车联网及无线通信所使用的射频前端芯片在车联网的应用

车联网及无线通信所使用的射频前端芯片在车联网的应用
智能汽车是当今科技领域的热门话题。相比于传统汽车，智能汽车不仅能提供更加舒适、安全、高效的驾乘体验，还能实现与其他车辆、基础设施、云端等的互联互通，从而打造一个智慧出行的生态系统。

汽车行业也因此正在经历一场前所未有的变革，这场变革被称为汽车的新四化，分别指的是：电气化、网联化、智能化、共享化。其中，网联化是新四化的基础和核心。网联化是指汽车通过各种通信技术与车内设备、车际设备、云端设备进行车联网，实现数据交换、信息共享和服务协同。

那么，车联网是如何实现的呢？车联网与无线通信所使用的射频前端芯片又是什么关系？本文就尝试对以上技术做一个梳理。

车联网中的通信技术

车联网通信技术是指在交通环境中，实现车辆内部、路侧单元、行人、云端服务之间的信息交互和协同的技术。根据连接范围的不同，在此将车联网通信技术分为三类讨论，分别是：车内互联、车际互联和车云互联。这三种互联的应用范围和特点分别是：

车云互联：用于连接车辆与云端

车际互联：用于连接车辆与周边车辆、路侧单元、行人

车内互联：用于实现车内多种多样的灵活互联

图：车联网中的部分通信技术

以下就对这三种互联技术展开介绍。

车云互联

车云互联是指将汽车和云端服务器连接起来，这样就可以实现对车辆状态、位置、行驶数据等信息的采集和传输，并提供基于云端计算和大数据分析的各种信息服务。

与云端互联之后，车辆就可以实现很多丰富的功能。比如：

车辆远程控制：通过手机可以远程控制车辆启动、开门、空调、音响等功能，可查看车辆实时状态、故障诊断等功能

互联导航：通过云端的地图数据和路况信息，可以为驾驶者提供最优的导航路线，也可以根据驾驶者的偏好和出行场景，推荐附近的停车场、加油站、餐厅等服务点

内容下载：通过连接云端服务器，可以将音乐、视频、新闻 、游戏等内容，下载到本地

车辆智能升级：通过蜂窝网络，可以实现对车辆的软件和固件的远程升级，提高车辆的性能和安全性，也可以根据车主的需求，定制个性化的功能和设置

智能交通/智能城市管理：通过将车辆连接至云端，就可以实现城市车辆的统一管理，实现更好的资源配置以及交通智能优化

与云端互联有诸多好处，也成为车联网必须实现的功能之一。目前车联网主要是通过与蜂窝网络的连接，实现与云端服务器的互联，实现数据传输。

蜂窝网络是一种利用蜂窝状的小区覆盖服务区域，实现移动通信的网络技术。由于网络覆盖的形状像蜂窝的一个个小格子，所以由此得名。英文称之为Cellular Network（细胞网络），也是因为整个巨大的网络像由一个个小的“细胞”构成。

我们熟悉的5G手机就是典型的蜂窝技术代表，而经常提到的2G/3G/4G/5G的通信制式演进，指的也是全球的蜂窝通信技术。蜂窝网络的主要特点是：

蜂窝结构：通过将服务区域划分为多个相邻的正六边形小区，可以简化网络规划和管理，降低干扰和成本

移动性管理：通过在小区之间进行切换，可以保持移动用户与网络之间的通信连接，实现无缝漫游

频率复用：通过将同一组频率在不同的小区中重复使用，可以提高频谱利用率和系统容量

蜂窝通信所用到的基站一般只覆盖几百米或数公里，通过全球数千万个这样的基站，就可以实现整个地球上主要地区的全球通信。基站不动，手机只要连接到任何一个基站，都相当于连接到了整个世界。蜂窝通信是全球人类共同的大工程。

图：蜂窝移动通信示意图

正是因为以上特点，自从1983年诞生以来，蜂窝通信快速迭代发展，经过40多年的发展，目前已经演进至第五代，也就是5G蜂窝通信网络。这张网络连接了全球人口，根据全球电信联盟的统计和预测，2022年全球智能手机在网数已达到64亿，而到2030年，这一数字将达到90亿[1]。

在4G之前，蜂窝网络主要给“人”用，其重要的通信载体是手机。但这一现象在5G到来之后迎来改变，5G的网络定义将“物”的使用也考虑进来，力争实现万物互联的网络。

图：蜂窝网络的三次重要变革，力争实现万物互联

对于车云互联，最简单的方法就是让汽车可以接入蜂窝网络。根据ABI的统计，2020年全球出售的新车中，41%的汽车具备联网功能[2]。这些车辆的联网功能基本均是由蜂窝网络接入车云互联来实现的。

车际互联

尽管蜂窝网络覆盖范围广、产业链成熟，是汽车实现最初联网功能的首选通信技术。但蜂窝网络用作车际互联使用的时候也有一些弊端。比如：

连接蜂窝网络必须要基于基站建设，这就限制在车辆只能在有基站的地方使用

所有汽车都连接蜂窝网络（接入网-核心网）进行通信，导致更大的时延

车辆直接互联的创新场景，如车队编队、路侧感知等功能无法有效实现

于是，业界就开始开发专门给汽车使用通信技术，这其中的代表技术就是3GPP组织所推动的C-V2X技术。C-V2X是一种为车辆设计的专门网络，C-V2X的特点是：

C-V2X可以让车辆与其他车辆、路侧基础设施和行人直接通信，从而提高道路安全和交通效率

C-V2X不依赖于网络覆盖，可以在没有基站的情况下实现低时延、高可靠的直接通信

C-V2X可以利用5G技术提供更高的速度、更低的时延和更大的容量，从而支持更多的创新场景，如自动驾驶、车队编队、扩展传感器、远程驾驶等

C-V2X可以与现有的蜂窝网络和生态系统兼容，降低部署成本和复杂度

图：C-V2X技术实现的车际互联

和传统蜂窝技术相比，C-V2X实现自组网的原因是引入了短距离接口，一般称之为PC5接口，或者Side-link接口。称之为Side-link的原因是因为这个连接只负责和旁边（Side）物体连接（Link），又称为PC5的原因是因为短距离互联所需要的功率等级比较低，天线口为20dBm，是3GPP所定义的第5功率等级（Power Class 5）。

Uu接口与车云互联中提到的蜂窝网络互联无异，因为连接的是用户终端（User Equipment），这个连接在LTE时代的一些标准定义被称为Uu，这个接口名称也在C-V2X中被沿用下来。这个接口的技术规格与3GPP所定义的手机规格一致，并没有新的特性。

图：C-V2X技术中的两种通信接口

PC5是为汽车等需要进行自组网互联的物体所定义的通信规格，这是3GPP首次开始定义自组网网络，通信规格对于3GPP来说是全新且充满挑战的。国内一些厂商在规格制定上也贡献出自己的力量。在3GPP PC5低功率终端协议的定义中，国内领先的射频前端厂商慧智微在5G NR Rel-18协议中参与Side-link/PC5相关的讨论，进行提案并立项，推动PC5标准在3GPP的完善。

如C-V2X名称所示，C-V2X期待实现基于蜂窝网络的汽车与任何物体的互联（Cellular- Vehicle-to-everything），这里大家可能会有疑问，如果车与人要互连，来感受车旁边的人的话，那是不是每个人都需要带一个支持C-V2X的手机？如果没有这部手机，是不是车辆就感受不到了呢？

其实在实现上，并不需要道路周边所有设备都加装C-V2X功能。汽车与道路周边万物的互联可以通过路侧的C-V2X路侧单元（RSU，Road Side Unit）实现。而路侧单元中可以加装人体识别、热感应、光学雷达等设备，用于感知道路周边的环境情况，再通过C-V2X中的PC5接口告诉车辆，这样就可以实现车辆对周边环境的感知[4]。RSU与RSU之间，RSU与蜂窝基站之间，可以通过光纤或蜂窝网络连接。

图：C-V2X实现的对道路周边信息感知

以上汽车与路侧单元共同实现车辆对环境感知的方式叫“车路协同”。车路协同是C-V2X一大优势，通过车路协同，汽车不再是一个单独的个体，通过与路侧的协同、感知、控制，可以完成更智能、更安全、更可控的网联汽车。

目前C-V2X的设计规划及商业应用已经清晰，主要分为以下四个主要阶段：

阶段一：2020年之前，市场起步

阶段二：2022至2022年，辅助驾驶

阶段三：2022至2025年，无人驾驶阶段1（特定场景）

阶段四：2025年以后，无人驾驶阶段2（完全无人驾驶）

现阶段，中美两大市场都明确了发展方向为C-V2X，专门用于短距离通信PC5接口的具体频谱资源暂定为[7][8]：

美国：5.850-5.925GHz

中国：5.905-5.925GHz

日本：5.850-5.925GHz

目前C-V2X产业正在快速发展中，根据佐思汽研发布的报告，2022年已有20余款乘用车搭载C-V2X，包括蔚来ET7、别克GL8 Avenir、广汽Aion V、北汽ARCFOX等车型。2022年1-6月，搭载C-V2X技术量产的乘用车约4.6万辆，这一数字在2026年将超过200万辆。未来五年实现数十倍的增长。

车内互联

车内互联技术主要实现汽车与车内物体的互联，比如：手机、车钥匙、临时接入的国内平板电脑、笔记本电脑等。所使用到的通信技术一般为近距离的无线通信技术。

目前车内所使用到的近距离无线通信技术主要有：

Wi-Fi (Wireless Fidelity，无线保真) 技术：Wi-Fi技术是一种基于IEEE 802.11系列协议标准实现的无线通信技术，该通信协议于1996年由澳洲的研究机构CSIRO提出，Wi-Fi 凭借其独特的技术优势，是目前最为主流的无线局域网接入技术标准（蜂窝通信为广域网通信标准）。Wi-Fi技术主要使用2.4GHz或5GHz的无线电频段，支持多种网络标准和安全协议，具有传输速度快、覆盖范围广、兼容性强等特点，所以被广泛应用于家庭、办公、公共场所等各种场景；

蓝牙 (Bluetooth) ：蓝牙技术也是一种短距离无线通信技术，它可以在2.4GHz的ISM频段上实现设备之间的数据和语音传输。蓝牙技术由爱立信公司于1998年创立。相比于Wi-Fi技术，蓝牙技术的特点是低功耗、低成本、低复杂度、高安全性和高可靠性，同时蓝牙的数据传输速度也低于Wi-Fi。蓝牙技术的应用领域非常广泛，包括汽车、工业、医疗、消费电子、智能家居等；

NFC (Near Field Communication，近场通信) ：NFC技术是一种近距离无线通信技术，它可以实现电子设备之间的非接触式点对点数据传输。NFC技术由RFID（非接触式射频识别）演变而来，NFC采用电磁耦合感应技术，电磁场频率是13.56MHz。NFC技术有很多应用场景，例如移动支付、公交卡、门禁卡等。NFC技术的优点是方便快捷、安全可靠、低功耗、低成本等，其缺点是传输距离短、传输速率低、受干扰影响大等；

UWB（Ultra-Wide Band，超宽带）：UWB技术的基本原理是通过发送和接收极短的脉冲信号来进行无线通信。由于采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，其频谱范围一般是在3.1GHz~10.6GHz频率范围内的500MHz信号。UWB技术目前的应用主要是在高精度定位中。由于UWB的高定位精度特性，未来可能应用于对安全有高需求的定向通信场景中。

在车内设备通信中，一般采用多种通信技术结合的方式。下图为部分车内设备使用到的通信技术。

图：部分车内设备使用到的通信技术

在车内互联上，一般采用多种通信技术灵活互联的方式进行，可以根据场景的传输速率、成本、距离等，综合选取最为合适的传输技术。另外，也可以使用多种技术相结合。

车载通信的技术实现 

汽车通信功能是依靠T-Box或智能网联模组来实现的。

T-Box全称是Telematics Box（远程通信盒子），T-Box与智能网联模组中负责通信的主要功能模块是“通信模块”，而通信模块中实现无线互联的是射频前端芯片。

以下就针对T-Box/智能网联模组、通信模块、射频前端进行介绍。

T-Box/智能网联模组的功能

T-Box中的“T”是Telematics的缩写，Telematics是Tele-communications（电信）与Informatics（信息科学）的合成词，是包含通信网络及信息处理的功能模块，T-box一方面接入汽车总线，掌握车辆信息、整车控制信息，一方面又负责接入通信网络，实现网络通信功能。T-Box的重要性在于T-Box汽车与外部设备之间的通信界面和功能实现，汽车的车云、车际、车内通信功能需要由T-Box实现。

T-Box一般放置于中控台下方，由MCU、4G/5G通信模块、Wi-Fi通信模块等多个电路模块构成。

图：T-Box及通信模块

智能网联模组一般设计成SoC+通信模块集成的模组形式，直接与智能座舱系统集成，其功能与T-Box功能类似。

通信模块的功能

通信模块是T-Box/智能网联模组中负责无线通信的单元。

随着协议的复杂，通信制式的增加，用于通信的射频系统也变的非常复杂。目前移动终端支持的频段数目达30个，并且每个频段都需要进行射频调试和适配，这就使得射频工作量极大。并且由于射频知识也较为晦涩难懂，射频专业人员招聘和培养相对困难，除非是年销量极大的头部手机公司，其他中小规模有无线互联需求的公司，很难建立起完整的射频开发和调试团队。

虽然射频技术复杂，工作量巨大，但其完成的功能却极其简单：射频就是把终端想要发射的信息，通过一定的形式，发射出去；再把需要接收的信息，想办法接收并把信息提取出来即可。

正是因为这种特点，物联网行业出现出一批专门提供专业通信解决方案的公司。这些专业的通信、互联解决方案公司将通信功能进行设计和包装，以实现完成通信射频复杂功能的同时，接口保持简化。使用户不再去关注射频电路的实现，而是把精力放到上层的方案设计中来。

图：物联网模块公司：将物联网无线通信功能实现方式专业化的公司

目前物联网模块行业已经发展较为成熟，根据Counterpoint的统计，2022年全球物联网模块出货将超6亿片。其中根据2022年 Q1的统计，移远、广和通、日海等厂商是此市场主要供应商[10]。

在目前车载T-Box系统中，大部分方案也使用通信模块来实现通信功能。下图为广和通旗下全球车载通信模块领先厂商之一的Rolling Wireless的车载通信模块产品。该产品集成了蜂窝通信、C-V2X、GNSS等功能[11]。

图：Rolling Wireless提供的车载通信模块产品方案

射频前端的功能

通信模块中的射频连接功能是靠射频前端芯片来实现。

射频前端是无线通信模块的核心组件，它负责信号的发射和接收，由于位于整个系统的最前端，所以称为“射频前端”。

图：射频前端的构成部分，及主要模块

射频前端包括功率放大器、低噪声放大器、滤波器、开关，它们共同构成了信号的放大、切换、滤波等功能。射频前端的性能直接影响到无线通信的速率、覆盖范围、功耗等指标。这些模块的主要功能是：

功率放大器（PA，Power Amplifier）：是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出的放大器。功率放大器的输出功率能力，决定了系统能输出的最大信号强度；

低噪声放大器（LNA，Low Noise Amplifier）：是指噪声系数很低的放大器，用于放大可能非常弱的信号。低噪声放大器的能力，决定了系统接接收到的最小信号强度；

滤波器（Filter）：是指能够根据信号频率的不同，选择性地通过或衰减信号的电路。主要用做滤除对其他频段的干扰，或者从众多干扰信号中抽取有用信号；

开关（Switch）：是指能够控制通路通断的器件。主要功能是铺路架桥，为射频信号提供必要的通路。

车联网的芯片需求 

随着汽车的智能化、网联化，根据英飞凌的统计，智能电动车中使用的芯片价值量在单车834美元。前述提到的各种复杂通信功能，最终都需要芯片承载实现。汽车成为芯片使用的巨大市场。

汽车对芯片的需求也和消费类有大的不同。为了保证汽车的安全、可靠和高效运行，同时也要适应恶劣的环境条件和多样的应用场景，针对车载应用的芯片，专门进行了车规级芯片需求。

车规级芯片和商用芯片在规格上有很大的不同，主要体现在以下几个方面：

工作温度范围：车规级芯片需要能够在极端的高温和低温下正常工作，一般要求在-40℃到85℃之间，甚至到125℃之间工作。而商用芯片一般只能在0℃到70℃之间工作；

工作稳定性：车规级芯片需要能够抵抗汽车运行过程中产生的各种干扰，如电磁干扰、电压波动、振动冲击等，而商用芯片一般只能在相对稳定的环境下工作；

不良率：车规级芯片需要有很低的不良率，目标达到0 DPPM（Defect Part Per Million，每百万失效数），而商用芯片一般要求为100 DPPM左右；

功能安全：车规级芯片需要遵循ISO 26262等功能安全标准，保证在出现故障时能够及时检测、隔离和恢复，避免造成严重后果，而商用芯片一般没有这样的要求；

认证流程：车规级芯片需要通过ITAF16949等质量管理体系认证，以及AEC-Q系列产品质量认证，证明其符合汽车行业的要求，而商用芯片一般只需要通过普通的质量检测。

正是因为以上原因，车规芯片的价格也会高于商规芯片。成本提升的主要原因来自于应用于车载时，所做的必要的质量控制与标准认证。

车联网芯片的未来  

车联网后，智能汽车可以利用先进的信息通信技术，实现车与车、车与路、车与人、车与云等多方面的网络连接，提高交通安全、效率和智能化水平。车联网将是未来智能汽车发展的大势所趋。

在车联网发展中，车联网芯片也会随之演进、优化，在未来车联网芯片的发展中，我们看到有以下趋势：

车联网芯片的市场需求将持续增长，随着5G、C-V2X等技术的推广和应用，车联网芯片需要支持多模双通、高速率、低时延、高可靠性等特性，同时还需要满足车规级的可靠性和安全性要求；

芯片厂与整车厂将有更多协同，随着车联网技术的发展，以及对车联网技术的提升，目前“整车-T-Box-物联网模块-射频前端芯片”的车联网产业链条太过冗长，未来可能出现整车厂与射频前端芯片厂商直接协同，推进车载射频连接技术快速发展的情况；

标准化将逐步完善，车联网芯片需要遵循统一的标准和规范，以保证兼容性和互操作性，同时也需要支持标准的前向演进能力，以适应未来的技术变化和业务需求。目前车联网芯片的标准在伴随行业发展逐步演进中，车联网芯片的标准也将逐步完善。

总  结

百年以来，通信技术、电子技术的发展，将人类带入了一下丰富多彩的智能世界。在这个世界里，电话、电脑、家用电器，这一切的物体，都在走向“移动”且“互联”。

汽车也不例外，自发明之日起，汽车就是一个已经实现“移动”的大家伙，但如何让汽车也实现“互联”却是通信从业者过去几十年不断努力的方向。

5G的到来，使移动通信的关注点不再局限于手机；汽车的电气化也是智能化、网联化有了基础。“车联网”终于得以完整实现。

因为应用环境、功能需求、可靠性需求的不同，车联网对用于通信的射频芯片也提出了更多不一样的要求，射频芯片厂商也在不断地学习与提升，为车载应用提供更可靠、更便捷、更优性能的通信芯片。

参考文献：

[1].GSMA，The Mobile Economy 2023，2023

[2].How many connected cars are there worldwide , https://smartcar.com/blog/connected-cars-worldwide/

[3].RWS-210135, Support lower power class for NR, SmarterMicro Inc. https://www.3gpp.org

[4].ZTE promotes autonomous driving in the 5G era with commitment to the integrated C-V2X solution ，https://www.zte.com.cn/global/about/news/20191022e1.html

[5].慧智微，5G协议再演进：慧智微3GPP提案正式立项，2022

[6].慧智微，车联网，需要什么样的射频芯片？，2022

[7].《蜂窝车联网（C-V2X）技术与产业发展态势前沿报告（2020）》，中国通信学会白皮书（最终稿）, Nov，2020.

[8].https://5gaa.org/ Feb 14th , 2022.

[9].佐思汽研，2022年C-V2X和车路协同行业研究报告

[10]. https://www.communicationstoday.co.in/global-cellular-iot-module-shipments-grew-35-yoy-in-q1-2022/

[11]. https://www.rollingwireless.com/solutions