LTE进军车联网V2X:探索新成员加入带来的技术突破与发展前景!
eefocus 2023-09-21

LTE凭借着高数据传输率、低延迟、低功耗等特性,成为车联网的重要连接技术。 而LTE V2X版本的发布,也使蜂巢式网络技术扩展到汽车应用中。

随着物联网(IoT)的发展与成熟,多种无线协议都试图在M2M通讯领域中抢占一席之地。 现在,最有希望取得主导地位的,可能是你从未想到的——LTE。

LTE是用来连接智能型手机与因特网的无线协议,但事实上它的应用不只是智能型手机的连接而已。 高速LTE亦适用于车辆通讯,以实现先进的资通讯系统或V2X(Vehicle-to-X)通讯应用。 它具备高数据传输率、低延迟特性、并能在车辆高速行驶时保持正常运作,因此可作为汽车上网以及链接其他车辆的理想协议。

然而,LTE的优势不仅是速度而已。 新版LTE具有较低功率和低数据率,是一种低成本、长距离,而且低功耗的无线协议,非常适合IoT应用。

LTE在连网汽车的应用

虽然现今LTE主要应用于手机,然而,很快地,它就会成为数百万辆汽车链接至云端,以及汽车之间彼此链接的主要技术。 虽然LTE是一项用于智能手机的技术,但它的高速与低延迟特性,让它也成为汽车应用的绝佳选择。

除了高速之外,LTE还有长距离、优异的基地台交接(Hand-off)效能,以及在物体高速移动时正常运作的优点。 这些特性使其成为汽车通讯应用的理想协议。

LTE可为汽车提供多种应用,包括Wi-Fi热点、先进的信息娱乐与导航、资通讯系统、以及V2X通讯等。 这些应用并不会彼此排挤,因为最新一代LTE模块的带宽够大,足以同时支持多种应用。

Wi-Fi热点

Wi-Fi热点是最明显,同时也是LTE蜂巢式技术能提供给汽车的最有效应用。 LTE能提供相当于有线宽带的连接速度。 让多个用户与应用共享连接,不会影响效能。 例如,同时观赏多个视讯串流,而不影响其它正在执行的连网应用。


图1 LTE很快会成为数百万辆汽车链接云端以及汽车之间彼此链接的主要技术。
与智能手机产生的热点相比,汽车热点的连网稳定性与讯号接收度更佳。 放置于汽车内的LTE模块可采用尺寸较大的外部天线,而且功耗不必像智能手机那样受限于电池的容量。 因此,即使在停车场与其他条件不佳的环境中,也能有好的讯号接收。

信息娱乐与导航

LTE可为先进的信息娱乐与导航服务提供足够的带宽。 实时的街景或视讯能被用来辅助导航功能。 乘客在车上或当车子停好时进行视频会议也是可行的。 在行驶中,也能下载高分辨率的卫星影像与地图信息。

针对实时路况等较低带宽的应用,LTE因为能更快、低延迟地在可靠网络上进行更新,因此效能远比2G或3G网络优异。 作为一项前瞻性的标准,LTE技术也拥有更长的网络寿命(Network Longevity)。

先进资通讯系统

资通讯系统是另一个大大受益于LTE连接技术的领域。 LTE蜂巢式技术可将详细的实时车辆位置与诊断信息上传至云端。 这些信息可为消费性与商业应用带来显著的效益。

消费者可受益于知道汽车的位置与状态。 例如,家长可能想知道家中汽车的位置以及它的诊断信息。 来自车内或安装于仪表板上的实时影像,对通讯或指引,以及意外事件的紧急救难人员都非常有价值。

针对商用车队,更详细的资通讯讯息可协助管理者提升驾驶与车队的效率。 诊断讯息可协助车队管理人更准确地监控车辆状态,确保车辆能安全上路。 来自车内、仪表板、或安装于货车车箱上的摄影机视讯能让车队管理人更有效地与驾驶沟通,提供远程指引,或远程监控他们的工作状况(如货物的装载/卸除)。


图2 LTE可为先进的信息娱乐与导航服务提供足够的带宽。 在行驶中,也能下载高分辨率的卫星影像与地图信息。
V2X通讯

最令人振奋的进展是,透过新增的V2X通讯功能,LTE将可提升ADAS系统的效能。 在即将发布的第14版3GPP 标准中,LTE V2X是专门为车辆之间的通讯、以及与周遭环境通讯所设计。 此讯息可用来防止意外发生、改善交通流量,并收集有用的信息让旅程更安全、快速以及更有效率。

虽然LTE通讯一般都是从终端用户装置连接至基地台,但V2X通讯将增加装置与装置间的直接通讯模式。 透过让装置之间能够直接通讯,此超低延迟特性使车对车(V2V)通讯成为可能。 由于意外通常都发生在一瞬间,一般驾驶无法及时反应,因此超低延迟的通讯能力有助于避免碰撞,或用来警示危险。

针对盲点侦测、危险弯路、以及其它视线受阻的危险情况,V2V通讯可发挥避免意外的重要价值。 它还能透过协调汽车的行驶速度来改善交通流量,并提供道路施工警示、以及交通号志时间等环境信息。

低速LTE链接汽车/IoT应用

虽然高速LTE是连网汽车的理想选择,但仍有许多其他的IoT使用案例并不需要LTE的高速带宽,而且它的成本较高。 但是,LTE的易于使用、以及既有蜂巢式基础架构的可靠效能,都是非常宝贵的。 基于这个原因,现今许多的IoT部署,从智能电网、到资产追踪器以及安全性等,仍依赖3G或甚至2G蜂巢式连接技术来实现。

这些既有技术可提供蜂巢式连接的便利性,而且速度足以支持中/低带宽应用。 然而,网络寿命是一个重要挑战。 工业产品的生命周期比消费性装置长了许多。 部署之后,工业装置可能要运作5到10年,或者更长。 随着电信业者完成LTE网络的移转,全球的2G和3G网络便将陆续淘汰。 今日的装置将无法再依赖既有的蜂巢式技术来取得长久的支持。

为了满足M2M应用的中/低带宽需求,以及扩展LTE到新的超低带宽应用,3GPP制定了新的LTE衍生版本。 这些新标准是专为低数据传输率所设计,并具备可靠、低成本特性。 它们不但能满足依赖前世代蜂巢式技术的装置的需求,还能扩展LTE到超低带宽的更广泛应用。

LTE Cat 1

LTE Cat 1具备10Mbps的下载与5Mbps的上传效能,能够满足低到中带宽应用的需求。 它能提供可靠的蜂巢式连接性以及网络寿命,而且成本比智能型手机用的LTE Cat 4+模块显著降低。 除了更低的成本之外,LTE Cat 1的功耗也比Cat 4+更低,这对以电池供电的IoT装置来说是关键要件。

Cat 1 LTE适用于各种工业应用,包括将监控视讯内容传送给警示系统、资通讯系统、ATM等。 由于硬件成本低,因此能被部署于网关或各个装置中。

网络供货商看到了Cat 1技术在IoT应用的潜力,因此大部分的主要电信业者都已在全球部署了这个技术。 澳洲的Telstra和Vodafone、韩国的SKT、KT和LG U+、中国电信集团、以及日本的NTT Docomo、KDDI和Softbank等,这些领先的网络供货商都已经争相部署,意图掌握商机。


图3 TOBY-R202模块支持美国AT&T与T-Mobile的LTE Cat 1网络,并能在-40°C到+85°C的温度范围内运作。

图4 u-blox的SARA-N201 NB-IoT模块采用套迭式设计概念,无需重新设计PCB就能在不同的蜂巢式技术之间轻松升级。
NB-IoT(LTE Cat NB1)

NB-IoT(Cat NB1)是一项令人振奋的LTE新标准。 利用完全不同的实体与链结层协议,但仍然采用蜂巢式基地台的基础架构,它能以简单、平价的无线电模块实现超低功耗的连接性。

低数据传输率协议的省电效率极佳,因此实现10年或更长的电池寿命是有可能的。 它的下载与上传效能分别为27.2kbps和62.5kbps,对许多的IoT感测和量测装置来说,此速度已十分足够。

此外,此技术的窄频特性以及低于GHz的频段部署,能提供更优异的讯号穿透能力。 这使得NB-IoT成为多种应用的理想通讯协议,包括智能量表、安全系统,以及要求装置安装于室内或地下室等传统无线电技术无法到达的其他应用。

蜂巢式技术应用更多元

LTE是众所皆知的高速蜂巢式网络技术,它的功能正快速演进,扩展到智能型手机以外的领域。 更高速度的版本是连网汽车应用的理想平台,而LTE V2X版本的发布,将能使蜂巢式网络技术扩展到汽车应用中。

针对频谱上另一端的更低速度,新的LTE版本亦扩展了它的应用范围与功能。 Cat-1和NB-IoT将使LTE可支持低功耗与低数据传输率的应用,但仍具备蜂巢式技术的便利性,以及未来的长期使用寿命。


图5 NB-IoT(Cat NB1)的窄频特性以及低于GHz的频段部署,能提供更优异的讯号穿透能力。 因此成为多种应用的理想通讯协议,包括智能量表、安全系统等。

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