如何解決Wi-Fi與V2X間的共存問題方案詳解

摘要：Wi-Fi 和 5G 被認(rèn)為是自動(dòng)駕駛汽車的推動(dòng)力，其挑戰(zhàn)在于這些技術(shù)如何協(xié)同工作并共存——頻譜干擾可能會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)行和乘客安全產(chǎn)生不利影響。本文討論了支持車輛互聯(lián)的技術(shù)，以及高選擇性濾波器解決方案如何解決 Wi-Fi 與 V2X 間的共存，以實(shí)現(xiàn)車輛通信。

00引言

1）車輛互聯(lián)基礎(chǔ)知識(shí)

為了讓真正的自動(dòng)駕駛汽車能夠在沒有人工干預(yù)的情況下導(dǎo)航，所有類型的數(shù)據(jù)都必須與其它車輛及周圍的基礎(chǔ)設(shè)施連續(xù)且實(shí)時(shí)地共享。

這將通過車聯(lián)萬(wàn)物（V2X）通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。V2X 包括車對(duì)車（V2V）、車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對(duì)網(wǎng)絡(luò)（V2N）和車對(duì)行人（V2P）等多個(gè)層面的通信。

V2X 基于 5.9 GHz 專用短距通信，專為快速移動(dòng)的物體而設(shè)計(jì)。即使在非視線條件下，也可以建立可靠的無(wú)線電鏈路。這種可信鏈路使駕駛員能夠意識(shí)到前方的危險(xiǎn)，從而減少潛在的汽車碰撞、死亡和傷害。

此外，V2X 能夠預(yù)警即將發(fā)生的交通擁堵并建議替代路線，以此提升全球運(yùn)輸效率并減少 CO2 排放，并帶來(lái)減少車輛維護(hù)的額外收益。

實(shí)現(xiàn)自主汽車的全部潛力相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)?V2X 既可以是采用蜂窩技術(shù)創(chuàng)建直接通信鏈路的 C-V2X（蜂窩車聯(lián)網(wǎng)），也可以是基于 IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)的 DSRC（專用短程通信），后者還曾一度是唯一可用的 V2X 技術(shù)。

不同的汽車制造商和國(guó)家/地區(qū)都在支持一種或另一種標(biāo)準(zhǔn)，但是都利用相同的頻譜來(lái)解決相同的問題，并且各標(biāo)準(zhǔn)間可以共存。

2）了解鏈接技術(shù)

為了更好地理解實(shí)現(xiàn)信號(hào)共存的挑戰(zhàn)，我們必須研究與車輛連接性有關(guān)的技術(shù)及其功能（圖1）。因?yàn)槊糠N技術(shù)都有自身的特點(diǎn)，它們必須在不降低其它技術(shù)性能的情況下進(jìn)行互動(dòng)。

圖1. 車輛互聯(lián)技術(shù)

這些技術(shù)包括：

用于汽車安全的 V2X（DSRC、C-V2X）： V2X 將同車輛、路邊基礎(chǔ)設(shè)施以及整個(gè)環(huán)境進(jìn)行通信，以提高安全性并為自動(dòng)駕駛開辟道路。

面向車輛OEM服務(wù)的4G/5G云連接： 用于4G/5G連接的應(yīng)用程序可以包括遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)控汽車運(yùn)行情況、進(jìn)行空中下載軟件更新、執(zhí)行遠(yuǎn)程操作，以及操作共享自動(dòng)駕駛車隊(duì)。

用于行車體驗(yàn)的4G/5G云連接： 駕駛員和乘客都能夠使用這種連接來(lái)享受全新行車體驗(yàn)，涵蓋從基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)航，到后座娛樂與音樂流媒體服務(wù)。

打造卓越車內(nèi)體驗(yàn)和汽車經(jīng)銷商服務(wù)的Wi-Fi： 駕駛員和乘客可以享受許多基于Wi-Fi的增強(qiáng)型車內(nèi)體驗(yàn)。例如，整個(gè)車輛的有效Wi-Fi連接可以支持將超高清（ultra-HD）視頻流傳輸至多個(gè)顯示器，并獲得兼容設(shè)備及無(wú)線倒車攝像頭的屏幕鏡像。Wi-Fi還可以支持汽車經(jīng)銷商服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢入、診斷數(shù)據(jù)傳輸和軟件更新。

藍(lán)牙： 駕駛員和乘客可通過藍(lán)牙傳輸高保真音樂，并從一些實(shí)用服務(wù)中受益，例如將智能手機(jī)用作遙控鑰匙。

SDARS（衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線電服務(wù)）：借助與基于衛(wèi)星的無(wú)線服務(wù)的連接，無(wú)論身在何處，車輛乘員都可以收聽到自己鐘愛的無(wú)線廣播節(jié)目。

015G 和 LTE 的共存挑戰(zhàn)

基于對(duì)各種技術(shù)功能/優(yōu)勢(shì)的理解，我們可以更好地應(yīng)對(duì)共存挑戰(zhàn)——特別是與 5G 和 LTE 的兼容性。

5G，即第五代蜂窩技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)速率，減少等待時(shí)間并增強(qiáng)無(wú)線服務(wù)的靈活性。5G 頻譜分為 Sub-6 GHz 和毫米波。

Wi-Fi 工作在 2.4 GHz、5.2 GHz 和 5.6 GHz 頻譜，并且 2.4 GHz Wi-Fi 必須與 LTE B40 和 B41 頻段共存。憑借更大的帶寬，能夠在 5 GHz 頻段中將更多信道捆綁在一起 ，因而 5 GHz Wi-Fi 可以獲得比 2.4 GHz 更高的數(shù)據(jù)速率。這意味著無(wú)線電設(shè)計(jì)師必須使用正確的濾波器產(chǎn)品——在相鄰頻段具備足夠的衰減以提供良好的接收器靈敏度——以充分利用更寬頻段所帶來(lái)的全部?jī)?yōu)勢(shì)。

當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車中的乘客使用 5.6 GHz 熱點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)，即 5.6 GHz Wi-Fi 與 V2X 的共存問題（圖2）。擁有可靠 V2X 無(wú)線電鏈路的唯一方法是確保接收器的靈敏度降幅相對(duì)較低。這只有通過適當(dāng)?shù)臑V波器方案才能實(shí)現(xiàn)，此類解決方案可為 5.6 GHz Wi-Fi 提供足夠的帶外衰減（圖3及圖4）。

圖2 V2X 與 5 GHz Wi-Fi 共存

02高性能濾波——為何 LTCC 還不夠

越來(lái)越多的功能增加了汽車中不同無(wú)線電設(shè)備的數(shù)量，如今的 1 輛車上有多達(dá) 5 種無(wú)線電設(shè)備（即 V2X、4G/5G、Wi-Fi、藍(lán)牙、SDARS）。這意味著多個(gè)無(wú)線電收發(fā)器在彼此十分接近的不同頻段中工作。如果 1 個(gè) RF 鏈的發(fā)射功率超過到達(dá)附近接收器信號(hào)的功率水平，則可能導(dǎo)致接收器靈敏度問題。

共存濾波器有助于減少這些“攻擊信號(hào)”帶來(lái)的干擾，其不僅會(huì)引發(fā)接收器靈敏度問題，還會(huì)導(dǎo)致不合規(guī)。但是，并非所有聲稱具有共存功能的過濾器都適合該工作。例如，圖3 中的曲線比較了 B47 體聲波（BAW）濾波器和低溫共燒陶瓷（LTCC）寬帶濾波器的性能及系統(tǒng)影響。

圖3 QPQ2200Q 與 LTCC 的比較：寬帶性能

LTCC 僅過濾寬帶頻率。B47 BAW 濾波器提供了與 LTCC 濾波器相似的插損，但還帶來(lái)了對(duì) 5 GHz UNII 1-3 頻段的高抑制性能。B47 BAW 濾波器可以代替 Tx/Rx 路徑上的 LTCC 濾波器，也可以僅放置在 Rx 端。圖4 顯示了 LTCC 濾波器如何對(duì) UNI-3 頻段不產(chǎn)生抑制，以及在 UNII-2 和 UNI-1 頻段產(chǎn)生不良抑制。

圖4 QPQ2200Q 與 LTCC 的比較：B47 BAW 濾波器對(duì) 5GHz UNII 1-3 頻段的抑制

接下來(lái)，讓我們從系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)比較 LTCC 和 B47 V2X 共存過濾器。圖5 比較了創(chuàng)建 1000 m V2X 鏈路所需的 V2X-Wi-Fi 天線隔離。左圖顯示了一個(gè) V2X 系統(tǒng)（TCU + 有源天線），在發(fā)送路徑上只有 1 個(gè) LTCC 濾波器，需要大于 80 dB 的天線隔離，這在實(shí)際應(yīng)用中可能很難實(shí)現(xiàn)。右圖顯示了 1 個(gè) V2X 系統(tǒng)，TCU 中的 B47 V2X 共存濾波器和有源天線僅需 15 dB 的天線隔離度便可獲得 1000 m 的 V2X 鏈路。如果設(shè)計(jì)/系統(tǒng)工程師能夠達(dá)到 20 dB 以上的天線隔離，他們可能只需要在有源天線中安裝 1 個(gè) V2X 共存濾波器。除了車內(nèi) Wi-Fi，在選擇濾波解決方案時(shí)還需要考慮另一個(gè)用例，即汽車是否具有內(nèi)置 Wi-Fi 功能。也就是說(shuō)，此時(shí)天線的隔離度由用手機(jī)建立 Wi-Fi 熱點(diǎn)的乘客決定。

圖5 V2X——實(shí)現(xiàn)可靠 V2X 鏈路所需的 Wi-Fi 天線隔離：QPQ2200Q B47 vs. LTCC

Qorvo 的濾波器產(chǎn)品采用 BAW 專利技術(shù)；該技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化以可滿足復(fù)雜的選擇性要求，標(biāo)準(zhǔn)封裝覆蓋從（1.5~6） GHz 的范圍。例如，Qorvo QPQ2200Q 濾波器為世界首款解決自動(dòng)駕駛車輛 V2X 與 5.6 GHz Wi-Fi 間共存的濾波器。另一個(gè)示例是 Qorvo QPQ2254Q 2.4 GHz Wi-Fi 濾波器，設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)與 LTE B40 和 B41 的共存。此類濾波器占板面積小于陶瓷濾波器，從而增加了設(shè)計(jì)靈活性。

然而，即使 BAW 帶通濾波器也不是解決 V2X 環(huán)境中共存問題的完整解決方案，我們還必須考慮陷波濾波器的重要作用。盡管上文所討論的帶通濾波器提供了足夠的帶外抑制性能，但 Qorvo QPQ230Q 陷波濾波器在 5 GHz Wi-Fi 路徑上的 V2X 頻段中對(duì) Rx 頻段噪聲進(jìn)行“陷波”處理，以防止 Rx 頻段噪聲耦合回 V2X 系統(tǒng)，并引起靈敏度下降，如系統(tǒng)計(jì)算器所示（圖6）。圖7 表明，如果在 5 GHz Wi-Fi 路徑上不使用陷波濾波器，則 V2X 接收器將有高達(dá) 18 dB 的靈敏度降幅；相比之下，基于 BAW 技術(shù)優(yōu)勢(shì)精心設(shè)計(jì)的陷波濾波器可達(dá)成幾乎為零的靈敏度降幅。

圖6 在 5 GHz 路徑上具有 V2X 陷波（QPQ2230Q）的 Wi-Fi 前端

圖7 在有無(wú) QPQ2230Q 陷波濾波器的不同情況下，Rx 頻段的噪聲和靈敏度降幅

V2X 需要與電子自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）共存，這是另一個(gè)需要特別注意的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。其問題在于，ETC 頻譜（歐洲為 5795~5815 MHz，中國(guó)為 5790~5800 MHz UL 和 5830~5840 MHz DL）太接近 V2X 頻譜（北美及歐洲為 5855~5925 MHz，中國(guó)為 5905~5925 MHz）。

解決此問題的 1 種方法是在 V2X 路徑上使用經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)的濾波器對(duì) ETC 頻譜進(jìn)行陷波處理。

現(xiàn)在，讓我們看看中國(guó)的頻譜狀況（圖8）。如左圖所示，除非在 ETC 無(wú)線電中解決這一問題，否則 ETC 無(wú)法與 V2X 共存。如果在 V2X 無(wú)線電中使用設(shè)計(jì)良好的濾波器，則符合 -65 dBm/MHz 的 ETC 規(guī)范裕度，如右圖所示。

圖8 全球 ETC 頻譜與 V2X 共存

表征高性能濾波器產(chǎn)品的兩個(gè)參數(shù)是諧振器質(zhì)量，即品質(zhì)因數(shù)（Q）和耦合因數(shù)（k2）。高Q是最小化插損的必要條件，而高 k2 則帶來(lái)更寬的帶寬。諧振器層面的技術(shù)進(jìn)步有助于改善插損和高選擇性性能，在最高 6 GHz 的頻率下實(shí)現(xiàn)帶寬更寬的濾波器產(chǎn)品。

03結(jié)論

高 Q 帶通和陷波濾波器的結(jié)合為自動(dòng)駕駛汽車設(shè)計(jì)中的共存挑戰(zhàn)打造了最完整的解決方案。根據(jù)上文中所討論的數(shù)據(jù)，LTCC 濾波器并不是真正的共存濾波器，在 Wi-Fi 和 V2X 相鄰的特殊行車環(huán)境中無(wú)法發(fā)揮作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Qorvo RF 濾波器產(chǎn)品［R/OL］。 www.qorvo.com/products/filters-duplexers/rf-filters.

［2］ 車聯(lián)網(wǎng)傻瓜書［R/OL］.Qorvor.www.qorvo.com/design-hub/ebooks/connected-car-for-dummies.

［3］ Qorvo BAW濾波器產(chǎn)品［R/OL］。 www.qorvo.com/innovation/technology/baw.
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