Будущее ФСК в автономных системах связи

FSK была рабочей лошадкой цифровых коммуникаций в течение десятилетий, но ее роль в развивающемся мире автономных транспортных средств только начинает полностью осознаваться. Поскольку самоуправляемые автомобили приближаются к массовому развертыванию, системы связи, которые соединяют их - как друг с другом (V2V), так и с инфраструктурой (V2I) - должны быть чрезвычайно надежными, с низкой задержкой и устойчивыми перед лицом шума, помех и суровых радио сред. FSK с присущей ему надежностью и простотой все чаще признается в качестве ключевого строительного блока для этих автомобильных сетей следующего поколения. В этой статье рассматривается текущее состояние FSK в автомобильных приложениях, изучается, как он развивается, чтобы удовлетворить требования автономного вождения, и рассматривает технические и стандартизирующие проблемы, которые должны быть преодолены для его реализации.

Понимание ключа сдвига частоты (FSK)

FSK — это форма цифровой модуляции, где двоичные данные (0s и 1s) представлены дискретными изменениями частоты несущего сигнала. Классическая реализация использует две различные частоты: одну для двоичной «1» (частота знака) и другую для двоичной «0» (частота пространства). Этот метод прост в реализации как в аппаратном, так и в программном обеспечении, что является одной из причин, по которой он был так широко принят в недорогих беспроводных приложениях, начиная от открывателей гаражных ворот до удаленных систем ввода без ключа.

В отличие от амплитудной модуляции (AM), FSK не полагается на силу сигнала для передачи информации; приемник должен только обнаруживать частоту, а не абсолютный уровень мощности. В автомобильной среде, где сигналы могут быть ослаблены зданиями, транспортными средствами и погодой, это делает FSK значительно более надежным, чем схемы, которые зависят от амплитуды. Эта надежность особенно важна для критически важных коммуникаций, таких как сообщения об избежании столкновений или оповещения о аварийных транспортных средствах.

Кроме того, FSK относительно эффективен для пропускной способности для низких и умеренных скоростей передачи данных. Хотя он не может соответствовать спектральной эффективности более сложной модуляции, такой как квадратурная амплитудная модуляция (QAM), его простота уменьшает задержку - во многих сценариях нет необходимости в комплексном выравнивании или оценке канала. Для сообщений V2V с малым диапазоном и низкой задержкой это может быть решающим преимуществом.

Современные автомобильные приложения ФСК

FSK уже внедрена в несколько автомобильных систем сегодня, хотя часто в ролях, которые напрямую не связаны с автономным вождением. Понимание этих существующих приложений обеспечивает основу для того, куда движется технология.

Удаленная бесключевая вводная система (RKE) и пассивная вводная система

Одно из самых распространенных применений FSK в транспортных средствах - удаленный вход без ключа. Когда водитель нажимает кнопку на брелоке ключа, FSK-модулированный сигнал передается на приемник транспортного средства, который декодирует команду (блокировка, разблокировка, выпуск багажника). Низкое потребление энергии и простая конструкция приемопередатчика делают FSK идеальным для батареек. Многие современные системы также используют схему аутентификации с вызовом-ответом, где FSK-ссылка несет зашифрованные данные для предотвращения атак повторного воспроизведения. Это демонстрирует способность FSK обрабатывать безопасные, короткие вспышки связи - возможность, непосредственно передаваемая сообщениям безопасности V2V.

Системы контроля давления в шинах (TPMS)

Датчики TPMS, установленные внутри каждой шины, используют FSK для передачи данных о давлении и температуре на центральный приемник в транспортном средстве. Эти передачи происходят через регулярные промежутки времени (например, каждые 60 секунд) и являются короткими по продолжительности. Жесткая радиосреда внутри шины - металлические ремни, вращающиеся компоненты и сама шина - требует схемы модуляции, которая может проникать через препятствия и противостоять многолучевому затуханию. FSK, часто реализованный в диапазонах 315 МГц или 433 МГц ISM, хорошо работает здесь. Национальное управление безопасности дорожного движения США (NHTSA) предписывает TPMS на всех легких транспортных средствах, что делает это приложение массового рынка, которое снизило затраты и повысило надежность компонентов FSK.

Короткоскоростной радар и экстренная связь

Некоторые автомобильные радиолокационные системы малой дальности (например, для обнаружения слепых точек) также используют модуляцию FSK в рамках частотно-модулируемых схем непрерывных волн (FMCW). Кроме того, системы экстренной связи, такие как системы, используемые службами экстренного реагирования или для оповещений об инцидентах между транспортными средствами, иногда полагаются на FSK за его устойчивость к помехам от других радиоисточников в плотных городских условиях.

Эти существующие приложения доказывают, что FSK может соответствовать требованиям автомобильного класса для диапазона температур, вибрационной терпимости и электромагнитной совместимости. Они также подчеркивают присущую технологии простоту: инженеры-автомобилисты имеют многолетний опыт проектирования надежных систем на основе FSK, а цепочка поставок для приемопередатчиков FSK является зрелой.

Роль ФСК в автономных сетях связи транспортных средств

Автономные транспортные средства требуют уровня надежности связи и задержки, намного превышающего то, что обеспечивают современные информационно-развлекательные или удобные системы. Когда автопилоту необходимо получать сообщение «тормозной» от впереди идущего транспортного средства, особенно когда это транспортное средство не видно из-за кривой или интенсивного движения, сообщение должно быть доставлено в течение миллисекунд с почти нулевой потерей пакетов. FSK пересматривается для этих критических приложений не в качестве замены для высокоскоростных протоколов, а в качестве дополнительной, сверхнадежной связи.

Сообщения безопасности между транспортными средствами (V2V)

Выделенная короткодиапазонная связь (DSRC), работающая в полосе 5,9 ГГц, является основным кандидатом для V2V-коммуникаций во многих регионах. DSRC использует ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (OFDM) и может достигать скорости передачи данных до 27 Мбит/с. Однако OFDM сложна и может быть восприимчива к доплеровскому сдвигу на высоких скоростях транспортного средства. Исследователи изучают гибридные схемы, где простой канал на основе FSK используется для трансляции высокоприоритетных сообщений безопасности с низкой скоростью передачи данных (например, базовые сообщения безопасности, содержащие положение, скорость, заголовок), в то время как OFDM обрабатывает объемные данные, такие как обновления карты или информация о потоке трафика. Канал FSK может служить «наложением безопасности», которое работает даже тогда, когда первичная OFDM-связь ухудшается из-за помех или многолучевой передачи.

Одна из предлагаемых архитектур представляет собой двухрадиосистему: узкополосный приемопередатчик FSK для постоянно включенного маяка и широкополосный приемопередатчик OFDM для периодических высокопроизводительных обменов. Этот подход использует хорошо известное сопротивление FSK помехам соканала - растущая проблема, поскольку все больше транспортных средств оснащаются радиоприемниками.

Транспортное средство-инфраструктура (V2I) и управление движением

Светофоры, дорожные знаки и кабины взимания платы все чаще включают связь V2I. Теги на основе FSK (похожие на E-ZPass) использовались в течение десятилетий, но их роль расширяется. В будущих интеллектуальных перекрестках ссылка FSK от дорожного сигнала может транслировать свое фазовое время (зеленый / красный обратный отсчет) на приближающиеся транспортные средства. Поскольку FSK требует меньшей вычислительной мощности, эти передачи могут быть приняты простым интегрированным чипом в транспортном средстве, снижая стоимость и энергопотребление по сравнению с более сложными модемами. Это особенно привлекательно для модернизации существующей инфраструктуры без полного обновления до 5G или DSRC.

Устойчивость в неблагоприятных условиях

Автономные транспортные средства должны работать в дождь, туман, снег и тяжелый городской беспорядок. Амплитудный шумовой иммунитет FSK светит здесь. В сценариях, где миллиметровый радар (например, 77 ГГц) ухудшается из-за осадков, или где лидар затрудняется, низкочастотная FSK-связь может поддерживать базовую ситуационную осведомленность путем обмена сообщениями V2V. Кроме того, производительность FSK в многолучевых средах - где сигналы отражаются от зданий и вызывают отмены - может быть выше, чем у более сложных модуляций, если правильно спроектированы с частотным разнообразием или разнообразием антенн.

Интеграция FSK с 5G и C-V2X

Сотовый автомобиль-все (C-V2X), основанный на 5G NR, является конкурирующим стандартом для DSRC на многих рынках. C-V2X предлагает высокие скорости передачи данных и низкую задержку с использованием OFDM и расширенного кодирования. Однако модемы 5G потребляют много энергии и требуют значительной обработки базовой полосы. Интеграция маломощного приемника FSK вместе с модемом 5G может обеспечить функцию «бодрствующего радио»: канал FSK слушает короткое, простое сообщение пробуждения и активирует только энергоемкий модем 5G, когда требуется связь. Это может значительно продлить срок службы батареи датчиков, установленных на транспортном средстве, или придорожных устройств, что является ключевой проблемой для развертывания инфраструктуры.

Например, стандарт IEEE 802.11p (основа DSRC) может быть расширен с помощью канала управления на основе FSK. Между тем, 3GPP изучает «ультранадежные коммуникации с низкой задержкой» (URLLC), которые могут включать в себя более простую модуляцию для определенных типов трафика.

Внешние ссылки для дальнейшего чтения по интеграции 5G и стандартизации V2X можно найти на веб-сайте 3GPP и на портале ETSI Intelligent Transport Systems.

Проблемы, с которыми сталкивается ФСК в автономных системах

Несмотря на свои преимущества, ФСК не является универсальным решением. Перед тем, как она увидит широкое распространение в автономных транспортных средствах, необходимо решить ряд технических и рыночных проблем.

Ограниченная пропускная способность данных

FSK по своей сути является низко-умеренной модуляцией скорости. Для базовых сообщений безопасности, которые требуют всего несколько сотен байт в секунду, этого достаточно. Но автономным транспортным средствам также потребуется обмениваться картами высокой четкости, необработанными данными датчиков и скоординированными планами маневров, которые требуют мегабитов в секунду. FSK не может обрабатывать эти потоки с более высокой скоростью. Гибридные системы должны тщательно управлять, какие данные проходят по каналу FSK и какие проходят по высокоскоростным каналам, добавляя сложность в стек связи.

Интерференция и распределение спектра

FSK обычно работает в нелицензированных диапазонах ISM (например, 433 МГц, 915 МГц, 2,4 ГГц). Эти диапазоны переполнены Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee и бесчисленными другими устройствами. В то время как FSK устойчив к амплитудным помехам, он все еще может страдать от помех со частоты, если другое устройство передает на той же частоте. Для приложений автомобильной безопасности предпочтительнее выделенная, лицензированная полоса спектра. Текущие усилия по выделению 5,9 ГГц для V2X являются спорными, и поиск места для отдельной полосы FSK еще более сложны. Органы стандартов, такие как Международный союз электросвязи (ITU) изучают потребности в спектре для подключенных транспортных средств, но пока нет выделенной полосы для простых схем модуляции, таких как FSK.

Безопасность и аутентификация

Простота FSK может быть обоюдоострым мечом для безопасности. Простая частотная модуляция легче заклинивать или подделывать, чем сложные схемы с расширенным спектром или зашифрованные схемы. Для критически важных для безопасности сообщений шифрование и аутентификация должны применяться на более высоких уровнях, добавляя накладные расходы на обработку, которые могут свести на нет некоторые преимущества с низкой задержкой. Исследователи разрабатывают легкие криптографические протоколы, подходящие для каналов FSK, но они остаются экспериментальными. Стандарт SAE J2945 для безопасности V2V может обеспечить основу для интеграции безопасных ссылок FSK.

Для того, чтобы FSK стала глобальным поставщиком автономных транспортных средств, автопроизводители, поставщики чипсетов и поставщики инфраструктуры должны договориться об общих полосах частот, скорости передачи данных, форматах пакетов и протоколах. Сегодня автомобильные приложения FSK часто являются собственностью - каждый производитель использует другую частоту и битрейт для ключевых брелоков, например. Без стандартизированного профиля V2X FSK невозможно взаимодействие. Такие организации, как Автомобильный институт и органы стандартов работают над гармонизацией, но прогресс медленный.