邱 炯,陈金利,陈 捷
(三维通信股份有限公司,浙江 杭州 310000)
随着科技的快速发展,5G 技术已经逐渐渗透到人们生活的各个角落。特别是在智能交通系统领域,5G 技术的高速度、低延迟、大容量等特性为车载通信技术的发展提供了强大的支撑,开启了车联网的新时代。要想实现高效、安全、可靠的5G 车载通信,并将这种技术广泛应用于实际行驶的汽车,仍面临着许多技术挑战。因此,急需寻求一种高性能、低功耗、易于集成的5G 车载通信板。5G 车载通信板是车联网的核心部件,能够处理高速、大数据量的信息,并确保信息传输的实时性和准确性,从而实现车辆与外部环境的智能交互。文章设计一款能够满足高速性、低延迟、高可靠性以及低功耗等多重要求的5G 车载通信板,以提升车载通信的性能和稳定性。
5G 车载通信板应该具有以下几种功能。第一,通信板应有能力以高速和高效的方式传输大量数据,如车辆的实时状态信息、车辆与外部设备或网络的交互信息等。第二,除传输数据外,通信板还应具备数据处理能力,能对传入的信息进行快速处理和反馈。第三,通信板必须具备与网络连接的能力,实现与云服务器、其他车辆或基础设施设备的通信。第四,考虑到车辆通信的安全性,通信板应具备安全防护机制,有效防止数据泄露或被恶意攻击。
基于相关功能标准,分析现阶段的车辆地面之间的通信现状,发现主要存在以下问题。第一,延迟问题。在现有的车地通信中,数据传输延迟较大。对于自动驾驶或车联网应用而言,延迟需要降低到毫秒级,以确保信息传输的实时性[1]。第二,可靠性问题。由于车辆在行驶过程中可能穿越不同的网络覆盖区,因此通信的稳定性和连续性必须得到保证。第三,安全性问题。随着车联网的发展,车辆数据的安全性问题越来越突出,如何防止恶意攻击,保护车辆数据的安全,是目前急需解决的重要问题。第四,大数据处理问题。随着车载设备和传感器数量的增加,车辆需要处理的数据越来越多。因此,需要寻求一种快速有效处理这些数据的方法,以提高数据处理效率。
通过对这些功能和问题的深入理解,可以更好地设计出满足需求的5G 车载通信板,解决现有问题,从而推动车联网技术的发展。
在设计5G车载通信板时,需要考虑多种性能指标,这些指标将直接影响车载通信板的性能和可靠性。
第一,数据传输速率。5G 车载通信板应具备高速的数据传输能力,以满足大数据和实时数据处理的需求。例如,在自动驾驶车辆中,需要实时处理大量的传感器数据[2]。5G 网络理论上的最大下载速度可以达到20 Gb/s,但实际使用中较为现实的期望值可能为100 ~900 Mb/s,下载速度取决于网络条件和设备能力。
第二,延迟。延迟是车载通信中的一个关键指标,特别是在需要实时反应的情况下。例如,自动驾驶车辆在遇到紧急情况时,需要实时反应车辆遇险情况,故要求通信板具有低延迟的特性。5G 网络的理论延迟可以低至1 ms,但是在实际应用中延迟可能为10 ~20 ms。
第三,可靠性。车载通信板在各种环境条件下都应保持高可靠性和稳定性,如车载系统在不同的网络环境、天气条件、车辆运行状态下都能保持稳定的通信性能。总体来说,车载通信板对可靠性的要求极高,如自动驾驶系统需要的系统可靠性高达99.999%[3-4]。5G 车载通信板的性能指标设计值对比如表1 所示。
表1 5G 车载通信板的性能指标设计值对比
在设计5G 车载通信板硬件架构时,文章主要考虑的是实现高速、低延迟、高容量的数据通信,并满足车辆稳定运行的需求。基于此,采用了5G 模块、处理器、内存和存储、网络接口、电源模块以及通信模块等硬件结构。
第一,5G 模块。5G 模块是车载通信板的核心组件,负责实现5G 网络的连接和通信。常用的5G 模块包括美国高通公司发布的第二代5G 调制解调器及射频系统(X55)和最新推出的5G 调制解调器及射频系统(X60)、华为技术有限公司推出的5G 多模终端芯片Balong 5000。
第二,处理器。处理器是车载通信板的大脑,负责处理各种数据和指令。车载通信板通常会使用高性能的嵌入式处理器,如ARM Cortex 系列。
第三,内存和存储。内存和存储是两种不同类型的存储设备,内存用于存储正在处理的数据,而存储则用于长期存储数据。根据需求,可以使用静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory,SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic Random-Access Memory,DRAM)、Flash 等不同类型的内存和存储设备。
第四,网络接口。网络接口用于连接各种网络设备,包括以太网接口、Wi-Fi 接口、蓝牙接口等。
第五,电源模块。电源模块负责为整个通信板提供稳定的电源。需要注意的是,车辆的电源环境可能会产生较大的波动,因此电源模块需要有良好的防护能力。
第六,通信模块。通信模块负责车载通信板与车辆其他系统之间的通信,如控制器局域网(Controller Area Network,CAN)总线、局部互联网络(Local Interconnect Network,LIN)总线等。
2.3.1 5G 车载通信板的电源模块设计
5G 车载通信板电源模块的设计十分重要,该模块直接影响着整个系统运行的稳定性和可靠性。电源模块的设计要素主要包括以下几部分内容。
第一,输入电压范围。车辆的电源环境可能会有大的波动,因此电源模块需要有较大的输入电压范围。例如,设计的电源模块为12 V的汽车电源系统服务时,输入电压需要为9 ~16 V。第二,输出电压和电流。输出电压和电流的设定取决于通信板的实际需求。例如,处理器可能需要3.3 V 的电源,而5G 模块可能需要更高的电源电压。第三,电源转换器。电源转换器用于将输入电压转换为所需的输出电压,如德州仪器公司的LM2596 系列降压转换器。该转换器支持高达40 V 的输入电压,最大3 A 的输出电流,且输出电压可调。第四,滤波和去耦电容。滤波和去耦电容用于减小电源噪声与稳定电源,一般使用10 μF和100 nF 的电解电容或陶瓷电容进行滤波与去耦。第五,保护电路。保护电路用于保护电源模块和通信板,使其免受电源环境的影响。例如,使用电源反接保护二极管,防止电源接反;使用瞬态电压抑制(Transient Voltage Suppression,TVS)二极管,防止电源过压。
2.3.2 5G 车载通信板5G 模块设计
5G 模块的主要作用是实现5G 网络的连接和通信。
第一,网络兼容性。5G 模块应该支持全球范围内的5G 频段,确保5G 车载通信板在不同地区都能正常工作。然而,兼容性不仅限于5G 网络。鉴于当前4G、3G,甚至2G 网络在许多区域仍是主要的移动通信网络,因此一个优质的5G 模块应能在5G 网络不可用时自动切换到低级网络。本次设计采用全球通用的5G 模块骁龙X55,能够兼容2G/3G/4G/5G 网络,以及各种5G 频段。其理论最大下载速率为7 Gb/s、上传速率为3 Gb/s。此外,该器件使用了先进的7 nm工艺,尺寸约为45 mm×51 mm。
第二,传输速率。5G 模块的传输速率对于车载通信系统的性能至关重要。在自动驾驶或高精度地图下载的应用场景中,需要传输大量的数据。高速的传输速率能够确保车载系统在短时间内接收到这些数据,从而提高系统的响应速度和运行效率。
第三,尺寸和功耗。尺寸和功耗也是设计5G 模块时需要考虑的重要因素。在车载环境中,空间和能源都是有限的,因此5G 模块需要尽可能小巧和节能。此外,功耗较低的模块通常会产生较少的热量,有助于提高系统的稳定性和可靠性。
2.3.3 5G 车载通信板以太网接口模块设计
5G 车载通信板的主要功能是提供车辆信息传输和远程控制。因此,该通信板系统通过以太网接口与车载控制单元相连,从而与车辆系统进行数据交互。以太网接口模块要满足高速数据传输、高稳定性和高可靠性要求,以确保能够实时传输车辆信息,实现可靠的远程控制[5]。
第一,物理接口。物理接口采用M12 工业级连接器(一种圆形接口,常用于工业环境中的传感器和执行器),具备防水、防尘以及抗震特性。第二,数据传输速率。以太网接口要支持1 Gb/s 的传输速率,因此选用以太网网络适配器X710。第三,协议支持。要使用支持传输控制协议/网际协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP)的以太网控制器,如瑞昱公司的千兆以太网控制器RTL8111H。第四,可靠性。选用具备故障恢复机制和硬件加速特性的以太网控制器,如博通公司生产的千兆以太网控制器BCM5751。
通过设计以太网接口模块,能够稳定地传输车辆信息,实现远程控制和数据交互的功能。此外,该模块还具备防水、防尘以及抗震等特性,以满足车辆运行环境的要求。
通过研究并设计5G 车载通信板可知,5G 车载通信技术在解决车地通信问题、提升车载通信性能、实现车联网以及智能驾驶等方面具有重要的应用价值。然而,设计一个优质的5G 车载通信板并不容易,需要精确定位性能指标、合理设计硬件架构、精心组织电路模块。未来,将会有更多的研究者和工程师投身这一领域的研究与开发,共同推动5G 车载通信技术的进步,实现真正的车联网和智能驾驶。