星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书.pdf
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1、星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书2021年10月星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 前前 言言 汽车智能化、网联化呈现加速发展的趋势,新的车载应用场景和业务需求不断涌现。通信技术作为构筑智能信息交换与共享的基础技术,在智能网联汽车产业发展中承担着重要任务。一方面,通信技术的发展为车载应用场景的实际落地提供了有力支撑;另一方面,新的车载应用场景和需求的诞生,也推动着通信技术不断向前演进和发展。对于车内通信来说,在成本控制、汽车轻量化以及灵活部署等方面的诉求驱动下,部分基于车内有线通信的车载应用展现出无线化趋势。而车载应用的无线化也对传统无线短距通信技术在低时延、高可靠、精同步、高并发、高信
2、息安全和低功耗等方面提出更加严苛的需求。因此,亟需能够满足业务需求和发展趋势的无线短距通信技术。基于上述产业发展需要,星闪技术作为全栈原创的新一代无线短距通信技术应运而生,并且凭借其所能提供的卓越传输性能获得了产业广泛关注。星闪技术的标准化及产业化正在快速推进。本白皮书由星闪联盟和中国智能网联汽车产业创新联盟联合发起,充分发挥两个联盟在智能网联汽车与无线通信领域的行业影响力,组织来自汽车、通信、终端、芯片、信息安全、科研等领域的多家单位共同参与编写,旨在对星闪技术在智能网联汽车领域的应用给出深入分析,指导并推动星闪技术在汽车领域的规模商用。本白皮书从星闪技术诞生的背景、星闪技术标准体系和关键技
3、术、星闪技术的典型车载应用场景、产业发展现状及趋势等方面进行分析,为星闪技术在智能网联汽车领域的应用提供重要参考。星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 目录目录 1.引言.1 2.车内通信现状.2 2.1.传统车内通信技术介绍.2 2.2.产业无线化趋势及痛点.3 3.星闪技术介绍.4 3.1.概述.4 3.2.标准体系及关键技术.5 4.星闪在智能网联汽车领域的典型应用场景.8 4.1.车载主动降噪.8 4.2.无钥匙进入.9 4.3.车载免提通话.11 4.4.车机互联.13 4.5.无线电池管理系统.15 4.6.营运车辆全景环视.17 4.7.无线氛围灯.18 5.产业发展.20 5.
4、1.星闪技术发展现状与趋势.20 5.2.应用场景商用时间表.21 6.总结与展望.22 星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 1 星闪技术在智能星闪技术在智能网联网联汽车领域应用白皮书汽车领域应用白皮书 1.1.引言引言 智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置,融合现代通信与网络、人工智能等技术,实现车与 X(车、路、人、云等)智能信息交换、共享,具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能,可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶,并最终可实现代替人来操作的新一代汽车。在以人工智能、无线通信技术等领域为代表的科技革命与产业变革的推动下,汽车作为新技术应用的最佳载体之一,正在加
5、速智能化、网联化进程。从全球来看,智能网联汽车已成为汽车产业发展的战略必争之地,世界主要汽车生产国高度重视智能网联汽车发展,不断强化技术战略布局,积极提供良好的发展环境。我国智能网联汽车产业政策日趋完善、技术快速演进,产业化布局不断加速。随着智能网联汽车的不断发展,车载领域的新应用场景和业务需求不断出现。通信技术作为构筑智能信息交换、共享的基础技术,在产业发展中承担着重要任务。而新应用场景以及新需求的产生,也对通信技术提出了新的要求和挑战,特别是针对车内通信技术。随着产业发展的深入,对于车辆生产的成本控制、灵活部署、降低重量等诉求推动着车内通信从有线通信向无线通信的演进。同时,为了追求极致的性
6、能体验,新兴应用场景在传输速率、可靠性、时延、安全等方面的严苛需求也对无线通信技术提出了更高的要求。作为全栈原创的新一代无线短距通信技术,星闪无线通信技术(以下简称“星闪技术”)的诞生顺应了车内通信无线化的发展趋势。星闪技术主要由星闪联盟制定,针对包括汽车领域在内的关键应用场景及其需求,定义了从星闪接入层到基础应用层的端到端标准体系。作为核心的空口接入层技术,星闪技术提供了SLB(SparkLink Basic,星闪基础接入技术)和 SLE(Sparklink Low Energy,星闪低功耗接入技术)两种无线通信接口。两种接口技术面向不同的应用场景,其中 SLB 采用超短帧、多点同步、双向认
7、证加密、跨层调度优化等多项技术,具备低时延、高可靠、高同步精度、支持多并发和高信息安全的技术特点;SLE 采用 Polar 信道编码提升传输可靠性,减少重传节省功耗,同时支持最大 4MHz 传输带宽、最大 8PSK 调制,支持 1 对多可靠组播,支持 4KHz 短时延交互等特性。星闪技术凭借突出的传输性能满足了新兴车载应用的通信需求。星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 2 2.2.车内通信现状车内通信现状 2.1.2.1.传统传统车内车内通信通信技术技术介绍介绍 传统车内通信技术可以分为有线和无线两大类,其中有线通信技术主要包括CAN、LIN、FlexRay、车载以太、MOST 等,无线通信
8、技术主要包括蓝牙、WiFi和 UWB 等,各类技术的概述及特点如下:CAN,为控制器局域网(Controller Area Network),在 80 年代初为解决汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,CAN 总线不仅能简化车辆各电子控制单元的设计和安装,还减轻布线的重量并降低对空间的要求。LIN,为局部连接网络(Local Interconnect Nework),最初由 LIN 联盟提出,是一种低成本、串行通信网络,通信接口为 UART。LIN 分主节点和从节点,通过单线连接。作为 CAN 通信的补充,LIN 主要应用于通信带宽要求比较低的车身控制方面,如车
9、窗、座椅等。FlexRay,最初由 FlexRay 联盟提出,具有确定性、容错性、高速特点,主要应用在对误差容限和时间确定性要求极高的线控领域,如线控驱动、转向、制动等,但其成本和设施复杂度较高。车载以太网,是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术,与传统以太网使用 4 对非屏蔽双绞线电缆不同,车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现 100Mbit/s 以上的传输速率。MOST,为多媒体定向系统传输(Media Oriented Systems Transport),作为车辆一种多媒体应用通信技术,主要应用于车载多媒体和影音娱乐系统。蓝牙(Bluetooth),作为无线短距技术可用于车内通
10、信,由蓝牙 SIG 制定并发布。车载蓝牙系统以蓝牙技术为基础,主要功能是在车辆行驶过程中通过无线短距通信与用户手机相连,实现免提通话及部分车机交互功能。WiFi 是基于 IEEE802.11 标准的无线短距通信技术,由 WiFi 联盟所持有。车载 WiFi 目前的主要功能是面向座舱内的驾乘人员提供无线接入服务,用于信息娱乐、移动办公等。UWB,为超宽带无线通信技术(Ultra Wide Band),具有安全精密定位的特点,可应用于车辆无钥匙进入等场景的定位辅助。星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 3 2.2.2.2.产业无线化趋势及痛点产业无线化趋势及痛点 近年来,人们对汽车有了更多智能化、
11、网联化的需求,车载功能朝着类似于PC/Phone 等信息化智能设备的方向发展,其功能日益复杂多样化,也推动着车内通信技术的不断演变。在当前汽车的电子电气架构不断演进下,自动驾驶功能、座舱交互功能等不断丰富,高性能要求的控制器在增加,分布式 ECU 逐渐向集中式域控制器演进,传统车内有线通信技术存在诸多痛点:1.控制器数量的增加致使线束使用加长,引起线束成本的大幅增加,单车线束长度约 3-5km,重量超过 30kg,从而提高了整备质量,导致汽车能耗和碳排放的增长;2.线束的组装一直是智能汽车产业自动化升级过程中的瓶颈。目前线束安装强依赖于人工,线束安装的成本占人工成本约 50%,并且基于线束的车
12、载设备部署难以实现零部件的灵活升级,加大了后期的维护和升级成本;3.线束连接导致车内连接点数量显著增加。据估计中等豪华车平均连接点超过 4000 个,并且由于人工安装接插件,也不可避免地引入了可靠性风险。同时,当前线束基本工作在低频段,易受车载设备电磁干扰等影响,一定场景下有接插件失效风险。因此,为了有效满足车辆在制造生产过程中的成本控制、灵活部署、降低重量等方面的诉求,以无线通信替代部分有线通信完成数据传输和控制功能成为产业界发展重点。当前,电池管理系统、车载信息娱乐、全景环视、胎压监测等车载应用率先出现了末端连接的无线化需求,在提高生产和装配效率的同时,可大大降低线束接插件失效的风险,同时
13、带来了整车总布置的便利。与此同时,为了追求极致的驾乘体验,在智能网联汽车发展浪潮中催生的大量新兴应用,其对无线通信也提出了新的挑战。例如车载主动降噪业务为了实现车内静谧效果,采用主动构造反向噪声来对消车辆行驶中的发动机噪声、路噪和风噪,该技术要求噪音源麦克风到处理器再到头枕扬声器的端到端时延小于 100微秒,并且要求多传感器实现精准同步。此外,车内电子设备数量多,电磁环境复杂,对于无线短距通信系统的抗干扰能力也提出了更高的要求。因此,产业无线化的趋势下,如何满足业务在低时延、高可靠、精同步、高并发、高信息安全和低功耗等方面的需求成为亟待解决的问题。星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 4 综上
14、,在成本控制、汽车轻量化以及灵活部署等方面的诉求驱动下部分有线功能展现出无线化趋势,且车载应用功能无线化对现有无线短距通信技术在低时延、高可靠、精同步、高并发、高信息安全和低功耗等方面提出严苛需求。然而,现有主流无线短距通信技术,如蓝牙的速率和时延等劣势、WiFi 的异步和系统效率等问题、UWB 的成本和组网等短板导致其无法提供在智能网联汽车场景下低时延、高可靠、高安全和确定性服务质量的要求。行业和社会亟需更加匹配业务需求和发展趋势的无线短距通信技术,星闪技术在此需求背景下应运而生。3.3.星闪技术介绍星闪技术介绍 3.1.3.1.概述概述 星闪技术作为新一代无线短距通信技术,标准化工作主要在
15、星闪联盟进行。星闪标准体系主要由星闪接入层规范、基础服务层规范、基础应用层规范及其配套的支撑性规范构成。为了满足产业发展需求,星闪联盟识别包含智能网联汽车领域在内的应用场景及需求,并启动 Release 1.0 系列标准的制定,计划于 2021年底前完成系列标准发布。表 1 星闪端到端标准体系 序号序号 标准名称标准名称 分类分类 1 星闪无线通信系统 架构 架构 2 YD/T 无线短距通信 车载空口技术要求和测试方法 星闪接入层 3 星闪无线通信系统 接入层 低功耗技术要求 4 星闪无线通信系统 基础服务层 多域协调与管理 基础服务层 5 星闪无线通信系统 基础服务层 传输与控制 6 星闪无
16、线通信系统 基础服务层 设备与服务发现 7 星闪无线通信系统 基础服务层 QoS 架构与管理 8 星闪无线通信系统 基础服务层 5G 蜂窝网络融合技术 9 星闪无线通信系统 网络安全 通用要求 安全 星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 5 10 星闪无线通信系统 测试规范 接入层设备要求和一致性测试 测试 11 星闪无线通信系统 测试规范 接入层设备安全要求和一致性测试 12 星闪设备媒体接入层标识分配机制 地址分配 13 QC/T 车载专用无线短距传输系统技术要求和试验方法 车载应用及系统要求 14 JT/T 营运车辆全景环视系统技术要求和试验方法 3.2.3.2.标准体系及关键技术标准体
17、系及关键技术 3.2.13.2.1 星闪星闪技术技术系统架构系统架构概述概述 星闪 Release 1.0 的系统架构如下图所示:图图 1 1 星闪技术星闪技术 Release1.0Release1.0 系统架构示意系统架构示意图图 星闪技术标准框架由星闪接入层、基础服务层和基础应用层构成。3.2.23.2.2 星闪接入层星闪接入层 星闪接入层为上层数据提供无线通信传输。为了满足不同场景的需求,目前,星闪接入层可以提供两种无线短距通信接口(SLB 和 SLE)。星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 6 SLB(SparkLink Basic,星闪基础接入技术)的技术内容由中国通信标准化协会(C
18、CSA)制定的行标无线短距通信 车载空口技术要求和测试方法规定。SLB 使用正交多载波(OFDM)波形,支持极低时延无线帧,空口单向数据传输时延小于 20.833us(业界最低时延),单载波支持 20MHz 带宽,最大支持 16 载波共320MHz 带宽,最高速率支持编码速率 0.92 的信道编码、1024QAM 调制和 8 流多路并行传输,最深覆盖支持编码速率 1/8 的信道编码和 QPSK 调制。SLB 支持数据链路层数据透传模式,极大减小系统开销,提升系统多节点接入容量。SLB 支持优化的接入资源配置,支持多用户低时延接入系统。SLB 的相关标准化工作已经完成,性能指标评估结果参见表 2
19、。SLB 主要用于承载以车载主动降噪、全景环视、车载娱乐为代表的业务场景,其显著特征是低时延、高可靠、精同步和高并发等。表 2:SLB 性能评估结果 项目项目 性能指标性能指标 峰值速率峰值速率 G 链路峰值大于 900Mbps(单载波 20MHz 带宽)T 链路峰值大于 450Mbps(单载波 20MHz 带宽)时延时延 20us 可靠性可靠性 正确率大于 99.999%同步精度同步精度 1us(定时精度30ns)多用户能力多用户能力 支持 4096 用户接入 支持 1 毫秒内 80 用户数据并发 抗干扰能力抗干扰能力 Polar 数据信道编码 最小工作信噪比-5dB(相比传统短距实现覆盖增
20、益+3dB)邻频干扰抑制比大于 70dB 安全性安全性 高(双向认证,算法协调保障)SLE(Sparklink Low Energy,星闪低功耗接入技术)的技术内容在星闪联盟进行标准化,可提供低成本、低功耗的空口接入。SLE 使用单载波传输,带宽支持 1MHz、2MHz 和 4MHz,调制方式支持 GFSK、BPSK、QPSK 和 8PSK。相比现有低功耗无线短距技术,SLE 在相同深覆盖条件下可稳定支持 128kbps 音频传输,支持更高速率(峰值 12Mbps),支持无损音频传输,支持可靠组播传输,支持数百量级节点接入。SLE 的标准化工作将于 2021 年底完成,性能指标分析见表 3。星
21、闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 7 SLE 主要用于承载包括胎压监测、无钥匙进入、无线电池管理系统在内的具备低功耗要求的业务场景。表 3 SLE 性能指标 项目项目 性能指标性能指标 峰值速率峰值速率 支持 4.6Mbps 高保真无损音频 支持 12Mbps 数据传输 时延时延 支持 250 微秒完成一次交互 多用户能力多用户能力 支持 256 用户接入 网络覆盖及拓扑网络覆盖及拓扑 最小 SINR:-3dB;支持一对一单播及一对多组播;安全性安全性 高(双向认证,算法协调保障)SLB 和 SLE 两种技术面向不同的无线短距通信应用场景,互相补充并且将根据业务需求进行持续演进。3.2.33
22、.2.3 基础服务层基础服务层 基础服务层通过定义不同的功能单元可为上层车载应用功能提供模块化服务。从控制面角度,可以提供通用类短距服务和扩展服务。其中在 Release 1.0中可以支持的通用短距服务包括设备与服务发现、连接管理、QoS 管理、测量管理、安全管理等核心功能;扩展服务目前包括多域协调和 5G 融合等。用户面目前支持实时流、数据透传、数据广播、可靠传输等。整体架构基于底层接入技术特性及上层业务需求进行适配设计以及跨层优化,构建相比传统无线短距技术的独特竞争力。3.2.43.2.4 基础应用层基础应用层 基础应用层用于实现各类应用功能,服务于包括智能网联汽车领域在内等不同场景。星闪
23、技术在智能网联汽车领域应用白皮书 8 4.4.星闪在智能星闪在智能网联网联汽车汽车领域的领域的典型典型应用应用场景场景 4.1.4.1.车载车载主动降噪主动降噪 4.1.14.1.1 场景描述场景描述 随着智能网联汽车的发展以及技术的迭代进步,消费者对于驾乘体验的要求也在不断提升。通过车载主动降噪功能可以为驾驶员和乘客提供更加安全、舒适的座舱体验。从原理上看,车载主动降噪是通过车内扬声器发射反相声学信号来中和发动机噪声、路噪、风噪等噪声,实现车内全局或区域静场,达到消除或降低车内噪声的目的。具体的,部署于车内的多个车载麦克风负责采集车内噪声并传输至 ANC(Active Noise Cance
24、llation,主动噪声抑制)控制器单元生成反相噪声,然后反相噪声被发送至多个车载扬声器并分别播放出来,在头枕处形成噪声抵消声场,从而在座舱内实现主动降噪的效果。同时,头枕处的误差麦克风检测降噪效果并向 ANC 控制器反馈,以使降噪系统进行自适应的算法调整。图 2 主动降噪原理示意图 4.1.24.1.2 需求需求分析分析 为了实现车内良好的静谧效果,车载主动降噪系统存在以下业务需求:应支持至少 48kHz 音频采样,量化比特应不低于 16 比特,宜为 24 比特;端到端(麦克风到扬声器)时延应小于 100us;星闪技术在智能网联汽车领域应用白皮书 9 单向(麦克风到控制器,控制器到扬声器)时
25、延应小于 48KHz 采样周期(20.833us);传输可靠性应大于 99.999%;每路车载麦克风/扬声器的传输速率应大于等于 768kbps;应支持至少 12 路麦克风和 13 路扬声器上电时快速接入工作。4.1.34.1.3 通信方式通信方式 ANC 控制器作为中心节点,需要支持:ANC 控制器与多个参考麦克风以及误差麦克风的通信;ANC 控制器与多个扬声器的通信。4.1.44.1.4 产业分析产业分析 随着汽车动力由燃油向新能源的演进,打造安静的座舱环境变的越来越重要。电动化、网联化、智能化、共享化的“新四化”发展趋势也使得汽车座舱不再是一个独立的驾乘空间,越来越多的需求和元素进入座舱
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