面向智能化和可持續(xù)移動(dòng)性的 RF-SOI 優(yōu)化襯底

交通運(yùn)輸行業(yè)正在經(jīng)歷根本性的變革，它欣然迎接可持續(xù)性和智能出行的概念，愈加關(guān)注消費(fèi)者和全社會(huì)的需求、習(xí)慣與偏好（見圖1）。

圖1: 連接性賦能智慧出行

新技術(shù)已然催生了第一波移動(dòng)服務(wù)的浪潮，而無所不在的無線連接則在其中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。如今我們司空見慣的拼車和網(wǎng)約車等流行服務(wù)即得益于智能手機(jī)和其他移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的廣泛應(yīng)用。

新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他連接系統(tǒng)正在助力移動(dòng)服務(wù)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。例如，它們通過提升車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的無線交互來提高駕駛安全性，或是與其他車輛之間的無線交互來優(yōu)化交通條件。車載無線連接還可以輕松實(shí)現(xiàn)車內(nèi)的高質(zhì)量視頻與音頻娛樂內(nèi)容訪問，讓乘客體驗(yàn)更加舒適。

在參考文獻(xiàn)【1】和【2】中，我們探討了 RF CMOS 技術(shù)和 RF-SOI 優(yōu)化襯底不斷發(fā)展以提供高性能射頻(RF) 和毫米波前端 (RFFE)，為新興應(yīng)用要求的可靠性和穩(wěn)健性奠定了基礎(chǔ)。本文將對(duì) RF-SOI 技術(shù)在智能出行中的作用提供詳細(xì)的分析。

在此，我們尤其關(guān)注輕型乘用車，因?yàn)檫B接概念可以由此外推至商用和實(shí)用型車輛。

本文第 2 節(jié)將介紹汽車網(wǎng)聯(lián)化的一般概念以及它所依賴的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。第 3 至 6 節(jié)著重描述確保實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、可靠和穩(wěn)健的汽車網(wǎng)聯(lián)化所需的多種射頻技術(shù)模塊。第 7 節(jié)則概述了最快被采用的車載免提系統(tǒng)之一：UWB。最后在第 8 節(jié)給出結(jié)論，總結(jié)了汽車網(wǎng)聯(lián)化如何依賴于眾多射頻技術(shù)與技巧，以及這些技術(shù)中的大多數(shù)是如何得益于我們?cè)?CMOS 領(lǐng)域和 RF-SOI 前端（RFEE）發(fā)展中積淀多年的豐富專業(yè)知識(shí)。

1.網(wǎng)聯(lián)汽車

如參考文獻(xiàn)【3】、【4】以及圖2中所示，網(wǎng)聯(lián)汽車依賴于多個(gè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，這些系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)提供如下的功能：

1. 連接到云 - 遠(yuǎn)程信息處理（Telematics）

• 通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星 4G LTE、5G、Wi-Fi 等標(biāo)準(zhǔn)

2.連接到駕駛員/乘客 - 信息娛樂（Infotainment）

• 通過 Wi-Fi、Bluetooth? 等標(biāo)準(zhǔn)

3. ?連接到環(huán)境 – 車聯(lián)萬物（Vehicle to Everything, V2X）

• 通過專用短程通信 (DSRC)、蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X)、超寬帶 (UWB) 等標(biāo)準(zhǔn)

圖 2：車輛與 (a) 云、(b) 駕駛員/乘客和 (c) 周圍環(huán)境的連接

就硬件方面而言，全車無線連接需要多個(gè)天線與射頻前端 (RFFE)。乘用車的天線常位于車頂，稱為鯊魚鰭天線。但隨著汽車美學(xué)的發(fā)展，集成在車身面板中的共形天線也越來越常見。但無論如何，天線都位于車輛表面附近，以避免汽車金屬車身產(chǎn)生的法拉第靜電屏蔽效應(yīng)。此外，為了盡量減少可能損害發(fā)送/接收信息完整性的損耗和干擾，原始設(shè)備制造商 (OEM) 們大都選擇將射頻前端也放置在盡可能靠近天線的位置，如圖 5 所示。

圖 3. (a) 鯊魚鰭和 (b) 保形面板車載天線及相應(yīng)射頻前端

下面，我們將詳細(xì)探討每種連接系統(tǒng)的特點(diǎn)及其射頻前端的獨(dú)特性。

2.遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)

圖 4. 遠(yuǎn)程信息處理控制單元 (TCU) ，或稱遠(yuǎn)程信息處理盒 (T-BOX)

與所有無線設(shè)備一樣，網(wǎng)聯(lián)汽車依賴多個(gè)射頻 IC 和射頻模塊來實(shí)現(xiàn)可靠的無線連接。大多數(shù)此類元件都包含在一個(gè)“盒子”中，通常稱為遠(yuǎn)程信息處理盒（T-BOX），也稱為遠(yuǎn)程信息處理控制單元（TCU）。 如圖 4 所示，TCU 中包含了用于傳感、定位以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與傳輸?shù)墓δ苣K。在這些模塊中，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備（NAD）中又包含了確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)（4G LTE 或 5G）通信可靠與穩(wěn)健所需的所有電路，而圖 5 提到的射頻前端即涵蓋在這其中，這也是本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

圖 5： 網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備 (NAD) 蜂窩射頻前端和首選襯底材料

汽車型號(hào)及其可選功能通常針對(duì)不同的區(qū)域進(jìn)行商品化，汽車 NAD 也需根據(jù)區(qū)域的不同遵守蜂窩連接條例與規(guī)則。如圖 6 所示，3.5GHz 左右的中頻已成為全球最常用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜；因此，許多 NAD 提供商和用戶均選擇 C 頻段作為射頻前端工作的特許頻段也就不足為奇了。

C 頻段在覆蓋范圍與帶寬、以及數(shù)據(jù)速率之間進(jìn)行了良好的平衡 （見第 6 節(jié)）。更重要的是，采用該頻段的 NAD 彼此之間干擾最小，同時(shí)又能與其他連接系統(tǒng)（例如 Wi-Fi 和 C-V2X）共存；因此，射頻前端的線性度成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。

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圖 6. 部分國家在 S 頻段和 C 頻段的頻譜分配

如參考文獻(xiàn)【1】和【2】中所述，干擾可能出現(xiàn)在射頻前端無源器件（傳輸線、電感等）或有源電路（晶體管、二極管等）的任一點(diǎn)。而采用富陷阱的 RF-SOI 優(yōu)化襯底來構(gòu)建大部分的射頻前端電路，無論干擾發(fā)生在何處，都將被最小化。如圖 7 所示，TCU 中使用的不同頻段相互彼此接近時(shí)，頻段泄漏將極大地影響相鄰頻段；而 RF-SOI 優(yōu)化襯底將有助于最大限度地減少這種泄漏。

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圖 7. 得益于射頻前端的高線性度，RF-SOI 可最大限度地減少干擾

如圖 8 所示，采用富陷阱的 RF-SOI 襯底（例如 Soitec 的 iFEM-SOI 和 RFeSI 產(chǎn)品）可以最小化射頻信號(hào)的非線性二次和三次諧波。與非富陷阱的 RF-SOI (HR-SOI) 襯底相比，這種改善非常顯著；我們用共面波導(dǎo) (CPW) 來表現(xiàn)典型的非線性射頻信號(hào)特性。

注釋：
RFeSI：Soitec 的 RF信號(hào)完整性增強(qiáng)型富陷阱 RF-SOI 襯底
RFeSI100：RFeSI 襯底，可確保 CPW 二次諧波低于 -100dBm @15dBm功率
RFeSI90：RFeSI 襯底，可確保 CPW 二次諧波低于 -90dBm @15dBm功率
RFeSI80：RFeSI 襯底，可確保 CPW 二次諧波低于 -80dBm @15dBm功率
iFEM-SOI：適用于高度集成射頻前端模塊的Soitec SOI 襯底
HR-SOI：高電阻率非富陷阱 SOI 襯底

圖 8：(a) RFeSI 襯底上的共面波導(dǎo)（CPW）以及 (b) 在不同 RF-SOI 襯底上測(cè)得的二次和三次諧波

模塊化是 NAD 設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵要素，它提供的靈活性可用于滿足不同區(qū)域市場(chǎng)的需求。 而將發(fā)射、接收和濾波功能集成在多個(gè)模塊中的射頻前端組件更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢钥焖俑鼡Q，以適應(yīng)車輛所在的銷售區(qū)域，并滿足區(qū)域法規(guī)和當(dāng)?shù)乜蛻舻钠谩?/p>

如圖 5 所示，RF-SOI 為射頻前端模塊 (RF FEM) 提供了無可比擬的集成靈活度，這有助于將高性能低噪聲放大器 (LNA)、開關(guān)和功率放大器 (PA) 集成到單個(gè)芯片中，或集成到與濾波器和其他支持功能相關(guān)的高附加值多技術(shù)模塊中。

人們常常誤以為，集成了大型電池的汽車也必定能夠滿足電力需求大的系統(tǒng)。然而事實(shí)遠(yuǎn)非如此，現(xiàn)代汽車對(duì)功效的要求與旗艦智能手機(jī)或其他任何現(xiàn)代便攜式無線設(shè)備一樣的高?，F(xiàn)代汽車需要容納越來越多的傳感器、MCU 和其他電子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的功耗必須得到最有效的優(yōu)化。

NAD 設(shè)計(jì)人員應(yīng)密切關(guān)注射頻前端的電流消耗、功耗和整體功效。最小化射頻前端插入損耗和整體射頻鏈路預(yù)算是設(shè)計(jì)人員必須完成的任務(wù)。而高能效 NAD 的射頻前端以熱量形式消耗的功率更少，因此可以極大地幫助確保整體 NAD 高可靠的運(yùn)行。

為了最大限度地降低超長連接器造成的損耗，NAD（也即它所屬的 TCU）通常位于離天線不遠(yuǎn)的位置，因而也暴露于車身所處的大溫度變化條件之下。而且眾所周知，集成 PA 的模塊工作溫度可能會(huì)上升至 85°C 以上。這兩個(gè)因素的疊加會(huì)對(duì)汽車射頻前端可靠穩(wěn)健的運(yùn)作帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)早期，就應(yīng)審慎考慮以避免這些問題。

在寬溫度變化條件之下（見參考文獻(xiàn)【7】），提供穩(wěn)定線性性能的 RF-SOI 襯底具備明顯的優(yōu)勢(shì)。它有助于確保溫升不會(huì)顯著增加射頻前端的非線性度、影響 NAD 功能和/或干擾相鄰的無線系統(tǒng)。這也是基于 RF-SOI 襯底的射頻前端與其他汽車射頻前端之間最主要的區(qū)別。

隨溫度變化的低線性漂移特性（RFeSIxT）是 Soitec 的 RFeSI 系列產(chǎn)品中添加的一項(xiàng)新功能 （見參考文獻(xiàn) 【8】）。如圖 9(b) 所示，RFeSIxT 在超過 85°C 的溫度下也能提供穩(wěn)定的線性性能，同時(shí)還保持所有其他 RFeSI 襯底的優(yōu)勢(shì) （見參考文獻(xiàn) 【1】）。與之相比，圖 9(a) 顯示的 Soitec RFeSI（不具備 RFeSIxT 功能）線性行為則隨溫度變化，因此更適用于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。

圖 9： RFeSI 富陷阱 RF-SOI 系列產(chǎn)品隨溫度變化的線性性能：(a)不具有和(b)具有RFeSIxT 隨溫度變化的低線性漂移特性

為汽車駕駛員和乘客提供安全性對(duì)所有的汽車系統(tǒng)都至關(guān)重要，其中也包括遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)。RFIC 是汽車應(yīng)急呼叫系統(tǒng)的重要組成部分，我們將在下節(jié)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.1應(yīng)急與支持系統(tǒng)
汽車無線應(yīng)急系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一是在發(fā)生事故時(shí)向應(yīng)急響應(yīng)團(tuán)隊(duì)（救護(hù)車、消防員等）提供關(guān)鍵信息的系統(tǒng)。關(guān)鍵信息包括車輛定位（例如 GNSS 坐標(biāo)）、事故發(fā)生時(shí)間、汽車/乘客的狀況（應(yīng)急呼叫的原因）和車輛識(shí)別，以及其他任何有助于在提供急救支持時(shí)能夠節(jié)省關(guān)鍵時(shí)間的信息（見圖 10）。

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圖10: 應(yīng)急與支持連接系統(tǒng)

不同的地域和移動(dòng)運(yùn)營商有不同的策略來提供應(yīng)急連接。這類服務(wù)通常由私有運(yùn)營商提供 （見參考文獻(xiàn)【9】、【10】）；但在歐盟 (EU) ，則由所有歐盟國家均可訪問的公共車輛應(yīng)急呼叫（eCall）響應(yīng)服務(wù)提供（見參考文獻(xiàn)【11】）。自 2018 年 3 月 31 日起，歐盟銷售的所有新車都強(qiáng)制性要求安裝 eCall 系統(tǒng)。按照歐盟的規(guī)定，所有新車中的 eCall 系統(tǒng)都必須具備以下功能：

• 能夠在碰撞中和碰撞后自動(dòng)運(yùn)行，無需汽車電池

• 能夠承受從 -40°C 到 +105°C 的極端溫度

• 提供 8 至 10 分鐘的電話連接，電池壽命長達(dá) 10 年

• 通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供緊急服務(wù)回?fù)?，時(shí)長達(dá)到 60 分鐘

• 符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO) 的 26262 汽車安全完整性等級(jí)(ASIL) A 標(biāo)準(zhǔn)。

在發(fā)生事故的時(shí)候，無論車輛處于何種狀態(tài)，若要確保需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠找到通向工作 TCU 天線的路徑，并聯(lián)系到應(yīng)急響應(yīng)小組，這不是一件容易的事，它要求射頻開關(guān)異常穩(wěn)健。應(yīng)急呼叫射頻開關(guān)應(yīng)能夠在兼容蜂窩網(wǎng)絡(luò)的功率（達(dá)幾百毫瓦）下進(jìn)行熱切換，并符合 ASIL A 標(biāo)準(zhǔn) （見參考文獻(xiàn)【12】）。而 RF-SOI 技術(shù)是助力設(shè)計(jì)滿足這兩個(gè)要求的最常用的開關(guān)技術(shù)（見參考文獻(xiàn)【13】）。

如果 NAD 集成了 eCall 系統(tǒng)，則 NAD 本身也應(yīng)通過 ASIL 認(rèn)證。因此，部分制造商會(huì)選擇將 eCall 系統(tǒng)置于 NAD 之外，這樣仍然可以通過汽車消費(fèi)級(jí)認(rèn)證，但又降低與認(rèn)證相關(guān)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性與成本。此時(shí)，基于 RF-SOI 襯底的 CMOS 技術(shù)發(fā)揮了重要作用，它推動(dòng)了模塊化的 TCU 設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)靈活的 TCU + eCall 設(shè)計(jì)，如圖 11 (a) 所示。而且如前所述，RF-SOI 是 eCall 開關(guān)不同拓?fù)涞氖走x技術(shù)，如圖 11 (b) 所示。

圖 11： TCU (a) 安全認(rèn)證分區(qū)示例和 (b) (c) 集成 在 RF-SOI 中的不同應(yīng)急開關(guān)拓?fù)?/p>

如果要在提供應(yīng)急服務(wù)的同時(shí)還提供常規(guī)服務(wù)（例如固件更新），汽車 OEM 有時(shí)會(huì)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（MNO）合作 （見參考文獻(xiàn)【14】），但這讓車主對(duì)他們的蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商幾乎沒有選擇權(quán)。為了給車主提供更多選擇移動(dòng)運(yùn)營商的靈活性，部分汽車 OEM 采取了雙卡雙待 (DSDA) 的系統(tǒng)方法（見參考文獻(xiàn)【15】），2.2節(jié)中會(huì)詳細(xì)討論。

2.2 ?DSDA 雙卡雙待
用戶識(shí)別模塊，即 SIM 卡，用于存儲(chǔ)國際移動(dòng)用戶識(shí)別碼 (IMSI) 和任何蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶獨(dú)有的其他數(shù)據(jù)。它是將設(shè)備連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的必需元件。

顧名思義，DSDA 配置依賴兩張 SIM 卡，并且需要兩個(gè)單獨(dú)的收發(fā)器，以及與之關(guān)聯(lián)的 RFFE 發(fā)送器 (Tx) 和接收器 (Rx)，以便連接兩個(gè)現(xiàn)有運(yùn)營商。采用 DSDA 系統(tǒng)，汽車 OEM 可以繼續(xù)依賴其合作伙伴運(yùn)營商，同時(shí)也為車主提供了靈活性。車主可以同時(shí)使用他們自己想用的運(yùn)營商，并受益于家庭數(shù)據(jù)套餐等個(gè)性化服務(wù)。

然而，使用兩個(gè) RF 路徑雖具備一定的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也增加了 NAD 功耗和 RFFE 的復(fù)雜性。因此，線性度和相關(guān)的功耗效率成為 DSDA 系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量因素。上文已提到，RF-SOI 具備明顯的線性優(yōu)勢(shì)，并有助于降低 NAD RFFE 的功耗。而且，借助 NAD 的模塊化，我們更可以設(shè)想出一種替代方法，例如采用 2x2 MIMO 分集架構(gòu)，取代之前圖 5 中描述的 4x4 分集架構(gòu)，從而選擇性地降低蜂窩（4G LTE 或 5G）DSDA NAD 的功耗與復(fù)雜性，如圖 12 所示。

圖12: 具有 2x2 MIMO 分集架構(gòu)的 DSDA NAD

3.信息娛樂系統(tǒng)

圖 13： (a) 移動(dòng)信息娛樂系統(tǒng)以及 (b) 憑借 RF-SOI 實(shí)現(xiàn)的連接標(biāo)準(zhǔn)共存

汽車用戶常常認(rèn)為，車就是家的延伸，他們已經(jīng)開始期待在車上享有與家中相同的連接水平。車載信息娛樂系統(tǒng)（Infotainment）通常依賴 Wi-Fi 和藍(lán)牙協(xié)議來提供對(duì)應(yīng)用的訪問，例如高清音頻和視頻、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等 (見圖 13(a))。

而通過 5G 連接的 NAD，汽車用戶能夠訪問全新的寬帶頻道，并享有它所具有的數(shù)千兆比特的數(shù)據(jù)速率與低延遲。

在火車和公共汽車等公共交通工具中，乘客也開始期待在通勤時(shí)可以有高數(shù)據(jù)速率的連接。5G 毫米波（mmW）連接無疑是一個(gè)很好的選擇，但考慮到復(fù)雜的通信環(huán)境，它同時(shí)也頗具挑戰(zhàn)。在參考文獻(xiàn) 【16】 中，作者即展示了如何通過軟件控制、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能 (AI) 以及適當(dāng)?shù)?5G 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)千兆比特的數(shù)據(jù)速率。

5G 毫米波大規(guī)模 MIMO 天線陣列系統(tǒng) (AAS) 中眾多的 RFFE 推動(dòng)了高性價(jià)比的大集成水平，也鞏固了 RF-SOI 作為5G 賦能技術(shù)的地位。圖 14(a) 顯示了在 RF-SOI 雙極化（水平H 和垂直V）毫米波前端上的全集成 CMOS，它具有開關(guān)、PA、LNA、移相器、可變?cè)鲆娣糯笃?(VGA)，同時(shí)支持控制、偏置、內(nèi)存及電源組合等功能（見參考文獻(xiàn)【17】）。

圖 14： (a) RF-SOI 中的毫米波前端 IC 集成為實(shí)現(xiàn) (b) 更高的功率放大器 (PA) 功率附加效率 (PAE) 提供了更簡便的途徑

5G 毫米波 PA 寬帶調(diào)制帶寬要求線性度非常高的節(jié)能技術(shù)。簡而言之，這種 PA 的設(shè)計(jì)及其集成被認(rèn)為是 5G 毫米波射頻前端設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。

圖 14(b) 中的數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)【18】 ，它展示了采用不同技術(shù)提供的移動(dòng)應(yīng)用所需的典型毫米波前端 PA 飽和功率 (Psat) 水平；根據(jù) AAS 的輻射元件數(shù)量不同，Psat 從 10 到 20dBm 以上不等。更重要的是，該圖突顯了 RF-SOI 憑借其集成能力能夠提供更簡便的支持功能集成途徑，從而助力實(shí)現(xiàn)最高的功效，并最大限度地延長電池壽命（見參考文獻(xiàn) 【17】）。

另一方面，F(xiàn)D-SOI（見參考文獻(xiàn)【3】）還為更多的數(shù)字和模擬混合信號(hào)內(nèi)容集成提供了極為有效且高效的途徑。它常被用于收發(fā)器 (TRX) 與射頻前端的集成，但會(huì)犧牲一些 Psat 以減小占板面積。如圖 14(b) 所示，氮化鉀（見參考文獻(xiàn)【3】）等第三代半導(dǎo)體在 Psat 水平約為 30dBm 或更高時(shí)表現(xiàn)出極佳的性能。

由于車艙內(nèi)需要共存的Wi-Fi 連接設(shè)備越來越多，需求也愈加多樣化，通過 Wi-Fi 熱點(diǎn)在車內(nèi)分配寬帶接入資源也變得越來越困難。

如參考文獻(xiàn) 【2】中所描述，采用 RF-SOI 技術(shù)設(shè)計(jì)的 Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E 兼容系統(tǒng)，更擅長為大量的連接設(shè)備提供設(shè)備所需的數(shù)據(jù)有效負(fù)載，同時(shí)還具有出色的功耗。而且，RF-SOI 所具有的線性度有助于確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 Wi-Fi 系統(tǒng)共存，同時(shí)還不會(huì)產(chǎn)生有害干擾（如圖 13(b)所示）。

但要注意，車載信息娛樂系統(tǒng)需要通過 AECQ 認(rèn)證，而供應(yīng)鏈供應(yīng)商則需要通過 IATF 16949 認(rèn)證（見參考文獻(xiàn)【19】）。

4.V2X 車連萬物

通過前兩節(jié)的描述可以得知，遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)為車輛提供連接。不僅如此，V2X 系統(tǒng)還可以使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為中介 (V2N) 將車輛間接連接到其他任何對(duì)象；或者，無需中介，通過不同類型的鏈路提供直接連接：

• 車輛到車輛（V2V），如用于避免碰撞

• 車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I），如用于動(dòng)態(tài)控制交通信號(hào)

• 車輛到行人（V2P），如向行人和其他易受傷害的道路使用者提供警報(bào)信號(hào)

V2X 目前采用了兩個(gè)專用標(biāo)準(zhǔn)：專用短程通信（DSRC）和蜂窩車聯(lián)萬物（C-V2X），并在特許智能交通系統(tǒng) (ITS) 頻段 5.9GHz 附近運(yùn)行。

專用短程通信 (DSRC) （即IEEE 802.11p）是 Wi-Fi 協(xié)議的一個(gè)專用版本。該版本消除了設(shè)備之間對(duì)任何中間系統(tǒng)的需求，因而實(shí)現(xiàn)了低延遲通信。與此同時(shí)，與蜂窩系統(tǒng)不同，DSRC 具備自我管理功能，還可以通過 4G LTE 和/或 5G 提供蜂窩網(wǎng)絡(luò)訪問。

蜂窩車聯(lián)萬物 (C-V2X) 由專為蜂窩通信開發(fā)協(xié)議的 3GPP 定義。與 DSRC 不同，C-V2X 使用蜂窩協(xié)議，因此我們有理由相信，將車輛集成到由 5G 新無線電支持的新興垂直領(lǐng)域中，C-V2X 有潛力發(fā)揮更加積極的作用（見參考文獻(xiàn)【20】）。

車輛安全是 V2X 系統(tǒng)的一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用，因此也需要符合 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn) （見參考文獻(xiàn)【13】）。在文獻(xiàn) 【21】中，作者得出的結(jié)論是，V2X 處理以及與外部系統(tǒng)的接口都需要達(dá)到 ASIL B級(jí)別；而一旦 V2X 可以影響車輛控制，則其余 V2X 功能均需要達(dá)到 ASIL A 級(jí)別。

第一種方法是將 V2X 系統(tǒng)集成到 TCU 中，并將其中一部分 RFFE 集成到 TCU 的 NAD 中，這種方法具有明顯的成本與節(jié)能優(yōu)勢(shì)。例如，具有集成 GNSS 接收器的 TCU 蜂窩調(diào)制解調(diào)器可用于 V2X 的定位功能。通過使用射頻路由開關(guān)，連接 NAD 的天線可用作 V2X 5.9GHz ITS 信號(hào)的輻射路徑。這些優(yōu)勢(shì)雖頗具吸引力，但設(shè)計(jì)人員仍然要考慮，一旦 NAD 集成V2X 系統(tǒng)，則 NAD 本身也應(yīng)根據(jù) ISO26262 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)獲得 ASIL-B 或 ASIL-A 認(rèn)證。

鑒于包含了蜂窩、遠(yuǎn)程信息處理和信息娛樂系統(tǒng)的 NAD 頗具復(fù)雜性，通過 ISO26262 認(rèn)證將非常具有挑戰(zhàn)性，而且會(huì)增加汽車消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的成本。

圖15: 車聯(lián)萬物（V2X）系統(tǒng)

大多數(shù)汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和 TCU OEM 都采用包含兩個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)的模塊化方法：一個(gè)汽車消費(fèi)級(jí)子系統(tǒng)和一個(gè)通過 ISO26262 認(rèn)證的子系統(tǒng)，如圖 11(a) 所示。采用兩個(gè)獨(dú)立但互補(bǔ)的復(fù)雜系統(tǒng)會(huì)給功耗指標(biāo)帶來極大的壓力，因此兩個(gè)子系統(tǒng)都應(yīng)具備高度優(yōu)化的功耗。如前所述，RF-SOI 具有的顯著優(yōu)勢(shì)可以幫助最大限度地降低射頻前端中的損耗，從而降低功耗。

除了連接性之外，被稱為車聯(lián)網(wǎng) (IoV) 的新功能也越來越多地被采用來提升車輛的舒適性和安全性。其中，最為常見的是免提接入系統(tǒng)。

5.免提接入系統(tǒng)?
汽車免提接入通常使用三種連接標(biāo)準(zhǔn)：藍(lán)牙 (BT)、超寬帶 (UWB) 和近場(chǎng)通信 (NFC)。

智能手機(jī)中被廣泛采用的藍(lán)牙技術(shù)，如今也成為許多銷售車輛中免提接入設(shè)備的標(biāo)配。但是，盡管藍(lán)牙無鑰匙接入中使用了加密協(xié)議，它仍然很容易受到射頻干擾和中間人攻擊 （見參考文獻(xiàn)【22】）。

為了應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的攻擊，很多汽車 OEM 開始采用超寬帶技術(shù)（UWB）作為比藍(lán)牙 （BT） 更安全的替代方案。UWB 技術(shù)采用的短時(shí)域脈沖可以實(shí)現(xiàn)精確的飛行時(shí)間 (ToF) 和到達(dá)角 (AoA) 測(cè)量 （見參考文獻(xiàn)【23】）。結(jié)合使用 ToF 和 AoA 能夠以更高精度確定發(fā)射器的位置。例如，只有當(dāng)用戶走向車輛并靠近它時(shí)，才能解鎖車門。

隨著 UWB 在智能手機(jī)和密鑰卡中越來越多的應(yīng)用，不難相信，這項(xiàng)技術(shù)終將取代藍(lán)牙來實(shí)現(xiàn)無鑰匙接入。不過，由于 UWB 感知范圍較小，當(dāng)距離車輛超過 10 米時(shí)，藍(lán)牙 仍可作為追蹤用戶的一個(gè)補(bǔ)充系統(tǒng)來使用。

如果密鑰卡或智能手機(jī)電池耗盡，還可以使用 NFC 備用系統(tǒng)。只要無源/ULP（超低功耗）NFC 鑰匙與車體某個(gè)部分（例如要打開的門）中的有源讀取器保持緊密接觸，即可授予車輛用戶接入權(quán)限。

圖16: 汽車免提接入系統(tǒng)

現(xiàn)在成功的 UWB 生態(tài)系統(tǒng)可以通過 SoC 以及射頻前端得到實(shí)現(xiàn)。為最大限度降低插入損耗并確保高隔離度，射頻前端可采用基于 RF-SOI 的 RF開關(guān)。在配備了 UWB 的智能手機(jī)等高性能設(shè)備中，低噪聲放大器 (LNA) 也可以與射頻前端中的開關(guān)集成在一起（見參考文獻(xiàn)【24】），以最大限度地降低損耗，從而提高靈敏度。

6.車聯(lián)網(wǎng)的射頻挑戰(zhàn)與解決方案總結(jié)

鑒于全球和地區(qū)安全法規(guī)是推動(dòng)更高車輛連接性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素之一，毫無疑問，未來幾年我們將持續(xù)看到蜂窩、V2X 和其他互補(bǔ)連接系統(tǒng)更多地應(yīng)用于汽車當(dāng)中。

目前仍有一些汽車供應(yīng)鏈參與者認(rèn)為，連接性對(duì)任務(wù)關(guān)鍵型安全應(yīng)用來說是不可靠的；但隨著 5G 增強(qiáng)功能（例如低延遲）的出現(xiàn)，這種看法正在改變。而且，隨著 5G 的不斷部署以及運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的密集化，更大的帶寬、更高的數(shù)據(jù)速率和更佳的覆蓋范圍也指日可待。再加上用于連接管理和前瞻性覆蓋的新軟件、新硬件不斷出現(xiàn)，以及 MNO 和 OEM 提供的新功能，諸如雙卡雙待等多 SIM卡 解決方案，這些都必將強(qiáng)力推動(dòng)乘用車和實(shí)用車采用更高的連接性。

得益于過去幾十年中積累的大量 IP 組合與專有技術(shù) （見參考文獻(xiàn) 【1】、【2】），基于 RF-SOI 優(yōu)化襯底的 CMOS 現(xiàn)在已是一項(xiàng)成熟且可靠的技術(shù)。下表總結(jié)了本文討論過的一些汽車 RFIC 需求，以及 Soitec RF-SOI 優(yōu)化襯底如何滿足這些要求。

7.結(jié)論?

智能手機(jī)為人們提供了越來越多的服務(wù)。隨著汽車逐漸發(fā)展成為主要的連接設(shè)備，它們有能力提供更多新的服務(wù)，為整個(gè)移動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造巨大的價(jià)值。為實(shí)現(xiàn)其巨大潛力，汽車連接依賴眾多的連接協(xié)議和能夠共存但互不干擾的頻段。

而且，隨著用戶和政府不斷推動(dòng)使用更環(huán)保的車輛，所有汽車系統(tǒng)的功耗都需要被優(yōu)化，包括連接系統(tǒng)在內(nèi)。

安全也是用戶和政府關(guān)注的主要問題，V2X 必然會(huì)在全球范圍內(nèi)得到廣泛的采用，這進(jìn)一步推動(dòng)了多連接協(xié)議共存和延長電池壽命的需求。

綜上所述，我們需要了解汽車行業(yè)的穩(wěn)健性和可靠性要求，并選擇一種能夠應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)的連接技術(shù)，同時(shí)保證供應(yīng)并提供完善的發(fā)展路線圖來滿足當(dāng)前和未來的需求，這一點(diǎn)非常重要。