自动驾驶的无线链路技术揭秘

自主驾驶车辆无线电链路一直在发展变化。 诸如5.9 GHz 专用短程通信技术(DSRC) 之类规范，起初作为收费站的车辆至基础设施(V2I) 系统规范，后来转而运用于其它基础设施应用，如提供限速信息，以使摄像头无需探测道路标记。

然而，由于全球的频段分布已经发生了变化，且V2I 基础设施尚未广泛分布，因此限制了自主操作的无线电技术的使用。 通过提供限速数据和其它有用信息，来自路边装置(RSU) 的数据能协助自主控制系统，这些信息如附近车辆的位置、速度和行驶方向，抑或是通过其它方式看不到的位于拐角的车辆。 但这些数据并不能总由RSU 提供，所以，车辆在无法提供这些数据的路上行驶时，必须配备摄像头等其它检测系统。 这就意味着增加开发成本和复杂性。

所以直到最近，在无线链路方面的要求才被视为自主驾驶车辆运行的一个基本要素。 尽管最初的开发重点关注自主控制系统，但近来更多的设计则认可需要采用无线链路来适应大量不同的应用。

这包括各种不同的应用，从下载最新地图数据让车辆知道确切的含义，到从其它车辆接收交通信息。无线链路也可用于“列队行驶”，让车辆，尤其是卡车之间保持恒定车距。

图1：通用汽车是率先使用车辆间数字近程通信链路的汽车制造商之一，从2016 年底开始便在其凯迪拉克CTS 上使用该技术。

虽然多家汽车制造商已采用DSCR 技术，如通用汽车在其2016 年底发布的凯迪拉克CTS 上采用了该技术，但LTE 蜂窝技术也在作为一种可能的无线连接技术处于检测阶段。

不过，LTE 网络的延迟仍是一个问题，对于V2V 应用时尤为严重。 来自车辆的数据从LTE 模块流向基站，再通过运营商网络流回车辆附近的相同基站。DSRC 数据则直接在车辆间流动。

图2：自主驾驶车辆无线链路的DSRC 和蜂窝技术的不同用途（感谢NXP 提供资料）

因此，与之相反，基于LTE 的信息娱乐子系统用于向无人驾驶车辆的乘员提供信息娱乐服务，而基于DSCR 的V2X 子系统则用于提供安全数据。 信息娱乐子系统按价而定，而V2X 则要依据一定的标准将加密技术、更低的延迟和可靠性作为关键特性。

例如，沃尔沃曾使三辆卡车列队横跨欧洲，在此期间使用802.11p 无线技术在首车与其它两辆车之间进行直接通信。 通信系统与基于雷达的自适应巡航控制系统直接连接，使相邻两车之间保持1 秒的车距。 这样即可让这些车辆自主驾驶。

IEEE 802.11p 标准采用5.9 GHz 频段(5.850-5.925 GHz) 中的75 MHz 带宽信道，而DRSC 则使用5.725 MHz 至5.875 MHz 频段。 两者均使用802.11a Wi-Fi 一半的带宽或者双倍传输时间，以使接收器能更可靠地处理由其它车辆或房屋反射的回波信号。

图3：802.11a 和802.11p 标准的不同之处（感谢MathWorks 提供资料）

尽管802.11p 是DSRC 的基本协议标准，但目前在欧洲还未实现完全兼容。 所以，为能确保在全欧洲范围内的互操作性，进行标准化是根本要求。

DSRC 技术由现有的Wi-Fi 802.11ac 技术发展而来，具体器件如Cypress BCM89359。 该器件是首款Wi-Fi/智能蓝牙2X2 MIMO 组合芯片，支持实时同步双频段(RSDB)，也是一个独立的三模智能蓝牙（4.2 版）片上系统(SoC)。 该器件经过优化，可满足汽车行业的各种严格标准，并通过了AECQ100 汽车环境应力要求测试，此外还支持完全生产零件批准程序。

这款SoC 设计用于与Apple CarPlay 和Google Auto Link 一起使用，具有多频段同步汽车信息娱乐和车载信息系统运行功能，在2 x 2 MIMO 架构中使用两组天线，以获得更高的链路性能。

为实现可靠链路，802.11p 无线器件还将需要一个前端。

如果工程师正为某个设计项目部署Wi-Fi 连接，则应关注一下Skyworks 的SE5503A，这是一款完整的802.11a/b/g/n WLAN RF 前端模块，具备功率放大器、滤波、功率检测器、T/R 开关、多路复用器和相关匹配功能等全部功能。

图4：Skyworks SE5503 为5 GHz DSRC 数据链提供了所有前端元件

SE5503A 外形超紧凑，是一个完整的、能覆盖从收发器输出到天线的2.4GHz 和5GHz WLAN RF 解决方案。 所有RF 端口均匹配50 Ω 电阻，从而简化了PCB 布局和收发器的RFIC 接口。SE5503A 还包括一个用于发射器功率检测器，且每个发射链的动态范围均为20 dB。 每个功率放大器都具有独立的数字使能控制功能，可用于发射器的开/关控制。 功率斜坡上升/下降时间小于0.7 μs，且在每个2.4 GHz 和5 GHz 功率放大器的输入之前分别提供一个3.260-3.267 GHz 的和一个3.28-3.89 GHz 的陷波滤波器。 这些器件用来消除谐波干扰。

这一功能可用于提高接收器灵敏度和发射器性能，从而消除任何延迟问题并扩大覆盖范围。 如果车辆从很远处的另一辆车获取数据，那么在做出是否减速还是刹车等关键决定时，就需要更长的时间。 这一功能也可用于管理交通，通过使路上行驶的所有自主驾驶车辆缓慢减速，来缓解或消除走走停停的路况。

加密

为无线链路进行加密得到了越来越多的认可，但目前在实现中有多种不同的架构可选。 对无线链路进行保护可避免数据欺骗，也就是说，可以避免黑客向车辆发送虚假数据，例如让车辆确信发生了事故且必须停车的虚假数据。LTE 系统从基站开始便已经过加密，并由接收器进行解密。

是否在DSRC 系统实现中进行加密，对系统开发者来说是一个关键问题。 经过加密的数据包可在DSRC 接收器中解密，或者发送至中央控制器。 在接收器端解密会占用更多的处理能力，因为要在一秒内处理数百万个数据包且仍要保持低延迟。 这样的优势在于，数据包然后可以从接收器分配至不同的位置，例如将地图更新信息直接发送至地图子系统。

也可将数据包发送至中央处理单元进行解密、评估和分配。 这样，由于加密和未加密数据在同一网络中流动，可能会在数据I/O 中以及总线连接上产生一个瓶颈。 那么就需要增加一个优先级，但这将显著增加系统架构的复杂性。

另一种方法就是，识别出需要立即解密的高优先级别的数据包，而时效性不太重要的数据包则延迟解码。 不过，这是一个系统软件方面的问题。

结论

在自主驾驶车辆上使用802.11p 无线标准基于已成熟的5 GHz Wi-Fi 和射频前端设计。 能够向附近的其它车辆和路边装置提供低延迟射频连接，让我们有大量机会来提升无人驾驶车辆的安全性。 来自其它车辆和路边网络的数据可以及时高效地提供关键数据，从而提供更多的安全数据来支持其它传感器。LTE 可用于一些数据应用，而开发人员关注的是，在下一代5G 无线网络中整合LTE 和Wi-Fi 低延迟技术，该网络将从2020 年起在自主驾驶车辆中投入实际使用。

尽管这是一种成熟的技术，但仍在评估设计选项，尤其在安全方面。 确保所有在车辆和RSU 之间流动的数据安全可靠是至关重要的，因为它会很大程度上影响电子控制单元的设计和开发、车载控制器和网络在功耗和性能方面的要求。 目前这些问题正在评估和解决当中，对于将在2018 年至2020 年时间段内发布的自主驾驶车辆相信一定会有所突破。