5G互聯(lián)汽車的未來

e絡(luò)盟技術(shù)團(tuán)隊

引言

近年來，互聯(lián)汽車的使用顯著增長。這些車輛配備了各種傳感器，用來收集性能、位置和其他關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到中央設(shè)備進(jìn)行處理，從而提高車輛的性能和可靠性。傳統(tǒng)的車輛跟蹤和診斷系統(tǒng)在速度、數(shù)據(jù)容量和連接性方面極具挑戰(zhàn)，難以收集實時數(shù)據(jù)。因此，它們的效力受到了限制。此外，使用傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)可能會導(dǎo)致通信不可靠。5G通信技術(shù)具有很大優(yōu)勢，它為實時車輛跟蹤和診斷提供更快、更穩(wěn)定的連接。

互聯(lián)汽車

以下是不同類型的互聯(lián)汽車技術(shù)：

• 車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）：包括車輛和道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，用以改善交通流量和安全性。
• 車與車（V2V）：實現(xiàn)車輛之間的通信，通過共享速度、位置和其他相關(guān)數(shù)據(jù)信息來提高安全性。
• 車與云端（V2C）：車輛與云平臺之間的各種服務(wù)和應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交換。
• 車與路人（V2P）：為車輛和行人之間搭建橋梁，提高道路安全意識。
• 車與一切（V2X）：包含整體通信框架，包括V2I、V2V、V2C和V2P，創(chuàng)建一個全面的連接生態(tài)系統(tǒng)。

車輛、路邊基礎(chǔ)設(shè)施、零部件設(shè)備或手持設(shè)備均配備了收發(fā)器。

在V2X的世界里，我們可以期待什么樣的交通體驗？

圖1展示了未來個人出行的理想示例：

圖1：5G V2X的示例、需求和設(shè)計注意事項（來源：華為德國研究中心）

1.用戶可以通過移動應(yīng)用程序請求搭車。
2.車輛自動駕駛，或由人或人工智能遠(yuǎn)程控制。同時，用戶的交通應(yīng)用程序通過移動網(wǎng)絡(luò)與車輛通信，可自行調(diào)整設(shè)置。
3.車輛具有自動駕駛的能力，并根據(jù)用戶的喜好定位最合適的車輛組（車隊）。它可以騰挪并加入選定的車隊，同時允許汽車以非常短的間隔跟隨，從而節(jié)省能量。
4.在擁擠的道路上行駛時，車輛通過使用雙向?qū)Ш?，接收和提供實時交通信息。
5.用戶通過連接導(dǎo)航系統(tǒng)，可以控制車輛退出高速公路，或選擇在風(fēng)景更好的路線上行駛。
6.車輛在到達(dá)目的地后，用戶下車。
7.車輛可以自動駕駛到自動停車場或駛向另一個用戶。

全向天線和信號強(qiáng)度方面的挑戰(zhàn)

全向天線和信號強(qiáng)度方面的挑戰(zhàn)是開發(fā)“智能天線”的主要障礙。移動通信技術(shù)與天線技術(shù)的有效結(jié)合是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)上，信號通過一般位于駕駛員駕駛艙的電纜連接從車頂天線傳輸?shù)杰囕d電子設(shè)備。然而，帶寬需求的激增，特別是隨著5G網(wǎng)絡(luò)使用更廣泛的頻率范圍（從6Ghz到100Ghz），導(dǎo)致通過電纜傳輸?shù)男盘枃?yán)重丟失。為了解決這個問題，電子設(shè)備和信號處理必須靠近天線，要么直接在車頂下，要么在天線內(nèi)部。然而，這種解決方案帶來了新的挑戰(zhàn)，暴露在外的電子設(shè)備受不同天氣條件的影響，可能會影響其性能和使用壽命。

此外，擴(kuò)大的頻率范圍導(dǎo)致無線電場衰減增加，只能在較短的距離內(nèi)接收到信號。這對全向天線來說是一個最直接的挑戰(zhàn)：要么收不到信號，要么只能在有限的范圍內(nèi)接收信號。雖然精確地對準(zhǔn)天線可以解決這個問題，但這需要在設(shè)備上安裝大量的天線。 因此，只能利用面向發(fā)射機(jī)的天線。 此外，路邊必須配備定向天線，才能有效地向過往車輛傳輸信號。

5G和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)

5G技術(shù)滿足三大類主要服務(wù)：

• 增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）：這一類別為增強(qiáng)現(xiàn)實、高精度數(shù)字地圖和持續(xù)固件更新等沉浸式車內(nèi)體驗奠定了基礎(chǔ)。這些高級特性將推動對更高數(shù)據(jù)帶寬的需求。
• 超可靠低延遲通信（URLLC）：此類別對于任務(wù)關(guān)鍵型功能至關(guān)重要，例如車輛安全系統(tǒng)、車對車和車對基礎(chǔ)設(shè)施通信（V2X）以及自動駕駛。這些功能需要超可靠和極低延遲的通信，以確保車輛的性能和安全性。
• 大規(guī)模機(jī)器式通信（mMTC）：智能城市、家庭和汽車中的眾多傳感器會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須通過網(wǎng)關(guān)安全地傳輸?shù)酵泄茉谠贫说倪h(yuǎn)程服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

5G的天線和無線技術(shù)

與以前的蜂窩信號天線相比，5G天線通常尺寸更小，但精度更高、延遲更低。5G技術(shù)使用智能功率開關(guān)來優(yōu)化波束形成，這是一種有源天線技術(shù)，使用定向無線電鏈路選擇性地同時為移動設(shè)備提供高帶寬。

5G天線和無線模塊支持大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，實現(xiàn)5G發(fā)射機(jī)之間的定向無線電聯(lián)系。最新的3D和大規(guī)模MIMO設(shè)備在一個終端單元內(nèi)運行多個發(fā)射器和接收器，從而實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。此外，許多5G天線與4G LTE信號兼容。雖然大多數(shù)5G汽車天線在外觀上與4G天線相似，但前者往往更小、更薄。

5G將使先進(jìn)的C-V2X成為可能

5G技術(shù)的應(yīng)用特別適合蜂窩V2X（C-V2X）通信。這種通信技術(shù)可以實現(xiàn)雙向通信，并且借助基于云的傳感器共享，有效范圍可達(dá)1000米。將5G用于C-V2X的關(guān)鍵優(yōu)勢之一是其極低的延遲，響應(yīng)時間僅為4毫秒甚至更短。相比之下，4G長期演進(jìn)(LTE)標(biāo)準(zhǔn)的延遲為15毫秒或更短。

5G在互聯(lián)汽車中的未來

V2X的競爭標(biāo)準(zhǔn)也在發(fā)揮作用。下文將介紹其中的兩項標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 802.11p

IEEE 802.11p是Wi-Fi的一種變體，在5.9Ghz非授權(quán)頻段上運行，是初版V2X標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。該技術(shù)將V2X通信擴(kuò)展到傳感器視線之外，支持碰撞警告、限速警報、電子停車和通行費支付等V2V和V2I應(yīng)用。IEEE 802.11p的優(yōu)點是它不依賴蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋。（這要歸功于車載單元（OBU）和路邊單元（RSU）。它具有短程能力（低于1千米）和低延遲（約2毫秒），并高度可靠，能夠適應(yīng)極端天氣條件。

蜂窩V2X

C-V2X（或蜂窩V2X）是IEEE 802.11p發(fā)展中的替代品。C-V2X有兩種運行模式，涵蓋了大多數(shù)可能發(fā)生的情況。第一種是低延遲的C-V2X直接通信，在5.9Ghz非授權(quán)頻段上通過PC5接口進(jìn)行通信，用于獲取主動安全信息，如即時道路危險警告和其他短距離V2V、V2I和V2P情況。這種模式類似于目前同樣在5.9Ghz頻段運行的IEEE 802.11p技術(shù)。

第二種模式是通過常規(guī)授權(quán)頻段蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的Uu接口或UMTS空中接口進(jìn)行通信，可以處理V2N（車對網(wǎng)）應(yīng)用，如信息娛樂、關(guān)于長距離道路危險，或交通狀況的延遲容忍警報提示。IEEE 802.11p只能通過與路邊基站建立臨時連接來匹配這種模式。

圖2：用于交通延遲容忍警報提示的網(wǎng)絡(luò)通信

下方表1顯示了C-V2X相對于IEEE 802.11p的技術(shù)優(yōu)勢

表1：C-V2X相對于IEEE 802.pp的技術(shù)優(yōu)勢

現(xiàn)在，一些開發(fā)工具包、軟件和公司模塊可用于執(zhí)行5G技術(shù)的設(shè)計、開發(fā)和項目。e絡(luò)盟與多家供應(yīng)商合作，提供廣泛的工業(yè)5G組件組合，可實現(xiàn)以上5G應(yīng)用，如無線模塊適配器、天線、連接器、射頻無線開發(fā)套件、時鐘時序開發(fā)套件、IC模塊、調(diào)試器模擬器和JTag工具配件、接口通信開發(fā)套件和顯示開發(fā)套件。

編者按

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關(guān)于e絡(luò)盟

e絡(luò)盟隸屬于Farnell集團(tuán)。Farnell是全球電子元器件以及工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計、維護(hù)和維修產(chǎn)品與技術(shù)的分銷商，專注快速與可靠交付。從原型研究與設(shè)計到生產(chǎn)，F(xiàn)arnell全天候為客戶提供可靠的產(chǎn)品與專業(yè)服務(wù)。憑借逾80年行業(yè)經(jīng)驗、47個本地化網(wǎng)站以及3500多名員工的專業(yè)團(tuán)隊，F(xiàn)arnell致力于為客戶提供構(gòu)建未來技術(shù)所需的各類組件。

Farnell在歐洲經(jīng)營Farnell品牌，北美經(jīng)營Newark品牌，亞太地區(qū)經(jīng)營e絡(luò)盟品牌。同時，F(xiàn)arnell還通過CPC公司直接向英國地區(qū)供貨。

自2016年起，F(xiàn)arnell加入了全球技術(shù)分銷商安富利公司（納斯達(dá)克代碼：AVT）。如今，雙方的合作賦能Farnell支持客戶整個產(chǎn)品生命周期，提供獨特的分銷服務(wù)、端到端交付和產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)知識。