eng
Выпуск #6/2020
Д. Мак-Грат
Проектирование беспроводных чипсетов 5G для беспилотных автомобилей
Проектирование беспроводных чипсетов 5G для беспилотных автомобилей
Просмотры: 2927
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.197.6.68.69
Рассмотрены проблемы, связанные с проектированием беспроводных чипсетов 5G для беспилотных автомобилей. Отмечено, что контрольно-измерительные решения, применяемые для тестирования таких чипсетов, должны точно измерять и оценивать характеристики сигнала, не порождая новых проблем.
Рассмотрены проблемы, связанные с проектированием беспроводных чипсетов 5G для беспилотных автомобилей. Отмечено, что контрольно-измерительные решения, применяемые для тестирования таких чипсетов, должны точно измерять и оценивать характеристики сигнала, не порождая новых проблем.
Теги: 5g technologies self-driving cars wireless chipsets беспилотные автомобили беспроводные чипсеты технологии 5g
Проектирование беспроводных чипсетов 5G для беспилотных автомобилей
Д. Мак-Грат
Вероятно, самым большим препятствием на пути широкого распространения беспилотных автомобилей является неприятие инноваций потребителями. Многочисленные исследования показывают, что беспилотные автомобили значительно реже попадают в дорожно-транспортные происшествия, чем их более опытные соперники – люди. Тем не менее, водители не спешат выпускать из рук руль и не хотят превращаться в пассажиров, полностью зависящих от машины. Возможно, со временем эта ситуация изменится – по мере того, как беспилотные автомобили будут совершенствоваться и люди начнут к ним привыкать, потребители, вероятно, будут настроены менее скептически. Ну, а пока проблема озабоченности водителей своей безопасностью стоит очень остро.
Согласно исследованию, проведенному Американской автомобильной ассоциацией в 2018 году [1], 73% американских водителей заявило, что они побоялись бы ехать в полностью беспилотном автомобиле, а 63% взрослых жителей США заявили, что они ощущали бы себя менее защищенными во время ходьбы или езды на велосипеде, если бы по дорогам перемещались беспилотные автомобили.
Такое восприятие беспилотных автомобилей – рациональное или нет – показывает, с чем приходится сталкиваться их разработчикам. Озабоченность потребителей безопасностью беспилотных автомобилей вынуждает рассматривать все аспекты беспилотного вождения буквально под микроскопом – от чипсетов и компонентов до серийного производства готовых автомобилей. Столь повышенное внимание потребителей к безопасности беспилотных автомобилей подчеркивает важность соответствующего тестирования на всех этапах их проектирования и производства.
Без технологий 5G не обойтись
Ассоциация инженеров автомобилестроения определяет шесть уровней автоматизации автомобилей [2]: от 0 (отсутствие автоматизации) до 5 (полная автоматизация). Автомобили уровня 5 – полностью беспилотные – не будут требовать никакого вмешательства человека, кроме указания точки назначения. У таких автомобилей не будет руля и педали тормоза.
Автомобилям уровня 5 не обойтись без технологий 5G, которые используются в них для сверхбыстрого и надежного взаимодействия с другими автомобилями, дорожной инфраструктурой, пешеходами и велосипедистами, а также с облачными ресурсами для получения информации о трафике и погодных условиях. Беспилотным автомобилям нужны самые передовые технологии и приборы, которые помогут им видеть дорогу и реагировать на изменяющуюся ситуацию. Эти технологии включают радар, лидар, искусственный интеллект и расширенную систему датчиков. Данные, собираемые этими системами, помогают автомобилям безопасно перемещаться по дорогам за счет полного кругового обзора. Кроме того, беспилотные автомобили будут обмениваться этой информацией с соседними автомобилями, что поможет им эффективно маневрировать, например, в составе колонны.
Такой уровень взаимодействия опирается на скорость и надежность. Например, в сценарии, требующем экстренного торможения всех автомобилей, находящихся в одно время на данном участке дороги, система беспилотного вождения должна послать мгновенное предупреждение движущимся сзади автомобилям, чтобы предотвратить групповое столкновение. Такое предупреждение будет эффективным лишь в том случае, если оно вовремя достигнет автомобилей сзади и позволит им выполнить маневр уклонения.
Технологии 5G обеспечивают скорость и надежность, необходимую беспилотным автомобилям. Один из наиболее популярных способов применения 5G – сверхнадежные системы связи с малыми задержками (Ultra-Reliable Low-Latency Communication, URLLC), обеспечивающие гарантированную задержку не более 1 мс и надежность 99,999%.
Беспилотным автомобилям, полностью зависимым от возможности взаимодействия с окружающими автомобилями, эта технология просто необходима.
Беспроводные чипсеты
для беспилотных автомобилей
Перед инженерами, проектирующими чипсеты для беспилотных автомобилей, внедрение технологий 5G ставит новые задачи, при этом требуется разрабатывать новые гибкие математические алгоритмы, устройства миллиметрового диапазона, системы с несколькими входами / выходами (MIMO) и решать проблемы формирования диаграммы направленности.
Комбинация этих технологий, требования к тестированию устройств 5G по радиоэфиру (OTA), большие потери распространения в миллиметровом диапазоне и специфические проблемы, связанные с чипсетами для автомобилей (например, применение автомобильных антенн), дополнительно усложняют проектирование чипсетов для беспилотных автомобилей.
Например, на качество сигнала оказывают влияние многие факторы, такие как обработка модулирующего сигнала, модуляция, фильтрация и повышающее преобразование частоты. Сигналы в электронных системах беспилотных автомобилей подвержены искажениям, которые особенно заметны на высоких частотах в более широких каналах, свойственных миллиметровому диапазону.
Системы с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) способны предотвращать помехи, вызванные наложением поднесущих. Однако искажения модулированного сигнала могут порождаться такими проблемами, как синфазные / квадратурные (I / Q) помехи, фазовый шум, линейные (АМ в АМ) и нелинейные (АМ в ФМ) преобразования и погрешность частоты. Наиболее важным фактором в системах OFDM миллиметрового диапазона является фазовый шум. Избыточный фазовый шум приводит к недопустимому увеличению модуля вектора ошибки, что вносит искажения в процесс демодуляции. Кроме того, избыточный фазовый шум порождает помехи поднесущих, что тоже отрицательно влияет на демодуляцию.
Переход в миллиметровый диапазон позволяет расширить полосу канала, но порождает новые проблемы, связанные с потерями и блокировками при распространении сигнала. Из-за короткой длины волны физические объекты, в том числе и другие автомобили, препятствуют распространению сигнала, что дополнительно усугубляется конструкцией автомобильных антенн.
Ключевой технологией, используемой для решения проблем распространения в миллиметровом диапазоне, является формирование диаграммы направленности – метод, который заключается в подаче на каждый антенный элемент сигнала определенной фазы и амплитуды для формирования луча в заданном направлении. В результате передача в миллиметровом диапазоне имеет узконаправленный характер и требует применения активных антенн с большим усилением с электрически формируемой диаграммой направленности. В автомобильных системах, где корпус автомобиля действует как большая заземленная плоскость, расположенная в непосредственной близости от антенны, миллиметровое излучение создает массу дополнительных проблем для тестирования и усложняет управление бюджетом канала.
Разработчикам чипсетов для беспилотных автомобилей приходится преодолевать физические проблемы, связанные с особенностями сигналов миллиметрового диапазона. Поэтому применяемые контрольно-измерительные решения должны точно измерять и оценивать характеристики сигнала, не порождая новых проблем.
Литература
Three in Four Americans Remain Afraid of Fully Self-Driving Vehicles. – https://newsroom.aaa.com/2019/03/americans-fear-self-driving-cars-survey/
SAE International Releases Updated Visual Chart for Its “Levels of Driving Automation” Standard for Self-Driving Vehicles. – https://www.sae.org/news/press-room/2018/12/sae-international-releases-updated-visual-chart-for-its-%E2%80%9Clevels-of-driving-automation%E2%80%9D‑standard-for-self-driving-vehicles
Д. Мак-Грат
Вероятно, самым большим препятствием на пути широкого распространения беспилотных автомобилей является неприятие инноваций потребителями. Многочисленные исследования показывают, что беспилотные автомобили значительно реже попадают в дорожно-транспортные происшествия, чем их более опытные соперники – люди. Тем не менее, водители не спешат выпускать из рук руль и не хотят превращаться в пассажиров, полностью зависящих от машины. Возможно, со временем эта ситуация изменится – по мере того, как беспилотные автомобили будут совершенствоваться и люди начнут к ним привыкать, потребители, вероятно, будут настроены менее скептически. Ну, а пока проблема озабоченности водителей своей безопасностью стоит очень остро.
Согласно исследованию, проведенному Американской автомобильной ассоциацией в 2018 году [1], 73% американских водителей заявило, что они побоялись бы ехать в полностью беспилотном автомобиле, а 63% взрослых жителей США заявили, что они ощущали бы себя менее защищенными во время ходьбы или езды на велосипеде, если бы по дорогам перемещались беспилотные автомобили.
Такое восприятие беспилотных автомобилей – рациональное или нет – показывает, с чем приходится сталкиваться их разработчикам. Озабоченность потребителей безопасностью беспилотных автомобилей вынуждает рассматривать все аспекты беспилотного вождения буквально под микроскопом – от чипсетов и компонентов до серийного производства готовых автомобилей. Столь повышенное внимание потребителей к безопасности беспилотных автомобилей подчеркивает важность соответствующего тестирования на всех этапах их проектирования и производства.
Без технологий 5G не обойтись
Ассоциация инженеров автомобилестроения определяет шесть уровней автоматизации автомобилей [2]: от 0 (отсутствие автоматизации) до 5 (полная автоматизация). Автомобили уровня 5 – полностью беспилотные – не будут требовать никакого вмешательства человека, кроме указания точки назначения. У таких автомобилей не будет руля и педали тормоза.
Автомобилям уровня 5 не обойтись без технологий 5G, которые используются в них для сверхбыстрого и надежного взаимодействия с другими автомобилями, дорожной инфраструктурой, пешеходами и велосипедистами, а также с облачными ресурсами для получения информации о трафике и погодных условиях. Беспилотным автомобилям нужны самые передовые технологии и приборы, которые помогут им видеть дорогу и реагировать на изменяющуюся ситуацию. Эти технологии включают радар, лидар, искусственный интеллект и расширенную систему датчиков. Данные, собираемые этими системами, помогают автомобилям безопасно перемещаться по дорогам за счет полного кругового обзора. Кроме того, беспилотные автомобили будут обмениваться этой информацией с соседними автомобилями, что поможет им эффективно маневрировать, например, в составе колонны.
Такой уровень взаимодействия опирается на скорость и надежность. Например, в сценарии, требующем экстренного торможения всех автомобилей, находящихся в одно время на данном участке дороги, система беспилотного вождения должна послать мгновенное предупреждение движущимся сзади автомобилям, чтобы предотвратить групповое столкновение. Такое предупреждение будет эффективным лишь в том случае, если оно вовремя достигнет автомобилей сзади и позволит им выполнить маневр уклонения.
Технологии 5G обеспечивают скорость и надежность, необходимую беспилотным автомобилям. Один из наиболее популярных способов применения 5G – сверхнадежные системы связи с малыми задержками (Ultra-Reliable Low-Latency Communication, URLLC), обеспечивающие гарантированную задержку не более 1 мс и надежность 99,999%.
Беспилотным автомобилям, полностью зависимым от возможности взаимодействия с окружающими автомобилями, эта технология просто необходима.
Беспроводные чипсеты
для беспилотных автомобилей
Перед инженерами, проектирующими чипсеты для беспилотных автомобилей, внедрение технологий 5G ставит новые задачи, при этом требуется разрабатывать новые гибкие математические алгоритмы, устройства миллиметрового диапазона, системы с несколькими входами / выходами (MIMO) и решать проблемы формирования диаграммы направленности.
Комбинация этих технологий, требования к тестированию устройств 5G по радиоэфиру (OTA), большие потери распространения в миллиметровом диапазоне и специфические проблемы, связанные с чипсетами для автомобилей (например, применение автомобильных антенн), дополнительно усложняют проектирование чипсетов для беспилотных автомобилей.
Например, на качество сигнала оказывают влияние многие факторы, такие как обработка модулирующего сигнала, модуляция, фильтрация и повышающее преобразование частоты. Сигналы в электронных системах беспилотных автомобилей подвержены искажениям, которые особенно заметны на высоких частотах в более широких каналах, свойственных миллиметровому диапазону.
Системы с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) способны предотвращать помехи, вызванные наложением поднесущих. Однако искажения модулированного сигнала могут порождаться такими проблемами, как синфазные / квадратурные (I / Q) помехи, фазовый шум, линейные (АМ в АМ) и нелинейные (АМ в ФМ) преобразования и погрешность частоты. Наиболее важным фактором в системах OFDM миллиметрового диапазона является фазовый шум. Избыточный фазовый шум приводит к недопустимому увеличению модуля вектора ошибки, что вносит искажения в процесс демодуляции. Кроме того, избыточный фазовый шум порождает помехи поднесущих, что тоже отрицательно влияет на демодуляцию.
Переход в миллиметровый диапазон позволяет расширить полосу канала, но порождает новые проблемы, связанные с потерями и блокировками при распространении сигнала. Из-за короткой длины волны физические объекты, в том числе и другие автомобили, препятствуют распространению сигнала, что дополнительно усугубляется конструкцией автомобильных антенн.
Ключевой технологией, используемой для решения проблем распространения в миллиметровом диапазоне, является формирование диаграммы направленности – метод, который заключается в подаче на каждый антенный элемент сигнала определенной фазы и амплитуды для формирования луча в заданном направлении. В результате передача в миллиметровом диапазоне имеет узконаправленный характер и требует применения активных антенн с большим усилением с электрически формируемой диаграммой направленности. В автомобильных системах, где корпус автомобиля действует как большая заземленная плоскость, расположенная в непосредственной близости от антенны, миллиметровое излучение создает массу дополнительных проблем для тестирования и усложняет управление бюджетом канала.
Разработчикам чипсетов для беспилотных автомобилей приходится преодолевать физические проблемы, связанные с особенностями сигналов миллиметрового диапазона. Поэтому применяемые контрольно-измерительные решения должны точно измерять и оценивать характеристики сигнала, не порождая новых проблем.
Литература
Three in Four Americans Remain Afraid of Fully Self-Driving Vehicles. – https://newsroom.aaa.com/2019/03/americans-fear-self-driving-cars-survey/
SAE International Releases Updated Visual Chart for Its “Levels of Driving Automation” Standard for Self-Driving Vehicles. – https://www.sae.org/news/press-room/2018/12/sae-international-releases-updated-visual-chart-for-its-%E2%80%9Clevels-of-driving-automation%E2%80%9D‑standard-for-self-driving-vehicles
Отзывы читателей
