Danish Aziz, Chris Bohm, 和 Fionn Hurley

商用車中的當今無線連接架構 可能適用于自動駕駛的標準 2 級。然而 它是否能滿足 3 級的性能要求仍然值得懷疑 及以上。在此背景下，我們提出了未來的連接架構 自動駕駛汽車。它基于遠程無線電頭（RRH）概念 使用軟件定義無線電 （SDR）。新架構可以提供兩倍的增益。一方面，它可以滿足未來的性能要求 用例，另一方面，它通過促進使用 給定服務的多個無線訪問。我們提供了一個示例，說明如何 使用此體系結構可以實現兩種無線接入技術。 總體方法是利用軟件化的力量，這符合 隨著車載計算技術的未來。

介紹

本文的重點是不斷發展的互聯汽車中的無線連接架構。為此，我們選擇了相關服務 并提供了他們的簡要說明。這些服務中的大多數都有雙向的 通信和依賴多/混合無線通信標準 或多個頻段，主要是為了保證可靠性和服務質量。 設計用于覆蓋多個頻段和多個無線的射頻系統 車輛連接標準是一項非常具有挑戰性的任務。首先，我們將討論 使用傳統射頻設計車輛連接單元的挑戰 方法。這有助于我們理解一些 這些服務在許多方面（例如，無線電性能）都不是最佳的。從傳統射頻設計的缺點中吸取教訓，使我們 商用車無線電連接單元的新架構。這個新的 架構基于 RRH 概念。在文章“啟用 5G 和 DSRC 自動駕駛車輛中的V2X，”1我們推出了低于 6 GHz 的 4 通道 基于多頻段SDR的收發器RF IC，ADRV9026。在這里，我們擴展 該文章中的討論，其中包含一個使用 RRH 概念的示例和 單SDR RF IC，我們可以從中構建雙頻V2X連接單元 5G和DSRC。該裝置不僅將提供增強的無線電性能，而且 它還將實現V2X無線接入的高級協調和合作算法。

無線系統和 車聯網技術

現代車輛中的服務，例如信息娛樂、導航、通信、 和廣播需要無線接入系統。射頻頻譜范圍為 提供這些服務的系統非常廣泛，從90 MHz（廣播無線電）開始 到 5.9 GHz（V2X 和 Wi-Fi）。未來的系統的目標是與毫米波相對應的頻率（例如，5G 毫米波，24 GHz至29 GHz）。圖1 說明了用于提供單個服務的多個無線系統。

圖1.車輛中的主要無線系統。

商用無線電連接單元提供 應用空間和相應的無線系統。以下列表 重點介紹其中一些的功能和工作頻段 無線系統：

GNSS/GPS：提供定位服務和定位信息。它經常 為其他無線系統提供服務以進行同步。有 多個區域標準和分配的頻段，范圍從 1176 兆赫至 1602 兆赫。

蜂窩 2G、3G、4G 和 5G：用于語音和數據服務，例如 遠程信息處理、信息娛樂、無線更新和 V2X 通信。 它涵蓋了從 300 MHz 到 5.9千兆赫。

Wi-Fi：適用于多種應用，包括無線更新、診斷、 和數據下載。不同區域具有不同的波段分配和 指定供內部和外部使用的通道。最常見的是 2.4 GHz 和 5.8 GHz 頻段的信道。在日本，分配了一些頻道 在 5 GHz 頻段。

ITS-G5/DSRC：對于V2X通信，70 MHz頻譜分配在 世界上大多數地區為 5.9 GHz。

無線電廣播：從90 MHz到240 MHz，有不同的頻道和 不同地區的波段。請注意，廣播系統也可以 由無線電連接單元覆蓋，但通常它們被實施 與雙向通信系統分開。

復數的經典實現 射頻系統

由于車輛中存在所有無線系統，它正在像 車輪上的智能手機。但是，在實施方面，智能手機和車輛用戶設備（UE）之間存在巨大差異。 的功能。考慮 4G 蜂窩系統實施的示例 商用車中的架構。在圖2a中，寬帶天線覆蓋 4G頻段放在車身的外側，通常在車頂上。 天線連接到貫穿的同軸傳輸線電纜 車輛主體到托管4G模塊的控制單元。

圖2.蜂窩無線連接和其他無線系統的經典架構。

現在，讓我們關注接收器RF路徑中的RF前端（RFFE）。過濾后 頻段、低噪聲放大器 （LNA） — 具有極低噪聲系數 （NF） 和 高增益 — 放大輸入的 RF 信號，包括電纜引入的額外噪聲。擴增可能有多個階段，然后 信號被饋送到4G模塊進行基帶和更高層的處理。后 4G協議棧，數據進入應用處理器。現在，如果我們這樣做 通過對這種架構的簡化射頻分析，我們發現整個射頻鏈 具有非常差的噪聲性能。同軸電纜的噪聲系數高于LNA， 信號損耗與電纜的頻率和長度成正比。 我們從噪聲級聯分析中得知，整個射頻鏈的NF為 被RF信號鏈中第一個分量的NF加權。因此 即使是LNA也無法克服這個問題。為了節省成本和減輕重量， 通常選擇較輕的電纜，不幸的是，這增加了射頻問題。 通過引入RF前端可以改善整體噪聲性能 組件離天線更近，但仍然會受到同軸電纜的影響 存在于系統中。

我們跳過了發射RF路徑的細節，您必須在傳輸前對信號進行適當的放大。但是，我們強調這樣一個事實，即任何 連接到蜂窩網絡的傳輸設備也必須獲得批準 的網絡運營商。因此，在接收和 傳輸射頻路徑。

在圖2b中，我們概述了其他無線系統通常是如何實現的。 這是為了演示使用多少同軸電纜來連接相對 天線以及每個系統中發生的射頻信號損失（以 dBM 為單位的衰減）的程度。 如果我們為單個系統有多個天線，這種損耗會迅速增加。在 除此之外，在多個天線上的信號之間實現同步并通過同軸電纜運行它們并非易事。此外 在 5G 毫米波頻率（24 GHz 至 29 GHz）的情況下，RF 信號損耗為 同軸電纜將高于低于 6 GHz 的頻率。

遠程射頻頭 （RRH） 架構，用于 車輛連接

RRH的概念已經確立，并用于基站實施，以克服同軸傳輸線電纜引起的問題。 策略是傳輸數字信號而不是RF信號。為此 目的，RFFE和收發器（RF IC）靠近天線。 RF信號被轉換為數字I/Q位，使用高電平傳輸 加快數字數據鏈路。數字數據的進一步處理在通用基帶處理池中完成。我們建議類似的射頻架構可以 用于車輛。圖 3 描述了同軸電纜的這種架構 被高速鏈路取代。此外，用于射頻信號的轉換 對于數字I/Q樣本，我們建議使用將RF轉換為位的RF IC 反之亦然。這些位在RF IC和基帶之間傳輸 處理器通過數字鏈路（例如，千兆以太網）。進一步加工 由應用處理器完成。這些處理器可以由 無線連接單元或由集中式計算平臺組成。計算 車輛中的資源和集中計算的趨勢正在增加 一個偉大的步伐，2因此，向這種架構的逐漸變化是很好的對齊 隨著車輛的未來計算架構。

圖3.未來的連接架構。

僅將RF至位功能保持在天線附近具有兩倍增益。 首先，只需進行所需的最小轉換以避免RF信號損失 靠近天線，空間和功率已經是一個問題。二、 在數據速率方面，對數字高速鏈路的要求將放寬。

基于 RRH 和 SDR 的 V2X 實施

我們可以通過使用多頻段RF IC來增強RRH架構的優勢。這 V2X通信服務是利用這種組合的完美例子。 如文章“啟用 5G 和 DSRC ”中所述 自動駕駛車輛中的V2X，“V2X服務可以使用兩種不同的無線接入技術：一種是 基于DSRC / ITS-G5（IEEE 802.11p），另一個基于蜂窩技術 （C-V2X），無論是4G-LTE還是5G。它可以以協調/合作的方式使用這兩種訪問類型，以保證所需的可靠性和安全性。單芯片多頻段 V2X系統可以在新推出的RF IC的幫助下進行設計，ADI的 ADRV9026.圖4顯示，ADRV9026可以集成到RRH中， 可以放置在屋頂天線盒上。它包含四個主要傳輸 和四個主接收通道，每個通道最多可以有四個獨立的數字數據路徑到基帶處理器。使用高級本地 振蕩器架構，ADRV9026可以同時發送和接收 使用V6X無線接入管理（WAM）功能，兩種無線接入類型都可以有效地共享2 MHz 為V70X服務分配的5.9 GHz頻段（在世界大多數地區）。

圖4.使用基于 SDR 的 RRH 架構的高級 5G 和 V2X 連接。

為了符合未來的趨勢，我們假設集中式計算 車輛中提供資源（見圖 4）。基帶處理， 調制解調器協議棧和應用程序處理可以使用 集中式平臺。ADRV9026符合JESD204B和JESD204C3用于串行數據傳輸和接收的協議。現成的電纜是 可用4可用于在最遠 10 m 處傳輸 1 Gbps。萬一更多 需要靈活性和數據速率，可以使用任何處理硬件來 將基于JESD的串行數據轉換為任何其他合適的格式，例如： 千兆以太網或 PCIe。

如圖 4 所示，我們分配了兩個發送通道和兩個接收通道 每個用于DSRC V2X和5G蜂窩。5G可以使用兩個通道進行全面 5G通信，包括蜂窩V2X服務。具有兩個通道，一個 還可以實現 2 × 2 MIMO 場景。與當前架構不同， 它要求每個無線標準的調制解調器在 集中式計算平臺。各個無線的 I/Q 樣本 標準由其軟件調制解調器處理。我們預計這樣的 對于當代人來說，采用變革可能具有挑戰性。但是，隨著 軟件化和虛擬化的出現，我們看到了它的到來。

結論

我們重點介紹了經典的車輛連接架構，其中每個 無線系統通過安裝天線、電纜、射頻單獨實現 處理硬件和軟件處理硬件。基于定性分析，經典對服務性能的負面影響 介紹了建筑。借助 RRH 概念和雙頻射頻 IC，提出了一種新的車輛連接架構方法。我們看到 此體系結構具有多重優勢，例如：

減少同軸電纜的使用，從而提高射頻性能和 無線電鏈路可靠性。

符合未來車輛的軟件架構。

通過軟件更新管理某些新功能的能力。

單個RF IC可以實現多種標準。

加強對服務質量保證的控制。

為應用多個無線的服務提供更好的協調可能性 標準。

準備在未來的車輛中采用新的無線標準實施 比如5G毫米波。

我們的方法提供了更高的性能（這是自動化所要求的 駕駛場景）以及使用通用硬件實現多個無線系統的可能性。我們已經展示了V2X服務，即 對于隊列行駛和遠程操作等自動駕駛用例至關重要 駕駛（兩者都需要高可靠性的無線連接）可以利用 此體系結構的優點。

審核編輯：郭婷