智能汽车是当今科技领域的热门话题。相比于传统汽车,智能汽车不仅能提供更加舒适、安全、高效的驾乘体验,还能实现与其他车辆、基础设施、云端等的互联互通,从而打造一个智慧出行的生态系统。
汽车行业也因此正在经历一场前所未有的变革,这场变革被称为汽车的新四化,分别指的是:电气化、网联化、智能化、共享化。其中,网联化是新四化的基础和核心。网联化是指汽车通过各种通信技术与车内设备、车际设备、云端设备进行车联网,实现数据交换、信息共享和服务协同。
那么,车联网是如何实现的呢?车联网与无线通信所使用的射频前端芯片又是什么关系?本文就尝试对以上技术做一个梳理。
车联网中的通信技术
车联网通信技术是指在交通环境中,实现车辆内部、路侧单元、行人、云端服务之间的信息交互和协同的技术。根据连接范围的不同,在此将车联网通信技术分为三类讨论,分别是:车内互联、车际互联和车云互联。这三种互联的应用范围和特点分别是:
车云互联:用于连接车辆与云端
车际互联:用于连接车辆与周边车辆、路侧单元、行人
车内互联:用于实现车内多种多样的灵活互联
图:车联网中的部分通信技术
以下就对这三种互联技术展开介绍。
车云互联
车云互联是指将汽车和云端服务器连接起来,这样就可以实现对车辆状态、位置、行驶数据等信息的采集和传输,并提供基于云端计算和大数据分析的各种信息服务。
与云端互联之后,车辆就可以实现很多丰富的功能。比如:
车辆远程控制:通过手机可以远程控制车辆启动、开门、空调、音响等功能,可查看车辆实时状态、故障诊断等功能
互联导航:通过云端的地图数据和路况信息,可以为驾驶者提供最优的导航路线,也可以根据驾驶者的偏好和出行场景,推荐附近的停车场、加油站、餐厅等服务点
内容下载:通过连接云端服务器,可以将音乐、视频、新闻 、游戏等内容,下载到本地
车辆智能升级:通过蜂窝网络,可以实现对车辆的软件和固件的远程升级,提高车辆的性能和安全性,也可以根据车主的需求,定制个性化的功能和设置
智能交通/智能城市管理:通过将车辆连接至云端,就可以实现城市车辆的统一管理,实现更好的资源配置以及交通智能优化
与云端互联有诸多好处,也成为车联网必须实现的功能之一。目前车联网主要是通过与蜂窝网络的连接,实现与云端服务器的互联,实现数据传输。
蜂窝网络是一种利用蜂窝状的小区覆盖服务区域,实现移动通信的网络技术。由于网络覆盖的形状像蜂窝的一个个小格子,所以由此得名。英文称之为Cellular Network(细胞网络),也是因为整个巨大的网络像由一个个小的“细胞”构成。
我们熟悉的5G手机就是典型的蜂窝技术代表,而经常提到的2G/3G/4G/5G的通信制式演进,指的也是全球的蜂窝通信技术。蜂窝网络的主要特点是:
蜂窝结构:通过将服务区域划分为多个相邻的正六边形小区,可以简化网络规划和管理,降低干扰和成本
移动性管理:通过在小区之间进行切换,可以保持移动用户与网络之间的通信连接,实现无缝漫游
频率复用:通过将同一组频率在不同的小区中重复使用,可以提高频谱利用率和系统容量
蜂窝通信所用到的基站一般只覆盖几百米或数公里,通过全球数千万个这样的基站,就可以实现整个地球上主要地区的全球通信。基站不动,手机只要连接到任何一个基站,都相当于连接到了整个世界。蜂窝通信是全球人类共同的大工程。
图:蜂窝移动通信示意图
正是因为以上特点,自从1983年诞生以来,蜂窝通信快速迭代发展,经过40多年的发展,目前已经演进至第五代,也就是5G蜂窝通信网络。这张网络连接了全球人口,根据全球电信联盟的统计和预测,2022年全球智能手机在网数已达到64亿,而到2030年,这一数字将达到90亿[1]。
在4G之前,蜂窝网络主要给“人”用,其重要的通信载体是手机。但这一现象在5G到来之后迎来改变,5G的网络定义将“物”的使用也考虑进来,力争实现万物互联的网络。
图:蜂窝网络的三次重要变革,力争实现万物互联
对于车云互联,最简单的方法就是让汽车可以接入蜂窝网络。根据ABI的统计,2020年全球出售的新车中,41%的汽车具备联网功能[2]。这些车辆的联网功能基本均是由蜂窝网络接入车云互联来实现的。
车际互联
尽管蜂窝网络覆盖范围广、产业链成熟,是汽车实现最初联网功能的首选通信技术。但蜂窝网络用作车际互联使用的时候也有一些弊端。比如:
连接蜂窝网络必须要基于基站建设,这就限制在车辆只能在有基站的地方使用
所有汽车都连接蜂窝网络(接入网-核心网)进行通信,导致更大的时延
车辆直接互联的创新场景,如车队编队、路侧感知等功能无法有效实现
于是,业界就开始开发专门给汽车使用通信技术,这其中的代表技术就是3GPP组织所推动的C-V2X技术。C-V2X是一种为车辆设计的专门网络,C-V2X的特点是:
C-V2X可以让车辆与其他车辆、路侧基础设施和行人直接通信,从而提高道路安全和交通效率
C-V2X不依赖于网络覆盖,可以在没有基站的情况下实现低时延、高可靠的直接通信
C-V2X可以利用5G技术提供更高的速度、更低的时延和更大的容量,从而支持更多的创新场景,如自动驾驶、车队编队、扩展传感器、远程驾驶等
C-V2X可以与现有的蜂窝网络和生态系统兼容,降低部署成本和复杂度
图:C-V2X技术实现的车际互联
和传统蜂窝技术相比,C-V2X实现自组网的原因是引入了短距离接口,一般称之为PC5接口,或者Side-link接口。称之为Side-link的原因是因为这个连接只负责和旁边(Side)物体连接(Link),又称为PC5的原因是因为短距离互联所需要的功率等级比较低,天线口为20dBm,是3GPP所定义的第5功率等级(Power Class 5)。
Uu接口与车云互联中提到的蜂窝网络互联无异,因为连接的是用户终端(User Equipment),这个连接在LTE时代的一些标准定义被称为Uu,这个接口名称也在C-V2X中被沿用下来。这个接口的技术规格与3GPP所定义的手机规格一致,并没有新的特性。
图:C-V2X技术中的两种通信接口
PC5是为汽车等需要进行自组网互联的物体所定义的通信规格,这是3GPP首次开始定义自组网网络,通信规格对于3GPP来说是全新且充满挑战的。国内一些厂商在规格制定上也贡献出自己的力量。在3GPP PC5低功率终端协议的定义中,国内领先的射频前端厂商慧智微在5G NR Rel-18协议中参与Side-link/PC5相关的讨论,进行提案并立项,推动PC5标准在3GPP的完善(详见《5G协议再演进:慧智微3GPP提案正式立项》)。
如C-V2X名称所示,C-V2X期待实现基于蜂窝网络的汽车与任何物体的互联(Cellular- Vehicle-to-everything),这里大家可能会有疑问,如果车与人要互连,来感受车旁边的人的话,那是不是每个人都需要带一个支持C-V2X的手机?如果没有这部手机,是不是车辆就感受不到了呢?
其实在实现上,并不需要道路周边所有设备都加装C-V2X功能。汽车与道路周边万物的互联可以通过路侧的C-V2X路侧单元(RSU,Road Side Unit)实现。而路侧单元中可以加装人体识别、热感应、光学雷达等设备,用于感知道路周边的环境情况,再通过C-V2X中的PC5接口告诉车辆,这样就可以实现车辆对周边环境的感知[4]。RSU与RSU之间,RSU与蜂窝基站之间,可以通过光纤或蜂窝网络连接。
图:C-V2X实现的对道路周边信息感知
以上汽车与路侧单元共同实现车辆对环境感知的方式叫“车路协同”。车路协同是C-V2X一大优势,通过车路协同,汽车不再是一个单独的个体,通过与路侧的协同、感知、控制,可以完成更智能、更安全、更可控的网联汽车。
如《车联网,需要什么样的射频芯片?》所述,目前C-V2X的设计规划及商业应用已经清晰,主要分为以下四个主要阶段:
阶段一:2020年之前,市场起步
阶段二:2022至2022年,辅助驾驶
阶段三:2022至2025年,无人驾驶阶段1(特定场景)
阶段四:2025年以后,无人驾驶阶段2(完全无人驾驶)
现阶段,中美两大市场都明确了发展方向为C-V2X,专门用于短距离通信PC5接口的具体频谱资源暂定为[7][8]:
美国:5.850-5.925GHz
中国:5.905-5.925GHz
日本:5.850-5.925GHz
目前C-V2X产业正在快速发展中,根据佐思汽研发布的报告,2022年已有20余款乘用车搭载C-V2X,包括蔚来ET7、别克GL8 Avenir、广汽Aion V、北汽ARCFOX等车型。2022年1-6月,搭载C-V2X技术量产的乘用车约4.6万辆,这一数字在2026年将超过200万辆。未来五年实现数十倍的增长。
车内互联
车内互联技术主要实现汽车与车内物体的互联,比如:手机、车钥匙、临时接入的国内平板电脑、笔记本电脑等。所使用到的通信技术一般为近距离的无线通信技术。
目前车内所使用到的近距离无线通信技术主要有:
Wi-Fi (Wireless Fidelity,无线保真) 技术:Wi-Fi技术是一种基于IEEE 802.11系列协议标准实现的无线通信技术,该通信协议于1996年由澳洲的研究机构CSIRO提出,Wi-Fi 凭借其独特的技术优势,是目前最为主流的无线局域网接入技术标准(蜂窝通信为广域网通信标准)。Wi-Fi技术主要使用2.4GHz或5GHz的无线电频段,支持多种网络标准和安全协议,具有传输速度快、覆盖范围广、兼容性强等特点,所以被广泛应用于家庭、办公、公共场所等各种场景;
蓝牙 (Bluetooth) :蓝牙技术也是一种短距离无线通信技术,它可以在2.4GHz的ISM频段上实现设备之间的数据和语音传输。蓝牙技术由爱立信公司于1998年创立。相比于Wi-Fi技术,蓝牙技术的特点是低功耗、低成本、低复杂度、高安全性和高可靠性,同时蓝牙的数据传输速度也低于Wi-Fi。蓝牙技术的应用领域非常广泛,包括汽车、工业、医疗、消费电子、智能家居等;
NFC (Near Field Communication,近场通信) :NFC技术是一种近距离无线通信技术,它可以实现电子设备之间的非接触式点对点数据传输。NFC技术由RFID(非接触式射频识别)演变而来,NFC采用电磁耦合感应技术,电磁场频率是13.56MHz。NFC技术有很多应用场景,例如移动支付、公交卡、门禁卡等。NFC技术的优点是方便快捷、安全可靠、低功耗、低成本等,其缺点是传输距离短、传输速率低、受干扰影响大等;
UWB(Ultra-Wide Band,超宽带):UWB技术的基本原理是通过发送和接收极短的脉冲信号来进行无线通信。由于采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很大,其频谱范围一般是在3.1GHz~10.6GHz频率范围内的500MHz信号。UWB技术目前的应用主要是在高精度定位中。由于UWB的高定位精度特性,未来可能应用于对安全有高需求的定向通信场景中。
在车内设备通信中,一般采用多种通信技术结合的方式。下图为部分车内设备使用到的通信技术。
图:部分车内设备使用到的通信技术
在车内互联上,一般采用多种通信技术灵活互联的方式进行,可以根据场景的传输速率、成本、距离等,综合选取最为合适的传输技术。另外,也可以使用多种技术相结合。
车载通信的技术实现
汽车通信功能是依靠T-Box或智能网联模组来实现的。
T-Box全称是Telematics Box(远程通信盒子),T-Box与智能网联模组中负责通信的主要功能模块是“通信模块”,而通信模块中实现无线互联的是射频前端芯片。
以下就针对T-Box/智能网联模组、通信模块、射频前端进行介绍。
T-Box/智能网联模组的功能
T-Box中的“T”是Telematics的缩写,Telematics是Tele-communications(电信)与Informatics(信息科学)的合成词,是包含通信网络及信息处理的功能模块,T-box一方面接入汽车总线,掌握车辆信息、整车控制信息,一方面又负责接入通信网络,实现网络通信功能。T-Box的重要性在于T-Box汽车与外部设备之间的通信界面和功能实现,汽车的车云、车际、车内通信功能需要由T-Box实现。
T-Box一般放置于中控台下方,由MCU、4G/5G通信模块、Wi-Fi通信模块等多个电路模块构成。
图:T-Box及通信模块
智能网联模组一般设计成SoC+通信模块集成的模组形式,直接与智能座舱系统集成,其功能与T-Box功能类似。
通信模块的功能
通信模块是T-Box/智能网联模组中负责无线通信的单元。
随着协议的复杂,通信制式的增加,用于通信的射频系统也变的非常复杂。如《除了调匹配,射频人还要掌握系统知识》中提到,目前移动终端支持的频段数目达30个,并且每个频段都需要进行射频调试和适配,这就使得射频工作量极大。并且由于射频知识也较为晦涩难懂,射频专业人员招聘和培养相对困难,除非是年销量极大的头部手机公司,其他中小规模有无线互联需求的公司,很难建立起完整的射频开发和调试团队。
虽然射频技术复杂,工作量巨大,但其完成的功能却极其简单:射频就是把终端想要发射的信息,通过一定的形式,发射出去;再把需要接收的信息,想办法接收并把信息提取出来即可。
正是因为这种特点,物联网行业出现出一批专门提供专业通信解决方案的公司。这些专业的通信、互联解决方案公司将通信功能进行设计和包装,以实现完成通信射频复杂功能的同时,接口保持简化。使用户不再去关注射频电路的实现,而是把精力放到上层的方案设计中来。
图:物联网模块公司:将物联网无线通信功能实现方式专业化的公司
目前物联网模块行业已经发展较为成熟,根据Counterpoint的统计,2022年全球物联网模块出货将超6亿片。其中根据2022年 Q1的统计,移远、广和通、日海等厂商是此市场主要供应商[10]。
在目前车载T-Box系统中,大部分方案也使用通信模块来实现通信功能。下图为广和通旗下全球车载通信模块领先厂商之一的Rolling Wireless的车载通信模块产品。该产品集成了蜂窝通信、C-V2X、GNSS等功能[11]。
图:Rolling Wireless提供的车载通信模块产品方案
射频前端的功能
通信模块中的射频连接功能是靠射频前端芯片来实现。
射频前端是无线通信模块的核心组件,它负责信号的发射和接收,由于位于整个系统的最前端,所以称为“射频前端”。
图:射频前端的构成部分,及主要模块
射频前端包括功率放大器、低噪声放大器、滤波器、开关,它们共同构成了信号的放大、切换、滤波等功能。射频前端的性能直接影响到无线通信的速率、覆盖范围、功耗等指标。这些模块的主要功能是:
功率放大器(PA,Power Amplifier):是指在给定失真率条件下,能产生最大功率输出的放大器。功率放大器的输出功率能力,决定了系统能输出的最大信号强度;
低噪声放大器(LNA,Low Noise Amplifier):是指噪声系数很低的放大器,用于放大可能非常弱的信号。低噪声放大器的能力,决定了系统接接收到的最小信号强度;
滤波器(Filter):是指能够根据信号频率的不同,选择性地通过或衰减信号的电路。主要用做滤除对其他频段的干扰,或者从众多干扰信号中抽取有用信号;
开关(Switch):是指能够控制通路通断的器件。主要功能是铺路架桥,为射频信号提供必要的通路。
车联网的芯片需求
随着汽车的智能化、网联化,根据英飞凌的统计,智能电动车中使用的芯片价值量在单车834美元。前述提到的各种复杂通信功能,最终都需要芯片承载实现。汽车成为芯片使用的巨大市场。
汽车对芯片的需求也和消费类有大的不同。为了保证汽车的安全、可靠和高效运行,同时也要适应恶劣的环境条件和多样的应用场景,针对车载应用的芯片,专门进行了车规级芯片需求。
车规级芯片和商用芯片在规格上有很大的不同,主要体现在以下几个方面:
工作温度范围:车规级芯片需要能够在极端的高温和低温下正常工作,一般要求在-40℃到85℃之间,甚至到125℃之间工作。而商用芯片一般只能在0℃到70℃之间工作;
工作稳定性:车规级芯片需要能够抵抗汽车运行过程中产生的各种干扰,如电磁干扰、电压波动、振动冲击等,而商用芯片一般只能在相对稳定的环境下工作;
不良率:车规级芯片需要有很低的不良率,目标达到0 DPPM(Defect Part Per Million,每百万失效数),而商用芯片一般要求为100 DPPM左右;
功能安全:车规级芯片需要遵循ISO 26262等功能安全标准,保证在出现故障时能够及时检测、隔离和恢复,避免造成严重后果,而商用芯片一般没有这样的要求;
认证流程:车规级芯片需要通过ITAF16949等质量管理体系认证,以及AEC-Q系列产品质量认证,证明其符合汽车行业的要求,而商用芯片一般只需要通过普通的质量检测。
正是因为以上原因,车规芯片的价格也会高于商规芯片。成本提升的主要原因来自于应用于车载时,所做的必要的质量控制与标准认证。
车联网芯片的未来
车联网后,智能汽车可以利用先进的信息通信技术,实现车与车、车与路、车与人、车与云等多方面的网络连接,提高交通安全、效率和智能化水平。车联网将是未来智能汽车发展的大势所趋。
在车联网发展中,车联网芯片也会随之演进、优化,在未来车联网芯片的发展中,我们看到有以下趋势:
车联网芯片的市场需求将持续增长,随着5G、C-V2X等技术的推广和应用,车联网芯片需要支持多模双通、高速率、低时延、高可靠性等特性,同时还需要满足车规级的可靠性和安全性要求;
芯片厂与整车厂将有更多协同,随着车联网技术的发展,以及对车联网技术的提升,目前“整车-T-Box-物联网模块-射频前端芯片”的车联网产业链条太过冗长,未来可能出现整车厂与射频前端芯片厂商直接协同,推进车载射频连接技术快速发展的情况;
标准化将逐步完善,车联网芯片需要遵循统一的标准和规范,以保证兼容性和互操作性,同时也需要支持标准的前向演进能力,以适应未来的技术变化和业务需求。目前车联网芯片的标准在伴随行业发展逐步演进中,车联网芯片的标准也将逐步完善。
总 结
百年以来,通信技术、电子技术的发展,将人类带入了一下丰富多彩的智能世界。在这个世界里,电话、电脑、家用电器,这一切的物体,都在走向“移动”且“互联”。
汽车也不例外,自发明之日起,汽车就是一个已经实现“移动”的大家伙,但如何让汽车也实现“互联”却是通信从业者过去几十年不断努力的方向。
5G的到来,使移动通信的关注点不再局限于手机;汽车的电气化也是智能化、网联化有了基础。“车联网”终于得以完整实现。
因为应用环境、功能需求、可靠性需求的不同,车联网对用于通信的射频芯片也提出了更多不一样的要求,射频芯片厂商也在不断地学习与提升,为车载应用提供更可靠、更便捷、更优性能的通信芯片。
编辑:黄飞
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