Fahrzeugkommunikation

Neues Konzept für 5G-V2X und DSRC

14. September 2022, 6:00 Uhr | Dr. Danish Aziz, Fionn Hurley und Chris Bohm
Smart car circuit board wifi chip connected vehicle concept
© beebright – stock.adobe.com

Für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen werden leistungsfähige Funksysteme in den Fahrzeugen benötigt. Als neues Konzept bietet sich der Einsatz abgesetzter Funkeinheiten (RRH, Remote Radio Head) an – wie in Mobilfunkbasisstationen seit langem üblich – kombiniert mit Software Defined Radio (SDR).

Die Entwicklung eines HF-Systems, das mehrere Frequenzbänder und mehrere Funkstandards für die Kommunikation von Fahrzeugen untereinander abdeckt, ist eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe. Ein herkömmlicher HF-Ansatz ist für die Realisierung einiger dieser Dienste in vielerlei Hinsicht suboptimal, z.B. hinsichtlich der Funkleistung. Die Lehren aus den Nachteilen herkömmlicher HF-Schaltungen führen zu einer neuen Schaltung für Funkeinheiten in Nutzfahrzeugen. Diese neue Schaltung basiert auf dem Konzept eines Remote Radio Head (RRH). Im nachfolgenden Beispiel wird das RRH-Konzept mit einem einzelnen SDR-HF-IC vorgestellt, mit dem sich eine Dual-Band-V2X-Einheit für 5G und DSRC (Dedicated Short Range Communication) konstruieren lässt. Diese Einheit bietet nicht nur eine verbesserte Funkleistung, sondern ermöglicht zudem die Implementierung von fortschrittlichen Koordinations- und Kooperationsalgorithmen für V2X.

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Ein Überblick über Funksysteme und -techniken für vernetzte Fahrzeuge

Funksysteme in einem Fahrzeug
Bild 1. Wichtige Funksysteme in einem Fahrzeug, die zur Bereitstellung jeweils eines einzigen Dienstes verwendet werden.
© Analog Devices

Die Dienste in einem modernen Fahrzeug, wie beispielsweise Infotainment, Navigation, Kommunikation und Rundfunk, erfordern Funksysteme (Bild 1). Das HF-Spektrum für die Systeme, die diese Dienste bereitstellen, ist sehr breit und reicht von 87,5 MHz (UKW-Rundfunk) bis 5,9 GHz (V2X und Wi-Fi). Künftige Systeme zielen auf Frequenzen im Millimeterwellenbereich ab, z.B. 5G mmWellen, 24 GHz bis 29 GHz.

Eine handelsübliche Funkschaltung bildet die Schnittstelle zwischen dem Anwendungsbereich und den entsprechenden Funksystemen. Nachstehend sind die Funktionen und Frequenzbereiche einiger dieser Funksysteme aufgelistet:

  • GNSS/GPS: Das Global Navigation Satellite System – oft vereinfacht pauschal als Global Positioning System bezeichnet – stellt Standortdienste und Ortungsinformationen zur Verfügung. Es dient oft zur Synchronisierung mit anderen Funksystemen und folgt mehreren regionalen Normen mit unterschiedlichen Frequenzbändern von 1.176 MHz bis 1.602 MHz.
  • 2G, 3G, 4G und 5G-Mobilfunk: Er wird für Sprach- und Datendienste wie Telematik, Infotainment, Over-the-Air-Updates und die V2X-Kommunikation verwendet. Mobilfunk deckt eine große Anzahl von Bändern und Kanälen im Bereich von 300 MHz bis 5,9 GHz ab.
  • Wi-Fi: Für verschiedene Anwendungen wie Over-the-Air-Updates, Diagnose und Datendownload dient Wi-Fi. Je nach Region sind verschiedene Bänder und Kanäle für die interne und externe Nutzung zugewiesen. Am weitesten verbreitet sind die Kanäle in den 2,4-GHz- und 5,8-GHz-Bändern. In Japan sind einige Kanäle dem 5-GHz-Band zugeteilt.
  • ITS-G5/DSRC: Für die V2X-Kommunikation wird in den meisten Regionen der Welt ein Bereich mit 70-MHz-Bandbreite im 5,9-GHz-Bereich zugewiesen.
  • Rundfunk (UKW, DAB/DAB+): Im Bereich von 87,5 MHz bis 240 MHz stehen in den verschiedenen Regionen unterschiedliche Kanäle und Frequenzbänder zur Verfügung. Es ist zu beachten, dass Rundfunksysteme auch von einer zentralen Funkeinheit abgedeckt werden können, in der Regel werden Rundfunkempfänger jedoch getrennt von den Zwei-Wege-Kommunikationssystemen implementiert.

Klassische Implementierung komplexer HF-Systeme

Mobilfunksc haltung in einem Fahrzeug.
Bild 2. Klassische Schaltung für den Mobilfunk in einem Fahrzeug.
© Analog Devices

Aufgrund der vielen Funksysteme an Bord entwickeln sich Fahrzeuge immer mehr zu Smartphones auf Rädern. Es gibt jedoch einen großen Unterschied zwischen einem Smartphone und einem Fahrzeug-Endgerät (UE) hinsichtlich der Implementierung von Funktionen. Als Beispiel dient die Implementierung eines 4G-Mobilfunksystems in einem Nutzfahrzeug. In Bild 2 ist eine 4G-Breitbandantenne an der Außenseite der Karosserie des Fahrzeugs, üblicherweise auf dem Dach, angebracht. Die Antenne ist an ein koaxiales Kabel angeschlossen, das durch die Karosserie des Fahrzeugs zum Steuergerät führt, in dem das 4G-Funkmodul untergebracht ist.

in der HF-Eingangsstufe (RFFE, RF Front End) im HF-Pfad des Empfängers wird nach der Filterung (Auswahl des Bandes) das Signal in einem rauscharmen Verstärker (LNA, Low Noise Amplifier) verstärkt – mit sehr niedriger Rauschzahl (NF, Noise Figure) und hoher Verstärkung. Je länger das Kabel von der Antenne zum Verstärker ist, desto stärker wird das Signal auf diesem Pfad bedämpft und desto stärker geht die Rauschzahl des Verstärkers in das Signal- Rausch-Verhältnis ein. Es könnten mehrere Verstärkungsstufen vorhanden sein, bevor das Signal an das 4G-Funkmodul zur Verarbeitung im Basisband und in den höheren Schichten weitergeleitet wird. Nach dem 4G-Protokoll-Stack gelangen die empfangenen Daten zum Anwendungsprozessor. Bei einer vereinfachten HF-Analyse dieser Schaltung zeigt sich, dass die gesamte HF-Signalverarbeitung ein sehr schlechtes Rauschverhalten aufweist. Die Kombination aus Koaxialkabel und Verstärker hat einen Signalverlust zur Folge, der proportional zur Frequenz und der Länge des Kabels ist.

Aus der Rauschkaskadenanalyse ist bekannt, dass die Rauschzahl der gesamten HF-Signalverarbeitungsstufe überwiegend durch die Rauschzahl der ersten Komponente in der HF-Signalverarbeitung bestimmt wird. Somit kann dieses Problem auch mit einem LNA nicht behoben werden. Um Kosten zu sparen und das Gewicht zu reduzieren, wird in der Regel ein leichteres Kabel gewählt, was die HF-Probleme leider noch erhöht.

Das Gesamtrauschverhalten könnte verbessert werden, indem die HF-Eingangskomponenten näher an die Antenne gebracht werden, so dass das Signal vom Kabel weniger bedämpft wird bis es zum ersten Mal verstärkt wird und sich dadurch eine höhere Nutzsignalleistung relativ zum Rauschen des Verstärkers ergibt. Allerdings bleibt der Einfluss des Koaxialkabels im System weiterhin vorhanden. Es bedämpft entweder nur das Nutzsignal von der Antenne und das Verstärkerrauschen addiert sich dann, wenn der Verstärker nach dem Kabel im Signalpfad sitzt, oder aber das Verstärkerrauschen und das Nutzsignal nach dem Verstärker werden von dem Kabel gleichermaßen bedämpft, wenn der Verstärker näher an der Antenne sitzt.

Mehrere Funktransceiver in einem Fahrzeug.
Bild 3. Der Einsatz mehrerer Funksysteme in einem Fahrzeug führt dazu, dass mehrere Funktransceiver, Antennen und Koaxialkabel installiert und betrieben werden müssen.
© Analog Devices

In Bild 3 ist dargestellt, wie andere Funksysteme üblicherweise implementiert werden. Es verdeutlicht, wie viel Koaxialkabel zur Verbindung der jeweiligen Antennen verwendet wird und wie viel HF-Signalverlust (Dämpfung in dB) in jedem System auftritt. Diese Verluste steigen schnell an, wenn wir mehrere Antennen für ein einziges System haben. Darüber hinaus ist es keine einfache Aufgabe, die Signale mehrerer Antennen zu synchronisieren und durch das Koaxialkabel zu leiten. Zudem sind bei Frequenzen im Bereich 24 GHz bis 29 GHz (5G mmWellen) die HF-Signalverluste im Koaxialkabel höher als bei Frequenzen unterhalb von 6 GHz.

Remote Radio Head (RRH) für die Fahrzeugkommunikation

Das RRH-Konzept ist gut etabliert und wird für Basisstationen verwendet, um die von koaxialen Übertragungskabeln verursachten Probleme zu überwinden. Die Strategie besteht darin, das digitale Signal anstelle des HF-Signals zu übertragen. Zu diesem Zweck werden das RFFE und der Sendeempfänger (RF-IC) näher an die Antenne herangeführt. Das HF-Signal wird in digitale I/Q-Bits umgewandelt, die über eine digitale Datenverbindung übertragen werden. Die weitere Verarbeitung der digitalen Daten erfolgt im multifunktionalen Basisband-Verarbeitungspool.

HF-Signalverarbeitung an der Antenne.
Bild 4. Zukünftige Funksysteme in Fahrzeugen rücken mit der HF-Signalverarbeitung näher an die Antenne und übertragen Daten digital zum Basisband-Prozessor.
© Analog Devices

Ein vergleichbares HF-Schaltungskonzept lässt sich auch im Fahrzeug verwenden. In Bild 4 ist dieses Konzept dargestellt, bei der die Koaxialkabel durch eine leistungsfähige digitale Datenübertragung ersetzt werden. Darüber empfiehlt es sich für die Umsetzung von HF-Signalen in digitale I/Q-Abtastwerte einen HF-IC zu nutzen, der HF-Signale in Bits umwandelt und umgekehrt. Diese Bits werden zwischen dem HF-IC und dem Basisbandprozessor über die digitale Verbindung – z.B. Gigabit-Ethernet – transportiert. Die weitere Verarbeitung erfolgt anschließend durch den Anwendungsprozessor. Diese Prozessoren könnten in einer Funkeinheit oder in einem zentralen Computer untergebracht sein. Die Rechenressourcen und der Trend zur zentralisierten Datenverarbeitung in Fahrzeugen nehmen rasant zu, so dass ein allmählicher Wechsel zu dieser Architektur gut auf die zukünftige Datenverarbeitungsarchitektur in Fahrzeugen abgestimmt ist [1].

Wenn nur die HF-zu-Bit-Funktion in der Nähe der Antenne untergebracht wird, hat dies gleich zwei Vorteile. Zum einen wird nur die zur Vermeidung von HF-Signalverlusten minimal erforderliche Umsetzung in der Nähe der Antenne vorgenommen, wo Platz und Leistung bereits ein Problem darstellen. Zum anderen werden die Anforderungen an die digitale Datenübertragung im Hinblick auf die Datenraten gelockert.

RRH- und SDR-basierte V2X-Implementierung

Die Vorteile des RRH-Konzeptes lassen sich durch den Einsatz eines Multiband-HF-ICs noch weiter verbessern. Der V2X-Kommunikationsdienst ist ein gutes Beispiel für die Nutzung dieser Kombination. Wie in [2] erwähnt, kann der V2X-Dienst zwei verschiedene Funktechniken nutzen: die eine basiert auf DSRC/ITS-G5 (IEEE 802.11p), die andere auf Mobilfunktechnik (C-V2X), sowohl 4G/LTE als auch 5G. Es kann beide Zugangsarten in koordinierter/kooperativer Weise nutzen, um die erforderliche Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Ein Single-Chip-Multiband-V2X-System könnte mit Hilfe des HF-ICs ADRV9026 [3] von Analog Devices entwickelt werden.

Bild 5 zeigt die Möglichkeit der Integration des ADRV9026 in die RRH-Einheit, die auf der Dachantennenbox platziert werden kann. Der IC enthält vier Hauptsende- und vier Hauptempfangskanäle, von denen jeder die Möglichkeit von maximal vier unabhängigen digitalen Datenpfaden zum Basisbandprozessor bietet. Dank seiner Oszillatorschaltung kann der ADRV9026 in mehreren Frequenzbändern unterhalb von 6 GHz gleichzeitig senden und empfangen. Mit Hilfe der V2X-Funktion für die Funk-Zugangsverwaltung (WAM, Wireless Access Management) können sich beide Arten des Funkzugangs effizient die 70 MHz im 5,9-GHz-Band teilen, das in den meisten Regionen der Welt für V2X-Dienste zugewiesen ist.

Abgesetze Funkeinheit: RRH-Konzept.
Bild 5. Erweiterte 5G- und V2X-Koommunikation mit dem SDR-basierten RRH-Konzept.
© Analog Devices

Im Einklang mit zukünftigen Trends wird davon ausgegangen, dass im Fahrzeug zentralisierte Rechenressourcen zur Verfügung stehen (siehe Bild 5). Die Basisbandverarbeitung, Modem-Protokollstacks und die Anwendungsverarbeitung könnten über die zentrale Plattform implementiert werden. Der ADRV9026 erfüllt die Anforderungen der Protokolle JESD204B und JESD204C [4] für die Übertragung und den Empfang serieller Daten. Es können handelsübliche Kabel eingesetzt werden, mit denen Datenraten von 10 Gbit/s über eine Distanz von bis zu 1 m erzielt werden können [5]. Falls mehr Flexibilität und höhere Datenraten erforderlich sind, kann eine beliebige Verarbeitungshardware verwendet werden, um die JESD-basierten seriellen Daten in ein anderes geeignetes Format, wie beispielsweise Gigabit-Ethernet oder PCIe, umzusetzen.

Wie in Bild 5 dargestellt, sind jeweils zwei Sende- und zwei Empfangskanäle für DSRC V2X und 5G-Mobilfunk zugewiesen. Im Fall von 5G können die beiden Kanäle für die vollständige 5G-Kommunikation einschließlich des Mobilfunk-V2X-Dienstes genutzt werden. Mit zwei Kanälen könnte außerdem ein 2 × 2 MIMO-Szenario realisiert werden. Anders als bei den derzeitigen Schaltungskonzepten erfordert dies, dass die Modems für jeden Funkstandard im zentralen Computer implementiert werden. Die I/Q-Abtastwerte der jeweiligen Funksignale werden von den entsprechenden Software-Modems verarbeitet. Das Konzept stellt heute eine Herausforderung dar. Mit dem Aufkommen von Softwarisierung und Virtualisierung ist dies jedoch in absehbarer Zeit leicht realisierbar [6].

Das RRH-Konzept mit dem Dualband-HF-IC bietet vielfältige Vorteile, wie z.B.:

  • Weniger Koaxialkabel, wodurch die HF-Leistung und die Zuverlässigkeit der Funkverbindung verbessert werden.
  • Kompatibilität mit der Software-Architektur zukünftiger Fahrzeuge.
  • Möglichkeit zur Verwaltung einiger neuer Funktionen durch Software-Updates.
  • Realisierung mehrerer Standards mit einem einzigen HF-IC.
  • Verbesserte Kontrolle der garantierten Dienstqualität.
  • Bessere Koordinierungsmöglichkeiten für Dienste, die mehrere Funkstandards verwenden.
  • Bereit für die Einführung neuer Funkstandards in zukünftigen Fahrzeugen wie 5G mmWave.

Der RRH-Ansatz bietet eine höhere Leistung, die für automatisierte Fahrszenarien erforderlich ist, sowie die Möglichkeit, mehrere Funksysteme mit einer gemeinsamen Schaltung zu implementieren. V2X-Dienste, die für automatisierte Fahranwendungen wie Platooning und ferngesteuertes Fahren benötigt werden – die beide eine hohe Zuverlässigkeit der Funkverbindung erfordern – können von den Vorteilen profitieren.

 

Die Autoren

Dr. Danish Aziz, Analog Devices
Dr. Danish Aziz, Analog Devices.
© Analog Devices

Dr. Danish Aziz

ist Anwendungsingenieur im Außendienst und Experte für HF-ICs und -Systeme bei Analog Devices. Als Teil des technischen Vertriebsteams leistet er technischen Support für Kunden in der EMEA-Region. Dr. Aziz befasst sich hauptsächlich mit Funkanwendungen in den Bereichen Automobil, Industrie, Verteidigung und Mobiltelefonie. Er vertrat Analog Devices in der 5G Automotive Association (5GAA).

Bevor Dr. Aziz 2017 zu Analog Devices kam, arbeitete er als Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei Bell Labs, Deutschland. Er war an der Standardisierung von 3G-, 4G- und 5G-Systemen beteiligt. in dieser Zeit vertrat Dr. Aziz die Bell Labs in mehreren von der EU und Deutschland finanzierten Vorzeige-Forschungsprojekten.

Dr. Aziz ist Autor oder Co-Autor von mehr als 25 wissenschaftlichen Artikeln, die in internationalen IEEE-Plattformen für Funkkommunikation veröffentlicht wurden. Er hält mehr als 20 aktive und veröffentlichte internationale Patente. Dr. Aziz hat einen Abschluss als Dr.-Ing. (Ph. D.) und M. Sc. in Elektrotechnik von der Universität Stuttgart und einen B. E. in Elektrotechnik von der N.E.D. University, Karachi, Pakistan.

danish.aziz@analog.com

Fionn Hurley, Analog Devices
Fionn Hurley, Analog Devices.
© Analog Devices

Fionn Hurley

ist Marketingleiter in der Automotive Cabin Electronics Group bei Analog Devices in Limerick, Irland. Er ist seit 2007 bei Analog Devices und war zuvor als HF-Entwicklungsingenieur tätig. Hurley hat einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik vom University College Cork in Irland.

fionn.hurley@analog.com

Chris Bohm, Analog Devices
Chris Bohm, Analog Devices.
© Analog Devices

Chris Bohm

hat einen Abschluss in Nachrichtentechnik von der Fachhochschule Regensburg, Deutschland, sowie einen Master of Science von der University of Limerick, Irland. Er kam 1995 zu Analog Devices und hat als Digital Design Engineer an verschiedenen ASIC-Produkten gearbeitet, darunter Videodecoder, Referenzdesigns für die optische Datenübertragung sowie in jüngster Zeit an HF-Systemen für den kommenden 5G-Standard.

Sein derzeitiger Schwerpunkt liegt im Bereich der digitalen Signalverarbeitung und der Entwicklung von Algorithmen für die Funkübertragung im Frequenzbereich unterhalb von 6 GHz.

chris.bohm@analog.com


  1. Neues Konzept für 5G-V2X und DSRC
  2. Literatur

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