天線分集技術改善自遮罩效應

車對車(Car-to-Car)通訊效能可望大幅精進。由于汽車無線電效能極易受到周遭環境影響，因此車廠在導入IEEE 802.11p車對車通訊功能時，多會借力天線分集設計與高階數位訊號處理器，以降低天線自遮罩效應，改善收發器訊號品質。

在推出IEEE 802.11p Car2X應用時，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提供服務；而天線的數目，以及天線拓撲與相應的基頻處理是實現擴展性的關鍵考量。

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

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

ITS為汽車產業帶來新契機

ITS是新興的應用領域，為一系列工具開啟了新市場，提供更安全、更環保的駕駛體驗。推動該領域發展的因素之一是車對車(C2C)和車對基礎設施(C2I)的無線通訊。廣播與接收汽車位置和速度資訊能讓汽車建立周圍環境的動態模型。

車 對車通訊聯盟和防撞系統合作團隊(CAMP)等產業聯盟的行動，反映目前全球正致力朝向ITS發展，如展開各種專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相關實地測試計劃，亦如火如荼進行中。

但一個待解決的重要問題是：如何將ITS導入汽車中？要獲得一個有效的互聯汽車網路，至少有10%的汽車需要配備ITS模組。為在最短的時間內達到此目標數字，低階、主流和高階汽車都須具備車對車通訊的連結能力，因此解決方案須要具備擴展性，方能滿足不同的成本考量。

系統擴展性是由多方面所決定，天線位置和無線電前端模組位置(調諧和基頻處理)是關鍵成本因素。弧形車頂會在一特定方向上造成自遮罩，而天線分集可大幅減少 該效應。同樣地，天線分集亦可改善在玻璃車頂、行李架和雪橇架上的性能。另一方面，在低階和主流汽車中，天線模組可能會安裝在單一位置上。無線電前端模組 含有IEEE 802.11p/1609.x收發器，在空間許可的情況下可靠近天線安裝并連接，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接收的通道數，用戶可以使用雙通道接收器，以便保持同時接收控制通道和服務通道的訊號；也可使用單通道接收器，并在兩個通道間進行 切換。通道間切換使所需資源減半，同時降低物料成本。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，但也可在單天線接收和雙天線(分 集)接收之間做出選擇。使用分集接收能夠良好地應對車對車通訊中快速變化的多通道環境，使接收更穩定。

從ITS面市的第一天起，眾所 關注的焦點即是整合應用實例，如車輛緊急狀況警告、防碰撞支援、緊急制動燈、危險位置警告等。正如部分產業論壇所得出的結論，單安全通道(CCH)接收應 足夠應付初階應用系統。未來會提供服務通道(SCH)，推出諸如交通資訊、網路可用性、收費等各種應用實例。

天線/收發器位置決定通訊效能

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

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

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

未來OEM不 僅透過ITS，還會使用雷達、超音波、攝影裝置等增強汽車安全性。汽車中的中央微處理器(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，便產生了一個系統層面的定義。

上述所有要求將會產生 下列部署選擇：系統最多可同時支援多少通道(CCH和SCH)？可采用多少天線？接收是否具有分集特性，以改善性能？天線和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？安裝在車頂下方靠近天線的位置，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、行車攝影裝置等)

目前有廠商開發出的解決方案系奠基于WISPA收發器以及MARS-ITS基頻處理器。WISPA RF收發器中的兩個調諧器可調諧至不同的頻率，實現雙通道接收；也可調諧至相同的頻率，實現單通道分集接收。發送器可調諧至TX循環延遲分集(CDD)。 MARS-ITS基頻處理器是以數位訊號處理器(DSP)為基礎的引擎，并輔以專用硬體加速器。基頻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)。基頻處理器采用Cohda Wireless演算法，可處理行車視線外車對車通訊以及高行動性的通道條件。該解決方案擴展了通訊范圍，因而有更多的時間預測潛在事故，確保通訊連貫 性。

圖1表示資料從天線流入MAC層，上半部線條表示CCH通道，而下方線條代表SCH通道。使用解碼器輸出做為通道估算的一部分，藉由此技術改善接收品質。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，與開始發送資料封包時執行單一訓練符號有所不同。

圖1　單晶片、雙通道、無分集示意圖

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

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

圖2顯示使用RF電纜的分集技術，該技術的劣勢是須要使用昂貴的同軸電纜和主動式天線，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可用于交換資料，以達成天線訊號的組合，如圖3中的箭頭所示。該 范例說明了三種方法：(1)在進行任何解調之前先交換資料，基頻樣本也同時進行交換；(2)最佳組合(LLR一個方向，訓練符號另一個方向)；(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處理器時，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衰退通道的單天線和雙天線接收性能

前文中的圖形著重在接收路徑，數位連結必須要能以較低的時延傳輸大量資料。服務通道中的單點傳播操作要求較短的回饋循環。在傳輸路徑上，最主要的技術問題是確保分開的兩個基頻晶片之間具有固定時延，發送回圈分集技術要求輸出訊號時間保持一致。

在所有汽車中導入C2X通訊，可擴展性在技術上將是一大挑戰。性能、天線位置、收發器和服務數量為互相牽制的參數，致使無法達成一可行的解決方案。

基于Cohda軟體和量產IC的原型產品，能滿足前述OEM要求，可支援所有天線配置，并支援分集和非分集模式下的單通道與雙通道訊號處理。透過軟體方式，實現有/無天線分集情況下的雙通道接收或單通道接收的靈活部署，且支援運行時模式切換。

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