现代智能汽车中的无线技术11.2——蜂窝移动通信技术（12）

摘要：

汽车通信技术正向智能化、网联化加速发展，5GAA（5G汽车协会）作为核心推动者，通过C-V2X（蜂窝车联网）技术连接汽车与基础设施。C-V2X分阶段部署：2017-2019年完成芯片测试，2020-2022年实现整车量产，中国率先落地。技术层面，LTE-V2X（Rel-14）满足基础需求，5G NR-V2X（Rel-16）支持高阶自动驾驶，两者互补共存。未来Rel-17将优化弱势群体保护、直连通信及网络智能。此外，DSRC因频谱重分配逐渐淘汰，C-V2X成为主流，需注重PCB设计中的射频隔离与多协议集成。5GAA通过技术迭代，构建安全高效的智能交通生态。

汽车通信的未来：5GAA 技术观点深度解析

随着汽车行业向智能化、网联化飞速发展，通信技术与交通运输的融合成为关键。**5G 汽车协会（5GAA）**作为连接电信行业与汽车制造商的桥梁，正致力于开发端到端的解决方案，为未来的移动出行服务奠定基础。作为 3GPP 的市场代表合作伙伴（MRP），5GAA 通过下设的五个工作组（WG1-WG5），从用例定义、系统架构、测试验证、标准制定到商业模式，全方位推动 C-V2X（蜂窝车联网）技术的落地。

本文基于 5GAA 首席技术官 Maxime Flament 博士的技术观点及相关白皮书，深度剖析 C-V2X 的技术演进、部署节奏及对未来 5G 标准的诉求。

一、 C-V2X 部署时间表：从芯片到整车

C-V2X 技术的商业化进程正在稳步推进，呈现出清晰的"芯片-测试-量产"三步走战略。

芯片与测试阶段（2017-2019）：
- 起步： 基于 3GPP Release 14 标准的 LTE-V2X 技术构成了早期基础。2017 年年中，首批 C-V2X 测试芯片面世，标志着硬件准备就绪。
- 互操作性验证： 2018 年，行业重点转向互操作性测试，确保不同厂商的设备能够顺畅通信。
- 商业化前夜： 2018 年下半年至 2019 年，支持 Mode-4（直连通信模式）的商业化芯片组开始大规模供货，意味着 C-V2X 技术已具备量产条件。
整车集成与量产（2020-2022）：
- 全球首发： 2020 年被视为 C-V2X 的"量产元年"。中国市场凭借政策优势，计划于 2020 年年中率先启动首批车型部署。
- 全面铺开： 全球范围内的整车商业部署（获得型式认证）也预计最迟在 2020 年启动。福特汽车等国际巨头则规划在 2022 年实现 C-V2X 车型的大规模量产。
- 集成周期： 从芯片就绪到整车集成大约需要 3 年时间。为了加速这一进程，法规层面需进一步降低市场准入门槛。
频谱保障：
- 5.9 GHz 频段是 C-V2X 的核心阵地。早在 2017 年下半年，中国和欧洲已分别确立了该频段用于 ITS（智能交通系统）测试或部署的可用性。

二、技术演进：从 LTE-V2X 到 5G NR-V2X

C-V2X 并非单一技术，而是一个持续演进的标准家族。它遵循 3GPP 的路线图，实现了平滑过渡与互补共存。

当前基石：LTE-V2X (Rel-14)

目前广泛部署的是基于 3GPP Release 14 的 LTE-V2X。它利用成熟的 4G LTE 技术，解决了基本的车车（V2V）、车路（V2I）通信需求，如前向碰撞预警、红绿灯信息推送等。
未来引擎：5G NR-V2X (Rel-16)

针对更高级别的自动驾驶需求，3GPP 在 Release 16 中引入了基于 5G 新空口（NR）的 V2X 技术。
- 时间节点： NR-V2X 的工作项目于 2019 年 3 月启动，标准计划于 2020 年 3 月冻结。
- 核心用例： 重点支持车辆编队（Platooning） 、传感器共享（Sensor Sharing） 、**远程驾驶（Remote Driving）以及高级自动驾驶（Advanced Driving）**等高带宽、低时延场景。
- 共存关系： NR-V2X 不会替代 LTE-V2X，而是与其互补、共存并支持互操作。LTE-V2X 负责基础安全消息，NR-V2X 负责高级感知数据，两者共同构成完整的智能交通网络。

三、展望 Release 17：深化 5G 赋能自动驾驶

为了确保持续的技术领先性，5GAA 强调 3GPP 应在 Release 17 及后续版本中继续深化 C-V2X 的工作，重点聚焦以下关键技术需求：

终端增强与弱势群体保护：
- 针对行人和骑行者等弱势道路使用者（VRU），需要优化终端（UE）的功耗管理，引入非连续传输（DTX）等节能机制，使其能够长时间在线并被车辆感知。
直连通信（Sidelink）的进化：
- 性能提升： 进一步提升定位精度、系统容量和可靠性。
- 硬件升级： 将 2TX/2RX（双发双收）天线配置作为操作基准，并探索毫米波频段（FR2）在车联网中的应用，以支持超高速率数据传输。
架构优化与网络智能：
- 组播与定位： 增强 Uu 接口（蜂窝链路）的组播和群播能力，提升基于网络的定位精度。
- 智能化运维： 引入最小化路测（MDT）和自组织网络（SON）的车载增强功能，例如上报直连通信的 QoS 测量报告，帮助网络自我优化。
- 预测性通信： 利用车辆的地理位置和路线信息，预测通信链路（包括直连和蜂窝）的 QoS 参数。这对于自动驾驶车辆提前规划变道或刹车至关重要（详见 5GAA 2020年白皮书《让 5G 为汽车行业提供主动和预测性服务》）。
系统鲁棒性与共存：
- 高负荷应对： 确保系统在高拥堵场景下，面对大数据包和复杂触发条件时仍能稳定运行。
- 高速场景： 优化高速移动下的多普勒补偿机制。
- 技术共存： 坚持 Release 16 的假设，确保 C-V2X 能在同一频段内与其他 ITS 技术（如 DSRC/ITS-G5）和谐共存。

通过这些技术演进，5GAA 正致力于构建一个安全、高效、智能的未来交通生态系统，让 5G 技术真正成为自动驾驶落地的核心驱动力。

V2X 通信生态系统与标准

当前的 V2X（车联网）无线环境旨在同时支持长距离和短距离通信，其中蜂窝网络和 802.11p 技术可能分别发挥最大的作用。目前，已有城市级别的蜂窝 V2X（C-V2X）网络试验，用于连接汽车与周围的基础设施。丰田及美国主机厂（OEM）等汽车公司正在积极采用 C-V2X 作为建立车载自组织网络（VANETs）的主要通信渠道。

逐渐淘汰 DSRC

最初，汽车和电信行业为组件制造商和系统设计者构建 V2X 模块提供了两个标准起点：专用短程通信（DSRC）和蜂窝 V2X（C-V2X）。

支持 DSRC 的车辆历史可以追溯到 1999 年，当时美国联邦通信委员会（FCC）将 5.9 GHz 频段（5.85 至 5.925 GHz）中 75 MHz 的频谱分配给了 DSRC 硬件。这一标准被编入 IEEE 802.11p，它是原始 WiFi 标准的一个变体。不幸的是，尽管半导体供应商付出了努力，DSRC 技术对于当时的大规模实施来说还是太超前了。缺乏支持该频段传输/接收和回程的大规模基础设施，阻碍了其广泛应用。

DSRC V2X 通信

与其竞争的 C-V2X 标准则被编入 3GPP Release 14 中。随后在 2020 年 10 月，FCC 将原 DSRC 频谱中的 45 MHz（5.85 至 5.895 GHz）重新分配给非授权频段（WiFi），剩下的 30 MHz 分配给了 C-V2X。最终，今年早些时候，尽管两家汽车行业组织表示反对，一家美国法院仍裁定 FCC 可以完成其重新分配计划。分配给 C-V2X 的 5.9 GHz 频段部分现在被指定用于智能交通系统（ITS）。

如果您熟悉 802.11 标准，就会知道这些是专门针对 WiFi 产品的标准。802.11p 标准包含了 DSRC 系统的原始要求：

频率： 5850 至 5925 MHz
调制方式： BPSK/QPSK/16QAM/64QAM
数据速率： 27 Mbps
最大延迟： 约 150 ms

尽管目前仍有许多路侧单元配备了 DSRC，但近期美国法院支持 FCC 的裁决可能会使 DSRC 成为一种既无供应商也无开发者支持的"僵尸技术"。多年来，由于 FCC 和 NHTSA（美国国家公路交通安全管理局）缺乏指导，以及美国汽车行业本身缺乏方向，导致围绕这些协议的混乱持续存在。NHTSA 并不认可或强制要求新车配备 DSRC，该机构网站上关于此协议的提及也依然零散。

蜂窝 V2X (C-V2X) 的设计

根据 C-V2X Rel. 14/15 标准（最高支持 4G-LTE）和 Rel. 16 标准（支持 5G NR），蜂窝 V2X 系统的要求如下：

频率： 随运营商和 5G 部署情况而异
调制方式： 4G-LTE 为 QPSK/16QAM/64QAM，5G 为 OFDM (QAM + FDM)
数据速率： 峰值下载速率 50 Mbps
最大延迟： < 50 ms

C-V2X 的实现方式是在 PCB 上放置一个收发器模块（下文列出了部分供应商名单）。PCB 设计师必须设计电路板以支持蜂窝调制解调器以及任何将集成到板上的其他无线协议。可以借鉴手机设计中的一些实践来支持 C-V2X，即在 PCB 布局中将重要的射频（RF）组件远离数字部分。

蜂窝 V2X 通信

过去，支持 C-V2X 等技术的模块会在 PCB 上放置贴片天线。这些天线占用大量空间，现在已有更新的天线模块可供放置在板上。另一种选择是使用通过同轴电缆连接到电路板的外部模块。

在这里，我们面临着在 PCB 上布线无线协议时典型的射频信号完整性挑战。这些挑战包括：

隔离： 波束成形系统和混合信号系统需要隔离，包括数字部分到模拟部分的返回路径和串扰隔离，以及天线与天线之间的隔离（例如相控阵）。使用接地共面波导走线或基板集成波导布线进入蜂窝模块有助于实现这一点。
放大器和天线匹配： 收发器模块的输出将包括一个工作在饱和区附近的功率放大器，该放大器需要在相关带宽内与天线进行阻抗匹配（通常为 50 欧姆）。虽然为了最高精度可以通过负载牵引分析来实现放大器阻抗匹配（前提是已知输出 RF 引脚的模型），但在实际操作中需要注意。
天线放置： 如果是印刷元件或天线模块，天线通常放置在电路板边缘附近。也可能有一个同轴连接器，用于将信号传入/传出外部天线，例如用于 GPS 接收的鲨鱼鳍天线。

最后，正如许多其他射频系统一样，不要忘记接地的的重要性。在支持 5G 的 C-V2X 进入毫米波频段之前，在表层布线是可行的，这意味着需要在下一层设置接地层来设定阻抗并隔离电路板部分。这最好通过在外层使用薄层压板来实现。然后可以在顶层使用铺铜区域，为主天线馈线形成共面波导布线，如下图所示的印刷天线示例。

支持 C-V2X 的组件

C-V2X 并非车辆为实现与基础设施、行人和其他车辆连接所需的唯一无线协议。新车可能会在蜂窝网络之外集成多种无线协议：

全球卫星导航 (GPS/GNSS)
用于车内网络的 2.4/5 GHz 无线通信
用于长距离通信的 Sub-1 GHz 协议（例如 LoRaWAN 或 ZigBee）

当然，GPS/GNSS 已经在车辆导航中使用。其他几点并不常见，除了用于驾驶员连接手机的蓝牙。更先进的系统可以使用 2.4 GHz 或 5 GHz 无线技术来消除车内的线缆布线；其中一个应用是电动汽车的无线电池管理系统 (BMS)。

一些半导体供应商正在提供支持集成 GPS/GNSS 接收功能的 C-V2X 蜂窝模块。这些供应商包括：

移远通信 (Quectel)
Nordic Semiconductor
Sierra Wireless
NimbeLink

移远通信的模块最近非常受欢迎。这些模块有 M.2 连接器形式的扩展卡，也有表面贴装在 PCB 上的栅格阵列（LGA）组件。结合支持 BLE/sub-1 GHz 的 MCU，设计师可以覆盖 C-V2X 设想的全范围无线技术。

V2X 通信技术的演变与 C-V2X 设计指南

1. V2X 标准之争：DSRC 的没落与 C-V2X 的崛起

背景： V2X（车联网）旨在通过长短距离通信连接车辆与基础设施。早期存在两大竞争标准：DSRC（基于 WiFi 的 802.11p）和 C-V2X（基于蜂窝网络）。
DSRC 的困境： 尽管早在 1999 年就获得了 5.9 GHz 频段，但由于基础设施建设滞后及缺乏大规模应用，DSRC 发展受阻。近期 FCC 将其大部分频谱重新分配给 WiFi，仅留 30 MHz 给 C-V2X，这实际上宣告了 DSRC 可能成为无支持的"僵尸技术"。
C-V2X 的胜利： 3GPP 定义的 C-V2X 标准（涵盖 4G 和 5G）已成为主流。丰田及美国车企正拥抱 C-V2X，且 5.9 GHz 频段现已正式确立为 C-V2X 的智能交通系统（ITS）专用频段。

2. C-V2X 系统设计要点

技术指标： C-V2X 需满足低延迟（<50ms）和高数据速率（峰值 50Mbps），调制方式涵盖 QPSK 至 OFDM。
PCB 设计挑战：
- 布局： 需将射频（RF）组件与数字电路隔离，类似于手机 PCB 设计。
- 天线： 可使用板载模块或外部同轴连接。需解决射频信号完整性问题，包括隔离度（数字干扰、天线间干扰）、阻抗匹配（50欧姆）及天线放置位置（通常在板边）。
- 接地： 良好的接地层设计至关重要，特别是在进入 5G 毫米波频段前，利用共面波导布线和薄层压板优化阻抗控制。

3. 组件生态与多协议集成

多协议共存： 未来的车辆通信不仅限于 C-V2X，还将集成 GPS/GNSS（导航）、2.4/5 GHz WiFi（车内网络/无线 BMS）、Sub-1 GHz（长距离通信）及蓝牙等多种协议。
集成化方案： 移远通信（Quectel）、Nordic、Sierra Wireless 等厂商提供了集成 GPS 功能的 C-V2X 蜂窝模块（如流行的 Quectel BG95），形式多样（M.2 或 LGA），极大简化了硬件设计流程。

核心结论： 随着政策和市场的转向，C-V2X 已确立为车联网的主导标准。开发者在设计相关硬件时，需重点关注射频隔离、阻抗匹配及多协议集成的 PCB 设计策略，并利用成熟的集成模块加速开发。