天线分集技术改善自遮罩效应 制造商, 技术

Bazinga

车对车(Car-to-Car)通讯效能可望大幅精进。由于汽车无线电效能极易受到周遭环境影响，因此车厂在导入IEEE 802.11p车对车通讯功能时，多会借力天线分集设计与高阶数位讯号处理器，以降低天线自遮罩效应，改善收发器讯号品质。


在推出IEEE 802.11p Car2X应用时，原始设备制造商(OEM)希望获得更多扩展性(Scalability)，以便为低阶到高阶市场提供服务；而天线的数目，以及天线拓扑与相应的基频处理是实现扩展性的关键考量。  

智慧运输系统(ITS)的应用场合要求接收端具备不同的可靠性，同样影响天线拓扑的选择。双IEEE 802.11p天线可促成分集接收与发射方案的改善，进而提升服务品质(QoS)。  


由于OEM和一级汽车电子供应商皆希望打造一个能涵盖所有参数，且系统成本最低的设计，因此具备可扩展性、可实现更短RF电缆，且同时支援单通道和双通道分集的IEEE 802.11p解决方案，已日益受到市场瞩目。  


ITS为汽车产业带来新契机

ITS是新兴的应用领域，为一系列工具开启了新市场，提供更安全、更环保的驾驶体验。推动该领域发展的因素之一是车对车(C2C)和车对基础设施(C2I)的无线通讯。广播与接收汽车位置和速度资讯能让汽车建立周围环境的动态模型。  


车 对车通讯联盟和防撞系统合作团队(CAMP)等产业联盟的行动，反映目前全球正致力朝向ITS发展，如展开各种专案计划以及制定各种标准(IEEE 1609和ETSI TC-ITS)。另外，荷兰的SPITS荷兰、德国的simTD、法国的Score@F与美国的Safety Pilot等ITS相关实地测试计划，亦如火如荼进行中。  


但一个待解决的重要问题是：如何将ITS导入汽车中？要获得一个有效的互联汽车网路，至少有10%的汽车需要配备ITS模组。为在最短的时间内达到此目标数字，低阶、主流和高阶汽车都须具备车对车通讯的连结能力，因此解决方案须要具备扩展性，方能满足不同的成本考量。  


系统扩展性是由多方面所决定，天线位置和无线电前端模组位置(调谐和基频处理)是关键成本因素。弧形车顶会在一特定方向上造成自遮罩，而天线分集可大幅减少 该效应。同样地，天线分集亦可改善在玻璃车顶、行李架和雪橇架上的性能。另一方面，在低阶和主流汽车中，天线模组可能会安装在单一位置上。无线电前端模组 含有IEEE 802.11p/1609.x收发器，在空间许可的情况下可靠近天线安装并连接，也可集中放置在箱内，电缆的成本与性能将受到该选择性影响。


差异化的另一方面在于同时接收的通道数，用户可以使用双通道接收器，以便保持同时接收控制通道和服务通道的讯号；也可使用单通道接收器，并在两个通道间进行 切换。通道间切换使所需资源减半，同时降低物料成本。虽然强烈建议在安全应用中采用双通道接收器以获得最佳的接收品质，但也可在单天线接收和双天线(分 集)接收之间做出选择。使用分集接收能够良好地应对车对车通讯中快速变化的多通道环境，使接收更稳定。  


从ITS面市的第一天起，众所 关注的焦点即是整合应用实例，如车辆紧急状况警告、防碰撞支援、紧急制动灯、危险位置警告等。正如部分产业论坛所得出的结论，单安全通道(CCH)接收应 足够应付初阶应用系统。未来会提供服务通道(SCH)，推出诸如交通资讯、网路可用性、收费等各种应用实例。  
天线/收发器位置决定通讯效能

表 1分别显示有/无天线分集情况下的接收/发送安全和服务通道。在无分集的情况下，藉由高阶数位讯号处理应对恶劣的车对车无线电环境，可以改善接收品质。除 此之外，天线(或空间)分集是一种广为人知的接收增强技术，可减少讯号衰减和都普勒效应(Doppler)。OEM必须指定汽车是否只能操作安全通道，或 者可同时操作安全通道和服务通道。另外，使用分集技术结合适当的基频接收器高阶数位讯号处理，可提升品质。如果安装了两个天线，则可实现发送分集，并使其 他汽车内的接收器更佳地撷取或接收802.11p讯号。  




OEM 对ITS天线的位置以及所用天线的数量将会有不同的要求，主要考量为外观美感、汽车类型及接收性能(如前文所述的分集应用)等因素(表2)。若车顶相对较 为平整，则OEM可决定以鳍状配置安装一个或两个天线，若ITS波长够短(约5公分)，两个鳍状天线毋须考量近场天线物理定律。若车顶呈弧形，则鳍状配置 ITS天线会降低全向讯号强度，使天线的辐射讯号呈非对称状。解决方案之一是安装两个天线，一个靠近后照镜，另一个安装在车顶。又如敞篷车或无法进行鳍状 配置的车辆，也可将天线安装于侧后照镜内而非安装于车顶上。通常，如果天线安装在镜子中，则须采用数位基频处理器进行分集接收。  




ITS 收发器位置，以及相对于天线的ITS基频处理器位置都会影响成本。在5.9GHz下，RF电缆具有相对较高的电缆损耗。为了满足RX灵敏度要求以及TX发 送功率要求，发送器或基频须安放在天线附近，或对天线模组进行补偿(如LNA和PA等主动式天线)。当天线相对较远时(如超过1公尺)，可能需要更长的同 轴电缆才能实现分集。另一个方法是在模组间提供数位介面，可在元件之间实现分散式对称处理。接下来将分析几个分集情境。


未来OEM不 仅透过ITS，还会使用雷达、超音波、摄影装置等增强汽车安全性。汽车中的中央微处理器(MPU)藉由将应用软体与不同应用的上层软体相结合，可实现某种 形式的感测融合。当安全硬体和软体位于中央微处理器层，而非位于基频处理器上时，便产生了一个系统层面的定义。  


上述所有要求将会产生 下列部署选择：系统最多可同时支援多少通道(CCH和SCH)？可采用多少天线？接收是否具有分集特性，以改善性能？天线和ITS子系统安装在哪里？(安 装在左后照镜中，还是采用鳍状配置？安装在车顶下方靠近天线的位置，或/和后视镜中？安装座位下方的箱子或行李箱中)另外，ITS做为感测器是否与其他 感测器组合(如雷达、行车摄影装置等)

目前有厂商开发出的解决方案系奠基于WISPA收发器以及MARS-ITS基频处理器。WISPA RF收发器中的两个调谐器可调谐至不同的频率，实现双通道接收；也可调谐至相同的频率，实现单通道分集接收。发送器可调谐至TX循环延迟分集(CDD)。 MARS-ITS基频处理器是以数位讯号处理器(DSP)为基础的引擎，并辅以专用硬体加速器。基频处理器用于处理双通道802.11p编码和解码，或单 通道分集(RX和TX)。基频处理器采用Cohda Wireless演算法，可处理行车视线外车对车通讯以及高行动性的通道条件。该解决方案扩展了通讯范围，因而有更多的时间预测潜在事故，确保通讯连贯 性。  

图1表示资料从天线流入MAC层，上半部线条表示CCH通道，而下方线条代表SCH通道。使用解码器输出做为通道估算的一部分，藉由此技术改善接收品质。这种方法在传送资料封包期间采用逐一更新训练符号以适应等化器，与开始发送资料封包时执行单一训练符号有所不同。  



图1　单晶片、双通道、无分集示意图

为了实现单通道分集接收，必须在接收路径上的某处以最优化的方式组合两个天线的讯号。这部分可在解调步骤中计算位元对数似然比(LLR)时达成。  


MARS-ITS晶片设计用于单通道接收(分集或无分集)或双通道无分集接收。对于双通道分集接收而言，预计使用两个MARS-ITS晶片以及一个数位介面，即可实现可扩展式解决方案。  


图2显示使用RF电缆的分集技术，该技术的劣势是须要使用昂贵的同轴电缆和主动式天线，以补偿较高的电缆损耗，该配置未使用任何数位介面。



图2　双晶片，使用RF电缆的通道分集

图 3中的双通道天线分集使用数位介面，具有双通道接收性能。如前面所述，接收路径上的某些点可用于交换资料，以达成天线讯号的组合，如图3中的箭头所示。该 范例说明了三种方法：(1)在进行任何解调之前先交换资料，基频样本也同时进行交换；(2)最佳组合(LLR一个方向，训练符号另一个方向)；(3)可基 于CRC结果选择接收资料封包。这三种介面选项各自具有不同的频宽和时延要求。


图3　双晶片，使用数位介面的通道分集

但请注意，当ITS上层软体层集中在单个处理器时，第三种方法可能不需要额外的数位介面，因为该层即可正确选择资料封包。  


图4是针对16-QAM和R=1/2回旋编码模式(12Mbit/s)进行模拟与计算，适用于独立、分布相同的Rayleigh衰退通道模型。位元错误率在Viterbi解码之前(如软解映射之后)或之后确定。  



图4　Rayleigh衰退通道的单天线和双天线接收性能

前文中的图形着重在接收路径，数位连结必须要能以较低的时延传输大量资料。服务通道中的单点传播操作要求较短的回馈循环。在传输路径上，最主要的技术问题是确保分开的两个基频晶片之间具有固定时延，发送回圈分集技术要求输出讯号时间保持一致。  

在所有汽车中导入C2X通讯，可扩展性在技术上将是一大挑战。性能、天线位置、收发器和服务数量为互相牵制的参数，致使无法达成一可行的解决方案。  

基于Cohda软体和量产IC的原型产品，能满足前述OEM要求，可支援所有天线配置，并支援分集和非分集模式下的单通道与双通道讯号处理。透过软体方式，实现有/无天线分集情况下的双通道接收或单通道接收的灵活部署，且支援运行时模式切换。  

分集模式部署可透过同轴电缆或数位连结电缆达成。使用数位电缆时，必须注意所用的数位介面类别。原型中使用的是非标准介面，以进行概念验证。有鉴于EMC、 汽车认证等原因，建议使用标准介面，以执行大吞吐量负载(如乙太网、USB)。更重要的是数位介面上的时延是固定的，且数值较小。