智慧汽車是當今科技領域的熱門話題。

相比於傳統汽車，智慧汽車不僅能提供更加舒適、安全、高效的駕乘體驗，還能實現與其他車輛、基礎設施、雲端等的互聯互通，從而打造一個智慧出行的生態系統。

汽車行業也因此正在經歷一場前所未有的變革，這場變革被稱為汽車的新四化，分別指的是：電氣化、網聯化、智慧化、共享化。

其中，網聯化是新四化的基礎和核心。網聯化是指汽車通過各種通訊技術與車內設備、車際設備、雲端設備進行車聯網，實現資料交換、資訊共享和服務協同。

那麼，車聯網是如何實現的呢？車聯網與無線通訊所使用的射頻前端晶片又是什麼關係？本文就嘗試對以上技術做一個梳理。

車聯網中的通訊技術

車聯網通訊技術是指在交通環境中，實現車輛內部、路側單元、行人、雲端服務之間的資訊互動和協同的技術。

根據連接範圍的不同，在此將車聯網通訊技術分為三類討論，分別是：車內互聯、車際互聯和車雲互聯。這三種互聯的應用範圍和特點分別是：

1. 車雲互聯：用於連接車輛與雲端

2. 車際互聯：用於連接車輛與周邊車輛、路側單元、行人

3. 車內互聯：用於實現車內多種多樣的靈活互聯

圖：車聯網中的部分通訊技術

以下就對這三種互聯技術展開介紹。

車雲互聯

車雲互聯是指將汽車和雲端伺服器連接起來，這樣就可以實現對車輛狀態、位置、行駛資料等資訊的採集和傳輸，並提供基於雲端計算和大資料分析的各種資訊服務。

與雲端互聯之後，車輛就可以實現很多豐富的功能。比如：

• 車輛遠端控制：通過手機可以遠端控制車輛啟動、開門、空調、音響等功能，可查看車輛實時狀態、故障診斷等功能。

• 互聯導航：通過雲端的地圖資料和路況資訊，可以為駕駛者提供最優的導航路線，也可以根據駕駛者的偏好和出行場景，推薦附近的停車場、加油站、餐廳等服務點。

• 內容下載：通過連接雲端伺服器，可以將音樂、視訊、新聞 、遊戲等內容，下載到本地。

• 車輛智慧升級：通過蜂窩網路，可以實現對車輛的軟體和韌體的遠端升級，提高車輛的性能和安全性，也可以根據車主的需求，定製個性化的功能和設置。

• 智慧交通/智慧城市管理：通過將車輛連接至雲端，就可以實現城市車輛的統一管理，實現更好的資源配置以及交通智慧最佳化。

與雲端互聯有諸多好處，也成為車聯網必須實現的功能之一。目前車聯網主要是通過與蜂窩網路的連接，實現與雲端伺服器的互聯，實現資料傳輸。

蜂窩網路是一種利用蜂窩狀的小區覆蓋服務區域，實現行動通訊的網路技術。由於網路覆蓋的形狀像蜂窩的一個個小格子，所以由此得名。

我們熟悉的5G手機就是典型的蜂窩技術代表，而經常提到的2G/3G/4G/5G的通訊制式演進，指的也是全球的蜂窩通訊技術。蜂窩網路的主要特點是：

• 蜂窩結構：通過將服務區域劃分為多個相鄰的正六邊形小區，可以簡化網路規劃和管理，降低干擾和成本。

• 移動性管理：通過在小區之間進行切換，可以保持移動使用者與網路之間的通訊連接，實現無縫漫遊。

• 頻率複用：通過將同一組頻率在不同的小區中重複使用，可以提高頻譜利用率和系統容量。

蜂窩通訊所用到的基站一般只覆蓋幾百米或數公里，通過全球數千萬個這樣的基站，就可以實現整個地球上主要地區的全球通訊。

基站不動，手機只要連接到任何一個基站，都相當於連接到了整個世界。蜂窩通訊是全球人類共同的大工程。

圖：蜂窩行動通訊示意圖

正是因為以上特點，自從1983年誕生以來，蜂窩通訊快速迭代發展，經過40多年的發展，目前已經演進至第五代，也就是5G蜂窩通訊網路。

這張網路連接了全球人口，根據全球電信聯盟的統計和預測，2022年全球智慧手機在網數已達到64億，而到2030年，這一數字將達到90億[1]。

在4G之前，蜂窩網路主要給「人」用，其重要的通訊載體是手機。但這一現象在5G到來之後迎來改變，5G的網路定義將「物」的使用也考慮進來，力爭實現萬物互聯的網路。

圖：蜂窩網路的三次重要變革，力爭實現萬物互聯

對於車雲互聯，最簡單的方法就是讓汽車可以接入蜂窩網路。根據ABI的統計，2020年全球出售的新車中，41%的汽車具備聯網功能[2]。這些車輛的聯網功能基本均是由蜂窩網路接入車雲互聯來實現的。

車際互聯

儘管蜂窩網路覆蓋範圍廣、產業鏈成熟，是汽車實現最初聯網功能的首選通訊技術。但蜂窩網路用作車際互聯使用的時候也有一些弊端。比如：

1. 連接蜂窩網路必須要基於基站建設，這就限制在車輛只能在有基站的地方使用。

2. 所有汽車都連接蜂窩網路（接入網-核心網）進行通訊，導致更大的時延。

3. 車輛直接互聯的創新場景，如車隊編隊、路側感知等功能無法有效實現。

於是，業界就開始開發專門給汽車使用通訊技術，這其中的代表技術就是3GPP組織所推動的C-V2X技術。C-V2X是一種為車輛設計的專門網路，C-V2X的特點是：

1. C-V2X可以讓車輛與其他車輛、路側基礎設施和行人直接通訊，從而提高道路安全和交通效率。

2. C-V2X不依賴於網路覆蓋，可以在沒有基站的情況下實現低時延、高可靠的直接通訊。

3. C-V2X可以利用5G技術提供更高的速度、更低的時延和更大的容量，從而支持更多的創新場景，如自動駕駛、車隊編隊、擴展傳感器、遠端駕駛等。

4. C-V2X可以與現有的蜂窩網路和生態系統兼容，降低部署成本和複雜度。

圖：C-V2X技術實現的車際互聯

和傳統蜂窩技術相比，C-V2X實現自組網的原因是引入了短距離接口，一般稱之為PC5接口，或者Side-link接口。

稱之為Side-link的原因是因為這個連接只負責和旁邊（Side）物體連接（Link），又稱為PC5的原因是因為短距離互聯所需要的功率等級比較低，天線口為20dBm，是3GPP所定義的第5功率等級（Power Class 5）。

Uu接口與車雲互聯中提到的蜂窩網路互聯無異，因為連接的是使用者終端（User Equipment），這個連接在LTE時代的一些標準定義被稱為Uu，這個接口名稱也在C-V2X中被沿用下來。

這個接口的技術規格與3GPP所定義的手機規格一致，並沒有新的特性。

圖：C-V2X技術中的兩種通訊接口

PC5是為汽車等需要進行自組網互聯的物體所定義的通訊規格，這是3GPP首次開始定義自組網網路，通訊規格對於3GPP來說是全新且充滿挑戰的。

如C-V2X名稱所示，C-V2X期待實現基於蜂窩網路的汽車與任何物體的互聯（Cellular- Vehicle-to-everything）。

這裡大家可能會有疑問，如果車與人要互連，來感受車旁邊的人的話，那是不是每個人都需要帶一個支持C-V2X的手機？如果沒有這部手機，是不是車輛就感受不到了呢？

其實在實現上，並不需要道路周邊所有設備都加裝C-V2X功能。汽車與道路周邊萬物的互聯可以通過路側的C-V2X路側單元（RSU，Road Side Unit）實現。

而路側單元中可以加裝人體識別、熱感應、光學雷達等設備，用於感知道路周邊的環境情況，再通過C-V2X中的PC5接口告訴車輛，這樣就可以實現車輛對周邊環境的感知[4]。

RSU與RSU之間，RSU與蜂窩基站之間，可以通過光纖或蜂窩網路連接。

圖：C-V2X實現的對道路周邊資訊感知

以上汽車與路側單元共同實現車輛對環境感知的方式叫「車路協同」。

車路協同是C-V2X一大優勢，通過車路協同，汽車不再是一個單獨的個體，通過與路側的協同、感知、控制，可以完成更智慧、更安全、更可控的網聯汽車。

目前C-V2X的設計規劃及商業應用已經清晰，主要分為以下四個主要階段：

1. 階段一：2020年之前，市場起步

2. 階段二：2022至2022年，輔助駕駛

3. 階段三：2022至2025年，無人駕駛階段1（特定場景）

4. 階段四：2025年以後，無人駕駛階段2（完全無人駕駛）

現階段，中美兩大市場都明確了發展方向為C-V2X，專門用於短距離通訊PC5接口的具體頻譜資源暫定為[7][8]：

• 美國：5.850-5.925GHz

• 中國：5.905-5.925GHz

• 日本：5.850-5.925GHz

目前C-V2X產業正在快速發展中，根據佐思汽研發布的報告，2022年已有20餘款乘用車搭載C-V2X。

2022年1-6月，搭載C-V2X技術量產的乘用車約4.6萬輛，這一數字在2026年將超過200萬輛。未來五年實現數十倍的增長。

車內互聯

車內互聯技術主要實現汽車與車內物體的互聯，比如：手機、車鑰匙、臨時接入的國內平板電腦、膝上型電腦等。

所使用到的通訊技術一般為近距離的無線通訊技術。

目前車內所使用到的近距離無線通訊技術主要有：

1. Wi-Fi (Wireless Fidelity，無線保真) 技術：Wi-Fi技術是一種基於IEEE 802.11系列協議標準實現的無線通訊技術，該通訊協議於1996年由澳洲的研究機構CSIRO提出，Wi-Fi 憑藉其獨特的技術優勢，是目前最為主流的無線區域網接入技術標準（蜂窩通訊為廣域網通訊標準）。

   Wi-Fi技術主要使用2.4GHz或5GHz的無線電頻段，支持多種網路標準和安全協議，具有傳輸速度快、覆蓋範圍廣、兼容性強等特點，所以被廣泛應用於家庭、辦公、公共場所等各種場景。

2. 藍牙 (Bluetooth) ：藍牙技術也是一種短距離無線通訊技術，它可以在2.4GHz的ISM頻段上實現設備之間的資料和語音傳輸。藍牙技術由愛立信公司於1998年創立。

   相比於Wi-Fi技術，藍牙技術的特點是低功耗、低成本、低複雜度、高安全性和高可靠性，同時藍牙的資料傳輸速度也低於Wi-Fi。藍牙技術的應用領域非常廣泛，包括汽車、工業、醫療、消費電子、智慧家居等。

3. NFC (Near Field Communication，近場通訊) ：NFC技術是一種近距離無線通訊技術，它可以實現電子設備之間的非接觸式點對點資料傳輸。NFC技術由RFID（非接觸式射頻識別）演變而來，NFC採用電磁耦合感應技術，電磁場頻率是13.56MHz。

   NFC技術有很多應用場景，例如行動支付、公交卡、門禁卡等。NFC技術的優點是方便快捷、安全可靠、低功耗、低成本等，其缺點是傳輸距離短、傳輸速率低、受干擾影響大等；

4. UWB（Ultra-Wide Band，超寬頻）：UWB技術的基本原理是通過發送和接收極短的脈衝信號來進行無線通訊。由於採用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈衝傳輸資料，因此其所佔的頻譜範圍很大，其頻譜範圍一般是在3.1GHz~10.6GHz頻率範圍內的500MHz信號。

   UWB技術目前的應用主要是在高精度定位中。由於UWB的高定位精度特性，未來可能應用於對安全有高需求的定向通訊場景中。

在車內設備通訊中，一般採用多種通訊技術結合的方式。下圖為部分車內設備使用到的通訊技術。

圖：部分車內設備使用到的通訊技術

在車內互聯上，一般採用多種通訊技術靈活互聯的方式進行，可以根據場景的傳輸速率、成本、距離等，綜合選取最為合適的傳輸技術。另外，也可以使用多種技術相結合。

車載通訊的技術實現

汽車通訊功能是依靠T-Box或智慧網聯模組來實現的。

T-Box全稱是Telematics Box（遠端通訊盒子），T-Box與智慧網聯模組中負責通訊的主要功能模組是「通訊模組」，而通訊模組中實現無線互聯的是射頻前端晶片。

以下就針對T-Box/智慧網聯模組、通訊模組、射頻前端進行介紹。

T-Box/智慧網聯模組的功能

T-Box中的「T」是Telematics的縮寫，Telematics是Tele-communications（電信）與Informatics（資訊科學）的合成詞，是包含通訊網路及資訊處理的功能模組。

T-box一方面接入汽車總線，掌握車輛資訊、整車控制資訊，一方面又負責接入通訊網路，實現網路通訊功能。

T-Box的重要性在於T-Box汽車與外部設備之間的通訊界面和功能實現，汽車的車雲、車際、車內通訊功能需要由T-Box實現。

T-Box一般放置於中控臺下方，由MCU、4G/5G通訊模組、Wi-Fi通訊模組等多個電路模組構成。

圖：T-Box及通訊模組

智慧網聯模組一般設計成SoC+通訊模組集成的模組形式，直接與智慧座艙系統集成，其功能與T-Box功能類似。

通訊模組的功能

通訊模組是T-Box/智慧網聯模組中負責無線通訊的單元。

隨著協議的複雜，通訊制式的增加，用於通訊的射頻系統也變得非常複雜。

目前移動終端支持的頻段數目達30個，並且每個頻段都需要進行射頻調試和適配，這就使得射頻工作量極大。

並且，由於射頻知識也較為晦澀難懂，射頻專業人員招聘和培養相對困難，除非是年銷量極大的頭部手機公司，其他中小規模有無線互聯需求的公司，很難建立起完整的射頻開發和調試團隊。

雖然射頻技術複雜，工作量巨大，但其完成的功能卻極其簡單：射頻就是把終端想要發射的資訊，通過一定的形式，發射出去；再把需要接收的資訊，想辦法接收並把資訊提取出來即可。

正是因為這種特點，物聯網行業出現出一批專門提供專業通訊解決方案的公司。

這些專業的通訊、互聯解決方案公司將通訊功能進行設計和包裝，以實現完成通訊射頻複雜功能的同時，接口保持簡化。使使用者不再去關注射頻電路的實現，而是把精力放到上層的方案設計中來。

圖：物聯網模組公司：將物聯網無線通訊功能實現方式專業化的公司

目前物聯網模組行業已經發展較為成熟，根據Counterpoint的統計，2022年全球物聯網模組出貨將超6億片。其中根據2022年 Q1的統計，移遠、廣和通、日海等廠商是此市場主要供應商[10]。

在目前車載T-Box系統中，大部分方案也使用通訊模組來實現通訊功能。

下圖為廣和通旗下全球車載通訊模組領先廠商之一的Rolling Wireless的車載通訊模組產品。該產品集成了蜂窩通訊、C-V2X、GNSS等功能[11]。

圖：Rolling Wireless提供的車載通訊模組產品方案

射頻前端的功能

通訊模組中的射頻連接功能是靠射頻前端晶片來實現。

射頻前端是無線通訊模組的核心元件，它負責信號的發射和接收，由於位於整個系統的最前端，所以稱為「射頻前端」。

圖：射頻前端的構成部分，及主要模組

射頻前端包括功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、開關，它們共同構成了信號的放大、切換、濾波等功能。

射頻前端的性能直接影響到無線通訊的速率、覆蓋範圍、功耗等指標。這些模組的主要功能是：

• 功率放大器（PA，Power Amplifier）：是指在給定失真率條件下，能產生最大功率輸出的放大器。功率放大器的輸出功率能力，決定了系統能輸出的最大信號強度；

• 低噪聲放大器（LNA，Low Noise Amplifier）：是指噪聲係數很低的放大器，用於放大可能非常弱的信號。低噪聲放大器的能力，決定了系統接收到的最小信號強度；

• 濾波器（Filter）：是指能夠根據信號頻率的不同，選擇性地通過或衰減信號的電路。主要用作濾除對其他頻段的干擾，或者從眾多幹擾信號中抽取有用信號；

• 開關（Switch）：是指能夠控制通路通斷的器件。主要功能是鋪路架橋，為射頻信號提供必要的通路。

車聯網的晶片需求

隨著汽車的智慧化、網聯化，根據英飛凌的統計，智慧電動車中使用的晶片價值量在單車834美元。前述提到的各種複雜通訊功能，最終都需要晶片承載實現。汽車成為晶片使用的巨大市場。

汽車對晶片的需求也和消費類有大的不同。為了保證汽車的安全、可靠和高效運行，同時也要適應惡劣的環境條件和多樣的應用場景，針對車載應用的晶片，專門進行了車規級晶片需求。

車規級晶片和商用晶片在規格上有很大的不同，主要體現在以下幾個方面：

• 工作溫度範圍：車規級晶片需要能夠在極端的高溫和低溫下正常工作，一般要求在-40℃到85℃之間，甚至到125℃之間工作。而商用晶片一般只能在0℃到70℃之間工作；

• 工作穩定性：車規級晶片需要能夠抵抗汽車運行過程中產生的各種干擾，如電磁干擾、電壓波動、振動衝擊等，而商用晶片一般只能在相對穩定的環境下工作；

• 不良率：車規級晶片需要有很低的不良率，目標達到0 DPPM（Defect Part Per Million，每百萬失效數），而商用晶片一般要求為100 DPPM左右；

• 功能安全：車規級晶片需要遵循ISO 26262等功能安全標準，保證在出現故障時能夠及時檢測、隔離和恢復，避免造成嚴重後果，而商用晶片一般沒有這樣的要求；

• 認證流程：車規級晶片需要通過ITAF16949等質量管理體系認證，以及AEC-Q系列產品質量認證，證明其符合汽車行業的要求，而商用晶片一般只需要通過普通的質量檢測。

正是因為以上原因，車規晶片的價格也會高於商規晶片。成本提升的主要原因來自於應用於車載時，所做的必要的質量控制與標準認證。

車聯網晶片的未來

車聯網後，智慧汽車可以利用先進的資訊通訊技術，實現車與車、車與路、車與人、車與雲等多方面的網路連接，提高交通安全、效率和智慧化水平。車聯網將是未來智慧汽車發展的大勢所趨。

在車聯網發展中，車聯網晶片也會隨之演進、最佳化，在未來車聯網晶片的發展中，我們看到有以下趨勢：

• 車聯網晶片的市場需求將持續增長，隨著5G、C-V2X等技術的推廣和應用，車聯網晶片需要支持多模雙通、高速率、低時延、高可靠性等特性，同時還需要滿足車規級的可靠性和安全性要求；

• 晶片廠與整車廠將有更多協同，隨著車聯網技術的發展，以及對車聯網技術的提升，目前「整車-T-Box-物聯網模組-射頻前端晶片」的車聯網產業鏈條太過冗長，未來可能出現整車廠與射頻前端晶片廠商直接協同，推進車載射頻連接技術快速發展的情況；

• 標準化將逐步完善，車聯網晶片需要遵循統一的標準和規範，以保證兼容性和互操作性，同時也需要支持標準的前向演進能力，以適應未來的技術變化和業務需求。目前車聯網晶片的標準在伴隨行業發展逐步演進中，車聯網晶片的標準也將逐步完善。

總 結

百年以來，通訊技術、電子技術的發展，將人類帶入了一下豐富多彩的智慧世界。在這個世界裡，電話、電腦、家用電器，這一切的物體，都在走向「移動」且「互聯」。

汽車也不例外，自發明之日起，汽車就是一個已經實現「移動」的大傢伙，但如何讓汽車也實現「互聯」卻是通訊從業者過去幾十年不斷努力的方向。

5G的到來，使行動通訊的關注點不再侷限於手機；汽車的電氣化也使智慧化、網聯化有了基礎。「車聯網」終於得以完整實現。

因為應用環境、功能需求、可靠性需求的不同，車聯網對用於通訊的射頻晶片也提出了更多不一樣的要求，射頻晶片廠商也在不斷地學習與提升，為車載應用提供更可靠、更便捷、更優性能的通訊晶片。

參考文獻：

[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協議再演進：慧智微3GPP提案正式立項，2022

[6].慧智微，車聯網，需要什麼樣的射頻晶片？，2022

[7].《蜂窩車聯網（C-V2X）技術與產業發展態勢前沿報告（2020）》，中國通訊學會白皮書（最終稿）, Nov，2020.

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

[9].佐思汽研，2022年C-V2X和車路協同行業研究報告

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

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