實時雙頻Wi-Fi如何實現下一代車內連接

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

還記得GPS不存在的時候，地圖是導航的基本工具嗎？當時，車內娛樂的唯一來源是AM/FM收音機或磁帶和CD等實體媒體。這是一個汽車主要以駕駛性能來區分的時代。后來，藍牙技術開始被集成到汽車中，用于免提通話和基本音樂流媒體，而購車者則因為在做出購買決策時更注重車內功能。

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

信息娛樂系統現在已經成為汽車的一個關鍵區別因素。這些系統非常復雜且功能強大，包括駕駛員輔助系統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這樣的應用可以讓每個用戶的手機無縫連接到車輛的信息娛樂系統。

由于所有這些設備都是在車輛的受限環境中進行無線連接的，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有的無線技術。在本文中，將探討車內連接用例、技術要求，以及如何有效地解決這些問題，以提供最佳的車內體驗。

Infotainment system features are advantages

以下是信息娛樂系統的一些使用案例/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，以及優點：

免提通話–此功能允許用戶使用方向盤上的控制按鈕，在不接觸手機的情況下參與或撥打電話。這項功能不僅可以方便地使用手機的通話功能，而且還可以使駕駛更安全，因為用戶不需要親自操作手機。

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屏幕上閱讀文字信息，而無需觸摸手機。與免提通話類似，這項功能也使駕駛更安全，因為用戶不需要通過身體接觸手機來閱讀短信。文本到語音通常與此功能相結合，以提供無干擾的體驗。

音頻同步播放音樂–此功能允許用戶將手機的音頻與信息娛樂系統同步。使用此功能，可以通過車內揚聲器欣賞手機上的音樂，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，任何乘客都可以控制音樂。

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

視頻流傳輸到后座顯示器–此功能允許使用汽車的LTE調制解調器或本地媒體設備，或通過智能手機的Wi-Fi熱點將視頻流傳輸到后座高清顯示屏。可供兒童或不需要集中精力在路上的乘客使用。

通過汽車內置的LTE調制解調器接入互聯網——這項功能允許乘客使用汽車內置的LTE調制解調器在電話、桌子或筆記本電腦上訪問互聯網。

Wireless technology needed by infotainment features

信息娛樂功能所需的無線技術

圖1顯示了車內連接的高級框圖。實際實現因系統架構而異。此外，該圖沒有捕獲可能擴展到車身電子設備的用例（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/遠程信息處理系統的連接

藍牙–藍牙在汽車上的應用已經有十多年了。免提通話、閱讀短信和音頻同步等功能都使用藍牙。

Wi-Fi–后座視頻流和通過汽車內置LTE調制解調器訪問互聯網等功能使用Wi-Fi。Apple CarPlay和Android汽車應用程序開始時是通過有線連接到信息娛樂系統，但現在轉向無線，并使用Wi-Fi進行空中連接。

幾乎所有這些特性都需要同時可用。例如，當駕駛員接聽電話時，必須同時顯示地圖，并且不得中斷后座娛樂系統。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Wi-Fi設備一樣，藍牙使用2.4GHz ISM頻段進行通信。在IEEE 802.11n之前，Wi-Fi使用2.4ghz頻段進行通信。藍牙和Wi-Fi在2.4GHz頻段運行，如果沒有協調共存措施，可能會導致音頻斷斷續續，并嚴重影響Wi-Fi吞吐量。

為了更好地理解這個問題，考慮一下藍牙和IEEE 802.11b如何使用頻譜。藍牙有79個1-MHz信道，從2.402GHz到2.480GHz。Wi-Fi在同一頻率范圍內有20/22MHz信道。圖2顯示了當藍牙（紅色）和Wi-Fi（藍色）嘗試使用具有公共頻率的信道進行通信時會發生什么。

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

圖2：藍牙和Wi-Fi在2.4GHz頻段工作時的碰撞

在汽車這樣的受限環境中，最大的挑戰是使藍牙和Wi-Fi能夠同時以高吞吐量進行近距離通信。使用數據包流量仲裁器的主動共存措施可以調解藍牙或Wi-Fi是否可以訪問頻譜，從而獲得更好的藍牙和Wi-Fi性能。在選擇汽車應用程序的方法之前，必須了解共存的質量，因為基于基本時間復用的共存非常低效，不適合藍牙同步鏈路。

主動共存可以幫助藍牙和Wi-Fi在2.4GHz頻段共存。然而，這需要同時配置藍牙和Wi-Fi無線電。吞吐量受到限制，因為這兩種技術的頻譜并非始終可用，因為仍然以每包為基礎共享頻譜（而不是在無線電未配置時采用固定的時間分割方式）。Wi-Fi對車內連接用例的影響最大。例如，免提通話和音樂流的連續性會顯著影響Wi-Fi吞吐量，因為共存分組流量仲裁器試圖賦予HFP或A2DP分組更高的優先級。呼叫過程中的丟包是不可接受的，因為呼叫是實時數據包。數據緩沖或重發不是一個選項，因為所有事情都是實時發生的。音樂也是如此。丟包將導致音頻質量下降，進而影響整體用戶體驗。此外，2.4GHz也有其自身的局限性，因為使用設備數量相對較多。

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和藍牙能夠共存而不影響性能。與此相比，當使用2.4GHz共存措施時，吞吐量減少了近50%。

在IEEE802.11n和802.11ac中，5ghz頻段工作，當藍牙用于免提通話或音樂流時，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，一些技術使用2.4ghz頻段，包括目前使用的大多數Wi-Fi設備。因此，與11n相比，5ghz頻帶提供了更低的數據包丟棄。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連接的唯一選擇。11ac使用256-QAM調制，而.11n僅使用64-QAM調制。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更適合車內連接。

支持2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi連接的Wi-Fi設備稱為雙頻Wi-Fi設備。作為一個術語，雙頻通常被誤解為可以同時以2.4GHz和5GHz傳輸的設備。實際上，在大多數設備中，這些雙頻段不能同時使用。相反，系統在2.4GHz和5GHz之間進行多路復用。這樣，設備可以在2.4GHz和5ghz頻帶之間切換以支持分別使用2.4gGHz和5GHz信道的設備。然而，這會顯著影響吞吐量。由于時間復用和從一種模式切換到另一種模式的延遲，如果兩個頻段一直處于活動狀態，則有效吞吐量不足所能達到的50%。這種實現也稱為虛擬同步雙頻。對于需要連接多個設備進行視頻流、免提通話和數據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備可以同時使用2.4GHz和5GHz頻段進行通信。RSDB確保了基于每個頻帶的100%帶寬利用率，而在虛擬雙頻段實現的情況下，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吞吐量達到50 Mbps。5GHz 80 MHz信道支持433 Mbps的PHY速率，從而產生300 Mbps的TCP吞吐量。通過2.4GHz 20 MHz信道和5 GHz 80 MHz信道，RSDB實現可為這些頻帶提供50 Mbps和300 Mbps的吞吐量，與使用單獨的單波段操作相比，有效吞吐量為100%。

對RSDB的支持由硬件的體系結構定義。真正的RSDB實現需要雙MAC、PHY和無線電硬件來允許兩個頻段同時工作。使用5GHz的較新設備可以充分利用可用頻譜，而無需擔心藍牙的工作頻率為2.4GHz，優先用于各種活動，如電話和音樂。對RSDB的需求主要是因為許多消費設備仍然使用2.4GHz的Wi-Fi。為了獲得最佳性能，需要同時提供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、平板電腦和筆記本電腦。此外，數據的互聯網訪問可以通過藍牙進行時間復用，因為在這種情況下，為藍牙提供優先級不會顯著影響用戶體驗，而5GHz頻段可用于后座顯示器和Android Auto等應用程序。因此，高效共存和RSDB的結合是提供最佳用戶體驗的關鍵（即始終可用5 GHz通信和2.4 GHz Wi-Fi通信，以及在2.4 GHz頻段共存的藍牙，以實現車內連接）。這樣的解決方案正在市場上出現。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技術來連接車內所有東西的中高端汽車，可靠性、性能和互操作性至關重要。因此，對于原始設備制造商來說，選擇一個能夠提供所需吞吐量并保證與設備（如移動電話、PC、平板電腦和筆記本電腦）協同工作的硬件平臺至關重要。
Cypress提供11ac RSDB+藍牙組合設備，支持2.4GHz和5GHz SISO（單輸入單輸出）同時工作+藍牙、2.4GHz 2×2 MIMO（多輸入多輸出）+藍牙或5GHz 2×2 MIMO+藍牙。支持最廣泛部署的Wi-Fi和藍牙協議棧。2.4
GHz和5 GHz SISO（帶藍牙）是信息娛樂系統最理想的使用案例，其中一些設備使用5 GHz，有些設備使用2.4 GHz。然而，在通信只需要一個頻帶的情況下，可以使用2×2 MIMO，使得系統可以使用多個天線來發送和接收數據，并且與SISO操作相比，為給定頻帶提供了2倍的吞吐量。

汽車工業正在經歷一場車內連接革命。多個設備需要同時無線連接。車內連接已經從支持基本的免提通話發展到支持復雜的信息娛樂系統。吞吐量需求也在增加，需要足夠的吞吐量來支持多個顯示器、Internet訪問、屏幕共享和藍牙連接。

11ac RSDB Wi-Fi標準是唯一能夠滿足不斷增長的吞吐量需求的協議。為了向車內所有可用技術（大多數情況下是藍牙和Wi-Fi）提供可靠和高效的連接，Wi-Fi+藍牙無線電是最高效、最經濟的解決方案。由于共存是由設備本身處理的，原始設備制造商不需要投入大量的時間和金錢來解決已經解決的共存問題。選擇一種行業支持的方法為商業上成功的車內連接提供了基礎，因為已經可以與所有可能要連接的Wi-Fi或藍牙設備協同工作。此外，這種方法減少了設計投資和時間，使這些資源能夠用于互操作性測試。

總結

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