在自动驾驶车辆中实现5G和DSRC V2X

作者：Danish Aziz，Chris Bohm,Fionn Hurley

很明显，车辆通信是实现更高水平的自动驾驶的重要推动力。然而，长期以来，汽车行业参与者一直在调查所需的无线接入是否应该依赖于蜂窝接入技术（也称为C-V2X）或直接接入技术（称为DSRC）。在这里，我们证明了自动驾驶的未来用例将需要两种技术进行协调或合作。最先进的多无线标准设备采用用于不同技术的单独模块。因此，在没有任何无线间标准接口的情况下，实现这种协作系统似乎很困难。我们提出了最近发布的单芯片解决方案，用于实现双频段、双无线标准车载通信系统。使用单芯片，可以在多个频段同时发送和接收。虽然该设备不符合汽车标准，但可以利用所使用的技术通过提供产品差异化和增强控制来提高服务质量来支持汽车制造商。

介绍

本文的重点是车辆通信（V2X）设备的开发。将概述V2X应用场景以及可用于执行V2X通信的两种无线接入技术。借助简短的V2X介绍，我们将了解由蜂窝网络（也称为蜂窝V2X或C-V2X）控制的V2X通信的无线接入可以补充未经许可和专用频谱范围内的其他无线接入候选者，例如专用短程通信（DSRC）或IEEE 802.11p。为此，有必要将用例的要求与利用多种访问技术的优势的需求联系起来。目前，在实现多标准V2X器件时，可以使用具有单独软件/固件实现的多个模块。然而，这限制了接入技术的合作/协调功能的潜力。这些限制将在“为未来的V2X系统引入单RF IC（ADRV9026）”一节中讨论。ADRV9026是ADIRadioVerse产品组合中的射频收发器（TRx），覆盖6 GHz以下的频率范围。这种多通道、多频段收发器技术可以实现多频段V2X通信设备。®

车联网 （V2X） 通信

汽车世界正在迅速创新，以便在所有可能的驾驶场景、操作和情况下实现完全自动化。事实上，无线连接将需要作为基础技术之一，不仅可以实现完全自动化，还可以实现较低级别的自动化。特别是，自动驾驶汽车的安全关键应用将严重依赖无线连接。在共享驾驶空间或交通系统的实体存在的情况下，必须以最终（99.999%） 的可靠性执行安全机动。此类实体可能包括其他车辆、人员、道路上的运输系统或交通管理网络。因此，必须为每辆车配备无线连接，以便与系统中的其他实体进行信息交换、合作和协调。

为此，欧洲的管理机构（例如ETSI）已经奠定了汽车智能交通系统（ITS）的基础。类似的系统已经在世界各地开发，包括美洲和亚太地区。ITS 为各种应用程序和用例定义和指定了通信节点、架构、协议和消息。需要新的基础设施来增强未经许可或专用频段的基于DSRC的应用。在智能高速公路和智慧城市计划下，基础设施部署过程已经在许多地区活跃。在C-V2X的情况下，使用现有的蜂窝基础设施。图 1 显示了 ITS 车辆可以与运输系统中的其他车辆或其他实体通信的接口。以下是每个接口的说明：

V2V（车对车）通信：最初它仅用于广播消息，但现在车辆也可以执行单播或组播消息传递。该接口可用于在通信范围内直接从一辆车传播到另一辆车的任何信息，例如，在紧急制动的情况下。

V2P（车对行人）通信：使用此接口，假设智能手机具有V2X应用程序，车辆和路边用户可以进行通信。例如，可以警告易受伤害的路边使用者有接近的车辆。

V2N/V2I（车对网络或车对基础设施）通信：该接口可用于任何促进智能交通的信息。

图2.以通信层格式表示的 ITS。

蜂窝 V2X （C-V2X）

对于任何移动网络运营商来说，提供100%的蜂窝网络覆盖都是一个非常艰巨的挑战。另一方面，无线电覆盖孔可能比连接和自动驾驶的路孔更糟糕。因此，C-V2X提供了增强的功能，也可以在没有网络覆盖的情况下工作。在图3a中，显示了车辆在存在网络覆盖的情况下进行通信的场景。车辆有两种通信方式：

选项 1是使用经典的 Uu 接口（由 3GPP 命名为最终用户设备和无线基站之间的无线电链路），其中蜂窝网络涉及两个通信 V2X 节点之间。

选项 2是使用称为 PC5 的新接口，该接口在 V2X 节点之间提供直接通信。它也被称为侧链路 （SL） 通信。

图 3b 中没有网络覆盖范围。但是，使用 PC5 接口，V2X 节点仍然可以通信。在覆盖方案下，网络可以使用任何分配的蜂窝频段。下一节将介绍在没有网络覆盖的情况下将使用的频段。

图3.使用蜂窝频率资源进行有或没有蜂窝覆盖的V2X通信。

V2X 频谱分配

欧洲已分配带宽为70 MHz的专用频谱，用于5.9 GHz频段的车辆通信。4正在努力将其分配给全球。此外，目前正在开展协调工作，以便在该频段使用ITS-G5和C-V2X。在C-V2X的背景下，该服务已经可以使用多个蜂窝频段以及PC5和Uu接口的组合。蜂窝标准正在研究V2X双频段的并发操作。基于 3GPP 规范，5,6我们创建了表1，总结了分别使用4G LTE和5G新无线电（5G NR）接口蜂窝无线电接入技术进行V2X服务并发操作的一些频段组合示例。突出显示的行仅适用于 5G NR。

双频和双RAT V2X系统

在存在多种无线接入技术 （RAT） 和在多个频段进行通信的可能性的情况下，汽车 OEM 必须决定采用什么。在美国，FCC倾向于（在撰写本文时）使用基于DSRC的无线接入，7,8而亚太地区则欢迎C-V2X的开发和部署。9在欧洲，我们的想法是保持无线接入技术的中立性。10在这方面，已经提出了一些研究，概述了ITS-G5 / DSRC相对于C-V2X的优势。类似的研究也认为C-V2X优于ITS-G5。因此，汽车和电信行业的合作伙伴正在努力开发一种解决方案，使V2X服务可以利用无线接入技术在许可和非许可频谱中提供的优势。11

图4是图2的修改版本，我们通过在无线接入和分组接入之间引入一个新的子层来详细说明接入层。我们称之为无线访问管理（WAM）。该子层的功能是确保从网络到无线电级别的优化V2X服务交付。根据用例（延迟要求、QoS 等）、流量（拥塞）和链路（无线电质量）条件，它可以协调（分集）或合作（更高的吞吐量）选择不同的无线接入技术。例如，如果在 ITS-G5 空中接口上检测到拥塞，则可以使用 C-V2X 通过 PC5 发送相同的消息。这将提供多样性增益并确保可靠性。在车辆交换高密度地图数据的用例中，Uu接口可以与PC5或ITS-G5配合使用，以满足所需的高吞吐量。

IEEE的贡献12,13借助分析和仿真方法，非常详细地介绍和讨论类似概念的好处，如图 4 所示。如前所述，在C-V2X框架内，蜂窝系统标准化机构已经在研究4G LTE Uu和4G LTE Uu的并发操作。

5G NR Uu 频段，5.9 GHz 频段包含 PC5 和 ITS-G5。因此，通过前面解释的频段和概念的并行操作，我们可以说，标准化机构和应用工业研究界已经为双频段甚至双RAT V2X系统奠定了基础。现在，汽车行业是时候发现最佳的硬件实现方式了，通过这些实现，他们可以利用双频和双RAT V2X概念的优势。

图4.在ITS接入层实现多种无线电技术之间的合作与协调。

为未来的V2X系统推出单RF IC （ADRV9026）

当今的无线设备已经配备了多种无线标准，其中每个标准都使用其独特的模块或硬件来实现。大多数情况下，这些模块提供从RF级到应用层的解决方案。在这样的架构中实现这样的双频V2X系统并提供协调合作机制并不容易，因为此类模块的制造商或供应商不提供访问中间层的自由度，这是实现多个标准之间的协调或合作所必需的。需要使用可用的无线模块实现这些实现，需要外部标准化接口。

因此，我们需要一种允许实施此类系统的设计。使用软件定义无线电（SDR）的无线电发射器和接收器的设计为我们提供了在任何舞台上访问和处理数字数据的充分自由度。ADI RadioVerse产品组合包括许多宽带无线电收发器，可将RF转换为比特，并将比特转换为RF。这种信号与RF频段和基带之间的转换基于零中频（ZIF）架构。从根本上说，与基于直接RF采样的转换相比，它需要的功耗要低得多，因为所有电路的工作带宽都要窄得多。此外，由于ZIF放宽了对发射器和接收器的滤波要求，因此它有助于实现更简单、成本更低的RF前端。

ADRV9026是RadioVerse产品组合在双频SDR维度的最新扩展。它是一款单芯片、完全集成的射频 IC。它具有四个发射通道和四个接收通道，可以独立编程和控制，以发送和接收 75 MHz 和 6 GHz 之间的任何载波频率。接收带宽最高为200 MHz，而发射器合成带宽最高为450 MHz。 片上观察路径（每个带宽高达450 MHz）也可用于支持高功率传输场景中功率放大器的线性化。整个收发器的功能框图如图5所示。

图5.ADI公司的四通道发射器和四通道接收器ADRV9026 RF IC的功能框图。


图6.ADRV9026能够在多个频段内同时发送和接收。

ADRV9026采用先进的本振架构，可以在6 GHz以下的多个频段同时发送和接收。 图6显示了使用单个RF IC ADRV9026在不同频段或不同无线接入中并发发送和接收的示例。在这里，我们只选择了三种波段组合。我们强调ADRV9026能够在75 MHz至6 GHz之间的任何频段工作。 由于ADRV9026中存在四个独立的RF通道，我们甚至可以为每个频段或技术实现2×2 MIMO功能。我们看到使用ADRV9026时获得了数倍的收益。

我们可以灵活地选择C-V2X中的任何频段，这种灵活性无需额外的认证成本。

在合作中使用多个 RAT 将需要更高的同步性。与ADRV9026实现这种同步将更加简单，因为两个频段均由单个RF IC控制。在“双频段和双RAT V2X系统”一节中，我们讨论了双频段V2X系统的概念以及如何将单个RF IC用于此目的。将来，我们将详细介绍这种双频V2X设备的架构和设计。

使用ADRV9026，可以在非常靠近天线的地方执行RF到位转换。这可以避免同轴电缆中的射频信号损耗，在5.9 GHz V2X频段中，同轴电缆的射频信号损耗要高得多。

在RF性能方面，ADRV9026满足无线基站要求。现有的无线模块基于ASIC，这是为最终用户设备开发的。因此，ADRV9026提供更高的RF性能，这意味着更低的延迟、更高的可靠性和更高的QoS。然后，所有这些指标都提供更高的数据速率和无线吞吐量，从而转化为增强的驾驶和乘客体验，同时提高安全性。

凭借更高的数据速率和更低的延迟，与安全相关的用例得到了更好的支持，因为它们为驾驶员或自动驾驶系统提供了更短的反应时间。例如，在未经许可/专用无线电资源达到拥塞限制的繁忙流量场景中，与独立或单接入系统相比，“双频和双RAT V2X系统”中所述的合作/协调系统可以提供更高的可靠性和更好的安全标准。

因此，必须使用具有认知智能和支持单个RF IC的协作/协调实现来满足V2X用例的要求。ADI公司拥有在ADRV9026等单个器件上实现此目的的技术。

结论

在本文中，我们介绍了V2X通信的当前发展，V2X通信是自动驾驶车辆的重要推动因素。在这个领域，有两种无线技术可以相互补充，以满足V2X服务的关键要求。这两种技术是C-V2X和DSRC / ITS-G5，它们可以在许可和未许可频段上运行。对于实现协调/协作的V2X系统有不同的选择。ADI公司拥有支持双频段和双无线标准的技术，具有更高的RF性能、更低的延迟、更高的数据速率和更高的可靠性。我们已经讨论了如何使用这种RF IC设计V2X通信设备，该设备可以在两个不同的无线电频段中同时提供两种V2X技术的无线接入。在下一篇文章中，我们将深入探讨如何使用基于ADRV9026的设计来演示对多频段V2X通信的支持。