同轴电缆的这种架构 被高速链路取代。此外，用于射频信号的转换 对于数字I/Q样本，我们建议使用将RF转换为位的RF IC 反之亦然。这些位在RF IC和基带之间传输 处理器通过数字链路（例如，千兆以太网）。进一步加工 由应用处理器完成。这些处理器可以由 无线连接单元或由集中式计算平台组成。计算 车辆中的资源和集中计算的趋势正在增加 一个伟大的步伐，2因此，向这种架构的逐渐变化是很好的对齐 随着车辆的未来计算架构。

图3.未来的连接架构。

仅将RF至位功能保持在天线附近具有两倍增益。 首先，只需进行所需的最小转换以避免RF信号损失 靠近天线，空间和功率已经是一个问题。二、 在数据速率方面，对数字高速链路的要求将放宽。

基于 RRH 和 SDR 的 V2X 实施

我们可以通过使用多频段RF IC来增强RRH架构的优势。这 V2X通信服务是利用这种组合的完美例子。 如文章“启用 5G 和 DSRC ”中所述 自动驾驶车辆中的V2X，“V2X服务可以使用两种不同的无线接入技术：一种是 基于DSRC / ITS-G5（IEEE 802.11p），另一个基于蜂窝技术 （C-V2X），无论是4G-LTE还是5G。它可以以协调/合作的方式使用这两种访问类型，以保证所需的可靠性和安全性。单芯片多频段 V2X系统可以在新推出的RF IC的帮助下进行设计，ADI的 ADRV9026.图4显示，ADRV9026可以集成到RRH中， 可以放置在屋顶天线盒上。它包含四个主要传输 和四个主接收通道，每个通道最多可以有四个独立的数字数据路径到基带处理器。使用高级本地 振荡器架构，ADRV9026可以同时发送和接收 使用V2X无线接入管理（WAM）功能，两种无线接入类型都可以有效地共享70 MHz 为V2X服务分配的5.9 GHz频段（在世界大多数地区）。

图4.使用基于 SDR 的 RRH 架构的高级 5G 和 V2X 连接。

为了符合未来的趋势，我们假设集中式计算 车辆中提供资源（见图 4）。基带处理， 调制解调器协议栈和应用程序处理可以使用 集中式平台。ADRV9026符合JESD204B和JESD204C3用于串行数据传输和接收的协议。现成的电缆是 可用4可用于在最远 10 m 处传输 1 Gbps。万一更多 需要灵活性和数据速率，可以使用任何处理硬件来 将基于JESD的串行数据转换为任何其他合适的格式，例如： 千兆以太网或 PCIe。

如图 4 所示，我们分配了两个发送通道和两个接收通道 每个用于DSRC V2X和5G蜂窝。5G可以使用两个通道进行全面 5G通信，包括蜂窝V2X服务。具有两个通道，一个 还可以实现 2 × 2 MIMO 场景。与当前架构不同， 它要求每个无线标准的调制解调器在 集中式计算平台。各个无线的 I/Q 样本 标准由其软件调制解调器处理。我们预计这样的 对于当代人来说，采用变革可能具有挑战性。但是，随着 软件化和虚拟化的出现，我们看到了它的到来。5

结论

我们重点介绍了经典的车辆连接架构，其中每个 无线系统通过安装天线、电缆、射频单独实现 处理硬件和软件处理硬件。基于定性分析，经典对服务性能的负面影响 介绍了建筑。借助 RRH 概念和双频射频 IC，提出了一种新的车辆连接架构方法。我们看到 此体系结构具有多重优势，例如：

减少同轴电缆的使用，从而提高射频性能和 无线电链路可靠性。

符合未来车辆的软件架构。

通过软件更新管理某些新功能的能力。

单个RF IC可以实现多种标准。

加强对服务质量保证的控制。

为应用多个无线的服务提供更好的协调可能性 标准。

准备在未来的车辆中采用新的无线标准实施 比如5G毫米波。

我们的方法提供了更高的性能（这是自动化所要求的 驾驶场景）以及使用通用硬件实现多个无线系统的可能性。我们已经展示了V2X服务，即 对于队列行驶和远程操作等自动驾驶用例至关重要 驾驶（两者都需要高可靠性的无线连接）可以利用 此体系结构的优点。

审核编辑：郭婷