5G 车载通信板设计研究

邱 炯，陈金利，陈 捷

（三维通信股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

随着科技的快速发展，5G 技术已经逐渐渗透到人们生活的各个角落。特别是在智能交通系统领域，5G 技术的高速度、低延迟、大容量等特性为车载通信技术的发展提供了强大的支撑，开启了车联网的新时代。要想实现高效、安全、可靠的5G 车载通信，并将这种技术广泛应用于实际行驶的汽车，仍面临着许多技术挑战。因此，急需寻求一种高性能、低功耗、易于集成的5G 车载通信板。5G 车载通信板是车联网的核心部件，能够处理高速、大数据量的信息，并确保信息传输的实时性和准确性，从而实现车辆与外部环境的智能交互。文章设计一款能够满足高速性、低延迟、高可靠性以及低功耗等多重要求的5G 车载通信板，以提升车载通信的性能和稳定性。

1 5G 车载通信板设计思考

5G 车载通信板应该具有以下几种功能。第一，通信板应有能力以高速和高效的方式传输大量数据，如车辆的实时状态信息、车辆与外部设备或网络的交互信息等。第二，除传输数据外，通信板还应具备数据处理能力，能对传入的信息进行快速处理和反馈。第三，通信板必须具备与网络连接的能力，实现与云服务器、其他车辆或基础设施设备的通信。第四，考虑到车辆通信的安全性，通信板应具备安全防护机制，有效防止数据泄露或被恶意攻击。

基于相关功能标准，分析现阶段的车辆地面之间的通信现状，发现主要存在以下问题。第一，延迟问题。在现有的车地通信中，数据传输延迟较大。对于自动驾驶或车联网应用而言，延迟需要降低到毫秒级，以确保信息传输的实时性[1]。第二，可靠性问题。由于车辆在行驶过程中可能穿越不同的网络覆盖区，因此通信的稳定性和连续性必须得到保证。第三，安全性问题。随着车联网的发展，车辆数据的安全性问题越来越突出，如何防止恶意攻击，保护车辆数据的安全，是目前急需解决的重要问题。第四，大数据处理问题。随着车载设备和传感器数量的增加，车辆需要处理的数据越来越多。因此，需要寻求一种快速有效处理这些数据的方法，以提高数据处理效率。

通过对这些功能和问题的深入理解，可以更好地设计出满足需求的5G 车载通信板，解决现有问题，从而推动车联网技术的发展。

2 5G 车载通信板的设计

2.1 5G 车载通信板的性能指标设计

在设计5G车载通信板时，需要考虑多种性能指标，这些指标将直接影响车载通信板的性能和可靠性。

第一，数据传输速率。5G 车载通信板应具备高速的数据传输能力，以满足大数据和实时数据处理的需求。例如，在自动驾驶车辆中，需要实时处理大量的传感器数据[2]。5G 网络理论上的最大下载速度可以达到20 Gb/s，但实际使用中较为现实的期望值可能为100 ～900 Mb/s，下载速度取决于网络条件和设备能力。

第二，延迟。延迟是车载通信中的一个关键指标，特别是在需要实时反应的情况下。例如，自动驾驶车辆在遇到紧急情况时，需要实时反应车辆遇险情况，故要求通信板具有低延迟的特性。5G 网络的理论延迟可以低至1 ms，但是在实际应用中延迟可能为10 ～20 ms。

第三，可靠性。车载通信板在各种环境条件下都应保持高可靠性和稳定性，如车载系统在不同的网络环境、天气条件、车辆运行状态下都能保持稳定的通信性能。总体来说，车载通信板对可靠性的要求极高，如自动驾驶系统需要的系统可靠性高达99.999%[3-4]。5G 车载通信板的性能指标设计值对比如表1 所示。

表1 5G 车载通信板的性能指标设计值对比

2.2 5G 车载通信板的硬件架构设计

在设计5G 车载通信板硬件架构时，文章主要考虑的是实现高速、低延迟、高容量的数据通信，并满足车辆稳定运行的需求。基于此，采用了5G 模块、处理器、内存和存储、网络接口、电源模块以及通信模块等硬件结构。

第一，5G 模块。5G 模块是车载通信板的核心组件，负责实现5G 网络的连接和通信。常用的5G 模块包括美国高通公司发布的第二代5G 调制解调器及射频系统（X55）和最新推出的5G 调制解调器及射频系统（X60）、华为技术有限公司推出的5G 多模终端芯片Balong 5000。

第二，处理器。处理器是车载通信板的大脑，负责处理各种数据和指令。车载通信板通常会使用高性能的嵌入式处理器，如ARM Cortex 系列。

第三，内存和存储。内存和存储是两种不同类型的存储设备，内存用于存储正在处理的数据，而存储则用于长期存储数据。根据需求，可以使用静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM）、动态随机存取存储器（Dynamic Random-Access Memory，DRAM）、Flash 等不同类型的内存和存储设备。

第四，网络接口。网络接口用于连接各种网络设备，包括以太网接口、Wi-Fi 接口、蓝牙接口等。

第五，电源模块。电源模块负责为整个通信板提供稳定的电源。需要注意的是，车辆的电源环境可能会产生较大的波动，因此电源模块需要有良好的防护能力。

第六，通信模块。通信模块负责车载通信板与车辆其他系统之间的通信，如控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线、局部互联网络（Local Interconnect Network，LIN）总线等。

2.3 5G 车载通信板的主要电路模块设计

2.3.1 5G 车载通信板的电源模块设计

5G 车载通信板电源模块的设计十分重要，该模块直接影响着整个系统运行的稳定性和可靠性。电源模块的设计要素主要包括以下几部分内容。

第一，输入电压范围。车辆的电源环境可能会有大的波动，因此电源模块需要有较大的输入电压范围。例如，设计的电源模块为12 V的汽车电源系统服务时，输入电压需要为9 ～16 V。第二，输出电压和电流。输出电压和电流的设定取决于通信板的实际需求。例如，处理器可能需要3.3 V 的电源，而5G 模块可能需要更高的电源电压。第三，电源转换器。电源转换器用于将输入电压转换为所需的输出电压，如德州仪器公司的LM2596 系列降压转换器。该转换器支持高达40 V 的输入电压，最大3 A 的输出电流，且输出电压可调。第四，滤波和去耦电容。滤波和去耦电容用于减小电源噪声与稳定电源，一般使用10 μF和100 nF 的电解电容或陶瓷电容进行滤波与去耦。第五，保护电路。保护电路用于保护电源模块和通信板，使其免受电源环境的影响。例如，使用电源反接保护二极管，防止电源接反；使用瞬态电压抑制（Transient Voltage Suppression，TVS）二极管，防止电源过压。

2.3.2 5G 车载通信板5G 模块设计

5G 模块的主要作用是实现5G 网络的连接和通信。

第一，网络兼容性。5G 模块应该支持全球范围内的5G 频段，确保5G 车载通信板在不同地区都能正常工作。然而，兼容性不仅限于5G 网络。鉴于当前4G、3G，甚至2G 网络在许多区域仍是主要的移动通信网络，因此一个优质的5G 模块应能在5G 网络不可用时自动切换到低级网络。本次设计采用全球通用的5G 模块骁龙X55，能够兼容2G/3G/4G/5G 网络，以及各种5G 频段。其理论最大下载速率为7 Gb/s、上传速率为3 Gb/s。此外，该器件使用了先进的7 nm工艺，尺寸约为45 mm×51 mm。

第二，传输速率。5G 模块的传输速率对于车载通信系统的性能至关重要。在自动驾驶或高精度地图下载的应用场景中，需要传输大量的数据。高速的传输速率能够确保车载系统在短时间内接收到这些数据，从而提高系统的响应速度和运行效率。

第三，尺寸和功耗。尺寸和功耗也是设计5G 模块时需要考虑的重要因素。在车载环境中，空间和能源都是有限的，因此5G 模块需要尽可能小巧和节能。此外，功耗较低的模块通常会产生较少的热量，有助于提高系统的稳定性和可靠性。

2.3.3 5G 车载通信板以太网接口模块设计

5G 车载通信板的主要功能是提供车辆信息传输和远程控制。因此，该通信板系统通过以太网接口与车载控制单元相连，从而与车辆系统进行数据交互。以太网接口模块要满足高速数据传输、高稳定性和高可靠性要求，以确保能够实时传输车辆信息，实现可靠的远程控制[5]。

第一，物理接口。物理接口采用M12 工业级连接器（一种圆形接口，常用于工业环境中的传感器和执行器），具备防水、防尘以及抗震特性。第二，数据传输速率。以太网接口要支持1 Gb/s 的传输速率，因此选用以太网网络适配器X710。第三，协议支持。要使用支持传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的以太网控制器，如瑞昱公司的千兆以太网控制器RTL8111H。第四，可靠性。选用具备故障恢复机制和硬件加速特性的以太网控制器，如博通公司生产的千兆以太网控制器BCM5751。

通过设计以太网接口模块，能够稳定地传输车辆信息，实现远程控制和数据交互的功能。此外，该模块还具备防水、防尘以及抗震等特性，以满足车辆运行环境的要求。

3 结 论

通过研究并设计5G 车载通信板可知，5G 车载通信技术在解决车地通信问题、提升车载通信性能、实现车联网以及智能驾驶等方面具有重要的应用价值。然而，设计一个优质的5G 车载通信板并不容易，需要精确定位性能指标、合理设计硬件架构、精心组织电路模块。未来，将会有更多的研究者和工程师投身这一领域的研究与开发，共同推动5G 车载通信技术的进步，实现真正的车联网和智能驾驶。