车载通信的技术实现
汽车通信功能是依靠T-Box或智能网联模组来实现的。gB4ednc
T-Box全称是Telematics Box(远程通信盒子),T-Box与智能网联模组中负责通信的主要功能模块是“通信模块”,而通信模块中实现无线互联的是射频前端芯片。gB4ednc
以下就针对T-Box/智能网联模组、通信模块、射频前端进行介绍。gB4ednc
T-Box/智能网联模组的功能
T-Box中的“T”是Telematics的缩写,Telematics是Tele-communications(电信)与Informatics(信息科学)的合成词,是包含通信网络及信息处理的功能模块,T-box一方面接入汽车总线,掌握车辆信息、整车控制信息,一方面又负责接入通信网络,实现网络通信功能。T-Box的重要性在于T-Box汽车与外部设备之间的通信界面和功能实现,汽车的车云、车际、车内通信功能需要由T-Box实现。gB4ednc
T-Box一般放置于中控台下方,由MCU、4G/5G通信模块、Wi-Fi通信模块等多个电路模块构成。gB4ednc
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图:T-Box及通信模块gB4ednc
智能网联模组一般设计成SoC+通信模块集成的模组形式,直接与智能座舱系统集成,其功能与T-Box功能类似。gB4ednc
通信模块的功能
通信模块是T-Box/智能网联模组中负责无线通信的单元。gB4ednc
随着协议的复杂,通信制式的增加,用于通信的射频系统也变的非常复杂。如《除了调匹配,射频人还要掌握系统知识》中提到,目前移动终端支持的频段数目达30个,并且每个频段都需要进行射频调试和适配,这就使得射频工作量极大。并且由于射频知识也较为晦涩难懂,射频专业人员招聘和培养相对困难,除非是年销量极大的头部手机公司,其他中小规模有无线互联需求的公司,很难建立起完整的射频开发和调试团队。gB4ednc
虽然射频技术复杂,工作量巨大,但其完成的功能却极其简单:射频就是把终端想要发射的信息,通过一定的形式,发射出去;再把需要接收的信息,想办法接收并把信息提取出来即可。gB4ednc
正是因为这种特点,物联网行业出现出一批专门提供专业通信解决方案的公司。这些专业的通信、互联解决方案公司将通信功能进行设计和包装,以实现完成通信射频复杂功能的同时,接口保持简化。使用户不再去关注射频电路的实现,而是把精力放到上层的方案设计中来。gB4ednc
图:物联网模块公司:将物联网无线通信功能实现方式专业化的公司
目前物联网模块行业已经发展较为成熟,根据Counterpoint的统计,2022年全球物联网模块出货将超6亿片。其中根据2022年 Q1的统计,移远、广和通、日海等厂商是此市场主要供应商[10]。gB4ednc
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在目前车载T-Box系统中,大部分方案也使用通信模块来实现通信功能。下图为广和通旗下全球车载通信模块领先厂商之一的Rolling Wireless的车载通信模块产品。该产品集成了蜂窝通信、C-V2X、GNSS等功能[11]。gB4ednc
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图:Rolling Wireless提供的车载通信模块产品方案
射频前端的功能gB4ednc
通信模块中的射频连接功能是靠射频前端芯片来实现。gB4ednc
射频前端是无线通信模块的核心组件,它负责信号的发射和接收,由于位于整个系统的最前端,所以称为“射频前端”。gB4ednc
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图:射频前端的构成部分,及主要模块gB4ednc
射频前端包括功率放大器、低噪声放大器、滤波器、开关,它们共同构成了信号的放大、切换、滤波等功能。射频前端的性能直接影响到无线通信的速率、覆盖范围、功耗等指标。这些模块的主要功能是:gB4ednc
功率放大器(PA,Power Amplifier):是指在给定失真率条件下,能产生最大功率输出的放大器。功率放大器的输出功率能力,决定了系统能输出的最大信号强度;gB4ednc
低噪声放大器(LNA,Low Noise Amplifier):是指噪声系数很低的放大器,用于放大可能非常弱的信号。低噪声放大器的能力,决定了系统接接收到的最小信号强度;gB4ednc
滤波器(Filter):是指能够根据信号频率的不同,选择性地通过或衰减信号的电路。主要用做滤除对其他频段的干扰,或者从众多干扰信号中抽取有用信号;gB4ednc
开关(Switch):是指能够控制通路通断的器件。主要功能是铺路架桥,为射频信号提供必要的通路。gB4ednc
车联网的芯片需求
随着汽车的智能化、网联化,根据英飞凌的统计,智能电动车中使用的芯片价值量在单车834美元。前述提到的各种复杂通信功能,最终都需要芯片承载实现。汽车成为芯片使用的巨大市场。gB4ednc
汽车对芯片的需求也和消费类有大的不同。为了保证汽车的安全、可靠和高效运行,同时也要适应恶劣的环境条件和多样的应用场景,针对车载应用的芯片,专门进行了车规级芯片需求。gB4ednc
车规级芯片和商用芯片在规格上有很大的不同,主要体现在以下几个方面:gB4ednc
工作温度范围:车规级芯片需要能够在极端的高温和低温下正常工作,一般要求在-40℃到85℃之间,甚至到125℃之间工作。而商用芯片一般只能在0℃到70℃之间工作;gB4ednc
工作稳定性:车规级芯片需要能够抵抗汽车运行过程中产生的各种干扰,如电磁干扰、电压波动、振动冲击等,而商用芯片一般只能在相对稳定的环境下工作;gB4ednc
不良率:车规级芯片需要有很低的不良率,目标达到0 DPPM(Defect Part Per Million,每百万失效数),而商用芯片一般要求为100 DPPM左右;gB4ednc
功能安全:车规级芯片需要遵循ISO 26262等功能安全标准,保证在出现故障时能够及时检测、隔离和恢复,避免造成严重后果,而商用芯片一般没有这样的要求;gB4ednc
认证流程:车规级芯片需要通过ITAF16949等质量管理体系认证,以及AEC-Q系列产品质量认证,证明其符合汽车行业的要求,而商用芯片一般只需要通过普通的质量检测。gB4ednc
正是因为以上原因,车规芯片的价格也会高于商规芯片。成本提升的主要原因来自于应用于车载时,所做的必要的质量控制与标准认证。gB4ednc
车联网芯片的未来
车联网后,智能汽车可以利用先进的信息通信技术,实现车与车、车与路、车与人、车与云等多方面的网络连接,提高交通安全、效率和智能化水平。车联网将是未来智能汽车发展的大势所趋。gB4ednc
在车联网发展中,车联网芯片也会随之演进、优化,在未来车联网芯片的发展中,我们看到有以下趋势:gB4ednc
车联网芯片的市场需求将持续增长,随着5G、C-V2X等技术的推广和应用,车联网芯片需要支持多模双通、高速率、低时延、高可靠性等特性,同时还需要满足车规级的可靠性和安全性要求;gB4ednc
芯片厂与整车厂将有更多协同,随着车联网技术的发展,以及对车联网技术的提升,目前“整车-T-Box-物联网模块-射频前端芯片”的车联网产业链条太过冗长,未来可能出现整车厂与射频前端芯片厂商直接协同,推进车载射频连接技术快速发展的情况;gB4ednc
标准化将逐步完善,车联网芯片需要遵循统一的标准和规范,以保证兼容性和互操作性,同时也需要支持标准的前向演进能力,以适应未来的技术变化和业务需求。目前车联网芯片的标准在伴随行业发展逐步演进中,车联网芯片的标准也将逐步完善。gB4ednc
总 结
百年以来,通信技术、电子技术的发展,将人类带入了一下丰富多彩的智能世界。在这个世界里,电话、电脑、家用电器,这一切的物体,都在走向“移动”且“互联”。gB4ednc
汽车也不例外,自发明之日起,汽车就是一个已经实现“移动”的大家伙,但如何让汽车也实现“互联”却是通信从业者过去几十年不断努力的方向。gB4ednc
5G的到来,使移动通信的关注点不再局限于手机;汽车的电气化也是智能化、网联化有了基础。“车联网”终于得以完整实现。gB4ednc
因为应用环境、功能需求、可靠性需求的不同,车联网对用于通信的射频芯片也提出了更多不一样的要求,射频芯片厂商也在不断地学习与提升,为车载应用提供更可靠、更便捷、更优性能的通信芯片。gB4ednc
参考文献:gB4ednc
[1].GSMA,The Mobile Economy 2023,2023gB4ednc
[2].How many connected cars are there worldwide , https://smartcar.com/blog/connected-cars-worldwide/gB4ednc
[3].RWS-210135, Support lower power class for NR, SmarterMicro Inc. https://www.3gpp.orggB4ednc
[4].ZTE promotes autonomous driving in the 5G era with commitment to the integrated C-V2X solution ,https://www.zte.com.cn/global/about/news/20191022e1.htmlgB4ednc
[5].慧智微,5G协议再演进:慧智微3GPP提案正式立项,2022gB4ednc
[6].慧智微,车联网,需要什么样的射频芯片?,2022gB4ednc
[7].《蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告(2020)》,中国通信学会白皮书(最终稿), Nov,2020.gB4ednc
[8].https://5gaa.org/ Feb 14th , 2022.gB4ednc
[9].佐思汽研,2022年C-V2X和车路协同行业研究报告gB4ednc
[10]. https://www.communicationstoday.co.in/global-cellular-iot-module-shipments-grew-35-yoy-in-q1-2022/gB4ednc
[11]. https://www.rollingwireless.com/solutionsgB4ednc