实时双频Wi-Fi如何实现下一代车内连接

Posted 2020-12-16 wujianming-110117

实时双频Wi-Fi如何实现下一代车内连接

How real simultaneous dual band Wi-Fi enables next-generation in-vehicle connectivity

还记得GPS不存在的时候，地图是导航的基本工具吗？当时，车内娱乐的唯一来源是AM/FM收音机或磁带和CD等实体媒体。这是一个汽车主要以驾驶性能来区分的时代。后来，蓝牙技术开始被集成到汽车中，用于免提通话和基本音乐流媒体，而购车者则因为在做出购买决策时更注重车内功能。             

如今，许多车辆至少提供了这种级别的车内连接。然而，手机、平板电脑和智能设备的数量不断增加，提高了普通消费者的技术意识。因此，期望正在扩大车内连接要求的极限。             

信息娱乐系统现在已经成为汽车的一个关键区别因素。这些系统非常复杂且功能强大，包括驾驶员辅助系统以及对驾驶员和乘客的娱乐支持。汽车配备了后座高清视频显示器。像applecarplay和android Auto这样的应用可以让每个用户的手机无缝连接到车辆的信息娱乐系统。             

由于所有这些设备都是在车辆的受限环境中进行无线连接的，因此必须有效地利用可用的射频频谱，以最大限度地利用现有的无线技术。在本文中，将探讨车内连接用例、技术要求，以及如何有效地解决这些问题，以提供最佳的车内体验。

Infotainment system features are advantages

以下是信息娱乐系统的一些使用案例/功能，要么在今天的汽车中提供，要么在即将推出的车辆中引入，以及优点：             

免提通话–此功能允许用户使用方向盘上的控制按钮，在不接触手机的情况下参与或拨打电话。这项功能不仅可以方便地使用手机的通话功能，而且还可以使驾驶更安全，因为用户不需要亲自操作手机。             

阅读文字信息的能力–此功能允许用户使用方向盘上的控制按钮在信息娱乐系统屏幕上阅读文字信息，而无需触摸手机。与免提通话类似，这项功能也使驾驶更安全，因为用户不需要通过身体接触手机来阅读短信。文本到语音通常与此功能相结合，以提供无干扰的体验。              

音频同步播放音乐–此功能允许用户将手机的音频与信息娱乐系统同步。使用此功能，可以通过车内扬声器欣赏手机上的音乐，并且可以使用方向盘或仪表板控制按钮控制音乐。通过无线音频同步，无需将腋下电缆连接到信息娱乐系统，任何乘客都可以控制音乐。             

支持新的应用程序，如Apple CarPlay和Android Auto——支持这些应用程序的汽车允许在仪表板LCD显示屏上复制手机的显示，从而方便地访问各种手机功能和常用应用程序，如地图、音乐等。例如，在这些应用程序的支持下，导航可以显示在仪表板显示屏上，也可以单独使用仪表板触摸屏播放YouTube视频。这项功能不仅允许使用手机，还提供了一个替代一般复杂的信息娱乐系统用户界面，允许用户保留熟悉的智能手机界面。             

视频流传输到后座显示器–此功能允许使用汽车的LTE调制解调器或本地媒体设备，或通过智能手机的Wi-Fi热点将视频流传输到后座高清显示屏。可供儿童或不需要集中精力在路上的乘客使用。             

通过汽车内置的LTE调制解调器接入互联网——这项功能允许乘客使用汽车内置的LTE调制解调器在电话、桌子或笔记本电脑上访问互联网。

Wireless technology needed by infotainment features

信息娱乐功能所需的无线技术

图1显示了车内连接的高级框图。实际实现因系统架构而异。此外，该图没有捕获可能扩展到车身电子设备的用例（尽管无线连接对于这些用例也越来越流行）。

Figure 1: Connectivity with infotainment/telematics system

图1：与信息娱乐/远程信息处理系统的连接             

蓝牙–蓝牙在汽车上的应用已经有十多年了。免提通话、阅读短信和音频同步等功能都使用蓝牙。             

Wi-Fi–后座视频流和通过汽车内置LTE调制解调器访问互联网等功能使用Wi-Fi。Apple CarPlay和Android汽车应用程序开始时是通过有线连接到信息娱乐系统，但现在转向无线，并使用Wi-Fi进行空中连接。             

几乎所有这些特性都需要同时可用。例如，当驾驶员接听电话时，必须同时显示地图，并且不得中断后座娱乐系统。然而，重要的是要了解有限频谱对空中通信的限制。与大多数Wi-Fi设备一样，蓝牙使用2.4GHz ISM频段进行通信。在IEEE 802.11n之前，Wi-Fi使用2.4ghz频段进行通信。蓝牙和Wi-Fi在2.4GHz频段运行，如果没有协调共存措施，可能会导致音频断断续续，并严重影响Wi-Fi吞吐量。             

为了更好地理解这个问题，考虑一下蓝牙和IEEE 802.11b如何使用频谱。蓝牙有79个1-MHz信道，从2.402GHz到2.480GHz。Wi-Fi在同一频率范围内有20/22MHz信道。图2显示了当蓝牙（红色）和Wi-Fi（蓝色）尝试使用具有公共频率的信道进行通信时会发生什么。

Figure 2: Collision when Bluetooth and Wi-Fi operate in 2.4 GHz band

图2：蓝牙和Wi-Fi在2.4GHz频段工作时的碰撞             

在汽车这样的受限环境中，最大的挑战是使蓝牙和Wi-Fi能够同时以高吞吐量进行近距离通信。使用数据包流量仲裁器的主动共存措施可以调解蓝牙或Wi-Fi是否可以访问频谱，从而获得更好的蓝牙和Wi-Fi性能。在选择汽车应用程序的方法之前，必须了解共存的质量，因为基于基本时间复用的共存非常低效，不适合蓝牙同步链路。             

主动共存可以帮助蓝牙和Wi-Fi在2.4GHz频段共存。然而，这需要同时配置蓝牙和Wi-Fi无线电。吞吐量受到限制，因为这两种技术的频谱并非始终可用，因为仍然以每包为基础共享频谱（而不是在无线电未配置时采用固定的时间分割方式）。Wi-Fi对车内连接用例的影响最大。例如，免提通话和音乐流的连续性会显著影响Wi-Fi吞吐量，因为共存分组流量仲裁器试图赋予HFP或A2DP分组更高的优先级。呼叫过程中的丢包是不可接受的，因为呼叫是实时数据包。数据缓冲或重发不是一个选项，因为所有事情都是实时发生的。音乐也是如此。丢包将导致音频质量下降，进而影响整体用户体验。此外，2.4GHz也有其自身的局限性，因为使用设备数量相对较多。             

解决5GHz带宽问题的答案是移动Wi-Fi。通过802.11n，5ghz频段可用于Wi-Fi通信。这使得Wi-Fi和蓝牙能够共存而不影响性能。与此相比，当使用2.4GHz共存措施时，吞吐量减少了近50%。             

在IEEE802.11n和802.11ac中，5ghz频段工作，当蓝牙用于免提通话或音乐流时，Wi-Fi吞吐量不会受到影响。此外，5ghz频段比2.4ghz频段更不拥挤，一些技术使用2.4ghz频段，包括目前使用的大多数Wi-Fi设备。因此，与11n相比，5ghz频带提供了更低的数据包丢弃。尽管.11ac和.11n都支持5ghz频带，.11ac由于非常高的吞吐量要求而成为车内连接的唯一选择。11ac使用256-QAM调制，而.11n仅使用64-QAM调制。11ac提供20兆赫、40兆赫、80兆赫和160兆赫频道，而.11n只允许20兆赫和40兆赫频道。这使得.11ac比.11n更适合车内连接。             

支持2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi连接的Wi-Fi设备称为双频Wi-Fi设备。作为一个术语，双频通常被误解为可以同时以2.4GHz和5GHz传输的设备。实际上，在大多数设备中，这些双频段不能同时使用。相反，系统在2.4GHz和5GHz之间进行多路复用。这样，设备可以在2.4GHz和5ghz频带之间切换以支持分别使用2.4gGHz和5GHz信道的设备。然而，这会显著影响吞吐量。由于时间复用和从一种模式切换到另一种模式的延迟，如果两个频段一直处于活动状态，则有效吞吐量不足所能达到的50%。这种实现也称为虚拟同步双频。对于需要连接多个设备进行视频流、免提通话和数据访问的汽车使用案例，需要真正的同步双频（RSDB）Wi-Fi。

Real simultaneous dual band

真同步双频             

真正的同步双频意味着设备可以同时使用2.4GHz和5GHz频段进行通信。RSDB确保了基于每个频带的100%带宽利用率，而在虚拟双频段实现的情况下，该带宽利用率低于50%。例如，2.4GHz 20 MHz信道提供72 Mbps的PHY速率，从而使TCP吞吐量达到50 Mbps。5GHz 80 MHz信道支持433 Mbps的PHY速率，从而产生300 Mbps的TCP吞吐量。通过2.4GHz 20 MHz信道和5 GHz 80 MHz信道，RSDB实现可为这些频带提供50 Mbps和300 Mbps的吞吐量，与使用单独的单波段操作相比，有效吞吐量为100%。             

对RSDB的支持由硬件的体系结构定义。真正的RSDB实现需要双MAC、PHY和无线电硬件来允许两个频段同时工作。使用5GHz的较新设备可以充分利用可用频谱，而无需担心蓝牙的工作频率为2.4GHz，优先用于各种活动，如电话和音乐。对RSDB的需求主要是因为许多消费设备仍然使用2.4GHz的Wi-Fi。为了获得最佳性能，需要同时提供2.4 GHz和5 GHz频段。通过RSDB，2.4ghz可用于连接仅支持2.4GHz Wi-Fi操作的手机、平板电脑和笔记本电脑。此外，数据的互联网访问可以通过蓝牙进行时间复用，因为在这种情况下，为蓝牙提供优先级不会显著影响用户体验，而5GHz频段可用于后座显示器和Android Auto等应用程序。因此，高效共存和RSDB的结合是提供最佳用户体验的关键（即始终可用5 GHz通信和2.4 GHz Wi-Fi通信，以及在2.4 GHz频段共存的蓝牙，以实现车内连接）。这样的解决方案正在市场上出现。例如，Cypress的CYW89359是单芯片RSDB Wi-Fi+Bluetooth解决方案，为高效共存解决方案提供了并行共存接口。

对于配备了所有这些先进技术来连接车内所有东西的中高端汽车，可靠性、性能和互操作性至关重要。因此，对于原始设备制造商来说，选择一个能够提供所需吞吐量并保证与设备（如移动电话、PC、平板电脑和笔记本电脑）协同工作的硬件平台至关重要。             

Cypress提供11ac RSDB+蓝牙组合设备，支持2.4GHz和5GHz SISO（单输入单输出）同时工作+蓝牙、2.4GHz 2×2 MIMO（多输入多输出）+蓝牙或5GHz 2×2 MIMO+蓝牙。支持最广泛部署的Wi-Fi和蓝牙协议栈。2.4 GHz和5 GHz SISO（带蓝牙）是信息娱乐系统最理想的使用案例，其中一些设备使用5 GHz，有些设备使用2.4 GHz。然而，在通信只需要一个频带的情况下，可以使用2×2 MIMO，使得系统可以使用多个天线来发送和接收数据，并且与SISO操作相比，为给定频带提供了2倍的吞吐量。             

汽车工业正在经历一场车内连接革命。多个设备需要同时无线连接。车内连接已经从支持基本的免提通话发展到支持复杂的信息娱乐系统。吞吐量需求也在增加，需要足够的吞吐量来支持多个显示器、Internet访问、屏幕共享和蓝牙连接。             

11ac RSDB Wi-Fi标准是唯一能够满足不断增长的吞吐量需求的协议。为了向车内所有可用技术（大多数情况下是蓝牙和Wi-Fi）提供可靠和高效的连接，Wi-Fi+蓝牙无线电是最高效、最经济的解决方案。由于共存是由设备本身处理的，原始设备制造商不需要投入大量的时间和金钱来解决已经解决的共存问题。选择一种行业支持的方法为商业上成功的车内连接提供了基础，因为已经可以与所有可能要连接的Wi-Fi或蓝牙设备协同工作。此外，这种方法减少了设计投资和时间，使这些资源能够用于互操作性测试。