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Wi-Fi 6:增强汽车数据管道

随着汽车对无线连接技术越加依赖,车载 Wi-Fi 的需求也随之不断增长。Wi-Fi 6 能够加速和简化汽车通信,提高数据传输容量,并在汽车内、外提供更高的灵活性。

随着车联网的日益发展,越来越多的汽车通过高性能电子元器件,实现与互联网、其他车辆和交通管理系统的连接。单从蓝牙和 Wi-Fi 方面,我们就可以看出过去十年功能上的迭代升级。最初是简单的蓝牙免提模式 (HFP)和 Wi-Fi 热点,随后出现支持蓝牙的音频流 (A2DP),以及多角色、多用途 Wi-Fi 和支持 Wi-Fi 的屏幕共享。如今,更先进的功能正逐渐成为主流,其中包括无线传感器数据采集、无线固件更新、持续数据上传、电动汽车充电控制和本地网络连接(例如在停车场中)。

汽车对无线数据传输的依赖将会继续增长。随着自动驾驶系统进入不同的市场阶段,我们看到汽车与不同云系统以及交通车辆相互之间的数据传输需求也将进一步增加。长远来看,V2X 基于 Wi-Fi 的专用解决方案 (IEEE 802.11p/bd) 有望与蜂窝式 V2X (C-V2X) 组合使用。

Wi-Fi 6:增强汽车数据管道

当今的车辆采用了数种无线连接技术,将来定会有增无减。

此外,车载娱乐系统也日渐兴盛并大受瞩目,因此带宽需求更是不容小觑。爱立信移动通信报告预计,移动视频的流量及其占全部移动数据流量的比例都将继续增长,分别从 2019 年第 3 季度的 38 EB/月和 63% 增长到 2025 年的 160 EB/月和 75%。1随着车载显示屏越来越流行,信息娱乐系统越来越先进,预计汽车上的视频娱乐消费会进一步增加。

车内信号拥塞愈加严重

与此同时,随着汽车无线连接应用不断增加,信号拥塞的风险也随之上升,随之而来的问题就是对性能上的影响,防止出现此类系统性能退化则成为行业竭力攻克的挑战。车内信号变得越加拥塞,其中充斥着数不清的应用组合,而且每一种应用都有自身的特性和系统要求,因此对 Wi-Fi 系统如何处理其资源提出了更高的要求。

Wi-Fi 6 是汽车领域所引入的最新一代 Wi-Fi 技术,凭借其杰出的综合性能表现,可实现加快和简化汽车无线连接来解决这些新出现的挑战。在未来几年内,Wi-Fi 6(在标准化社区中也称为 802.11ax)预计会成为横跨各类汽车系统领域(包括信息娱乐单元、车联网终端和高级驾驶辅助系统)的关键推动因素。ABI Research 估计,到 2023 年,汽车 Wi-Fi 芯片组出货量的 50%(3500 万件)将是 Wi-Fi 6,而到 2024 年将是 70%(5000 万件)。

Wi-Fi 6:增强汽车数据管道

越来越多的车辆内部和周边用例争用相同的频谱和资源,增加了信号拥塞、性能降低的可能性。

  面向未来的解决方案

蓝牙和最初的 802.11b/g Wi-Fi 都在 2.4 GHz 频段上工作,因此它们争用相同的频谱资源。随着新兴 Wi-Fi 用例的带宽需求不断增加,越来越多的 Wi-Fi 用例在 5 GHz 频段以及 2.4 GHz 和 5 GHz 组合频段上得到解决,或者一旦 Wi-Fi 6E 推出,将在新的 6 GHz 频段上得到解决。随着更多的数据流量迁移到更高的频率,将会释放 2.4 GHz 频段上的资源,这为进一步扩展低成本、低功耗的蓝牙连接创造更多机遇。

除了依赖蓝牙和 Wi-Fi 外,4G 和 5G 蜂窝技术能够提供更佳用户体验和安全性的,以便实现更长的通信距离、更广的覆盖范围、更高的数据速率和更低的延迟。在数据速率非常高且众多汽车位于有限区域内的情况下,蜂窝通信和 Wi-Fi 可以同时运行,而在 Wi-Fi 预计成为主要数据传输媒体的使用场景中(例如车库、加油站、充电站或停车场),Wi-Fi 自身即可应对高数据速率问题。

这些无线功能及其带来的性能和功能改善,所付出的代价是更高的车辆功耗。然而,随着最新无线标准、芯片组演进和高效软件协议的不断优化,车辆能够提供的功能将远超早期的“车载智能手机”概念。

Wi-Fi 6 功能修正

Wi-Fi 6 将成为真正实现汽车互联的关键推动因素。与前一代相比,Wi-Fi 6 最显著的改进在于它提高了频谱效率,使带宽容量增加了四倍。这允许每个接入点连接更多的客户端,或者启用新的高带宽用例,例如传输超高分辨率视频。这提高了 Wi-Fi 6 的灵活性,使其可以更加出色地服务于使用较小数据块的客户端,并减少带宽开销。

此外,虽然先前发布的 Wi-Fi 是专为少数客户(主要是室内客户)定制的,但 Wi-Fi 6 的研发重点是针对信号拥塞的环境中为众多客户提供高质量的使用体验。对于汽车用例来说,它特别有吸引力的地方在于更长的户外通信距离和更广的户外覆盖范围。

通过针对少量数据流量更高效地利用带宽,并使用不超过 20 MHz 带宽的芯片配置,Wi-Fi 6 技术可以在受限设备上为物联网市场实现简单、低功耗的基于 Wi-Fi 的解决方案。

  幕后揭秘

Wi-Fi 6 是如何做到这一点的?首先,它在在上行链路和下行链路中均使用正交频分多址接入 (OFDMA) 数字调制方案。通过将每个 OFDMA 传输信道划分成许多可以将数据包从一个接入点并发传输给多位用户的小型子信道(资源单元),增加了可以同时通信的用户数量。

其次,OFDMA 使用更长的正交频域复用信号,因此可通过在单个符号之间添加更长的循环前缀来实现更佳的子信道使用效率和更高的多径衰减防护能力。再加上新的 PHY 报头,增强了 Wi-Fi 6 在室外环境中的稳健性。

Wi-Fi 6:增强汽车数据管道

此外,Wi-Fi 6 在上行链路和下行链路中使用多达 8X8 多用户多输入多输出 (MU-MIMO) 以提供更高的吞吐量和更多的空间流,并使用 1024 正交幅度调 (1024-QAM) 以在短距离范围内提供更高的峰值吞吐量。

其它功能还包括空间重用(也称 BSS 着色),它允许多个具有相同“颜色代码”的信道组合起来以传输信息。此外,目标唤醒时间 (TWT) 允许客户端在空闲时进入低功耗模式以节省电能。

Wi-Fi 6:增强汽车数据管道

利用 OFDMA 数字调制方案,Wi-Fi 6 可将每个传输信道划分成许多可以将数据包从一个接入点并发传输给多位用户的小型子信道(资源单元),从而增加带宽容量。图像源自英特尔 (https://itpeernetwork.intel.com/faster-speeds-ofdma-802-11ax)

由于 Wi-Fi 6 带来了更大的容量、更出色的灵活性、更高的带宽和更广的覆盖范围,我们预计这一新无线标准将受到汽车行业的青睐。具体地说,各原始设备制造商和一级供应商如何实施 Wi-Fi 6 仍需观望。多年来,我们看到不同的制造商就如何划分车辆中的各种 Wi-Fi 系统,采用了不同的方法和策略:适应功能性使用方式(TCU、IVI、ADAS、EVCC)、3成本优化的使用组合、更为实际的部署(例如车内或车外通信)。这些方法的多样性是意料之中的,因为技术的发展会伴随着越来越多的用例和使用领域。

Wi-Fi 和蓝牙解决方案本身的实现方式也是如此。一些制造商更倾向于板载实现方式,在这种方式中,Wi-Fi 芯片由一级供应商或原始设备制造商自身部署到 PCB 解决方案中。在极少数情况下,可能会提供一个高度定制或灵活的解决方案与一份经过优化的物料清单。也就是说,在大多数情况下,预先认证的模块解决方案将会带来更多的优势,通常能够缩短开发时间,简化 PCB 和元器件设计,以及方便向下一代技术的迁移。总之,这些优势可以确保产品上市时间,改善总体直接和间接成本,并降低风险。

  Wi-Fi 6:带宽拥堵的解决之道

随着车辆采用越来越先进的功能来提高安全性、舒适性和便利性,Wi-Fi 作为车辆内部、外部和车辆之间无线连接的关键促成因素,将会变得愈发重要,并可确保日益增多的用例的可靠连接。当前的 Wi-Fi 技术在未来几年仍适合在汽车内部署,但仅依靠它们来满足汽车内部和周边日益增长的无线连接需求,将会增加信号拥塞、性能降低的风险。通过增加带宽容量,Wi-Fi 6 允许每个接入点连接更多客户端,启用新的高带宽用例,以及扩大户外覆盖范围,因此为日益严重的带宽拥挤问题提供了解决之道。

本文作者:u-blox 短程通信产品中心高级产品营销经理 Fredrik

Lönegård 和 u-blox 短程通信产品中心技术主管 Peter Karlsson

本文地址:https://auto.gasgoo.com/news/202007/13I70196495C601.shtml

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