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如何使用真正的并发双频段Wi-Fi实现新一代车内连接

2019-10-11
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在过去,

GPS尚未问世,

地图便是必备的导航工具,

您还记得那些日子吗?


回想当时,

车内娱乐的唯一来源是AM/FM收音机或磁带、CD等物理介质。


在那个时候,

汽车的差异化主要看它们的驾驶性能。


随后...

蓝牙技术开始集成到汽车中,

用于免提呼叫和基本的音乐流媒体。

因而在做购买决定时,更加看重车载功能


如今,许多汽车都至少提供这种水平的车内连接。然而,数量不断增长的移动电话、平板电脑和其他智能设备让普通消费者的技术意识迈上新台阶。因此,他们的期望在不断抬高车内连接要求的门槛。



信息娱乐系统现在已成为汽车中的关键差异化因素。这些系统高度复杂、功能强大,既包含驾驶辅助系统,又能为驾驶人员及乘客提供娱乐支持。汽车也正在配备后座高清视频显示器。Apple CarPlay和Android Auto等应用支持每位用户将手机无缝连接到汽车的信息娱乐系统。


由于所有这些设备都是在车辆的受限空间内无线连接,因此必须高效使用可用的RF频段,才能充分发挥可用无线技术的优势。



在本文中,我们将探讨车内连接用例、它们的技术要求以及如何有效满足这些要求,从而提供最佳的乘车体验。


信息娱乐系统的特性与优势


下文将介绍现在的汽车已经提供,或未来的汽车即将提供的信息娱乐系统用例/特性及其优势:


  • 免提呼叫 – 这一特性支持用户在不拿起手机的情况下,通过使用方向盘上提供的控制功能,完成接听电话或拨打电话。这一特性不仅方便通话,还因为用户不必拿起手机,提高了驾驶的安全性。


  • 文本消息阅读功能 – 这一特性支持用户在不拿起手机的情况下,通过使用方向盘上提供的控制功能,阅读显示在信息娱乐系统屏幕上的文本消息。与免提呼叫功能相似,也是由于用户无需拿起手机阅读文本消息,因此,这一特性同样提高了驾驶的安全性。该功能往往配备文本朗读功能,避免驾驶人员分心。


  • 音频同步播放音乐 – 这一特性支持用户将手机中的音频同步到信息娱乐系统。使用该特性,便可通过车载扬声器播放手机中的音乐,还可以使用方向盘或控制仪表盘上的各种按钮进行控制。通过无线音频同步,无需使用辅助线缆就能连接到信息娱乐系统,而且乘客也能控制音乐。


  • 支持Apple CarPlay和Android Auto等新应用 – 支持这两种应用的汽车能将手机显示屏的内容投映到控制仪表盘的LCD显示器上,以便操作各种手机功能和常用应用,如地图、音乐等。例如,在这两种应用的支持下,可在控制仪表盘的显示器上显示导航,或使用控制仪表盘的触摸屏全屏播放YouTube视频。这个特性不仅可以访问手机,还为一般较为复杂的信息娱乐系统用户界面提供了一个替代界面。支持用户使用自己熟悉的智能手机界面。


  • 后座显示器视频流 – 这项特性支持通过汽车的LTE调制解调器或本地媒体设备,或通过智能手机的Wi-Fi热点在后座的高清显示器播放视频流。无需关注道路状况的儿童或乘客可以使用该特性。


  • 通过车载LTE调制解调器访问互联网 – 这些特性方便乘客通过车载LTE调制解调器,使用手机、平板电脑或笔记本电脑访问互联网。


信息娱乐系统所需的无线技术


图1所示的是车内连接的高级原理图。实际实施随系统架构而改变。此外,该原理图未体现涉及车身电子产品的用例(虽然对于这种类型的用例,无线连接的应用正在日渐普及)。


图1:连接到信息娱乐/车联网


蓝牙 – 将蓝牙技术用于汽车已有十余年的历史。免提呼叫、阅读文本消息和音频同步等功能均由蓝牙技术提供支持。


Wi-Fi – 后座视频流和通过车载LTE调制解调器访问互联网等特性均使用Wi-Fi实现。Apple CarPlay和Android Auto应用最初通过有线方式连接到信息娱乐系统,但现在转为使用无线方式,采用Wi-Fi提供无线连接。


几乎所有这些特性都需要同时可用。例如,当驾驶员在打电话时,地图必须同时显示,且后座娱乐活动不被打断。然而,我们必须认识到通过有限频段进行无线通信产生的种种局限。蓝牙使用2.4GHz ISM频段开展通信,大部分Wi-Fi设备也使用该频段。直到IEEE 802.11n出台以前,Wi-Fi都在使用2.4GHz频段进行通信。当蓝牙和Wi-Fi同时在2.4GHz频段下工作时,如果没有采取协调共存措施,可能导致音频断续并严重影响Wi-Fi吞吐量。


为了更好地理解这一问题,我们应该先了解蓝牙和IEEE 802.11b如何使用这一频段。从2.402GHz到2.480GHz,蓝牙拥有79个1MHz通道。Wi-Fi在同样频段内拥有多个20/22MHz通道。图2所示的是蓝牙(红色)和Wi-Fi(蓝色)使用同样频率的通道尝试通信时发生的情况。


图2:工作在2.4GHz频段下的蓝牙与Wi-Fi发生冲突


在汽车这样的受限环境中,最大的挑战是让蓝牙与Wi-Fi同时以高吞吐量完成近距离通信。使用数据包流量仲裁器的有源共存措施可协调蓝牙和Wi-Fi的频段访问,同时提高蓝牙和Wi-Fi的性能。由于基本的时间复用型共存措施非常低效,对蓝牙同步链路并不适用,因此在为车载应用选择方法前了解共存质量至关重要。


有源共存措施能够帮助蓝牙和Wi-Fi在2.4GHz频段下实现共存。然而,这种方法要求蓝牙和Wi-Fi射频共址。而且因为这两种技术都不能一直占用频段,而是逐个数据包共享频段,所以吞吐量也受到限制(不同于射频不共址的固定时分方法)。在车内连接用例中,Wi-Fi所受影响最大。例如,持续的免提呼叫和音乐流媒体会严重影响Wi-Fi的吞吐量,因为共存数据包流量仲裁器会试图赋予HFP或A2DP数据包较高优先级。因为电话通话是实时数据包,所以通话过程中丢包是不可接受的。对于实时应用,数据缓存或数据再发送不可行。音乐也存在同样的情况。数据包丢包会劣化音频质量,进而影响整体用户体验。此外,由于大量设备使用这一频段,导致这一频段相当拥挤,因此,2.4GHz还有种种自身局限。


解决Wi-Fi吞吐量问题的解决方案是使用5GHz频段。802.11n出台后,Wi-Fi通信就可以使用5GHz频段。这样,Wi-Fi和蓝牙就能在不影响性能的情况下共存。而此前使用的2.4GHz共存措施会导致吞吐量降低近50%。


使用工作在IEEE 802.11n和802.11ac标准下的5GHz频段,当蓝牙被用于免提呼叫或音乐流媒体时,Wi-Fi吞吐量不受影响。此外,5GHz频段也不如2.4GHz频段拥塞,因为如今有数项其他技术使用2.4GHz频段,包括大多数Wi-Fi设备。因此,与11n相比,5GHz频段的丢包率更低。虽然.11ac和.11n都支持5GHz频段,但由于车内连接有极高的吞吐量要求,.11ac成为车内连接的唯一选择。.11ac使用256-QAM调制,.11n只使用64-QAM调制。.11ac提供20MHz、40MHz、80MHz和160MHz通道,.11n只提供20MHz和40MHz通道。这使得.11ac比.11n更适合车内连接。


同时支持2.4GHz和5GHz频段Wi-Fi连接的Wi-Fi设备被称为双频段Wi-Fi设备。从名称来看,双频段往往被误解成设备能同时通过2.4GHz和5GHz频段传输信号。实际上,大部分设备不具备同时使用双频段的能力。而是系统可以复用2.4GHz流量和5GHz流量。通过这种方式,设备能在2.4GHz频段和5GHz频段间切换,分别支持使用2.4GHz通道和5GHz通道的设备。然而这种做法会严重地影响吞吐量。因为时间复用关系和模式间切换产生的延迟,有效的吞吐量会不足两个频段始终活跃时的吞吐量的50%。这种实现方案也被称为虚拟同步双频段。对于需要同时连接多个设备,提供视频流媒体、免提呼叫和数据访问的汽车用例,需要使用实时同步双频段(RSDB)Wi-Fi。


实时同步双频段


实时同步双频段指设备能同时使用2.4GHz频段和5GHz频段进行通信。与虚拟双频段实现方案不足50%的带宽利用相比,RSDB确保对每频段实现100%的带宽利用。例如,2.4GHz频段的20MHz通道支持72Mbps的PHY速率,提供50Mbps的TCP吞吐量。5GHz频段的80MHz通道支持433Mbps的PHY速率,提供300Mbps的TCP吞吐量。在2.4GHz频段下运行20MHz通道,并同时在5GHz频段下运行80MHz通道,RSDB实现方案能在这两个频段上分别提供50Mbps和300Mbps的吞吐量。且与单独使用每个频段的解决方案相比,频段利用率高达100%。


对RSDB的支持由硬件的架构决定。真正的RSDB实现方案需要双MAC、PHY和射频硬件,才能同时运行两个频段。运行在5GHz频段的较新型设备能最大限度地利用可用频段,无需担心运行在2.4GHz下的蓝牙,并能优先处理手机通话和音乐等活动。众多消费设备仍在2.4GHz频段下使用Wi-Fi,对RSDB的需求主要由这一事实推动。为了获得最佳性能,需要同时使用2.4GHz频段和5GHz频段。使用RSDB技术,2.4GHz可用于连接只支持2.4GHz Wi-Fi工作方式的手机、平板电脑和笔记本电脑。


此外,也能通过时间复用,用蓝牙访问互联网数据,因为在该用例下赋予蓝牙优先权不会严重影响用户体验。5GHz频段则用于后座显示和Android Auto等应用。因此,高效率共存与RSDB的结合是提供最佳用户体验的关键(即5GHz通信和2.4GHz Wi-Fi通信与2.4GHz蓝牙共存,用于车内连接)。这种解决方案正逐渐在市场上崭露头角。例如,赛普拉斯提供的CYW89359是一种单芯片RSDB Wi-Fi + 蓝牙解决方案,为高效率共存解决方案提供并行共存接口。


对于完全采用这种先进技术实现车内全面连接的中高端汽车,可靠性、性能和互操作性至关重要。因此,OEM厂商必须选择一种硬件平台,既能提供所需的吞吐量,又能保证与移动电话、PC机、平板电脑和笔记本电脑等其他设备一起使用。


赛普拉斯提供11ac RSDB + Bluetooth组合器件,能支持2.4GHz和5GHz SISO(单输入单输出)同步运行 + 蓝牙、2.4GHz 2x2 MIMO(多输入多输出)+ 蓝牙或5GHz 2x2 MIMO + 蓝牙。同时支持部署最为广泛的Wi-Fi和蓝牙堆栈。2.4GHz和5GHz SISO + 蓝牙是信息娱乐系统中最理想的用例,因为系统中部分设备使用5GHz,部分使用2.4GHz。然而,在只需要使用一个频段进行通信的用例中,可以采用2x2 MIMO。这样系统就能使用多个天线收发数据。与SISO运行方式相比,在给定频段下能提供2倍吞吐量。


汽车行业正在经历一场车内连接革命。多部设备需要同时无线连接。车内连接从需要支持基本的免提呼叫发展到需要支持先进的信息娱乐系统。吞吐量需求也随之提高,要能够提供足够吞吐量来支持多部显示器、互联网访问、屏幕共享和蓝牙连接。


11ac RSDB Wi-Fi标准是唯一能满足持续增长的吞吐量需求的协议。为了可靠、高效地连接各种车载技术,特别是蓝牙和Wi-Fi,Wi-Fi + Bluetooth射频设计是最高效、最经济的解决方案。由于共存问题由器件本身解决,OEM厂商无需投入大量时间和资金解决已经得到解决的共存问题。选择行业支持的方法为成功实现商业化车内连接提供基础,因为它已经可以与任何想要连接的Wi-Fi或蓝牙设备兼容。此外,这种方案还减少设计投资和用时,省出资源可用于进行互操作性测试。



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