實(shí)時(shí)雙頻Wi-Fi如何實(shí)現(xiàn)下一代車內(nèi)連接

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

還記得GPS不存在的時(shí)候，地圖是導(dǎo)航的基本工具嗎？當(dāng)時(shí)，車內(nèi)娛樂的唯一來源是AM/FM收音機(jī)或磁帶和CD等實(shí)體媒體。這是一個(gè)汽車主要以駕駛性能來區(qū)分的時(shí)代。后來，藍(lán)牙技術(shù)開始被集成到汽車中，用于免提通話和基本音樂流媒體，而購車者則因?yàn)樵谧龀鲑徺I決策時(shí)更注重車內(nèi)功能。

如今，許多車輛至少提供了這種級別的車內(nèi)連接。然而，手機(jī)、平板電腦和智能設(shè)備的數(shù)量不斷增加，提高了普通消費(fèi)者的技術(shù)意識。因此，期望正在擴(kuò)大車內(nèi)連接要求的極限。

信息娛樂系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為汽車的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別因素。這些系統(tǒng)非常復(fù)雜且功能強(qiáng)大，包括駕駛員輔助系統(tǒng)以及對駕駛員和乘客的娛樂支持。汽車配備了后座高清視頻顯示器。像applecarplay和Android Auto這樣的應(yīng)用可以讓每個(gè)用戶的手機(jī)無縫連接到車輛的信息娛樂系統(tǒng)。

由于所有這些設(shè)備都是在車輛的受限環(huán)境中進(jìn)行無線連接的，因此必須有效地利用可用的射頻頻譜，以最大限度地利用現(xiàn)有的無線技術(shù)。在本文中，將探討車內(nèi)連接用例、技術(shù)要求，以及如何有效地解決這些問題，以提供最佳的車內(nèi)體驗(yàn)。

Infotainment system features are advantages

以下是信息娛樂系統(tǒng)的一些使用案例/功能，要么在今天的汽車中提供，要么在即將推出的車輛中引入，以及優(yōu)點(diǎn)：

免提通話–此功能允許用戶使用方向盤上的控制按鈕，在不接觸手機(jī)的情況下參與或撥打電話。這項(xiàng)功能不僅可以方便地使用手機(jī)的通話功能，而且還可以使駕駛更安全，因?yàn)橛脩舨恍枰H自操作手機(jī)。

閱讀文字信息的能力–此功能允許用戶使用方向盤上的控制按鈕在信息娛樂系統(tǒng)屏幕上閱讀文字信息，而無需觸摸手機(jī)。與免提通話類似，這項(xiàng)功能也使駕駛更安全，因?yàn)橛脩舨恍枰ㄟ^身體接觸手機(jī)來閱讀短信。文本到語音通常與此功能相結(jié)合，以提供無干擾的體驗(yàn)。

音頻同步播放音樂–此功能允許用戶將手機(jī)的音頻與信息娛樂系統(tǒng)同步。使用此功能，可以通過車內(nèi)揚(yáng)聲器欣賞手機(jī)上的音樂，并且可以使用方向盤或儀表板控制按鈕控制音樂。通過無線音頻同步，無需將腋下電纜連接到信息娛樂系統(tǒng)，任何乘客都可以控制音樂。

支持新的應(yīng)用程序，如Apple CarPlay和Android Auto——支持這些應(yīng)用程序的汽車允許在儀表板LCD顯示屏上復(fù)制手機(jī)的顯示，從而方便地訪問各種手機(jī)功能和常用應(yīng)用程序，如地圖、音樂等。例如，在這些應(yīng)用程序的支持下，導(dǎo)航可以顯示在儀表板顯示屏上，也可以單獨(dú)使用儀表板觸摸屏播放YouTube視頻。這項(xiàng)功能不僅允許使用手機(jī)，還提供了一個(gè)替代一般復(fù)雜的信息娛樂系統(tǒng)用戶界面，允許用戶保留熟悉的智能手機(jī)界面。

視頻流傳輸?shù)胶笞@示器–此功能允許使用汽車的LTE調(diào)制解調(diào)器或本地媒體設(shè)備，或通過智能手機(jī)的Wi-Fi熱點(diǎn)將視頻流傳輸?shù)胶笞咔屣@示屏。可供兒童或不需要集中精力在路上的乘客使用。

通過汽車內(nèi)置的LTE調(diào)制解調(diào)器接入互聯(lián)網(wǎng)——這項(xiàng)功能允許乘客使用汽車內(nèi)置的LTE調(diào)制解調(diào)器在電話、桌子或筆記本電腦上訪問互聯(lián)網(wǎng)。

Wireless technology needed by infotainment features

信息娛樂功能所需的無線技術(shù)

圖1顯示了車內(nèi)連接的高級框圖。實(shí)際實(shí)現(xiàn)因系統(tǒng)架構(gòu)而異。此外，該圖沒有捕獲可能擴(kuò)展到車身電子設(shè)備的用例（盡管無線連接對于這些用例也越來越流行）。

Figure 1: Connectivity with infotainment/telematics system

圖1：與信息娛樂/遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)的連接

藍(lán)牙–藍(lán)牙在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)有十多年了。免提通話、閱讀短信和音頻同步等功能都使用藍(lán)牙。

Wi-Fi–后座視頻流和通過汽車內(nèi)置LTE調(diào)制解調(diào)器訪問互聯(lián)網(wǎng)等功能使用Wi-Fi。Apple CarPlay和Android汽車應(yīng)用程序開始時(shí)是通過有線連接到信息娛樂系統(tǒng)，但現(xiàn)在轉(zhuǎn)向無線，并使用Wi-Fi進(jìn)行空中連接。

幾乎所有這些特性都需要同時(shí)可用。例如，當(dāng)駕駛員接聽電話時(shí)，必須同時(shí)顯示地圖，并且不得中斷后座娛樂系統(tǒng)。然而，重要的是要了解有限頻譜對空中通信的限制。與大多數(shù)Wi-Fi設(shè)備一樣，藍(lán)牙使用2.4GHz ISM頻段進(jìn)行通信。在IEEE 802.11n之前，Wi-Fi使用2.4ghz頻段進(jìn)行通信。藍(lán)牙和Wi-Fi在2.4GHz頻段運(yùn)行，如果沒有協(xié)調(diào)共存措施，可能會導(dǎo)致音頻斷斷續(xù)續(xù)，并嚴(yán)重影響Wi-Fi吞吐量。

為了更好地理解這個(gè)問題，考慮一下藍(lán)牙和IEEE 802.11b如何使用頻譜。藍(lán)牙有79個(gè)1-MHz信道，從2.402GHz到2.480GHz。Wi-Fi在同一頻率范圍內(nèi)有20/22MHz信道。圖2顯示了當(dāng)藍(lán)牙（紅色）和Wi-Fi（藍(lán)色）嘗試使用具有公共頻率的信道進(jìn)行通信時(shí)會發(fā)生什么。

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

圖2：藍(lán)牙和Wi-Fi在2.4GHz頻段工作時(shí)的碰撞

在汽車這樣的受限環(huán)境中，最大的挑戰(zhàn)是使藍(lán)牙和Wi-Fi能夠同時(shí)以高吞吐量進(jìn)行近距離通信。使用數(shù)據(jù)包流量仲裁器的主動共存措施可以調(diào)解藍(lán)牙或Wi-Fi是否可以訪問頻譜，從而獲得更好的藍(lán)牙和Wi-Fi性能。在選擇汽車應(yīng)用程序的方法之前，必須了解共存的質(zhì)量，因?yàn)榛诨緯r(shí)間復(fù)用的共存非常低效，不適合藍(lán)牙同步鏈路。

主動共存可以幫助藍(lán)牙和Wi-Fi在2.4GHz頻段共存。然而，這需要同時(shí)配置藍(lán)牙和Wi-Fi無線電。吞吐量受到限制，因?yàn)檫@兩種技術(shù)的頻譜并非始終可用，因?yàn)槿匀灰悦堪鼮榛A(chǔ)共享頻譜（而不是在無線電未配置時(shí)采用固定的時(shí)間分割方式）。Wi-Fi對車內(nèi)連接用例的影響最大。例如，免提通話和音樂流的連續(xù)性會顯著影響Wi-Fi吞吐量，因?yàn)楣泊娣纸M流量仲裁器試圖賦予HFP或A2DP分組更高的優(yōu)先級。呼叫過程中的丟包是不可接受的，因?yàn)楹艚惺菍?shí)時(shí)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)緩沖或重發(fā)不是一個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)樗惺虑槎际菍?shí)時(shí)發(fā)生的。音樂也是如此。丟包將導(dǎo)致音頻質(zhì)量下降，進(jìn)而影響整體用戶體驗(yàn)。此外，2.4GHz也有其自身的局限性，因?yàn)槭褂迷O(shè)備數(shù)量相對較多。

解決5GHz帶寬問題的答案是移動Wi-Fi。通過802.11n，5ghz頻段可用于Wi-Fi通信。這使得Wi-Fi和藍(lán)牙能夠共存而不影響性能。與此相比，當(dāng)使用2.4GHz共存措施時(shí)，吞吐量減少了近50%。

在IEEE802.11n和802.11ac中，5ghz頻段工作，當(dāng)藍(lán)牙用于免提通話或音樂流時(shí)，Wi-Fi吞吐量不會受到影響。此外，5ghz頻段比2.4ghz頻段更不擁擠，一些技術(shù)使用2.4ghz頻段，包括目前使用的大多數(shù)Wi-Fi設(shè)備。因此，與11n相比，5ghz頻帶提供了更低的數(shù)據(jù)包丟棄。盡管.11ac和.11n都支持5ghz頻帶，.11ac由于非常高的吞吐量要求而成為車內(nèi)連接的唯一選擇。11ac使用256-QAM調(diào)制，而.11n僅使用64-QAM調(diào)制。11ac提供20兆赫、40兆赫、80兆赫和160兆赫頻道，而.11n只允許20兆赫和40兆赫頻道。這使得.11ac比.11n更適合車內(nèi)連接。

支持2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi連接的Wi-Fi設(shè)備稱為雙頻Wi-Fi設(shè)備。作為一個(gè)術(shù)語，雙頻通常被誤解為可以同時(shí)以2.4GHz和5GHz傳輸?shù)脑O(shè)備。實(shí)際上，在大多數(shù)設(shè)備中，這些雙頻段不能同時(shí)使用。相反，系統(tǒng)在2.4GHz和5GHz之間進(jìn)行多路復(fù)用。這樣，設(shè)備可以在2.4GHz和5ghz頻帶之間切換以支持分別使用2.4gGHz和5GHz信道的設(shè)備。然而，這會顯著影響吞吐量。由于時(shí)間復(fù)用和從一種模式切換到另一種模式的延遲，如果兩個(gè)頻段一直處于活動狀態(tài)，則有效吞吐量不足所能達(dá)到的50%。這種實(shí)現(xiàn)也稱為虛擬同步雙頻。對于需要連接多個(gè)設(shè)備進(jìn)行視頻流、免提通話和數(shù)據(jù)訪問的汽車使用案例，需要真正的同步雙頻（RSDB）Wi-Fi。

Real simultaneous dual band

真同步雙頻

真正的同步雙頻意味著設(shè)備可以同時(shí)使用2.4GHz和5GHz頻段進(jìn)行通信。RSDB確保了基于每個(gè)頻帶的100%帶寬利用率，而在虛擬雙頻段實(shí)現(xiàn)的情況下，該帶寬利用率低于50%。例如，2.4GHz 20 MHz信道提供72 Mbps的PHY速率，從而使TCP吞吐量達(dá)到50 Mbps。5GHz 80 MHz信道支持433 Mbps的PHY速率，從而產(chǎn)生300 Mbps的TCP吞吐量。通過2.4GHz 20 MHz信道和5 GHz 80 MHz信道，RSDB實(shí)現(xiàn)可為這些頻帶提供50 Mbps和300 Mbps的吞吐量，與使用單獨(dú)的單波段操作相比，有效吞吐量為100%。

對RSDB的支持由硬件的體系結(jié)構(gòu)定義。真正的RSDB實(shí)現(xiàn)需要雙MAC、PHY和無線電硬件來允許兩個(gè)頻段同時(shí)工作。使用5GHz的較新設(shè)備可以充分利用可用頻譜，而無需擔(dān)心藍(lán)牙的工作頻率為2.4GHz，優(yōu)先用于各種活動，如電話和音樂。對RSDB的需求主要是因?yàn)樵S多消費(fèi)設(shè)備仍然使用2.4GHz的Wi-Fi。為了獲得最佳性能，需要同時(shí)提供2.4 GHz和5 GHz頻段。通過RSDB，2.4ghz可用于連接僅支持2.4GHz Wi-Fi操作的手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦。此外，數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)訪問可以通過藍(lán)牙進(jìn)行時(shí)間復(fù)用，因?yàn)樵谶@種情況下，為藍(lán)牙提供優(yōu)先級不會顯著影響用戶體驗(yàn)，而5GHz頻段可用于后座顯示器和Android Auto等應(yīng)用程序。因此，高效共存和RSDB的結(jié)合是提供最佳用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵（即始終可用5 GHz通信和2.4 GHz Wi-Fi通信，以及在2.4 GHz頻段共存的藍(lán)牙，以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)連接）。這樣的解決方案正在市場上出現(xiàn)。例如，Cypress的CYW89359是單芯片RSDB Wi-Fi+Bluetooth解決方案，為高效共存解決方案提供了并行共存接口。

對于配備了所有這些先進(jìn)技術(shù)來連接車內(nèi)所有東西的中高端汽車，可靠性、性能和互操作性至關(guān)重要。因此，對于原始設(shè)備制造商來說，選擇一個(gè)能夠提供所需吞吐量并保證與設(shè)備（如移動電話、PC、平板電腦和筆記本電腦）協(xié)同工作的硬件平臺至關(guān)重要。
Cypress提供11ac RSDB+藍(lán)牙組合設(shè)備，支持2.4GHz和5GHz SISO（單輸入單輸出）同時(shí)工作+藍(lán)牙、2.4GHz 2×2 MIMO（多輸入多輸出）+藍(lán)牙或5GHz 2×2 MIMO+藍(lán)牙。支持最廣泛部署的Wi-Fi和藍(lán)牙協(xié)議棧。2.4
GHz和5 GHz SISO（帶藍(lán)牙）是信息娛樂系統(tǒng)最理想的使用案例，其中一些設(shè)備使用5 GHz，有些設(shè)備使用2.4 GHz。然而，在通信只需要一個(gè)頻帶的情況下，可以使用2×2 MIMO，使得系統(tǒng)可以使用多個(gè)天線來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且與SISO操作相比，為給定頻帶提供了2倍的吞吐量。

汽車工業(yè)正在經(jīng)歷一場車內(nèi)連接革命。多個(gè)設(shè)備需要同時(shí)無線連接。車內(nèi)連接已經(jīng)從支持基本的免提通話發(fā)展到支持復(fù)雜的信息娛樂系統(tǒng)。吞吐量需求也在增加，需要足夠的吞吐量來支持多個(gè)顯示器、Internet訪問、屏幕共享和藍(lán)牙連接。

11ac RSDB Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)是唯一能夠滿足不斷增長的吞吐量需求的協(xié)議。為了向車內(nèi)所有可用技術(shù)（大多數(shù)情況下是藍(lán)牙和Wi-Fi）提供可靠和高效的連接，Wi-Fi+藍(lán)牙無線電是最高效、最經(jīng)濟(jì)的解決方案。由于共存是由設(shè)備本身處理的，原始設(shè)備制造商不需要投入大量的時(shí)間和金錢來解決已經(jīng)解決的共存問題。選擇一種行業(yè)支持的方法為商業(yè)上成功的車內(nèi)連接提供了基礎(chǔ)，因?yàn)橐呀?jīng)可以與所有可能要連接的Wi-Fi或藍(lán)牙設(shè)備協(xié)同工作。此外，這種方法減少了設(shè)計(jì)投資和時(shí)間，使這些資源能夠用于互操作性測試。

總結(jié)

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