作者：Danish Aziz，Chris Bohm,Fionn Hurley
很明顯，車輛通信是實現更高水平的自動駕駛的重要推動力。然而，長期以來，汽車行業參與者一直在調查所需的無線接入是否應該依賴于蜂窩接入技術（也稱為C-V2X）或直接接入技術（稱為DSRC）。在這里，我們證明了自動駕駛的未來用例將需要兩種技術進行協調或合作。最先進的多無線標準設備采用用于不同技術的單獨模塊。因此，在沒有任何無線間標準接口的情況下，實現這種協作系統似乎很困難。我們提出了最近發布的單芯片解決方案，用于實現雙頻段、雙無線標準車載通信系統。使用單芯片，可以在多個頻段同時發送和接收。雖然該設備不符合汽車標準，但可以利用所使用的技術通過提供產品差異化和增強控制來提高服務質量來支持汽車制造商。
介紹
本文的重點是車輛通信（V2X）設備的開發。將概述V2X應用場景以及可用于執行V2X通信的兩種無線接入技術。借助簡短的V2X介紹，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補充未經許可和專用頻譜范圍內的其他無線接入候選者，例如專用短程通信（DSRC）或IEEE 802.11p。為此，有必要將用例的要求與利用多種訪問技術的優勢的需求聯系起來。目前，在實現多標準V2X器件時，可以使用具有單獨軟件/固件實現的多個模塊。然而，這限制了接入技術的合作/協調功能的潛力。這些限制將在“為未來的V2X系統引入單RF IC（ADRV9026）”一節中討論。ADRV9026是ADIRadioVerse產品組合中的射頻收發器（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以實現多頻段V2X通信設備。?
車聯網 （V2X） 通信
汽車世界正在迅速創新，以便在所有可能的駕駛場景、操作和情況下實現完全自動化。事實上，無線連接將需要作為基礎技術之一，不僅可以實現完全自動化，還可以實現較低級別的自動化。特別是，自動駕駛汽車的安全關鍵應用將嚴重依賴無線連接。在共享駕駛空間或交通系統的實體存在的情況下，必須以最終 （99.999%） 的可靠性執行安全機動。此類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，必須為每輛車配備無線連接，以便與系統中的其他實體進行信息交換、合作和協調。
為此，歐洲的管理機構（例如ETSI）已經奠定了汽車智能交通系統（ITS）的基礎。類似的系統已經在世界各地開發，包括美洲和亞太地區。ITS 為各種應用程序和用例定義和指定了通信節點、架構、協議和消息。需要新的基礎設施來增強未經許可或專用頻段的基于DSRC的應用。在智能高速公路和智慧城市計劃下，基礎設施部署過程已經在許多地區活躍。在C-V2X的情況下，使用現有的蜂窩基礎設施。圖 1 顯示了 ITS 車輛可以與運輸系統中的其他車輛或其他實體通信的接口。以下是每個接口的說明：
V2V（車對車）通信：最初它僅用于廣播消息，但現在車輛也可以執行單播或組播消息傳遞。該接口可用于在通信范圍內直接從一輛車傳播到另一輛車的任何信息，例如，在緊急制動的情況下。
V2P（車對行人）通信：使用此接口，假設智能手機具有V2X應用程序，車輛和路邊用戶可以進行通信。例如，可以警告易受傷害的路邊使用者有接近的車輛。
V2N/V2I（車對網絡或車對基礎設施）通信：該接口可用于任何促進智能交通的信息。
圖2.以通信層格式表示的 ITS。
蜂窩 V2X （C-V2X）
對于任何移動網絡運營商來說，提供100%的蜂窩網絡覆蓋都是一個非常艱巨的挑戰。另一方面，無線電覆蓋孔可能比連接和自動駕駛的路孔更糟糕。因此，C-V2X提供了增強的功能，也可以在沒有網絡覆蓋的情況下工作。在圖3a中，顯示了車輛在存在網絡覆蓋的情況下進行通信的場景。車輛有兩種通信方式：
選項 1是使用經典的 Uu 接口（由 3GPP 命名為最終用戶設備和無線基站之間的無線電鏈路），其中蜂窩網絡涉及兩個通信 V2X 節點之間。
選項 2是使用稱為 PC5 的新接口，該接口在 V2X 節點之間提供直接通信。它也被稱為側鏈路 （SL） 通信。
圖 3b 中沒有網絡覆蓋范圍。但是，使用 PC5 接口，V2X 節點仍然可以通信。在覆蓋方案下，網絡可以使用任何分配的蜂窩頻段。下一節將介紹在沒有網絡覆蓋的情況下將使用的頻段。
圖3.使用蜂窩頻率資源進行有或沒有蜂窩覆蓋的V2X通信。
V2X 頻譜分配
歐洲已分配帶寬為70 MHz的專用頻譜，用于5.9 GHz頻段的車輛通信。4正在努力將其分配給全球。此外，目前正在開展協調工作，以便在該頻段使用ITS-G5和C-V2X。在C-V2X的背景下，該服務已經可以使用多個蜂窩頻段以及PC5和Uu接口的組合。蜂窩標準正在研究V2X雙頻段的并發操作。基于 3GPP 規范，5,6我們創建了表1，總結了分別使用4G LTE和5G新無線電（5G NR）接口蜂窩無線電接入技術進行V2X服務并發操作的一些頻段組合示例。突出顯示的行僅適用于 5G NR。
雙頻和雙RAT V2X系統
在存在多種無線接入技術 （RAT） 和在多個頻段進行通信的可能性的情況下，汽車 OEM 必須決定采用什么。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而亞太地區則歡迎C-V2X的開發和部署。9在歐洲，我們的想法是保持無線接入技術的中立性。10在這方面，已經提出了一些研究，概述了ITS-G5 / DSRC相對于C-V2X的優勢。類似的研究也認為C-V2X優于ITS-G5。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服務可以利用無線接入技術在許可和非許可頻譜中提供的優勢。11
圖4是圖2的修改版本，我們通過在無線接入和分組接入之間引入一個新的子層來詳細說明接入層。我們稱之為無線訪問管理（WAM）。該子層的功能是確保從網絡到無線電級別的優化V2X服務交付。根據用例（延遲要求、QoS 等）、流量（擁塞）和鏈路（無線電質量）條件，它可以協調（分集）或合作（更高的吞吐量）選擇不同的無線接入技術。例如，如果在 ITS-G5 空中接口上檢測到擁塞，則可以使用 C-V2X 通過 PC5 發送相同的消息。這將提供多樣性增益并確保可靠性。在車輛交換高密度地圖數據的用例中，Uu接口可以與PC5或ITS-G5配合使用，以滿足所需的高吞吐量。
IEEE的貢獻12,13借助分析和仿真方法，非常詳細地介紹和討論類似概念的好處，如圖 4 所示。如前所述，在C-V2X框架內，蜂窩系統標準化機構已經在研究4G LTE Uu和4G LTE Uu的并發操作。
5G NR Uu 頻段，5.9 GHz 頻段包含 PC5 和 ITS-G5。因此，通過前面解釋的頻段和概念的并行操作，我們可以說，標準化機構和應用工業研究界已經為雙頻段甚至雙RAT V2X系統奠定了基礎。現在，汽車行業是時候發現最佳的硬件實現方式了，通過這些實現，他們可以利用雙頻和雙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合作與協調。
為未來的V2X系統推出單RF IC （ADRV9026）
當今的無線設備已經配備了多種無線標準，其中每個標準都使用其獨特的模塊或硬件來實現。大多數情況下，這些模塊提供從RF級到應用層的解決方案。在這樣的架構中實現這樣的雙頻V2X系統并提供協調合作機制并不容易，因為此類模塊的制造商或供應商不提供訪問中間層的自由度，這是實現多個標準之間的協調或合作所必需的。需要使用可用的無線模塊實現這些實現，需要外部標準化接口。
因此，我們需要一種允許實施此類系統的設計。使用軟件定義無線電（SDR）的無線電發射器和接收器的設計為我們提供了在任何舞臺上訪問和處理數字數據的充分自由度。ADI RadioVerse產品組合包括許多寬帶無線電收發器，可將RF轉換為比特，并將比特轉換為RF。這種信號與RF頻段和基帶之間的轉換基于零中頻（ZIF）架構。從根本上說，與基于直接RF采樣的轉換相比，它需要的功耗要低得多，因為所有電路的工作帶寬都要窄得多。此外，由于ZIF放寬了對發射器和接收器的濾波要求，因此它有助于實現更簡單、成本更低的RF前端。
ADRV9026是RadioVerse產品組合在雙頻SDR維度的最新擴展。它是一款單芯片、完全集成的射頻 IC。它具有四個發射通道和四個接收通道，可以獨立編程和控制，以發送和接收 75 MHz 和 6 GHz 之間的任何載波頻率。接收帶寬最高為200 MHz，而發射器合成帶寬最高為450 MHz。 片上觀察路徑（每個帶寬高達450 MHz）也可用于支持高功率傳輸場景中功率放大器的線性化。整個收發器的功能框圖如圖5所示。
圖5.ADI公司的四通道發射器和四通道接收器ADRV9026 RF IC的功能框圖。
圖6.ADRV9026能夠在多個頻段內同時發送和接收。
ADRV9026采用先進的本振架構，可以在6 GHz以下的多個頻段同時發送和接收。 圖6顯示了使用單個RF IC ADRV9026在不同頻段或不同無線接入中并發發送和接收的示例。在這里，我們只選擇了三種波段組合。我們強調ADRV9026能夠在75 MHz至6 GHz之間的任何頻段工作。 由于ADRV9026中存在四個獨立的RF通道，我們甚至可以為每個頻段或技術實現2×2 MIMO功能。我們看到使用ADRV9026時獲得了數倍的收益。
我們可以靈活地選擇C-V2X中的任何頻段，這種靈活性無需額外的認證成本。
在合作中使用多個 RAT 將需要更高的同步性。與ADRV9026實現這種同步將更加簡單，因為兩個頻段均由單個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將單個RF IC用于此目的。將來，我們將詳細介紹這種雙頻V2X設備的架構和設計。
使用ADRV9026，可以在非常靠近天線的地方執行RF到位轉換。這可以避免同軸電纜中的射頻信號損耗，在5.9 GHz V2X頻段中，同軸電纜的射頻信號損耗要高得多。
在RF性能方面，ADRV9026滿足無線基站要求。現有的無線模塊基于ASIC，這是為最終用戶設備開發的。因此，ADRV9026提供更高的RF性能，這意味著更低的延遲、更高的可靠性和更高的QoS。然后，所有這些指標都提供更高的數據速率和無線吞吐量，從而轉化為增強的駕駛和乘客體驗，同時提高安全性。
憑借更高的數據速率和更低的延遲，與安全相關的用例得到了更好的支持，因為它們為駕駛員或自動駕駛系統提供了更短的反應時間。例如，在未經許可/專用無線電資源達到擁塞限制的繁忙流量場景中，與獨立或單接入系統相比，“雙頻和雙RAT V2X系統”中所述的合作/協調系統可以提供更高的可靠性和更好的安全標準。
因此，必須使用具有認知智能和支持單個RF IC的協作/協調實現來滿足V2X用例的要求。ADI公司擁有在ADRV9026等單個器件上實現此目的的技術。
結論
在本文中，我們介紹了V2X通信的當前發展，V2X通信是自動駕駛車輛的重要推動因素。在這個領域，有兩種無線技術可以相互補充，以滿足V2X服務的關鍵要求。這兩種技術是C-V2X和DSRC / ITS-G5，它們可以在許可和未許可頻段上運行。對于實現協調/協作的V2X系統有不同的選擇。ADI公司擁有支持雙頻段和雙無線標準的技術，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。我們已經討論了如何使用這種RF IC設計V2X通信設備，該設備可以在兩個不同的無線電頻段中同時提供兩種V2X技術的無線接入。在下一篇文章中，我們將深入探討如何使用基于ADRV9026的設計來演示對多頻段V2X通信的支持。
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