自動(dòng)駕駛汽車(chē)是本世紀(jì)最受炒作的技術(shù)之一，有望徹底改變我們的交通方式。任何自動(dòng)駕駛汽車(chē)的基本組成部分之一是無(wú)線電系統(tǒng)，它不僅驅(qū)動(dòng)自動(dòng)操作所需的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而且還驅(qū)動(dòng)新協(xié)議和算法的測(cè)試/驗(yàn)證和原型設(shè)計(jì)。在這種情況下，軟件定義無(wú)線電 (SDR) 可以即時(shí)支持新的標(biāo)準(zhǔn)和功能，而對(duì)硬件的更改最少。基于 SDR 的測(cè)試系統(tǒng)可以重新配置其內(nèi)部數(shù)字結(jié)構(gòu)，以測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車(chē) (AV) 嵌入式固件在面對(duì)新協(xié)議、頻率分配和功能(例如安全和交通管理要求)時(shí)的射頻行為。

在本文中，我們將討論如何使用和配置高端 SDR，以通過(guò)提供低延遲來(lái)滿(mǎn)足原型設(shè)計(jì)和部署 AV 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 要求;可調(diào)節(jié)的寬瞬時(shí)帶寬和頻率調(diào)諧范圍;多輸入多輸出 (MIMO) 收發(fā)器通道;以及基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的高性能數(shù)字后端。我們還將討論基于 SDR 的智能收發(fā)器和認(rèn)知無(wú)線電在車(chē)聯(lián)網(wǎng) (VIoT)、車(chē)對(duì)車(chē) (V2V)、車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 和車(chē)對(duì)任何事物 (V2X) 中的作用溝通。

最先進(jìn)的 AV 和基礎(chǔ)設(shè)施

AV 基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展是將這些車(chē)輛切實(shí)融入我們社會(huì)的第一步。到目前為止，大多數(shù) AV 研究工作都針對(duì)新傳感器的開(kāi)發(fā)，例如雷達(dá)、激光雷達(dá)和計(jì)算視覺(jué)設(shè)備，它們是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的基本組成部分。然而，僅傳感器僅限于車(chē)輛周?chē)h(huán)境。通過(guò)為 AV 通信引入快速可靠的 RF 基礎(chǔ)設(shè)施，每輛汽車(chē)都可以從周?chē)钠渌O(shè)備和傳感器收集更多信息，包括其他車(chē)輛、路邊單元、交通信號(hào)燈，甚至行人。因此，VIoT 有可能以指數(shù)方式提高 AV 的態(tài)勢(shì)感知能力，從而顯著改善其決策。

AV 中的無(wú)線電通信可以在 V2V、V2I 或 V2X 中執(zhí)行。V2V 連接旨在在車(chē)輛之間交換信息，并且可以通過(guò)將位置信息數(shù)據(jù)廣播到附近的所有 AV 來(lái)執(zhí)行。這樣，每個(gè) AV 不僅可以了解附近車(chē)輛的位置和速度，還可以與附近的 AV 協(xié)調(diào)策略，以確保所有人都能獲得最佳結(jié)果。V2I 通信在車(chē)輛和路邊單元 (RSU) 之間執(zhí)行，路邊單元為 AV 提供回程和本地服務(wù)。與 V2V 通信類(lèi)似，RSU 通過(guò) WAVE(車(chē)載環(huán)境中的無(wú)線接入)服務(wù)公告或 GeoNetworking 消息廣播其位置以獲取空間感知。

最后，V2X 將車(chē)輛的車(chē)載單元 (OBU) 連接到附近的任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括其他車(chē)輛、基礎(chǔ)設(shè)施、行人和手機(jī)。V2X 部署有多種標(biāo)準(zhǔn)，包括專(zhuān)用短距離通信 (DSRC) 和 ETSI IT，它們將 IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)用于物理和介質(zhì)訪問(wèn)層。V2X 系統(tǒng)最流行的標(biāo)準(zhǔn)之一是 NG-V2X，它在 5G NR 接口之上提供多種 AV 特定功能，包括車(chē)輛之間的傳感器數(shù)據(jù)交換、遠(yuǎn)程駕駛、高級(jí)駕駛(用于車(chē)輛協(xié)調(diào))和車(chē)輛排隊(duì)。鑒于美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)，預(yù)計(jì) V2X 技術(shù)的發(fā)展將加速?zèng)Q定將部分 5.9-GHz 頻段專(zhuān)門(mén)分配給蜂窩 V2X 通信。

用于 AV 的 SDR

為了充分了解 SDR 如何在 AV 部署中應(yīng)用，讓我們討論一下這些無(wú)線電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。SDR 的一般架構(gòu)由無(wú)線電前端 (RFE) 和數(shù)字后端組成，用作具有 DSP 功能的收發(fā)器并連接到外部主機(jī)，包括 PC 和網(wǎng)絡(luò)。RFE 由接收 (Rx) 和發(fā)送 (Tx) 線路組成，它們?cè)诤軐挼恼{(diào)諧范圍內(nèi)提供放大、濾波和混頻。高端商用 SDR 可以在多個(gè)獨(dú)立通道上達(dá)到高達(dá) 3 GHz 的瞬時(shí)帶寬，這些通道可以在 MIMO 配置中運(yùn)行。數(shù)字后端由具有 DSP 功能的 FPGA 組成，包括調(diào)制、解調(diào)、上/下轉(zhuǎn)換和以太網(wǎng)鏈路上的數(shù)據(jù)分組 (qSFP+)。此外，F(xiàn)PGA 可以運(yùn)行特定應(yīng)用的算法，通信協(xié)議，甚至人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序。RFE 通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接到數(shù)字后端。

FPGA 的可重構(gòu)性與高端 RFE 的寬調(diào)諧范圍相結(jié)合，使現(xiàn)成的 SDR 可以應(yīng)用于具有不同尺寸、重量和功率要求的各種應(yīng)用中。此外，基于 SDR 的系統(tǒng)可以輕松更新和升級(jí)，無(wú)需任何硬件修改。因此，隨著 AV 標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的發(fā)展——以及隨之而來(lái)的頻率和吞吐量要求——SDR 很可能經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)，并作為 AV 技術(shù)的高端測(cè)試套件發(fā)揮作用。因此，大多數(shù) AV 部署在測(cè)試和處理中實(shí)施 SDR 也就不足為奇了。

SDR 為 V2X 系統(tǒng)的性能測(cè)試提供了重要工具，因?yàn)樗鼈兙哂锌芍匦屡渲玫恼{(diào)諧頻率、實(shí)現(xiàn)不同 AV 無(wú)線協(xié)議棧的能力以及與開(kāi)源軟件工具(如 GNU Radio)的兼容性。特別是，低延遲 SDR 對(duì)于確保實(shí)時(shí)快速可靠的 V2V 通信至關(guān)重要。

上海高級(jí)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究所的研究人員證明了這一點(diǎn)，他們使用具有通用軟件無(wú)線電外設(shè)的 SDR 平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一種用于 V2V 通信的原型性能分析工具。他們通過(guò)更改資源分配、信號(hào)處理機(jī)制和幀結(jié)構(gòu)、模擬 LTE-V 標(biāo)準(zhǔn)并使用該工具根據(jù)來(lái)自 SDR 的測(cè)量信號(hào)生成數(shù)值結(jié)果來(lái)修改 LabVIEW LTE 框架。他們的結(jié)果顯示了該工具的有效性，他們認(rèn)為該工具將用于評(píng)估 V2V 網(wǎng)絡(luò)和 5G V2X 技術(shù)。

基于 SDR 的性能評(píng)估的另一個(gè)重要發(fā)展是 Epochs 參考應(yīng)用程序 (ERA)，其中 Epochs 代表認(rèn)知異構(gòu)系統(tǒng)的高效可編程性。ERA 本質(zhì)上是一個(gè)參考應(yīng)用程序，它基于 DSRC、機(jī)器人操作系統(tǒng) (ROS) 中間件和 GNU Radio 對(duì)在同一環(huán)境中運(yùn)行的一組互連 AV 進(jìn)行建模。ERA 中的每個(gè) AV 使用車(chē)載傳感器生成本地占用地圖網(wǎng)格，通過(guò) DSRC 與其他車(chē)輛通信。ERA 軟件套件可用于開(kāi)發(fā)專(zhuān)注于一組 AV 的集體智能的 AV 技術(shù)，使用群體意識(shí)來(lái)創(chuàng)建導(dǎo)航策略，超越僅由一輛車(chē)獲得的有限信息。最后，MIMO SDR 可用于模擬 OBU 收發(fā)器上的干擾，

SDR 還可用于驅(qū)動(dòng) V2X 網(wǎng)絡(luò)中的定位系統(tǒng)。定位的動(dòng)機(jī)來(lái)自于 GNSS 技術(shù)的局限性，在城市峽谷、隧道和地下公園中，由于信號(hào)反射(也稱(chēng)為多徑效應(yīng))，該技術(shù)往往會(huì)失敗。該問(wèn)題的一種可能解決方案是使用具有高級(jí)處理工具的板載 SDR 來(lái)計(jì)算數(shù)據(jù)包接收時(shí)間，通過(guò)使用準(zhǔn)確的時(shí)序和多路徑感知來(lái)消除多路徑效應(yīng)造成的退化。SDR 還可以同時(shí)支持多種無(wú)線電技術(shù)，例如 NR V2X、LTE-V2X 和 DSRC，以高于 6 GHz 的頻率運(yùn)行。

此外，現(xiàn)成的商用 SDR 與 IEEE 802.11p 和 IEEE 1609 標(biāo)準(zhǔn)兼容，因此可以使用現(xiàn)成的 SDR 從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā) AV 網(wǎng)絡(luò)。

最后，基于 SDR 的 AV 系統(tǒng)可以輕松升級(jí)到最新技術(shù)，支持所有當(dāng)前和未來(lái)的 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)，而無(wú)需修改硬件。

結(jié)論

自動(dòng)駕駛汽車(chē)即將成為現(xiàn)實(shí)，但在我們看到自動(dòng)駕駛汽車(chē)在我們的日常生活中導(dǎo)航之前，仍需要一些技術(shù)發(fā)展。特別是，車(chē)輛、基礎(chǔ)設(shè)施和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)于擴(kuò)展傳感器數(shù)據(jù)的覆蓋范圍、為車(chē)輛提供空間和功能感知以及允許不同 AV 之間的協(xié)調(diào)以獲得最佳交通結(jié)果至關(guān)重要。

在這種情況下，SDR 是在 AV 基礎(chǔ)設(shè)施中進(jìn)行原型設(shè)計(jì)、測(cè)試和部署 RF 技術(shù)的最佳選擇，因?yàn)樗鼈兙哂懈叨瓤芍貥?gòu)性、寬調(diào)諧范圍、低延遲、高數(shù)據(jù)吞吐量和板載主機(jī)接口。因此，SDR 幾乎可以在任何 V2X 通信方案中實(shí)施。例如，基于 SDR 的平臺(tái)可以模擬基于 LTE-V 標(biāo)準(zhǔn)的 V2V 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能評(píng)估，或者模擬一組互連的 AV 以通過(guò) V2V 開(kāi)發(fā)群體智能。此外，SDR 可以通過(guò)使用多路徑感知增強(qiáng)功能來(lái)執(zhí)行位置定位，從而提高有限環(huán)境(例如城市峽谷和隧道)的精度。最后，