技术演变正在进行V2X架构

　　3GPP计划在V2X中使用5G技术以及汽车级别的射频前端模块（FEM），相比于当前专用短距离通信或其他CV2X协议，该技术具有明显的优势。
　　新兴车联网应用（如V2X）需要满足延迟、数据速率、可靠性和通信范围方面严格的服务质量（QoS）要求。在开发自动驾驶汽车过程中，通常会使用以下三种传感器技术：摄像头、雷达和激光雷达。然而，现有的另一种无线技术，即车对万物（V2X），可大大提高自动驾驶汽车的价值。V2X是指各种交通运输相关传感器之间进行的高带宽、低延迟可靠通信。5G移动网络将提供适合车对车（V2V）以及车对基础设施（V2I）通信的连接。汽车前端模块（FEM）将成为实现新一代技术的重要解决方案，并将推动基于蜂窝技术的V2X方案的整体成功部署。
　　接下来，我们将讨论3GPP计划如何在V2X应用中使用5G技术，较当前专用短距离通信（DSRC）或其他蜂窝V2X（CV2X）协议，该技术具有显著优势。
　　技术演变即将到来
　　从通信技术角度来看，未来智能交通系统（ITS）服务将得到广泛应用。如此以来，自动驾驶会最终实现，并要求通过先进的通信技术（如5GV2X）在车辆内实现高互联度。经过学术界和业界多年的研究，推动5G发展的成熟技术落地后，3GPP开始起草5GV2X标准，从版本16开始实施。
　　首先，让我们来了解一下V2X的定义。车对万物技术是一种双向通信技术，可实现汽车、电动汽车以及周围可能会对其产生影响的任何实体之间的信息传输。由于V2X应用能够缓解交通拥堵，减少环境影响并提高驾驶员和乘客的舒适性，所以在实现完全自动驾驶之前，这些应用将对安全性和便利性产生巨大影响。
　　5G配合V2X技术，可提升车辆和行人的安全性。新增功能包括：针对正在靠近的急救车辆发出距离方向信息；为穿过人行横道的行人（为确保安全、在发生意外事件期间以及为便于识别，将控制或延长交通信号灯信号显示）以及回避冲进车流中行人的车辆，提供通知和控制功能。发生事故时，发送车辆位置和距离通知。校车通知（包括该地区中小学生上下车）等功能将确保行人安全。
　　基于蜂窝通信技术的V2X从属于V2X的大类。它将作为摄像头、雷达和激光雷达等视距（LoS）传感器的补充，实现对提高驾驶安全至关重要的非视距感知力。CV2X还可实现比LoS传感器更为广泛的探测范围，也是车辆相互通信以及与周围万物通信的基础。2014年，3GPP以第14版开始CV2X的标准化工作。它将LTE作为其根本技术。2017年发布了相关规范。
　　使用的传输通信功能包括车对基础设施（V2I）、车对网络（V2N）、车对车（V2V）、车对行人（V2P）、车对弱势道路使用者（如自行车手）、车对设备（V2D）以及车对电网（V2G）（图1）。
　　汽车行业也在寻求各种方法，以降低支持5GV2X的车载单元（OBU）成本，同时避免尽量减少车辆价格上涨。
　　5G和V2X
　　5G将使V2X通信更易实现，且更加快速和可靠。下面总结了5G和V2X框架之间的主要差异：
　　5G与所有无线电移动服务一样，使用一种称为基站的基础设施，其中划分为独立的单元，这些单元广泛重叠，并由适当的天线系统管理。与所有无线服务一样，V2X的结构更为灵活，其中的小型天线设备系统（称为热点）通过使用可靠的交互方案，确保提供优质的连接服务。
　　图1：主要的CV2X用例：车对车（V2V）、车对行人（V2P）、车对基础设施（V2I）和车对网络（V2N）。V2X安全消息可能包括欧洲的协作意识消息（CAM）和分散环境通知信息（DENM），以及美国的基本安全消息（BSM）。（数据来源：《引入开源CV2X模拟器的CV2X模式4通信性能分析》（PerformanceAnalysisofCV2XMode4CommunicationIntroducinganOpenSourceCV2XSimulator），2019年7月23日，作者：FabianEckermann等人，多特蒙德工业大学）
　　Qorvo开发了一款对成功部署V2X技术至关重要的模块
　　CV2X接收器
　　与其他无线通信技术一样，CV2X技术也采用模拟和数字模块设计。在CV2X设计中，对于模拟和混合信号部分，射频组件具有关键作用，接收链中配置了许多高频模拟组件（图2）。
　　图2展示了采样接收器的三种不同架构：a）基带、b）IF和c）RF。RF模数转换器（ADC）将根据输入频率决定选用的接收器类型（a、b或c）。
　　图2：此框图显示了CV2X采样接收器的三种无线电架构。（数据来源：IEEE）
　　汽车前端模块（FEM）
　　Qorvo已开发出对成功部署V2X技术至关重要的一款关键模块，即前端模块（FEM）。此模块属于Qorvo车联网产品组合。
　　Qorvo的V2X车联网产品组合包含兼容多种芯片的解决方案，适用于车对车（V2V）、车对基础设施（V2I）、车对行人（V2P）和车对网络（V2N）通信。
　　该产品组合可提供现成的V2X通信解决方案，包括47频段WiFi体声波（BAW）共存滤波器，支持WiFi与V2X5。9GHz频段共存。这种能力对于在车辆与周围环境之间建立可靠的联系至关重要。它还包括两个支持CV2X（和DSRC系统）的集成式前端模块（FEM）、一个数字步进衰减器、发射接收开关和低噪声放大器（LNA）。
　　设计解决方案如下：
　　QPF1002Q：一款经过优化设计的前端模块，支持CV2X系统，集成了功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）和开关，采用5。0mmx4。0mm封装。QPF1003Q：一款经过优化设计的前端模块，支持CV2X和DSRC11p系统，集成了功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）和开关，采用5。0mmx4。0mm封装。QPQ2200Q：一款B47频段V2XWiFi体声波（BAW）共存滤波器，在WiFiUNII3频段中具有出色的带外衰减性能，可防止WiFi干扰V2X5。9GHz频段，并可为自动驾驶实现可靠的V2X链路，采用1。1mmx0。9mm紧凑型封装QPC6713Q：7位、0。25dB步进的数字衰减器：实现补偿器应用所需的精细功率控制QPC8019Q：具有V2X系统所需的快速发射接收开关功能
　　让我们来更深入地了解一下Qorvo的一款FEM，即QPF1002Q。
　　QorvoQPF1002Q汽车前端模块是适合CV2X（蜂窝车对万物）系统的优化解决方案。CV2X系统将能够感知周围环境，在互联车辆中实现下一代自动驾驶和实时监控。CV2X使用5。9GHz智能交通系统（ITS）频段中的低时延传输。
　　QPF1002Q还在单个设备中集成了一个5GHz功率放大器（PA）、TxRx天线开关和可旁路的低噪声放大器（LNA）。
　　此器件的频率范围为5。77GHz至5。925GHz，Tx增益为28dB，Rx增益为13dB，噪声系数为2。6dB。该PA的性能优化主要是采用5V电源供电以节省功耗，同时保持最高的线性输出功率和出色的吞吐量。接收路径的引脚分配灵活，支持外置滤波器或低噪放。
　　Qorvo的QPF1002Q汽车FEM采用5。0mmx4。0mmx0。925mm紧凑型层压封装，符合AECQ1002级认证的汽车系统应用标准。
　　以下是一些关键特性：
　　符合AECQ1002级认证标准工作频率范围：5。77GHz至5。925GHz针对5V工作电压进行了优化；支持4。2VPOUT28dBm，10MHz带宽下的线性功率Tx增益：28dBTx电流：580mATx高功率和低功率模式24dBTx耦合器Rx噪声系数：2。6dB（包括开关）Rx增益：13dBRx电流：35mA旁路LNA损耗：6。5dB无需外部匹配5。0mmx4。0mmx0。925mm层压封装无卤且符合RoHS标准
　　应用：
　　ITSCV2X汽车前端汽车远程通信汽车信息娱乐
　　CV2X侧行链路
　　第16版5G为采用5G新无线电（NR）的行业CV2X应用带来了侧行链路。该版本推动了CV2X应用的发展，如车辆编队、高级驾驶、扩展传感器和远程驾驶。由于在一些危险驾驶情况下需要使用紧急制动和防碰撞功能，所以必须确保满足严格的延迟和高可靠性要求。CV2X的最低传输延迟不超过4ms，且有可能更低，具体取决于实现方案。虽然可靠性很难量化，但每个新版本都在一定程度上提高了性能和安全性，从而提升了可靠性。即将发布的版本将继续提高安全性和可靠性。
　　通过短距离通信传播大部分交通信息，尤其在V2X部署的第一阶段，这些都是每辆车定期广播的消息（传递其状态和运动信息）。
　　V2X和5G正迅速成为不可或缺的技术
　　我们必须指出，V2X应用依赖于持续、详细的位置信息，这会导致隐私问题。对于私家车，位置信息会透露驾驶员的运动和活动，而驾驶员并不一定是车主。简而言之，发送和传播V2X用户位置信息可能会涉及车主和驾驶员的隐私。
　　在交通拥挤区域，可用的信道资源将达到饱和，因此数据包丢失率会增加。这可能会危及驾驶员和乘客的安全。在这些条件达到临界水平之前，对拥堵控制算法进行分析和定义，以便修改特定参数。然而，研究人员并没有研究具体的算法，而是对WiFi标准方法（IEEE802。11p）与标准蜂窝方法（CV2X第14版组成部分3GPP定义的侧行链路LTEV2X）进行了比较分析。
　　最终分析认为，在信道负载较低的情况下，LTEV2X优于IEEE802。11p，前提是它具有出色的物理层性能。当信道负载水平较低时，MAC对性能的影响低于物理层。因此，研究人员认为，当信道负载增加时，即使物理层性能更低，IEEE802。11p也优于LTEV2X。
　　基于3GPP开发的CV2X通信技术可通过侧行链路（亦称为PC5接口）实现车辆用户设备（VUE）之间的直接通信。CV2X侧行链路是第一个在物理层将距离作为维度使用的无线系统。这样就可以在各种LoS和非LoS无线电环境下实现统一的通信范围。
　　简而言之，CV2X技术包含两个通信链路。
　　车对网络（V2N），基于现有的蜂窝网络（Uu）车对车（V2V）直接通信链路（PC5）
　　直接通信链路（PC5）是用于确保安全的主要模式，它包含两个传输调度模式：模式3和模式4。模式3：网络辅助通信。CV2X依赖于蜂窝网络进行调度和资源管理。模式4：覆盖范围外无SIM运行。CV2X拥有完全自主性，且不依赖于蜂窝网络。
　　请注意，所有的CV2X部署仅支持模式4。由于各种原因，模式3尚不可行。
　　V2X通信过程中的安全和隐私
　　基于LTE的V2X通信使用容量大、蜂窝覆盖范围广且部署广泛的基础设施，支持各种车辆通信服务，适合安全和非安全应用。3GPP和高通等技术组织已经制定了基于5G的V2X服务路线图。
　　3GPP中定义的安全性主要包括保密性、完整性、真实性和抗回放攻击能力。
　　在针对网络攻击的汽车安全保障解决方案中，推荐全面采用双密钥机制。
　　其他V2X应用包括可增强现有方法的车辆间通信，从而有助于改进左转或右转辅助、紧急制动警告功能，并提高十字路口的态势感知。扩展Waze概念可以控制调速功能或提供调速建议，以便应对交通拥堵，还可以利用车道封闭和高速公路施工活动的实时更新信息来更新GPS地图。某种程度上，从地图更新、漏洞修复到安全更新等，如需提供支持，以便汽车中广泛的软件驱动系统进行无线（OTA）软件更新，V2X则至关重要。
　　V2X安全消息可包含美国标准中的基本安全消息（BSM），或欧盟（EU）标准中的协作意识消息（CAM）和分散环境通知信息（DENM）。BSM包含位置、速度和加速度信息，传输速度高达每秒10次。通过使用此消息系统，车辆接收单元还能够进行碰撞预测，并向驾驶员发出警告。
　　V2X信息保护和安全
　　V2X和V2I通信需要具备非常高的安全性，避免消息欺诈或误导，从而导致安全和隐私问题。另一种安全方法是使用公钥证书对消息进行签名，防止未经授权方干扰数据交换，并安全地使用化名进行通信。
　　公钥基础设施（PKI）由创建、管理、使用、保存和调用数字安全证书的策略和流程组成。PKI可实现电子信息的安全传输，它不仅需要进行身份验证的密码，还需要满足更严格的身份确认要求。
　　高速公路拥堵情况下的CV2X性能
　　5G汽车协会（5GAA）在《V2X功能和性能测试报告》中进行了V2X性能和功能测试。测试报告显示，5GAA在实验室环境下对CV2X技术进行了高度拥堵场景测试。即使在这种拥堵的情况下，CV2X延迟仍保持在预估范围内，针对此类场景，我们配置了100ms的延迟范围，这是一个非常不错的结果。
　　结论
　　通过对5。9GHz频段进行重组，FCC有效地改变了美国的车辆通信协作式智能交通系统（CITS）市场。
　　汽车行业实现进一步发展，必须使用窄频谱和CV2X技术，而不是广泛使用的专用短距离通信（DSRC）频谱。这些变化有助于汽车行业实现发展，从而消除了竞争性技术导致的不确定性。
　　由于汽车制造商致力于在未来几年实现全自动驾驶汽车技术商业化，所以V2X和5G正迅速成为不可或缺的技术。福特目前正在大力推广互联汽车，通过使用CV2X技术，将创造可观的全新收入来源。目前，CV2X已应用于六款车型：福特蒙迪欧、福特F150Raptor、福特Evos、福特电马、福特锐界Plus以及福特探险者。
　　更令人兴奋的是，福特已成为中国市场首家生产CV2X汽车的制造商。在中国，此类采用先进技术的车辆可向前方交通信号灯发送重要的交通信息。这样就可以控制交通信号灯的时间，从而减少拥堵。V2X汽车驾驶员还可以收到各种信息，包括绿灯优化速度建议（GLOSA）、交通信号灯信息、闯红灯警告以及其他相关的道路基础设施详情。V2X汽车的仪表盘将提醒驾驶员保持在特定的速度范围内，避免在红绿灯前进行等待。这将节省燃油油耗，提高交通效率。
　　更多令人振奋的车辆技术发展即将到来，它们将显著改进人们的驾驶方式。