5G 在汽车中的应用
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日期：2021-11-06
5G 在汽车中的应用
今天，数以百万计的车辆连接到蜂窝网络以进行实时导航、互联信息娱乐和紧急服务；然而，新的蜂窝网络（如 5G）将支持其他应用，例如自动驾驶、车辆 2 车辆 (V2V)、车辆 2 基础设施 (V2I)、车辆 2 网络 (V2N) 和车辆 2-行人 (V2P) 通信。 5G 增加的吞吐量、可靠性、可用性和更低的延迟将支持新的安全敏感应用程序，这些应用程序统称为 V2V/V2I（V2X 或车辆到一切）（图 1）。从第 14 版3GPP 协议开始开始，标准组织第三代合作伙伴计划 (3GPP) 添加了直接通信功能，作为确保 V2X 应用成为5G新蜂窝标准的一部分。随着 Cellular Vehicle-2-Everything (C-V2X) 技术的进步，与城市管理者、蜂窝提供商、芯片组供应商和路边单元 (RSU) 设备制造商的合作正在开始商业试验，以实现 C-V2X 应用在近期得到采用。作为 C-V2X 技术的关键推动者，5G 无线电、SoC 和高性能 IP 解决方案成为 5G C-V2X 成功的关键组件。
图 1：新的 5G 数据通信支持 Vehicle-2-Vehicle/Infrastructure 应用
5G C-V2X提供通用无线网络，支持城市、郊区和高速公路驾驶条件下多种应用的融合。 5G C-V2X 将支持多种新的汽车应用，包括防撞和安全系统 (V2V)、交通信号定时/优先级协调知会(V2I)、实时交通/路线和云服务 (V2N) 以及行人/骑自行车者的安全警报(V2P)。表 1 突出显示了 C-V2X 技术在安全应用中的优势：
表 1：C-V2X 技术对安全应用的好处
面向 C-V2X 应用的 5G 数据通信
为了将 5G 用于 C-V2X 应用，3GPP 为 5G 标准引入了新功能。与 4G LTE 相比，5G 指定了 1 毫秒 (ms) 的端到端传输延迟要求，这是最大限度地减少 V2X 通信所需的反应时间。现有的 4G LTE 系统存在各种限制，无法实现 1ms 的端到端传输，例如 1ms 的子帧长度。 1ms 长度的子帧将导致 4G LTE 超过 1ms 端到端传输时延要求，而且这仅仅是用于传输数据所需要的时间，不包括通过网络的延迟和处理时间。除了低延迟之外，5G 还通过限制安全关键 V2X 服务所需的数据包丢失来提高网络可靠性。最后，需要 5G 高达 20 Gb/s 的高带宽数据速率来支持自动驾驶的实时映射、软件更新和流媒体多媒体信息娱乐。
5G C-V2X 应用程序必须满足明确定义的性能指标，同时在 5G 无线电和处理器半导体 SoC 供应商目前正在测试 5G C-V2X 技术的各种环境中运行，并将其与专用短程通信等替代 V2X 无线电格式进行比较，如，于 IEEE 802.11P的DSRC 技术。 DSRC 技术此前已被美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 确定用于 V2X 应用，但美国交通部 (USDOT) 已推迟授权 DSRC 的程序，同时行业委员会正在准备完成 C-V2X 的引入。在 2018 年国际先进无线电技术研讨会的主题演讲中，NHTSA 副局长 Heidi King 表示：“相对于支持 V2X 技术的通信协议，USDOT 保持技术中立。”此外，King 女士表示，“我们的历史研究主要集中在 DSRC，因为这是唯一可用的技术……但我们也在与行业合作伙伴合作，探索新兴的蜂窝 V2V (C-V2X) 功能。” 虽然行业实施 DSRC 和 C-V2X 协议，但不同地区正在采用每种技术，一级汽车和半导体供应商正在将这两种协议添加到各种产品中。
5G C-V2X 性能
行业利益相关者正在多个测试环境中评估 5G C-V2X 操作能力，以验证性能并与作为替代方案的 DSRC 进行比较。 5G 汽车协会 (5GAA) 是一个由来自汽车、技术和电信行业的公司组成的全球性跨行业组织，致力于为未来的移动和运输服务开发端到端解决方案。 5GAA 在 2018 年 10 月发表的一篇题为“V2X 功能和性能测试报告； 2、测试报告中，5GAA对C-V2X和DSRC在视线场景和非视线测试案例中结合WIFI和相邻DSRC信号进行了对比。该测试在 90% 的可靠性下测量了有效范围。结果一重新显示在表 2 中。
表 2：DSRC 和 C-V2X 在 11 dBm 有效发射功率下的覆盖范围比较2
5G C-V2X 部署
如前所述，与城市管理者、蜂窝提供商、芯片组供应商和路边单元 (RSU) 设备制造商的合作正在开始商业试验，以实现 C-V2X 应用的近期采用。图 2 显示了 5GAA 发布的 C-V2X 部署时间表。 3GPP 第 14 版 (R14) 是 C-V2X 部署的关键步骤，因为它改进了网络通信、增加了数据量、管理了更大规模的连接设备，并提供了更低的延迟和更高级别的可靠性。 3GPP 第 16 版 (R16) 将在带宽、延迟、可靠性和增强的安全性方面提供改进。
图 2：C-V2X 技术部署时间表；原始来源：5GAA
高通等半导体供应商已经发布了 9150 C-V2X 芯片组和具有集成 GNSS 功能以实现精确定位的参考设计、用于运行智能交通系统 (ITS) V2X 堆栈的应用处理器以及用于提供硬件安全模块 (HSM) 的 SoC安全的 V2X 通信。 2019 年 1 月 7 日，高通宣布3与拉斯维加斯市、南内华达州区域交通委员会和 RSU 供应商 Commsignia 合作实施 C-V2X 试验。该试验是在拉斯维加斯首次公开安装 C-V2X。它在全市近 100 个十字路口使用 Commsignia 的车载单元 (OBU) 和 RSU，以及配备 C-V2X 售后市场 OBU 的车辆来演示 V2I 用例，包括向车辆发送交通信息。随着 V2X 试验的进展，行业利益相关者正在计划推出 V2X 基础设施，而汽车一级设计师和汽车制造商正在计划采用 C-V2X 模块。实现 C-V2X 功能的半导体 SoC 对于成功的试验和行业推广至关重要。使用最佳处理器、模拟 IP 和接口 IP 解决方案启用此类功能非常关键。
总结
汽车供应链中的半导体设计师和 IP 供应商在实现新一代 5G C-V2X SoC 方面发挥着关键作用。 C-V2X SoC 可能包含大量第三方 IP，以实现关键的嵌入式处理器加速、传感器融合、多媒体、安全和高级连接功能。尽管 IP 供应商已经渗透到消费类、移动设备、PC 和通信应用的半导体生态系统中，但并非所有 IP 供应商都能支持严格的汽车级要求。当设计人员启动他们的下一代 C-V2X SoC 时，他们必须评估 IP 供应商提供具有 ISO 26262 认证的 ISO 26262 安全包的能力。具有满足汽车行业要求的承诺和资源的 IP 供应商有助于确保汽车 SoC 供应商、一级供应商和 OEM 成功满足面向 28 纳米的 5G C-V2X SoC 的功能、性能、质量和可靠性水平，以及16-/14-nm、7-/8-nm FinFET 技术。
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