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5G、毫米波雷達和UWB加速自駕車佈局
V2X車聯網風風火火

【作者: 盧傑瑞】   2022年03月29日 星期二

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所謂的自動駕駛技術,基本上是透過安裝在車身上的感測器,收集所有的必須性的資訊,因此僅僅依靠這些感測器,或許可滿足Level 3的要求,但當期望實現Level 5的全自動駕駛,就需要更多的各種資訊,例如,行駛時,駕駛者無法看到的危險和周圍路況,僅依靠感測器獲得的資訊是遠遠不夠的。


現階段,自動駕駛技術已經達到了Level 3,可以在高速公路上行駛。雖然各種先進自動技術正被積極地開發中,但期待自動駕駛被成功導入,需要3個先進無線技術支援:5G、毫米波雷達和UWB。


透過5G將自動駕駛提升到Level 5


與傳統的4G相比,5G有三個主要特點:高速度和高容量,超低延遲和多點同時連接。例如,在通訊速度的峰值速率方面,4G是1Gbps,但5G已經大幅提高到20Gbps,因此可以滿足4K/8K或其他高解析影像的傳輸。而延遲速度也將大幅減少到1毫秒,是4G的1/10。同時連接的數量也大幅提高到100萬單位/k㎡,是傳統系統的十倍之多。因此,透過5G通訊技術,可以協助將自動駕駛能力快速提升到Level 4甚至Level 5。


目前全球的自動駕駛技術相關業者,一直努力開發出利用5G通訊的車輛間通訊系統。例如日本軟銀在國際標準化之前,就開發出世界上第一個自動安全駕駛所需的高可靠、低延遲的車輛間通訊系統,並且成功地讓應用在卡車上,在高速公路上與後續車輛進行編隊行駛。


這項新一代安全駕駛系統,是透過5G通訊技術將三輛高速行駛的卡車連接起來,並在無線終端之間進行直接通訊。因為終端間直接通訊是不需要經由基地台,因此訊號傳輸的延遲只有1/1000秒,讓車輛之間的通訊都可以達到低延遲傳輸。


同時,日本軟銀還利用5G的低延遲寬頻傳輸特點,將後方卡車鏡頭的影像傳輸到前方的車輛,達到讓所有利用5G CAV通訊的車輛,都能即時觀察到後方車輛周圍的情況。


日本軟銀稱為「擴展感測器」的平台,可以分享車輛之間保持距離,和自動跟蹤所需的資訊。在經過新東京-名古屋高速公路上實際行駛後,已經證實這項技術對安全駕駛來說是可被信任的。因此,也被日本業界認為對「聯網自動駕駛車(Connected Autonomous Vehicle;CAV)」的標準化非常有用,同時更是推動自動駕駛技術進步所必需的新技術概念。


利用V2X將汽車和各種外部事物相連

為了實現車聯網,最近對「V2X(Vehicle to Everything)」的討論越來越多,而5G的出現,人們對5G在V2X應用的期望越來越高(圖一)。



圖一 : 人們期待透過5G能夠滿足V2X的通訊網路技術的要求。(source:日本總務省情報通訊白皮書;作者整理)
圖一 : 人們期待透過5G能夠滿足V2X的通訊網路技術的要求。(source:日本總務省情報通訊白皮書;作者整理)

一個明顯的例子是3D地圖資料。為了實現自動駕駛,需要比傳統汽車導航系統更詳細的資料。但將如此大量的資訊儲存在汽車中是不實際的,因此透過通訊來頻繁更新3D地圖資料是必不可少的,這就需要車輛和網路(V2N)之間的高速、高容量的通訊。此外,在Level 3以上的自動駕駛中,駕駛者不是司機,而是系統。


為了確保這種情況下的安全駕駛,就需要進行遠端監控和管理,甚至是遠端操作。 在過去最大的問題是,溝通的時間滯或延遲。然而使用超低延遲的5G網路,這些延遲問題就可以被大幅的減少。


5G的多連接功能也為自動駕駛提供了各種智慧能力,例如車輛與車輛之間的連接(V2V),實現了自動編隊駕駛和先進的事故預防。而連接到路邊的基礎設施,如交通燈(V2I),可以實現安全和高效的駕駛。此外,如果與行人的智慧手機等設備的連接(V2P),更可以在行人突然闖車身危險區域時,控制車輛自動閃避或停止。


另一方面,5G網路的應用仍需要先進的技術。目前5G使用Sub 6和毫米波兩個頻段進行通訊。傳統的4G是在3.6GHz以下,sub 6是在3.7 GHz和4.5GHz,而毫米波的頻率更高達到28GHz。 因此,採用5G標準通訊設備的開發,便需要毫米波、天線設計和散熱等先進的技術(圖二)。



圖二 : :5G是透過Sub 6(3.7 GHz和4.5GHz)和毫米波(28GHz)的頻段進行通訊。(source:日本總務省情報通訊白皮書;作者整理)
圖二 : :5G是透過Sub 6(3.7 GHz和4.5GHz)和毫米波(28GHz)的頻段進行通訊。(source:日本總務省情報通訊白皮書;作者整理)

此外在V2X的應用方面,也有一些較為特殊的技術挑戰性,因為V2X的要求與傳統的行動通訊不同,需要非常高的可靠性和極低延遲,而網路配置也更加複雜,還有終端之間的連接和通訊。因此,V2X的發展除了需要先進的無線技術外,還需要深厚的行動通訊專業知識(圖三)。



圖三 : V2X需要先進的各種行動無線技術為通訊基礎。(source:富士通;作者整理)
圖三 : V2X需要先進的各種行動無線技術為通訊基礎。(source:富士通;作者整理)

車聯網路的開發需仔細進行效能評估以及模擬

由於各種因素的多重疊加,在車聯網路的發展過程中,往往會出現意想不到的問題,這是以前從未經歷過的。例如,多輛車在路上行駛時,所出現的無線電干擾或網路效能的衰退等等。在真實的環境中,車輛是高速行動的物體,而這些大量車流也一直處於在交錯的方向行進,因此通訊環境和條件時時刻刻都在變化。為了準確掌握這些變化和相關的條件,就必須建構出模擬模型(Simulation Model)以及實際的現場環境(Field)進行測試。


透過使用符合行動通訊和V2X標準的Simulation Model,可以預設出車輛的數量、位置和方向之後,進一步驗證行車聯網路的各項性能。並且蒐集現場測試結果的數據後,進一步地提高準確性、加速開發和縮短驗證週期。


此外,進行無線電的測試時,需要根據相關法令認證,在過程中非常繁瑣跟耗時,所以如何與優秀的無線技術和行動通訊的夥伴合作,也是順利開發聯網汽車的關鍵。


在進行驗證無線網路車載資訊控制單元(Telematics Control Unit,TCU)時,必須考慮與已經安裝在車輛上的各種感測器和電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)的相容性。每個感測器或ECU對於網路條件的要求,如延遲、通訊週期和通訊容量,都有所不同。例如,為了每種情況找到最佳的網路要求時,倒底傳統的4G就已經足夠,還是必須使用5G,都是需要進行事先完整性評估。此外,網路切片(Network Slicing)和MEC(行動邊緣運算)技術,對於為每個應用對象單元建立最合適和最靈活的網路也非常重要。


車聯網路的開發初期需要更多的努力和時間

此外,對於V2X的5G和毫米波雷達中,使用的毫米波具有極短的波長和高傳輸損耗,因此天線設計、電路模式損耗和噪音對性能有很大影響。


在V2X的5G架構下所使用的毫米波,具有極短的波長和高傳輸損耗,因此在天線設計、電路模式損耗和噪音等方面的設計,對於車聯網路的通訊能力有很大影響性。另一方面,短波長也意味著電路的尺寸很小,印刷電路板的每一面只有幾毫米寬。 Patten寬度也必須精確到微米級,這些都需要先進的封裝技術。而這種高解析度的毫米波電路,期望在原型設計階段就能進行手動調整是很困難的,這也意味著在設計和原型開發期中需要額外的努力和時間。


為了解決這些問題,如何有效運用電磁模擬等技術就變得非常關鍵,因為建構出高精度的模擬模型,對於準確和有效地設計毫米波元件是相當重要的。


然而,模擬模型的建立不可能一蹴而就,只有通過在毫米波開發中,反復驗證後而獲得經驗下,才能提高整個網路平台的精確度。


自動駕駛的智慧座艙儀表

TESLA的大型中置平板螢幕

可能是受到TESLA的影響,最近的新車的駕駛座的顯示面板設計,開始朝向將多個大型液晶面板在駕駛員的前方一字排開。


TESLA的使用者介面,只有一個大的中央顯示螢幕,看起來就像一個大型平板電腦,雖然是一種創新,但還有些人似乎難以完全接受,例如透螢幕來改變空調的方向就頗有微詞,但對於經常接受創新產品的用戶來說,卻是一個不錯的操控體驗(圖四)。



圖四 : TESLA創新採用置於駕駛艙的平板螢幕作為車輛資訊顯示儀表- Model 3。
圖四 : TESLA創新採用置於駕駛艙的平板螢幕作為車輛資訊顯示儀表- Model 3。

Mercedes-Benz徹底改變人車交互模式


圖五 : Mercedes-Benz的先進MBUX HYPERSCREEN駕駛座艙人機介面。
圖五 : Mercedes-Benz的先進MBUX HYPERSCREEN駕駛座艙人機介面。

有著安全神話的Mercedes-Benz曾經說過,其核心政策就是堅守一個不會分散駕駛員注意力的人機界面(HMI),但是這個政策似乎被打破了。


Mercedes-Benz QES的豪華EV中使用怪獸級55.5英寸MBUX HYPERSCREEN超寬幅數位UI的OLED螢幕,徹底改變人車交互模式。這個橫跨前駕駛座寬度的Hyperdash一體式曲面螢幕,包含三個大部分—駕駛員一側的儀表,中間用於處理訊息、娛樂和氣候需求顯示,以及副駕駛座乘客可享受的娛樂資訊,這部份的面板還具有觸覺回饋和卓越的畫質技術,這是Mercedes-Benz有史以來最大和最智慧的螢幕。


Vanarama模擬APPLE CAR儀表

為了減少視覺運動來降低駕駛風險的抬頭顯示器(HUD),在各種的應用領域快速擴大中,相信未來將更進一步的導入AR技術,例如,APPLE的AR產品「Apple Glass」將會在2022發表,甚至傳聞中的APPLE CAR將採用這項AR技術,提供創新性的車內UI/UX。


在Vanarama對於APPLE CAR模擬設計圖中可以發現,整個環繞正副駕駛座的前方飾板,已經全部被顯示面板所取代,提供駕駛者所需的基本行車資訊,以及提供副駕駛座對於導航、音樂播放、溫度控制等各種功能操作,甚至連方向盤中央也有一個方形的螢幕,來支援Siri語音助理等服務(圖六)。



圖六 : Vanarama利用想像設計來模擬APPLE CAR駕駛座艙儀表板。
圖六 : Vanarama利用想像設計來模擬APPLE CAR駕駛座艙儀表板。

Continental擴展儀表面板的寬度

不僅專注於輪胎、制動系統與車身穩定系統的開發,Continental也投入開發針對未來車聯網趨勢下所需的相關技術,在2022年1月5日拉斯維加斯的國際消費電子展(CES2022) 上,展示了駕駛儀表顯示的最新技術。


Continental最先進技術創造了一個無縫和創新的駕駛體驗。例如,Shy Tech顯示器隱藏了由按鈕、燈和開關組成的控制面板,並以一種全新的方式將控制與顯示器整合在一起。該系統除了顯示相關內容,也內建了一些選項提供駕駛來操控。


這意味著ShyTech顯示器並非由一個「空白」的黑色顯示面板,和許多機械式按鈕組成,而是將訊息顯示於類似於木紋、碳纖維或皮革的優雅表面,讓駕駛座設計得更具吸引力。從左A柱延伸到右A柱的顯示面板,充分將儀表面板的寬度延伸到極限,並且在以前沒有使用過顯示面板的地方,為駕駛員和乘員創造全新的互動區域(圖七)。



圖七 : Continental的ShyTech顯示器整合在類似於木紋、碳纖維或皮革的表面。
圖七 : Continental的ShyTech顯示器整合在類似於木紋、碳纖維或皮革的表面。

汽車數位化正在飛速發展

雖然,現階段內建5G無線技術的車輛大多處於測試階段,但是,在儀表板方面,各種創意設計都已經在人們的驚嘆聲中呈現,不僅增添了娛樂性,將車輛感測器連接到交通、位置、速度和其他車輛等駕駛數據,以涵蓋該駕駛生態系統中可以考慮的所有內容,都已經可以在螢幕上顯示。


另一方面,目前車聯網全球市場仍處於半導體短缺、產量下降、成本上升等問題,但2021年對於車聯網的研究投入依然強勁,隨著支援4G的車輛市場的成熟,和支援5G的TCU正被擴大的採用中。根據統計,2021年90%的聯網汽車將採用4G,而2025年將有1/4的汽車採用5G,在市場規模方面,2027年全球V2X市場預計將來到188.771億美元,複合年增長率高達33.8%。因此汽車數位化正在飛速發展,全球聯網汽車的普及率不斷提高就是證明。


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