天線(xiàn)分集技術(shù)改善自遮罩效應

車(chē)對車(chē)(Car-to-Car)通訊效能可望大幅精進(jìn)。由于汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電效能極易受到周遭環(huán)境影響，因此車(chē)廠(chǎng)在導入IEEE 802.11p車(chē)對車(chē)通訊功能時(shí)，多會(huì )借力天線(xiàn)分集設計與高階數位訊號處理器，以降低天線(xiàn)自遮罩效應，改善收發(fā)器訊號品質(zhì)。

在推出IEEE 802.11p Car2X應用時(shí)，原始設備制造商(OEM)希望獲得更多擴展性(Scalability)，以便為低階到高階市場(chǎng)提供服務(wù)；而天線(xiàn)的數目，以及天線(xiàn)拓撲與相應的基頻處理是實(shí)現擴展性的關(guān)鍵考量。

智慧運輸系統(ITS)的應用場(chǎng)合要求接收端具備不同的可靠性，同樣影響天線(xiàn)拓撲的選擇。雙IEEE 802.11p天線(xiàn)可促成分集接收與發(fā)射方案的改善，進(jìn)而提升服務(wù)品質(zhì)(QoS)。

由于OEM和一級汽車(chē)電子供應商皆希望打造一個(gè)能涵蓋所有參數，且系統成本最低的設計，因此具備可擴展性、可實(shí)現更短RF電纜，且同時(shí)支援單通道和雙通道分集的IEEE 802.11p解決方案，已日益受到市場(chǎng)矚目。

ITS為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新契機

ITS是新興的應用領(lǐng)域，為一系列工具開(kāi)啟了新市場(chǎng)，提供更安全、更環(huán)保的駕駛體驗。推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的因素之一是車(chē)對車(chē)(C2C)和車(chē)對基礎設施(C2I)的無(wú)線(xiàn)通訊。廣播與接收汽車(chē)位置和速度資訊能讓汽車(chē)建立周?chē)h(huán)境的動(dòng)態(tài)模型。

車(chē) 對車(chē)通訊聯(lián)盟和防撞系統合作團隊(CAMP)等產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的行動(dòng)，反映目前全球正致力朝向ITS發(fā)展，如展開(kāi)各種專(zhuān)案計劃以及制定各種標準(IEEE 1609和ETSI TC-ITS)。另外，荷蘭的SPITS荷蘭、德國的simTD、法國的Score@F與美國的Safety Pilot等ITS相關(guān)實(shí)地測試計劃，亦如火如荼進(jìn)行中。

但一個(gè)待解決的重要問(wèn)題是：如何將ITS導入汽車(chē)中？要獲得一個(gè)有效的互聯(lián)汽車(chē)網(wǎng)路，至少有10%的汽車(chē)需要配備ITS模組。為在最短的時(shí)間內達到此目標數字，低階、主流和高階汽車(chē)都須具備車(chē)對車(chē)通訊的連結能力，因此解決方案須要具備擴展性，方能滿(mǎn)足不同的成本考量。

系統擴展性是由多方面所決定，天線(xiàn)位置和無(wú)線(xiàn)電前端模組位置(調諧和基頻處理)是關(guān)鍵成本因素?；⌒诬?chē)頂會(huì )在一特定方向上造成自遮罩，而天線(xiàn)分集可大幅減少 該效應。同樣地，天線(xiàn)分集亦可改善在玻璃車(chē)頂、行李架和雪橇架上的性能。另一方面，在低階和主流汽車(chē)中，天線(xiàn)模組可能會(huì )安裝在單一位置上。無(wú)線(xiàn)電前端模組 含有IEEE 802.11p/1609.x收發(fā)器，在空間許可的情況下可靠近天線(xiàn)安裝并連接，也可集中放置在箱內，電纜的成本與性能將受到該選擇性影響。

差異化的另一方面在于同時(shí)接收的通道數，用戶(hù)可以使用雙通道接收器，以便保持同時(shí)接收控制通道和服務(wù)通道的訊號；也可使用單通道接收器，并在兩個(gè)通道間進(jìn)行 切換。通道間切換使所需資源減半，同時(shí)降低物料成本。雖然強烈建議在安全應用中采用雙通道接收器以獲得最佳的接收品質(zhì)，但也可在單天線(xiàn)接收和雙天線(xiàn)(分 集)接收之間做出選擇。使用分集接收能夠良好地應對車(chē)對車(chē)通訊中快速變化的多通道環(huán)境，使接收更穩定。

從ITS面市的第一天起，眾所 關(guān)注的焦點(diǎn)即是整合應用實(shí)例，如車(chē)輛緊急狀況警告、防碰撞支援、緊急制動(dòng)燈、危險位置警告等。正如部分產(chǎn)業(yè)論壇所得出的結論，單安全通道(CCH)接收應 足夠應付初階應用系統。未來(lái)會(huì )提供服務(wù)通道(SCH)，推出諸如交通資訊、網(wǎng)路可用性、收費等各種應用實(shí)例。

天線(xiàn)/收發(fā)器位置決定通訊效能

表 1分別顯示有/無(wú)天線(xiàn)分集情況下的接收/發(fā)送安全和服務(wù)通道。在無(wú)分集的情況下，藉由高階數位訊號處理應對惡劣的車(chē)對車(chē)無(wú)線(xiàn)電環(huán)境，可以改善接收品質(zhì)。除 此之外，天線(xiàn)(或空間)分集是一種廣為人知的接收增強技術(shù)，可減少訊號衰減和都普勒效應(Doppler)。OEM必須指定汽車(chē)是否只能操作安全通道，或 者可同時(shí)操作安全通道和服務(wù)通道。另外，使用分集技術(shù)結合適當的基頻接收器高階數位訊號處理，可提升品質(zhì)。如果安裝了兩個(gè)天線(xiàn)，則可實(shí)現發(fā)送分集，并使其 他汽車(chē)內的接收器更佳地擷取或接收802.11p訊號。

OEM 對ITS天線(xiàn)的位置以及所用天線(xiàn)的數量將會(huì )有不同的要求，主要考量為外觀(guān)美感、汽車(chē)類(lèi)型及接收性能(如前文所述的分集應用)等因素(表2)。若車(chē)頂相對較 為平整，則OEM可決定以鰭狀配置安裝一個(gè)或兩個(gè)天線(xiàn)，若ITS波長(cháng)夠短(約5公分)，兩個(gè)鰭狀天線(xiàn)毋須考量近場(chǎng)天線(xiàn)物理定律。若車(chē)頂呈弧形，則鰭狀配置 ITS天線(xiàn)會(huì )降低全向訊號強度，使天線(xiàn)的輻射訊號呈非對稱(chēng)狀。解決方案之一是安裝兩個(gè)天線(xiàn)，一個(gè)靠近后照鏡，另一個(gè)安裝在車(chē)頂。又如敞篷車(chē)或無(wú)法進(jìn)行鰭狀 配置的車(chē)輛，也可將天線(xiàn)安裝于側后照鏡內而非安裝于車(chē)頂上。通常，如果天線(xiàn)安裝在鏡子中，則須采用數位基頻處理器進(jìn)行分集接收。

ITS 收發(fā)器位置，以及相對于天線(xiàn)的ITS基頻處理器位置都會(huì )影響成本。在5.9GHz下，RF電纜具有相對較高的電纜損耗。為了滿(mǎn)足RX靈敏度要求以及TX發(fā) 送功率要求，發(fā)送器或基頻須安放在天線(xiàn)附近，或對天線(xiàn)模組進(jìn)行補償(如LNA和PA等主動(dòng)式天線(xiàn))。當天線(xiàn)相對較遠時(shí)(如超過(guò)1公尺)，可能需要更長(cháng)的同 軸電纜才能實(shí)現分集。另一個(gè)方法是在模組間提供數位介面，可在元件之間實(shí)現分散式對稱(chēng)處理。接下來(lái)將分析幾個(gè)分集情境。

未來(lái)OEM不 僅透過(guò)ITS，還會(huì )使用雷達、超音波、攝影裝置等增強汽車(chē)安全性。汽車(chē)中的中央微處理器(MPU)藉由將應用軟體與不同應用的上層軟體相結合，可實(shí)現某種 形式的感測融合。當安全硬體和軟體位于中央微處理器層，而非位于基頻處理器上時(shí)，便產(chǎn)生了一個(gè)系統層面的定義。

上述所有要求將會(huì )產(chǎn)生 下列部署選擇：系統最多可同時(shí)支援多少通道(CCH和SCH)？可采用多少天線(xiàn)？接收是否具有分集特性，以改善性能？天線(xiàn)和ITS子系統安裝在哪里？(安 裝在左后照鏡中，還是采用鰭狀配置？安裝在車(chē)頂下方靠近天線(xiàn)的位置，或/和后視鏡中？安裝座位下方的箱子或行李箱中)另外，ITS做為感測器是否與其他 感測器組合(如雷達、行車(chē)攝影裝置等)

目前有廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出的解決方案系奠基于WISPA收發(fā)器以及MARS-ITS基頻處理器。WISPA RF收發(fā)器中的兩個(gè)調諧器可調諧至不同的頻率，實(shí)現雙通道接收；也可調諧至相同的頻率，實(shí)現單通道分集接收。發(fā)送器可調諧至TX循環(huán)延遲分集(CDD)。 MARS-ITS基頻處理器是以數位訊號處理器(DSP)為基礎的引擎，并輔以專(zhuān)用硬體加速器?；l處理器用于處理雙通道802.11p編碼和解碼，或單 通道分集(RX和TX)?；l處理器采用Cohda Wireless演算法，可處理行車(chē)視線(xiàn)外車(chē)對車(chē)通訊以及高行動(dòng)性的通道條件。該解決方案擴展了通訊范圍，因而有更多的時(shí)間預測潛在事故，確保通訊連貫 性。

圖1表示資料從天線(xiàn)流入MAC層，上半部線(xiàn)條表示CCH通道，而下方線(xiàn)條代表SCH通道。使用解碼器輸出做為通道估算的一部分，藉由此技術(shù)改善接收品質(zhì)。這種方法在傳送資料封包期間采用逐一更新訓練符號以適應等化器，與開(kāi)始發(fā)送資料封包時(shí)執行單一訓練符號有所不同。

圖1　單晶片、雙通道、無(wú)分集示意圖

為了實(shí)現單通道分集接收，必須在接收路徑上的某處以最優(yōu)化的方式組合兩個(gè)天線(xiàn)的訊號。這部分可在解調步驟中計算位元對數似然比(LLR)時(shí)達成。

MARS-ITS晶片設計用于單通道接收(分集或無(wú)分集)或雙通道無(wú)分集接收。對于雙通道分集接收而言，預計使用兩個(gè)MARS-ITS晶片以及一個(gè)數位介面，即可實(shí)現可擴展式解決方案。

圖2顯示使用RF電纜的分集技術(shù)，該技術(shù)的劣勢是須要使用昂貴的同軸電纜和主動(dòng)式天線(xiàn)，以補償較高的電纜損耗，該配置未使用任何數位介面。

圖2　雙晶片，使用RF電纜的通道分集

圖 3中的雙通道天線(xiàn)分集使用數位介面，具有雙通道接收性能。如前面所述，接收路徑上的某些點(diǎn)可用于交換資料，以達成天線(xiàn)訊號的組合，如圖3中的箭頭所示。該 范例說(shuō)明了三種方法：(1)在進(jìn)行任何解調之前先交換資料，基頻樣本也同時(shí)進(jìn)行交換；(2)最佳組合(LLR一個(gè)方向，訓練符號另一個(gè)方向)；(3)可基 于CRC結果選擇接收資料封包。這三種介面選項各自具有不同的頻寬和時(shí)延要求。

圖3　雙晶片，使用數位介面的通道分集

但請注意，當ITS上層軟體層集中在單個(gè)處理器時(shí)，第三種方法可能不需要額外的數位介面，因為該層即可正確選擇資料封包。

圖4是針對16-QAM和R=1/2回旋編碼模式(12Mbit/s)進(jìn)行模擬與計算，適用于獨立、分布相同的Rayleigh衰退通道模型。位元錯誤率在Viterbi解碼之前(如軟解映射之后)或之后確定。

圖4　Rayleigh衰退通道的單天線(xiàn)和雙天線(xiàn)接收性能

前文中的圖形著(zhù)重在接收路徑，數位連結必須要能以較低的時(shí)延傳輸大量資料。服務(wù)通道中的單點(diǎn)傳播操作要求較短的回饋循環(huán)。在傳輸路徑上，最主要的技術(shù)問(wèn)題是確保分開(kāi)的兩個(gè)基頻晶片之間具有固定時(shí)延，發(fā)送回圈分集技術(shù)要求輸出訊號時(shí)間保持一致。

在所有汽車(chē)中導入C2X通訊，可擴展性在技術(shù)上將是一大挑戰。性能、天線(xiàn)位置、收發(fā)器和服務(wù)數量為互相牽制的參數，致使無(wú)法達成一可行的解決方案。

基于Cohda軟體和量產(chǎn)IC的原型產(chǎn)品，能滿(mǎn)足前述OEM要求，可支援所有天線(xiàn)配置，并支援分集和非分集模式下的單通道與雙通道訊號處理。透過(guò)軟體方式，實(shí)現有/無(wú)天線(xiàn)分集情況下的雙通道接收或單通道接收的靈活部署，且支援運行時(shí)模式切換。

分集模式部署可透過(guò)同軸電纜或數位連結電纜達成。使用數位電纜時(shí)，必須注意所用的數位介面類(lèi)別。原型中使用的是非標準介面，以進(jìn)行概念驗證。有鑒于EMC、 汽車(chē)認證等原因，建議使用標準介面，以執行大吞吐量負載(如乙太網(wǎng)、USB)。更重要的是數位介面上的時(shí)延是固定的，且數值較小。