【導讀】3GPP 計劃在 V2X 中使用 5G 技術以及汽車級別的射頻前端模塊（FEM）
，相比於當前專用短距離通信或其他 C-V2X 協議，該技術具有明顯的優勢。

新興車聯網應用（如 V2X）需要滿足延遲、數據速率、可靠性和通信範圍方麵嚴格的服務質量 (QoS) 要求。在開發自動駕駛汽車過程中
，通常會使用以下三種傳感器技術：攝像頭、雷達和激光雷達。然而


，現有的另一種無線技術，即車對萬物 (V2X)，可大大提高自動駕駛汽車的價值。V2X 是指各種交通運輸相關傳感器之間進行的高帶寬、低延遲可靠通信。5G 移動網絡將提供適合車對車 (V2V) 以及車對基礎設施 (V2I) 通信的連接。汽車前端模塊 (FEM) 將成為實現新一代技術的重要解決方案，並將推動基於蜂窩技術的 V2X 方案的整體成功部署。

接下來，我們將討論 3GPP 計劃如何在 V2X 應用中使用 5G 技術

，較當前專用短距離通信 (DSRC) 或其他蜂窩 V2X (C-V2X) 協議

，該技術具有顯著優勢。

技術演變即將到來

從通信技術角度來看，未來智能交通係統 (ITS) 服務將得到廣泛應用。如此以來
，自動駕駛會最終實現，並要求通過先進的通信技術（如 5G V2X）在車輛內實現高互聯度。經過學術界和業界多年的研究，推動 5G 發展的成熟技術落地後，3GPP 開始起草 5G V2X 標準，從版本 16 開始實施。

首先，讓我們來了解一下 V2X 的定義。車對萬物技術是一種雙向通信技術
，可實現汽車

、電動汽車以及周圍可能會對其產生影響的任何實體之間的信息傳輸。由於 V2X yingyongnenggouhuanjiejiaotongyongdu
，jianshaohuanjingyingxiangbingtigaojiashiyuanhechengkedeshushixing，suoyizaishixianwanquanzidongjiashizhiqian
，zhexieyingyongjiangduianquanxinghebianlixingchanshengjudayingxiang。

5G 配合 V2X 技術
，可提升車輛和行人的安全性。新增功能包括：針對正在靠近的急救車輛發出距離/方向信息
；為穿過人行橫道的行人（為確保安全、在發生意外事件期間以及為便於識別，將控製或延長交通信號燈/信號顯示）以及回避衝進車流中行人的車輛，提供通知和控製功能。發生事故時，發送車輛位置和距離通知。校車通知（包括該地區中小學生上下車）等功能將確保行人安全。

基於蜂窩通信技術的 V2X 從屬於 V2X 的大類。它將作為攝像頭
、雷達和激光雷達等視距 (LoS) 傳感器的補充，實現對提高駕駛安全至關重要的非視距感知力。C-V2X 還可實現比 LoS 傳感器更為廣泛的探測範圍，也是車輛相互通信以及與周圍萬物通信的基礎。2014 年，3GPP 以第 14 版開始 C-V2X 的標準化工作。它將 LTE 作為其根本技術。2017 年發布了相關規範。

使用的傳輸通信功能包括車對基礎設施 (V2I)
、車對網絡 (V2N)、車對車 (V2V)、車對行人 (V2P)

、車對弱勢道路使用者（如自行車手）、車對設備 (V2D) 以及車對電網 (V2G)（圖 1）。

汽車行業也在尋求各種方法，以降低支持 5G V2X 的車載單元 (OBU) 成本，同時避免/盡量減少車輛價格上漲。

5G 和 V2X

5G 將使 V2X 通信更易實現，且更加快速和可靠。下麵總結了 5G 和 V2X 框架之間的主要差異：

●   5G 與所有無線電移動服務一樣，使用一種稱為基站的基礎設施，其中劃分為獨立的單元，這些單元廣泛重疊，並由適當的天線係統管理。

●   與所有無線服務一樣，V2X 的結構更為靈活，其中的小型天線設備係統（稱為熱點）通過使用可靠的交互方案，確保提供優質的連接服務。

圖 1：主要的 C-V2X 用例：車對車 (V2V)、車對行人 (V2P)、車對基礎設施 (V2I) 和車對網絡 (V2N)。V2X 安全消息可能包括歐洲的協作意識消息 (CAM) 和分散環境通知信息 (DENM)
，以及美國的基本安全消息 (BSM)。（數據來源：《引入開源 C-V2X 模擬器的 C-V2X 模式 4 通信性能分析》（Performance Analysis of C-V2X Mode 4 Communication Introducing an Open-Source C-V2X Simulator），2019 年 7 月 23 日，作者：Fabian Eckermann 等人
，多特蒙德工業大學）

Qorvo 開發了一款對成功部署 V2X 技術至關重要的模塊

C-V2X 接收器

與其他無線通信技術一樣
，C-V2X 技術也采用模擬和數字模塊設計。在 C-V2X 設計中，對於模擬和混合信號部分，射頻組件具有關鍵作用
，接收鏈中配置了許多高頻模擬組件（圖 2）。

圖 2 展示了采樣接收器的三種不同架構：a) 基帶、b) IF 和 c) RF。RF 模數轉換器 (ADC) 將根據輸入頻率決定選用的接收器類型（a、b 或 c）。

圖 2：此框圖顯示了 C-V2X 采樣接收器的三種無線電架構。（數據來源：IEEE）

汽車前端模塊(FEM)

Qorvo 已開發出對成功部署 V2X 技術至關重要的一款關鍵模塊，即前端模塊 (FEM)。此模塊屬於 Qorvo 車聯網產品組合。

Qorvo 的 V2X 車聯網產品組合包含兼容多種芯片的解決方案
，適用於車對車 (V2V)、車對基礎設施 (V2I)、車對行人 (V2P) 和車對網絡 (V2N) 通信。

該產品組合可提供現成的V2X 通信解決方案
，包括 47 頻段/Wi-Fi 體聲波 (BAW) 共存濾波器，支持 Wi-Fi 與 V2X 5.9GHz 頻段共存。這種能力對於在車輛與周圍環境之間建立可靠的聯係至關重要。它還包括兩個支持 C-V2X（和 DSRC 係統）的集成式前端模塊 (FEM)、一個數字步進衰減器、發射/接收開關和低噪聲放大器 (LNA)。

設計解決方案如下：

●   QPF1002Q：一款經過優化設計的前端模塊
，支持 C-V2X 係統，集成了功率放大器 (PA)、低噪聲放大器 (LNA) 和開關

，采用 5.0mm x 4.0mm 封裝。

●   QPF1003Q：一款經過優化設計的前端模塊，支持 C-V2X 和 DSRC/11p 係統，集成了功率放大器 (PA)

、低噪聲放大器 (LNA) 和開關
，采用 5.0mm x 4.0mm 封裝。

●   QPQ2200Q：一款 B47 頻段V2X/Wi-Fi 體聲波 (BAW) 共存濾波器
，在 Wi-Fi UNII-3 頻段中具有出色的帶外衰減性能，可防止 Wi-Fi 幹擾 V2X 5.9GHz 頻段，並可為自動駕駛實現可靠的 V2X 鏈路
，采用 1.1mm x 0.9mm 緊湊型封裝

●   QPC6713Q：7 位
、0.25dB 步進的數字衰減器：實現補償器應用所需的精細功率控製

●   QPC8019Q：具有 V2X 係統所需的快速發射/接收開關功能

讓我們來更深入地了解一下 Qorvo 的一款 FEM，即 QPF1002Q。

Qorvo QPF1002Q 汽車前端模塊是適合 C-V2X（蜂窩車對萬物）係統的優化解決方案。C-V2X 係統將能夠感知周圍環境，在互聯車輛中實現下一代自動駕駛和實時監控。C-V2X 使用 5.9GHz 智能交通係統 (ITS) 頻段中的低時延傳輸。

QPF1002Q 還在單個設備中集成了一個 5GHz 功率放大器 (PA)、Tx/Rx 天線開關和可旁路的低噪聲放大器 (LNA)。

此器件的頻率範圍為 5.77GHz 至 5.925GHz
，Tx 增益為 28dB，Rx 增益為 13dB，噪聲係數為 2.6dB。該 PA 的性能優化主要是采用 5V 電源供電以節省功耗，同時保持最高的線性輸出功率和出色的吞吐量。接收路徑的引腳分配靈活，支持外置濾波器或低噪放。

Qorvo 的 QPF1002Q 汽車 FEM 采用 5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 緊湊型層壓封裝，符合 AEC-Q100 2 級認證的汽車係統應用標準。

以下是一些關鍵特性：

●   符合 AEC-Q100 2 級認證標準

●   工作頻率範圍：5.77GHz 至 5.925GHz

●   針對 +5V 工作電壓進行了優化
；支持 +4.2V

●   POUT = +28dBm，10MHz 帶寬下的線性功率

●   Tx 增益：28dB

●   Tx 電流：580mA

●   Tx 高功率和低功率模式

●   24dB Tx 耦合器

●   Rx 噪聲係數：2.6dB（包括開關）

●   Rx 增益：13dB

●   Rx 電流：35mA

●   旁路 LNA 損耗：-6.5dB

●   無需外部匹配

●   5.0mm x 4.0mm x 0.925mm 層壓封裝

●   無鹵且符合 RoHS 標準

應用：

●   ITS C-V2X

●   汽車前端

●   汽車遠程通信

●   汽車信息娛樂

C-V2X 側行鏈路

第 16 版 5G 為采用 5G 新無線電 (NR) 的行業 C-V2X 應用帶來了側行鏈路。該版本推動了 C-V2X 應用的發展，如車輛編隊、高級駕駛、擴展傳感器和遠程駕駛。由於在一些危險駕駛情況下需要使用緊急製動和防碰撞功能
，所以必須確保滿足嚴格的延遲和高可靠性要求。C-V2X 的最低傳輸延遲不超過 4ms

，且(qie)有(you)可(ke)能(neng)更(geng)低(di)，具(ju)體(ti)取(qu)決(jue)於(yu)實(shi)現(xian)方(fang)案(an)。雖(sui)然(ran)可(ke)靠(kao)性(xing)很(hen)難(nan)量(liang)化(hua)，但(dan)每(mei)個(ge)新(xin)版(ban)本(ben)都(dou)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)提(ti)高(gao)了(le)性(xing)能(neng)和(he)安(an)全(quan)性(xing)，從(cong)而(er)提(ti)升(sheng)了(le)可(ke)靠(kao)性(xing)。即(ji)將(jiang)發(fa)布(bu)的(de)版(ban)本(ben)將(jiang)繼(ji)續(xu)提(ti)高(gao)安(an)全(quan)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)。

通過短距離通信傳播大部分交通信息，尤其在 V2X 部署的第一階段，這些都是每輛車定期廣播的消息（傳遞其狀態和運動信息）。

V2X 和 5G 正迅速成為不可或缺的技術……

我們必須指出，V2X 應用依賴於持續
、xiangxideweizhixinxi，zhehuidaozhiyinsiwenti。duiyusijiache
，weizhixinxihuitoulujiashiyuandeyundonghehuodong，erjiashiyuanbingbuyidingshichezhu。jianeryanzhi，fasonghechuanbo V2X 用戶位置信息可能會涉及車主和駕駛員的隱私。

在(zai)交(jiao)通(tong)擁(yong)擠(ji)區(qu)域(yu)，可(ke)用(yong)的(de)信(xin)道(dao)資(zi)源(yuan)將(jiang)達(da)到(dao)飽(bao)和(he)
，因(yin)此(ci)數(shu)據(ju)包(bao)丟(diu)失(shi)率(lv)會(hui)增(zeng)加(jia)。這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)危(wei)及(ji)駕(jia)駛(shi)員(yuan)和(he)乘(cheng)客(ke)的(de)安(an)全(quan)。在(zai)這(zhe)些(xie)條(tiao)件(jian)達(da)到(dao)臨(lin)界(jie)水(shui)平(ping)之(zhi)前(qian)，對(dui)擁(yong)堵(du)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)和(he)定(ding)義(yi)，以(yi)便(bian)修(xiu)改(gai)特(te)定(ding)參(can)數(shu)。然(ran)而(er)，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)並(bing)沒(mei)有(you)研(yan)究(jiu)具(ju)體(ti)的(de)算(suan)法(fa)，而(er)是(shi)對(dui) Wi-Fi 標準方法 (IEEE 802.11p) 與標準蜂窩方法（C-V2X 第 14 版組成部分 3GPP 定義的側行鏈路 LTE-V2X）進行了比較分析。

最終分析認為，在信道負載較低的情況下，LTE-V2X 優於 IEEE 802.11p，前提是它具有出色的物理層性能。當信道負載水平較低時
，MAC 對性能的影響低於物理層。因此，研究人員認為，當信道負載增加時
，即使物理層性能更低
，IEEE 802.11p 也優於 LTE-V2X。

基於 3GPP 開發的 C-V2X 通信技術可通過側行鏈路（亦稱為 PC5 接口）實現車輛用戶設備 (VUE) 之間的直接通信。C-V2X 側行鏈路是第一個在物理層將距離作為維度使用的無線係統。這樣就可以在各種 LoS 和非 LoS 無線電環境下實現統一的通信範圍。

簡而言之，C-V2X 技術包含兩個通信鏈路。

1. 車對網絡 (V2N)，基於現有的蜂窩網絡 (Uu)

2. 車對車 (V2V) 直接通信鏈路 (PC5)

●   直接通信鏈路 (PC5) 是用於確保安全的主要模式，它包含兩個傳輸調度模式：模式 3 和模式 4。模式 3：網絡輔助通信。C-V2X 依賴於蜂窩網絡進行調度和資源管理。

●   模式 4：覆蓋範圍外/無 SIM 運行。C-V2X 擁有完全自主性，且不依賴於蜂窩網絡。

請注意
，所有的 C-V2X 部署僅支持模式 4。由於各種原因，模式 3 尚不可行。

V2X 通信過程中的安全和隱私

基於 LTE 的 V2X 通信使用容量大
、蜂窩覆蓋範圍廣且部署廣泛的基礎設施
，支持各種車輛通信服務，適合安全和非安全應用。3GPP 和高通等技術組織已經製定了基於 5G 的 V2X 服務路線圖。

3GPP 中定義的安全性主要包括保密性

、完整性、真實性和抗回放攻擊能力。

在針對網絡攻擊的汽車安全保障解決方案中，推薦全麵采用雙密鑰機製。

其他 V2X 應用包括可增強現有方法的車輛間通信，從而有助於改進左轉或右轉輔助、緊急製動警告功能，並提高十字路口的態勢感知。擴展 Waze 概念可以控製調速功能或提供調速建議，以便應對交通擁堵
，還可以利用車道封閉和高速公路施工活動的實時更新信息來更新 GPS 地圖。某種程度上

，從地圖更新
、漏洞修複到安全更新等

，如需提供支持，以便汽車中廣泛的軟件驅動係統進行無線 (OTA) 軟件更新，V2X 則至關重要。

V2X 安全消息可包含美國標準中的基本安全消息 (BSM)
，或歐盟 (EU) 標準中的協作意識消息 (CAM) 和分散環境通知信息 (DENM)。BSM 包含位置、速度和加速度信息，傳輸速度高達每秒 10 次。通過使用此消息係統
，車輛接收單元還能夠進行碰撞預測，並向駕駛員發出警告。

V2X 信息保護和安全

V2X 和 V2I 通(tong)信(xin)需(xu)要(yao)具(ju)備(bei)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)安(an)全(quan)性(xing)，避(bi)免(mian)消(xiao)息(xi)欺(qi)詐(zha)或(huo)誤(wu)導(dao)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)安(an)全(quan)和(he)隱(yin)私(si)問(wen)題(ti)。另(ling)一(yi)種(zhong)安(an)全(quan)方(fang)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)公(gong)鑰(yao)證(zheng)書(shu)對(dui)消(xiao)息(xi)進(jin)行(xing)簽(qian)名(ming)
，防(fang)止(zhi)未(wei)經(jing)授(shou)權(quan)方(fang)幹(gan)擾(rao)數(shu)據(ju)交(jiao)換(huan)，並(bing)安(an)全(quan)地(di)使(shi)用(yong)化(hua)名(ming)進(jin)行(xing)通(tong)信(xin)。

公鑰基礎設施 (PKI) 由創建、管理
、使用、保存和調用數字安全證書的策略和流程組成。PKI 可實現電子信息的安全傳輸，它不僅需要進行身份驗證的密碼，還需要滿足更嚴格的身份確認要求。

高速公路擁堵情況下的 C-V2X 性能

5G 汽車協會 (5GAA) 在《V2X 功能和性能測試報告》中進行了 V2X 性能和功能測試。測試報告顯示，5GAA 在實驗室環境下對 C-V2X 技術進行了高度擁堵場景測試。即使在這種擁堵的情況下，C-V2X 延遲仍保持在預估範圍內，針對此類場景，我們配置了 100ms 的延遲範圍，這是一個非常不錯的結果。

結論

通過對 5.9GHz 頻段進行重組
，FCC 有效地改變了美國的車輛通信協作式智能交通係統 (C-ITS) 市場。

汽車行業實現進一步發展，必須使用窄頻譜和 C-V2X 技術
，而不是廣泛使用的專用短距離通信 (DSRC) 頻譜。這些變化有助於汽車行業實現發展，從而消除了競爭性技術導致的不確定性。

由於汽車製造商致力於在未來幾年實現全自動駕駛汽車技術商業化，所以 V2X 和 5G 正迅速成為不可或缺的技術。福特目前正在大力推廣互聯汽車
，通過使用 C-V2X 技術
，將創造可觀的全新收入來源。目前，C-V2X 已應用於六款車型：福特蒙迪歐、福特 F-150 Raptor、福特 Evos、福特電馬
、福特銳界 Plus 以及福特探險者。

更令人興奮的是
，福特已成為中國市場首家生產 C-V2X 汽(qi)車(che)的(de)製(zhi)造(zao)商(shang)。在(zai)中(zhong)國(guo)，此(ci)類(lei)采(cai)用(yong)先(xian)進(jin)技(ji)術(shu)的(de)車(che)輛(liang)可(ke)向(xiang)前(qian)方(fang)交(jiao)通(tong)信(xin)號(hao)燈(deng)發(fa)送(song)重(zhong)要(yao)的(de)交(jiao)通(tong)信(xin)息(xi)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)交(jiao)通(tong)信(xin)號(hao)燈(deng)的(de)時(shi)間(jian)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)擁(yong)堵(du)。V2X 汽車駕駛員還可以收到各種信息，包括綠燈優化速度建議 (GLOSA)、交通信號燈信息、闖紅燈警告以及其他相關的道路基礎設施詳情。V2X 汽車的儀表盤將提醒駕駛員保持在特定的速度範圍內，避免在紅綠燈前進行等待。這將節省燃油油耗，提高交通效率。

更多令人振奮的車輛技術發展即將到來，它們將顯著改進人們的駕駛方式。

作者：Mouser Electronics 的 Steve Taranovich

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