連網車輛中的完整系統──V2X的整合設計考量

作者 : Ulrich Möhlmann、Dietmar Schnepp,Molex

對車輛供應商來說,提供新的應用案例和理念從而將V2X整合到他們的車款中,是至關重要的。現在越來越清楚的是,只有採取全面方式來整合V2X ,才是因應各種挑戰並探索這項技術的所有潛力、進而提供無縫自動駕駛體驗的明智方法。

通訊在連網車輛中不可或缺,資料必須在車內外快速、可靠地傳輸。車輛與其他道路使用者和基礎設施之間的通訊,即車輛對一切通訊(V2X),目前在連網車輛的研發中扮演要角。原因在於對車輛供應商來說,提供新的應用案例和理念從而將V2X整合到他們的車款中,是至關重要的。現在越來越清楚的是,只有採取全面方式來整合V2X ,才是因應各種挑戰並探索這項技術的所有潛力、進而提供無縫自動駕駛體驗的明智方法。

與基礎設施和其他車輛的通訊

V2X 涵蓋了車輛與周邊環境的通訊,其中可以包含汽車、騎自行車的人或者行人之類的其他道路使用者、交通號誌之類的交通基礎設施,此外還有智慧家庭之類的其他網路。因為本篇文章關注的是車輛與其他道路使用者和基礎設施的通訊,所以不會談到智慧家庭。

目前,V2X範圍內存在兩種相互競爭的無線技術。第一種是美國的專用短距離通訊(DSRC)和歐洲的ITS-G5,兩者都是建基於802.11p Wi-Fi標準;第二種是基於4G和5G蜂巢式通訊標準的蜂巢式V2X。其中哪一種較受青睞並將成為標準,立法者和車廠還沒有一致決定。

DSRC或ITS-G5是更成熟的技術,因為它們已經存在了一段時間,並進行過多次長期的測試。蜂巢式V2X被認為更經得起未來的考驗,因為它還支援只有在未來幾年才會變得重要的應用案例。此外,蜂巢式V2X是一種以行動通訊為基礎的技術,優勢在於是車用資通訊系統(telematics)不可分割的一部分。另一方面,DSRC或ITS-G5將只能用於車對車或車對基礎設施的通訊系統,因此必須作為一個附加模組整合,這將增加車廠的系統成本。

安全性、改善效率、環保──V2X的應用案例

V2X主要用於提高道路安全。該技術旨在擴展車輛的感知能力,為駕駛員提供無法預測甚至無法被攝影機或光達系統捕捉到的資訊。這項技術已經導入一些能警告駕駛人危險情況的應用案例,在未來的應用案例還會實現更多功能。除了安全之外,從長期看,V2X還應當對提高交通流量效率做出貢獻。例如,允許車輛與交通號誌通訊並影響它們的燈號轉換,從而在環保相關方面產生積極的影響,例如減少污染排放。

總而言之, 初期和進階的V2X應用案例之間是有區別的。初期應用案例屬於已經長期測試過的,而且其中一些已經佈署。對於沒有外界幫助情況下可能無法感知到或者誤判的危險情形,可以向駕駛員發出警報;相關的例子包括發出訊息警告有車輛正突然接近、道路前方有拋錨車輛,或者前方車輛正在緊急煞車。市場上已經存在先進的盲點偵測功能,例如在行人或自行車靠近時會發出消息,或者在轉彎時提供協助,告知駕駛員是否有車輛接近及其速度。

進階應用案例通常涉及對車輛的直接干預,超出了單純的警告功能。然後,會在駕駛輔助系統或半自動駕駛系統中處理輸入的訊號。例子包括實施群體智慧(swarm intelligence)的感應器資料共用,或者所謂的透視(see-through)功能,也就是跟在其他車輛後方行駛而被前方車輛阻擋住視線的車輛,會收到有關前車的資料。

 

 

實施上的挑戰

目前V2X的實施存在兩大挑戰。首先,確保資料安全的網路安全要求規範尚不完善。資料傳輸必須嚴格保護,確保外部的虛假資訊不會進入網路。此外,還必須建立起連接,即使在交通壅塞之類的高密度交通環境下,使其也能夠可靠、迅速而又安全的做出反應。

第二個關鍵挑戰是在哪個地區應該使用何種技術的法律也尚不清楚。這種規範的缺乏為市場帶來了不確定性。對於製造商來說有幾種情況,每一種都有一定的風險:一種情況是等待,冒著在技術上落後的風險;另一種情況是,車廠冒著選取錯誤技術的風險,決定實施一種特定的技術;最後一種情況是同時選取兩種V2X技術,但成本會高於只支援勝出了的一種技術的企業。

對製造商構成最大風險的挑戰在於,對於最頂尖技術的監管規定何時會到位,仍未有確切的時間表。至關重要的一點在於技術規定上的不足必須得以解決,以確保市場與產業的發展保持一致。所有這些挑戰都可望在不久將來得到解決,因為解決方案是可以預見的。關鍵是車廠要開始將V2X技術整合到車輛整體系統中。

V2X作為整體系統整合

最初的一系列測試表明,車廠的明智決定是考慮V2X在整個系統的應用,而非獨立地考慮V2X模組的整合。因此,如果只考慮V2X模組(無論是蜂巢式還是DSRC)的整合是不夠的,車廠還必須考慮包含了V2X數據機、V2X天線、車載天線分佈,以及天線損耗補償之類的相應方面在內的關聯系統。

如果他們忽略了這一點,V2就可能無法實現所需功能,由於各個元件互不相容。例如,沒有補償的天線功率損失可能會導致整個系統的工作效率降低。因此,V2X的整體系統必須完全適應車輛,並針對特定車型系列進行最佳化,才能保證效能的最大化。

那麼,為何不僅要考慮 V2X 模組的安裝,還要考慮它與整個系統的影響和互動?該模組的目的之一是改善與其他車輛和基礎設施的通訊,這就需要天線,而天線與V2X模組的互動作用反過來又與通訊效能相關。這是因為該天線要求車輛周遭360 度全景沒有「盲點」,因此可以在接收和傳輸資料方面實現持續的優越效能。

通常(主)天線會連接到TCU,安裝於車頂的位置。現在可以在天線測試室──消音室(Anechoic Chamber),如下圖)──檢驗是否可以實現360度覆蓋。如果情況並非如此,就需要額外的天線,這類天線往往作為前置天線安裝在擋風玻璃或者保險桿的區域,確保最大的覆蓋範圍。

 

 

這類盲點,例如全景玻璃天窗在行駛方向上可以將其範圍減少 50% 以上,這就可能意味著無法再符合功能上的要求。然而,前置天線必須透過電纜連結TCU,這樣反過來又會造成電纜連線上高達18dB的損耗。在補償器的幫助下可以彌補這類損耗,車廠在設計階段就必須考量到這一點。事實上,車廠在規劃V2X整合時必須考慮到所有這些因素,在選取供應商和合作夥伴時,也必須確保對方也考慮到汽車的整體系統。

室內消音室

為了確保最佳的天線覆蓋效果並實現車輛周圍360度的資料傳輸,會在所謂的消音室中對天線功能進行測量。這種消音室經過特殊設計,可測量獨立或者整合的子系統中的天線,並可用於測量整部車輛上的天線。

天線測試使用的拱形裝置配有測量探頭,安裝在測試空間當中,並且針對外部的無線電波採取了遮罩措施,確保最大的測量可重複性。由於採用了高精度的控制系統,因而可利用「執行中」(on the fly)的方式進行測量。測試系統可對整合了或者連接了天線的車輛系統進行測試,其組態可適應具體的需求與要求,因而適合對各種類型的車輛進行測試。

實現V2X整合的方法

至於V2X解決方案的實際整合,製造商可以採用幾種方法。一種方法是將V2X安裝為車用資通訊系統的一部分;另一種方法是隔離V2X,將其作為獨立的控制單元中的獨立解決方案來實現。車廠選擇的解決方案在很大程度上取決於幾個因素,其中最重要的可能是V2X在地區或全球範圍的應用;這種解決方案可能只在特定的車型或地區導入,而非全球範圍內。

獨立解決方案的選項允許製造商在一定的地區整合V2X,而不是全球。另一方面,如果在全球綜合性的為全部車型進行佈署,那麼把V2X整合到遠端資訊系統會存在成本上的優勢。除了警告性的警示以外,功能安全是另一個重要的方面,會引起未來應用案例的關注。當感測器資訊用於駕駛輔助系統或自動駕駛時,對功能安全的需求會與警報系統的有所不同。當 V2X系統用於輔助自動駕駛功能時,將V2X模組和遠端資訊系統隔離開來可能會具有一定的意義,以便確保出色的功能安全與冗餘性。

V2X整合的另一種方法是使用支援蜂巢式V2X和DSRC的組合解決方案,這為車廠提供了最大的靈活性,但帶來更高成本。因此,決策的核心因素是車廠希望實現哪一種解決方案、它如何融入汽車架構和整個系統,以及車廠希望在未來使用V2X應用程式覆蓋哪些應用案例。

 

本文由Molex供稿,Ulrich Möhlmann為Molex先進工程資深總監、Dietmar Schnepp為Molex車輛通訊設備產品總監

責編:Judith Cheng

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