技术演变正在进行：V2X 架构

本文作者 Mouser Electronics 的 Steve Taranovich

 

 

 

 

 

 

3GPP 计划在 V2X 中使用 5G 技术以及汽车级别的射频前端模块（FEM），相比于当前专用短距离通信或其他 C-V2X 协议，该技术具有明显的优势。

 

新兴车联网应用（如 V2X）需要满足延迟、数据速率、可靠性和通信范围方面严格的服务质量 (QoS) 要求。在开发自动驾驶汽车过程中，通常会使用以下三种传感器技术：摄像头、雷达和激光雷达。然而，现有的另一种无线技术，即车对万物 (V2X)，可大大提高自动驾驶汽车的价值。V2X 是指各种交通运输相关传感器之间进行的高带宽、低延迟可靠通信。5G 移动网络将提供适合车对车 (V2V) 以及车对基础设施 (V2I) 通信的连接。汽车前端模块 (FEM) 将成为实现新一代技术的重要解决方案，并将推动基于蜂窝技术的 V2X 方案的整体成功部署。

 

接下来，我们将讨论 3GPP 计划如何在 V2X 应用中使用 5G 技术，较当前专用短距离通信 (DSRC) 或其他蜂窝 V2X (C-V2X) 协议，该技术具有显著优势。

 

   技术演变即将到来

 

从通信技术角度来看，未来智能交通系统 (ITS) 服务将得到广泛应用。如此以来，自动驾驶会最终实现，并要求通过先进的通信技术（如 5G V2X）在车辆内实现高互联度。经过学术界和业界多年的研究，推动 5G 发展的成熟技术落地后，3GPP 开始起草 5G V2X 标准，从版本 16 开始实施。

 

首先，让我们来了解一下 V2X 的定义。车对万物技术是一种双向通信技术，可实现汽车、电动汽车以及周围可能会对其产生影响的任何实体之间的信息传输。由于 V2X 应用能够缓解交通拥堵，减少环境影响并提高驾驶员和乘客的舒适性，所以在实现完全自动驾驶之前，这些应用将对安全性和便利性产生巨大影响。

 

5G 配合 V2X 技术，可提升车辆和行人的安全性。新增功能包括：针对正在靠近的急救车辆发出距离/方向信息；为穿过人行横道的行人（为确保安全、在发生意外事件期间以及为便于识别，将控制或延长交通信号灯/信号显示）以及回避冲进车流中行人的车辆，提供通知和控制功能。发生事故时，发送车辆位置和距离通知。校车通知（包括该地区中小学生上下车）等功能将确保行人安全。

 

基于蜂窝通信技术的 V2X 从属于 V2X 的大类。它将作为摄像头、雷达和激光雷达等视距 (LoS) 传感器的补充，实现对提高驾驶安全至关重要的非视距感知力。C-V2X 还可实现比 LoS 传感器更为广泛的探测范围，也是车辆相互通信以及与周围万物通信的基础。2014 年，3GPP 以第 14 版开始 C-V2X 的标准化工作。它将 LTE 作为其根本技术。2017 年发布了相关规范。

 

使用的传输通信功能包括车对基础设施 (V2I)、车对网络 (V2N)、车对车 (V2V)、车对行人 (V2P)、车对弱势道路使用者（如自行车手）、车对设备 (V2D) 以及车对电网 (V2G)（图 1）。

 

汽车行业也在寻求各种方法，以降低支持 5G V2X 的车载单元 (OBU) 成本，同时避免/尽量减少车辆价格上涨。

 

   5G 和 V2X

 

5G 将使 V2X 通信更易实现，且更加快速和可靠。下面总结了 5G 和 V2X 框架之间的主要差异：

 

• 5G 与所有无线电移动服务一样，使用一种称为基站的基础设施，其中划分为独立的单元，这些单元广泛重叠，并由适当的天线系统管理。

• 与所有无线服务一样，V2X 的结构更为灵活，其中的小型天线设备系统（称为热点）通过使用可靠的交互方案，确保提供优质的连接服务。

 

   

图 1：主要的 C-V2X 用例：车对车 (V2V)、车对行人 (V2P)、车对基础设施 (V2I) 和车对网络 (V2N)。V2X 安全消息可能包括欧洲的协作意识消息 (CAM) 和分散环境通知信息 (DENM)，以及美国的基本安全消息 (BSM)。（数据来源：《引入开源 C-V2X 模拟器的 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，多特蒙德工业大学）

 

 Qorvo 开发了一款对成功部署 V2X 技术至关重要的模块

 

   C-V2X 接收器

 

与其他无线通信技术一样，C-V2X 技术也采用模拟和数字模块设计。在 C-V2X 设计中，对于模拟和混合信号部分，射频组件具有关键作用，接收链中配置了许多高频模拟组件（图 2）。

 

图 2 展示了采样接收器的三种不同架构：a) 基带、b) IF 和 c) RF。RF 模数转换器 (ADC) 将根据输入频率决定选用的接收器类型（a、b 或 c）。

 

 

图 2：此框图显示了 C-V2X 采样接收器的三种无线电架构。（数据来源：IEEE）

 

   汽车前端模块(FEM)

 

Qorvo 已开发出对成功部署 V2X 技术至关重要的一款关键模块，即前端模块 (FEM)。此模块属于 Qorvo 车联网产品组合。

 

Qorvo 的 V2X 车联网产品组合包含兼容多种芯片的解决方案，适用于车对车 (V2V)、车对基础设施 (V2I)、车对行人 (V2P) 和车对网络 (V2N) 通信。

 

该产品组合可提供现成的V2X 通信解决方案，包括 47 频段/Wi-Fi 体声波 (BAW) 共存滤波器，支持 Wi-Fi 与 V2X 5.9GHz 频段共存。这种能力对于在车辆与周围环境之间建立可靠的联系至关重要。它还包括两个支持 C-V2X（和 DSRC 系统）的集成式前端模块 (FEM)、一个数字步进衰减器、发射/接收开关和低噪声放大器 (LNA)。

 

设计解决方案如下：    

 

• QPF1002Q：一款经过优化设计的前端模块，支持 C-V2X 系统，集成了功率放大器 (PA)、低噪声放大器 (LNA) 和开关，采用 5.0mm x 4.0mm 封装。

• QPF1003Q：一款经过优化设计的前端模块，支持 C-V2X 和 DSRC/11p 系统，集成了功率放大器 (PA)、低噪声放大器 (LNA) 和开关，采用 5.0mm x 4.0mm 封装。

• QPQ2200Q：一款 B47 频段V2X/Wi-Fi 体声波 (BAW) 共存滤波器，在 Wi-Fi UNII-3 频段中具有出色的带外衰减性能，可防止 Wi-Fi 干扰 V2X 5.9GHz 频段，并可为自动驾驶实现可靠的 V2X 链路，采用 1.1mm x 0.9mm 紧凑型封装

• QPC6713Q：7 位、0.25dB 步进的数字衰减器：实现补偿器应用所需的精细功率控制

• QPC8019Q：具有 V2X 系统所需的快速发射/接收开关功能

 

 

让我们来更深入地了解一下 Qorvo 的一款 FEM，即 QPF1002Q。

 

 

 

Qorvo QPF1002Q 汽车前端模块是适合 C-V2X（蜂窝车对万物）系统的优化解决方案。C-V2X 系统将能够感知周围环境，在互联车辆中实现下一代自动驾驶和实时监控。C-V2X 使用 5.9GHz 智能交通系统 (ITS) 频段中的低时延传输。

 

QPF1002Q 还在单个设备中集成了一个 5GHz 功率放大器 (PA)、Tx/Rx 天线开关和可旁路的低噪声放大器 (LNA)。

 

此器件的频率范围为 5.77GHz 至 5.925GHz，Tx 增益为 28dB，Rx 增益为 13dB，噪声系数为 2.6dB。该 PA 的性能优化主要是采用 5V 电源供电以节省功耗，同时保持最高的线性输出功率和出色的吞吐量。接收路径的引脚分配灵活，支持外置滤波器或低噪放。

 

Qorvo 的 QPF1002Q 汽车 FEM 采用 5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 紧凑型层压封装，符合 AEC-Q100 2 级认证的汽车系统应用标准。

 

以下是一些关键特性：    

• 符合 AEC-Q100 2 级认证标准

• 工作频率范围：5.77GHz 至 5.925GHz

• 针对 +5V 工作电压进行了优化；支持 +4.2V

• POUT = +28dBm，10MHz 带宽下的线性功率

• Tx 增益：28dB

• Tx 电流：580mA

• Tx 高功率和低功率模式

• 24dB Tx 耦合器

• Rx 噪声系数：2.6dB（包括开关）

• Rx 增益：13dB

• Rx 电流：35mA

• 旁路 LNA 损耗：-6.5dB

• 无需外部匹配

• 5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 层压封装

• 无卤且符合 RoHS 标准

 

应用：    

• ITS C-V2X

• 汽车前端

• 汽车远程通信

• 汽车信息娱乐

 

 

   C-V2X 侧行链路

 

第 16 版 5G 为采用 5G 新无线电 (NR) 的行业 C-V2X 应用带来了侧行链路。该版本推动了 C-V2X 应用的发展，如车辆编队、高级驾驶、扩展传感器和远程驾驶。由于在一些危险驾驶情况下需要使用紧急制动和防碰撞功能，所以必须确保满足严格的延迟和高可靠性要求。C-V2X 的最低传输延迟不超过 4ms，且有可能更低，具体取决于实现方案。虽然可靠性很难量化，但每个新版本都在一定程度上提高了性能和安全性，从而提升了可靠性。即将发布的版本将继续提高安全性和可靠性。

 

通过短距离通信传播大部分交通信息，尤其在 V2X 部署的第一阶段，这些都是每辆车定期广播的消息（传递其状态和运动信息）。

 

 

 V2X 和 5G 正迅速成为不可或缺的技术……

 

我们必须指出，V2X 应用依赖于持续、详细的位置信息，这会导致隐私问题。对于私家车，位置信息会透露驾驶员的运动和活动，而驾驶员并不一定是车主。简而言之，发送和传播 V2X 用户位置信息可能会涉及车主和驾驶员的隐私。

 

在交通拥挤区域，可用的信道资源将达到饱和，因此数据包丢失率会增加。这可能会危及驾驶员和乘客的安全。在这些条件达到临界水平之前，对拥堵控制算法进行分析和定义，以便修改特定参数。然而，研究人员并没有研究具体的算法，而是对 Wi-Fi 标准方法 (IEEE 802.11p) 与标准蜂窝方法（C-V2X 第 14 版组成部分 3GPP 定义的侧行链路 LTE-V2X）进行了比较分析。

 

最终分析认为，在信道负载较低的情况下，LTE-V2X 优于 IEEE 802.11p，前提是它具有出色的物理层性能。当信道负载水平较低时，MAC 对性能的影响低于物理层。因此，研究人员认为，当信道负载增加时，即使物理层性能更低，IEEE 802.11p 也优于 LTE-V2X。

 

基于 3GPP 开发的 C-V2X 通信技术可通过侧行链路（亦称为 PC5 接口）实现车辆用户设备 (VUE) 之间的直接通信。C-V2X 侧行链路是第一个在物理层将距离作为维度使用的无线系统。这样就可以在各种 LoS 和非 LoS 无线电环境下实现统一的通信范围。

 

简而言之，C-V2X 技术包含两个通信链路。

 

1. 车对网络 (V2N)，基于现有的蜂窝网络 (Uu)

2. 车对车 (V2V) 直接通信链路 (PC5)

   

• 直接通信链路 (PC5) 是用于确保安全的主要模式，它包含两个传输调度模式：模式 3 和模式 4。模式 3：网络辅助通信。C-V2X 依赖于蜂窝网络进行调度和资源管理。

• 模式 4：覆盖范围外/无 SIM 运行。C-V2X 拥有完全自主性，且不依赖于蜂窝网络。

 

请注意，所有的 C-V2X 部署仅支持模式 4。由于各种原因，模式 3 尚不可行。

 

   V2X 通信过程中的安全和隐私

 

基于 LTE 的 V2X 通信使用容量大、蜂窝覆盖范围广且部署广泛的基础设施，支持各种车辆通信服务，适合安全和非安全应用。3GPP 和高通等技术组织已经制定了基于 5G 的 V2X 服务路线图。

 

3GPP 中定义的安全性主要包括保密性、完整性、真实性和抗回放攻击能力。

 

在针对网络攻击的汽车安全保障解决方案中，推荐全面采用双密钥机制。

 

其他 V2X 应用包括可增强现有方法的车辆间通信，从而有助于改进左转或右转辅助、紧急制动警告功能，并提高十字路口的态势感知。扩展 Waze 概念可以控制调速功能或提供调速建议，以便应对交通拥堵，还可以利用车道封闭和高速公路施工活动的实时更新信息来更新 GPS 地图。某种程度上，从地图更新、漏洞修复到安全更新等，如需提供支持，以便汽车中广泛的软件驱动系统进行无线 (OTA) 软件更新，V2X 则至关重要。

 

V2X 安全消息可包含美国标准中的基本安全消息 (BSM)，或欧盟 (EU) 标准中的协作意识消息 (CAM) 和分散环境通知信息 (DENM)。BSM 包含位置、速度和加速度信息，传输速度高达每秒 10 次。通过使用此消息系统，车辆接收单元还能够进行碰撞预测，并向驾驶员发出警告。

 

 

   V2X 信息保护和安全

 

 

V2X 和 V2I 通信需要具备非常高的安全性，避免消息欺诈或误导，从而导致安全和隐私问题。另一种安全方法是使用公钥证书对消息进行签名，防止未经授权方干扰数据交换，并安全地使用化名进行通信。

 

公钥基础设施 (PKI) 由创建、管理、使用、保存和调用数字安全证书的策略和流程组成。PKI 可实现电子信息的安全传输，它不仅需要进行身份验证的密码，还需要满足更严格的身份确认要求。

 

 

   高速公路拥堵情况下的 C-V2X 性能

 

 

5G 汽车协会 (5GAA) 在《V2X 功能和性能测试报告》中进行了 V2X 性能和功能测试。测试报告显示，5GAA 在实验室环境下对 C-V2X 技术进行了高度拥堵场景测试。即使在这种拥堵的情况下，C-V2X 延迟仍保持在预估范围内，针对此类场景，我们配置了 100ms 的延迟范围，这是一个非常不错的结果。

 

 

   结论

 

 

通过对 5.9GHz 频段进行重组，FCC 有效地改变了美国的车辆通信协作式智能交通系统 (C-ITS) 市场。

 

汽车行业实现进一步发展，必须使用窄频谱和 C-V2X 技术，而不是广泛使用的专用短距离通信 (DSRC) 频谱。这些变化有助于汽车行业实现发展，从而消除了竞争性技术导致的不确定性。

 

由于汽车制造商致力于在未来几年实现全自动驾驶汽车技术商业化，所以 V2X 和 5G 正迅速成为不可或缺的技术。福特目前正在大力推广互联汽车，通过使用 C-V2X 技术，将创造可观的全新收入来源。目前，C-V2X 已应用于六款车型：福特蒙迪欧、福特 F-150 Raptor、福特 Evos、福特电马、福特锐界 Plus 以及福特探险者。

 

更令人兴奋的是，福特已成为中国市场首家生产 C-V2X 汽车的制造商。在中国，此类采用先进技术的车辆可向前方交通信号灯发送重要的交通信息。这样就可以控制交通信号灯的时间，从而减少拥堵。V2X 汽车驾驶员还可以收到各种信息，包括绿灯优化速度建议 (GLOSA)、交通信号灯信息、闯红灯警告以及其他相关的道路基础设施详情。V2X 汽车的仪表盘将提醒驾驶员保持在特定的速度范围内，避免在红绿灯前进行等待。这将节省燃油油耗，提高交通效率。

 

更多令人振奋的车辆技术发展即将到来，它们将显著改进人们的驾驶方式。